太阳能绿色环保节能技术在航道船闸照明上的应用.docx

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太阳能绿色环保节能技术在航道船闸照明上的应用

太阳能绿色环保节能技术在航道船闸照明上的应用

江苏省镇江市航道管理处徐喆镇江【212003】

[摘要]本文简要介绍了航道船闸应用太阳能绿色环保节能技术开展照明改造的工作原理和设计思路，对太阳能在船闸闸室照明及闸区引航道路灯照明上的需求和应用做了详细的说明和分析，并提出了目前太阳能技术在船闸应用中存在的问题及解决方法。

[关键词]船闸节能环保太阳能照明

一、前言

随着水上运输市场的繁荣，苏南运河货运量的连年攀升，内河船舶船型也逐年增大，借着国家加大水运交通的建设投入的契机，江苏全省开展了高等级内河航道的建设工作，全省各地市都迅速出台了加快水运发展意见。

镇江航道坚持以科学发展观为统领，集中力量投入到苏南运河“四改三”重点工程建设中。

航道拓宽加深了，能进更大更多的船了，但口门船闸的设计通过量是一定的，目前基本达到了饱和状态，为了航运过闸的顺畅和更替大修的需要，加快各地域复线船闸的设计建设工作尤为必要。

以谏壁船闸为例，目前二线船闸，实行24小时运行，而船闸夜间的闸室照明及闸区引航道路灯的照明对用电量的需求十分巨大。

三线船闸的设计建设应能充分利用现有技术，解决传统电气系统的不足。

本文通过应用太阳能技术在船闸改造闸室照明和闸区引航道路灯的方法提出了一种较好的解决方案，并对太阳能照明在船闸的应用做了具体详细的分析。

在我国能源中煤炭占７０％以上，石油及天然气占２８％，开发和利用新能源是当前发展国民经济的急需，而太阳能是取之不尽，用之不竭的能源。

而我国的发电70％以上都是由燃煤的火力发电厂产生的。

看来关键还是从政府到老百姓都要建立起发展低碳环保产业的意识，鼓励提高低碳科技的投入和应用，而实际上科技应用上的投入远低于基础设施建设的投入。

图1.我国的太阳能资源

由图中可见，我国的东南沿海地区是比较差的，但平均日辐射量也可以达到每平方米3.2-3.8KW，也已经足够一个家庭的供电了。

而2/3以上国土年总日照量>5GJ/M2，理论储量相当于1.7万亿吨标准煤。

谏壁船闸地处江苏省镇江市，在北纬32度上，年平均日照时间约1900小时。

目前国际上很多德国家庭都已经开始在屋顶上安装太阳能电池板以供应整个家庭的用电，而德国一般城市年平均日照只有1600小时，可见德国公民对环保意识的浓厚。

2010年上海世博会的部分国家展馆也都应用了环保节能低碳的新能源技术，可见全球各国对环保低碳社会的重视程度。

二、关于谏壁船闸闸区夜间照明路灯的改造

2.1船闸路灯现状

船闸闸区及引航道夜间照明主要是为了保证工班人员和船民们的生产生活安全，目前路灯照明灯具以高压钠灯为主，在路灯上的总体电能消耗常年居高不下，电费支出较多。

路灯上的省电方式一是采用智能化的灯光管理系统，使沿线路灯间隔性点亮或明暗相间；二是采用革新的自主新能源供电的新型路灯。

以下详细阐述采用太阳能绿色能源的单体式LED照明光源路灯。

2.2太阳能路灯应用的可行性

太阳能最简单的应用是产生热水，其次是发电。

而发电的一个很重要的应用是照明,中国的照明用电占全部电能耗费的12％。

大型的太阳能光伏电站的建设成本很高，而且大功率太阳能电池板要占用很大的无遮挡面积，所以太阳能照明最好的实现方法是和发光器件结合在一起，构成独立的照明装置。

目前市场上太阳能LED路灯已经成为成熟产品。

因为普通的路灯需要铺设很长的输电线路，而且随着距离的增加，电压会逐渐降低，过一定距离还要用变压器升压，其电源线路的铺设要投入很高的费用，而太阳能路灯则不然。

因为每一根路灯杆都是独立的，不需要铺设输电线路，这就大大降低了架设的费用。

而且LED的发光效率远高于白织灯和高压钠灯，虽然从数字上比不过高压钠灯（高压钠灯的发光效率为132流明/瓦，而LED只有90流明/瓦），但是LED的发展潜力很大。

