風光互補LED路燈照明系統(tǒng)設計

付 靜， 姜廣軍， 李 丹， 黃 丹

（吉林建筑大學 城建學院，吉林 長春 136000）

風光互補LED路燈照明系統(tǒng)設計

付 靜， 姜廣軍， 李 丹， 黃 丹

（吉林建筑大學 城建學院，吉林 長春 136000）

本文介紹了一種風光互補LED路燈的設計方法，它是一種由風能和太陽能供電的離網照明系統(tǒng)，將解決目前路燈系統(tǒng)存在的諸多弊端，有著廣闊的前景.實驗證明，裝置運行平穩(wěn)，效果良好.設計的方法可以為其他的風光互補路燈設計提供有力的幫助.

風光互補LED路燈；光伏發(fā)電；風力發(fā)電

能源與環(huán)境問題已經成為可持續(xù)發(fā)展面臨的主要問題，日益引起國際社會的廣泛關注.在眾多的新能源領域中，風力發(fā)電和太陽能發(fā)電的開發(fā)和利用被首當其沖優(yōu)先發(fā)展，是當今國際上的一大熱點，因為風能和太陽能的利用，是不用開采、不用運輸、不用排放垃圾、沒有環(huán)境污染的技術，是保護地球、造福子孫后代的百年大計工程.自《中華人民共和國可再生能源法》頒布實施以來，包括太陽能、風能、生物質能等在內的可再生能源利用事業(yè)進入了新的歷史發(fā)展時期.《中華人民共和國可再生能源法》中明確規(guī)定：“國家扶持在電網未覆蓋的地區(qū)建設可再生能源獨立電力系統(tǒng)，為當?shù)厣a和生活提供電力服務.”這為我國可再生能源利用事業(yè)的進一步發(fā)展指明了方向[1-3].

近幾年來，我國城市路網和高速公路發(fā)展迅速，常規(guī)路燈必須用埋地電纜供電，如果照明線路延長，還需要設升壓系統(tǒng)，因此大部分遠離電源點的市郊公路和高速公路都沒有安裝路燈.風光互補路燈的出現(xiàn)避開了給路燈長途供電的弊端.由于受季節(jié)更替和天氣變化的影響，風能和太陽能都是不穩(wěn)定、不連續(xù)的能源，單獨的風力發(fā)電或太陽能光伏發(fā)電都存在發(fā)電量不穩(wěn)定的缺陷.但風能和太陽能具有天然的互補優(yōu)勢，即白天太陽光強，夜間風多；夏天日照好、風弱而冬春季節(jié)風大、日照弱.風光互補發(fā)電系統(tǒng)充分利用了風能和太陽能資源的互補性，是一種具有較高性價比的新型能源發(fā)電系統(tǒng)，有明顯的經濟效益和社會效益.

下面將以某一地區(qū)為例，提出一種風光互補LED路燈的設計方案[4].

1 風光互補路燈系統(tǒng)結構

圖1 風光互補照明系統(tǒng)組成

風光互補路燈系統(tǒng)通常由太陽能電池板、風力發(fā)電機、風光互補控制器、蓄電池、光源、卸荷電路等幾部分組成，如圖1所示[5].

2 本系統(tǒng)的設計要素

（1）充分利用風能、太陽能可再生能源，保證常年不間斷供電.

（2）適用的環(huán)境工作條件：溫度-15～45℃相對濕度95%；雨和沿海鹽霧；風速3～30m/s；瞬時極限風速40m/s；太陽輻射總量150kcal/cm2；年日照3000h.

（3）穩(wěn)定性保障：運行平穩(wěn)、安全可靠，在無人值守條件下能全天候使用.

（4）無電磁干擾：風力發(fā)電機及其充電控制器不會對周圍環(huán)境產生有害的電磁影響.

（5）產品質量保障：風力發(fā)電機組的設計、制造、產品質量執(zhí)行國家和行業(yè)有關標準，產品的質量保證體系符合標準GB/T19001—2000、ISO9001—2000的規(guī)定.

（6）太陽能電池符合1EEE1262—1995光伏組件測試認證規(guī)范、1EC1215晶體硅地面用光伏組件的設計質量認證和型式試驗、國家標準GB/T14007—92陸用太陽能組件