表1是各种灯具的发光效率的比较。

高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低只有2000－2500K，而LED的色温较高，可以达到3500－4500K以上。

另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达照射面，且高压钠灯的显色指数差，只有20到40，色彩感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75－80，所以照射面明亮，色彩感觉舒适。

100W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。

100W的LED，其输出光通量大约只有6250流明（经过二次光学设计，会有所损失），到达路面时的流明数仍为6000流明，而路面的平均照度可以达到16Lux（12m高杆）。

250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。

但到达路面的流明数就只有7000流明。

路面的照度大约为30－40Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。

所以100W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为28.2-37.6。

二者相当。

所以，100W的LED可以取代250W的高压钠灯，LED可以节能2.5倍。

此外，LED的寿命长，不需要经常更换。

高压钠灯设计寿命2万小时，由于受电压变化及高启动电流的影响，实际寿命在2年以下。

所以其实际寿命通常只有4000小时，假定每天工作10小时，只能工作400天，一年多一点就要更换；而大功率LED的寿命为50,000小时，假定每天工作10小时，13.7年才需要更换。

这就大大节省了维护费用。

2.3太阳能灯具的构成

太阳能灯具由5个部分组成，即太阳能电池、蓄电池、控制装置、驱动芯片和LED灯头。

通常太阳能电池板挂在高杆上，充放电控制器和铅蓄电池放在地面的控制箱内，驱动芯片和LED都装在灯头里。

其中充放电控制器只能控制对蓄电池的充电和放电的过程和定时（或光控）向LED供电。

2.4LED灯具的技术特性

2.4.1LED的选择

因为LED的发光效率还比较低，大约有85％的电能都转化为热能。

为了能够分散这些热量，不宜采用功率过大的LED。

目前LED的发光效率最高可以达到85－100流明/瓦。

2.4.2二次光学设计

目前所有LED都带有小型透镜，使其光束集中在80度左右的角度范围内，为了使得路面的照度能够宽阔均匀，通常都对其进行二次光学设计。

最理想的是符合三角型的照度曲线，但是事实上难以实现，因此通常采用蝙蝠翼型曲线（图4）。

2.4.3LED的散热

LED有85％的电能都转化为热能，这些热能如果散不出去，就会反过来影响到其发光性能，严重的影响到LED的寿命。

它的具体表现就是结温的上升。

虽然随着成品LED的效率逐年提升，这个问题会逐渐缓解，但就目前还是需要尽可能做好散热措施。

目前最普通的做法就是采用尽可能大的铝制散热器。

这虽然可以解决一些问题，但是会带来散热效果和重量之间的矛盾。

现在最新的方法是采用“回路热管”技术。

这种方法可以既有非常好的散热效果，还能够保持很轻的重量，解决了LED灯具高温缩短使用寿命的问题。

2.5LED灯具的恒流驱动

作为一种光源，LED的最大缺点就是它的发光不稳定，对电压和温度的灵敏度很高。

所以一定要采用恒流驱动，来克服它的发光不稳定。

在太阳能路灯中，主要采用铅蓄电池来储存太阳能。

而实际应用中铅蓄电池的输出电压不足够稳定，需要采用恒流驱动来驱动LED。

不论哪一种蓄电池它的输出电压都会随着放电而逐渐降低，在整个放电过程中，其输出电压的变化高达20％左右。

如果将其直接对LED加电，会使LED的亮度产生很大的变化，甚至达不到光照度要求。

铅蓄电池的放电曲线如图6所示。

假定初始的电压为3.4V，这时的正向电流为350mA。

假如电压降低到3.1V（10％），这时的电流就不到100mA,降低了将近3.5倍。

而LED的发光亮度是直接和其正向电流有关的。

如图8所示。

从LED的电压特性和温度特性中，可以得出结论，一定要采用一个集成电路来控制LED的电流,使其不论在电池电压降低或是环境温度升高时都能保持正向电流恒定。

2.6小结

综上所述，LED太阳能灯具可以成熟的应用于船闸闸区照明及引航道照明上。

其应用不仅能提高电能利用效率和节约电费的开支，而且更具有环保低碳的推广意义。

三、关于船闸闸室照明的改造

3.1闸室照明的基本要求

因闸室照明需求较高，照明不良或照明死角都会造成安全隐患，甚至会导致船舶碰撞闸门或闸门夹船的事故发生。

在综合比较现有光源的照明参数后，采用可变频的太阳能高压钠灯能符合系统应用的要求，高压钠灯是继白炽灯、高压汞灯之后的第三代代表性节能新光源，广泛应用于大面积室外照明。

根据船闸电气系统规范要求和谏壁船闸实际需求，在进行照明设计时，太阳能板和电池组必须满足为功率500W的照明系统供电，和连续阴雨3天情况下的照明供电需求。

3.2照明系统设计

该系统不同于闸区路灯，由于其特殊的光照强度和耗电量需求，故需建设小型的太阳能光伏电站进行电能的储备。

船闸往往距市区较远，常年阳光充足，光线无遮挡，为建设太阳能光伏电站系统提供了有利条件。

太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）及逆变器组成。

白天，在良好光照下，太阳能电池产生一定的电动势，通过相互间的串并联形成太阳能电池组，使得组电压达到系统输入电压的要求。

再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。

夜间，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。

蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。

本系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

结合谏壁船闸实际，本系统设计选用4节12V（100AH）蓄电池串联成48V蓄电池组（100AH），选用输出电压为17V的太阳能电池板作为充电组件，由于17V组件需4块串联对48V电池充电，因此太阳能电池组的串联数为4块。

本系统设计时参考选用S-120D型多晶硅太阳能板，其标准工作电流为7.06V，功率为120W。

3.3系统计算

根据照明功率为AC500W，每日工作时间为10小时，得出

负载功率（每日耗电量）=500×10=5000WH=104AH

电池容量=104×3÷0.7=445.7（按照连续阴雨3天计算，0.7为放电深度）

计算所需太阳能电池的总充电电流为：

104AH×1.02/（3.9467h×0.9×0.8）=37.33A（其中：

0.9为蓄电池的充电效率；0.8为逆变器效率；1.02为20年内太阳能电池衰降、方阵组合损失、尘埃阻挡等综合系数；3.9467为南京地区日照时数）

计算所需太阳能电池的并联组数为：

37.33A÷7.15A/块=5组

计算所需太阳能电池的总功率为：

5×4×120瓦=2400瓦

计算所需蓄电池组的数量为：

445.7÷100=5

根据上述计算得出，需S-120D型太阳能电池板20块，12V100AH免维护铅酸蓄电池20节。

3.4系统节能

一个好的节能照明设计将大大提升照明的质量。

照明节能可采用半夜灯，即在后半夜船舶通过量较少，亮度不需要太高的情况下，可采用熄灭部分照明（采用隔盏熄灯方式），以达到节约电能的目的。

另一种更好的方案是采用全数字智能路灯节能控制技术，即智能光源降压—稳压—调光技术。

这种节能降压技术能使闸室照明光源输入电功率与实际照度要求达到最佳匹配，在调光的同时大幅度降低电耗，节约有功电耗一般能达30%以上，而且稳定电压，延长了灯具使用寿命。

四、太阳能设备在船闸应用存在的问题及解决方法

目前太阳能板等设备成本还是较高，蓄电池的维护也需要维护资金的支持，航道部门和船闸实施该项目的资金缺口较大。

该系统实际应用在船闸的闸室照明和船闸路灯上有很好的功能预期和成果。

期望随着国家对低碳和新能源技术应用的支持，以及航道科技建设养护资金充足配给的情况下，逐渐提上建设的议事日程。

使用寿命参考值如下：

太阳能电池组件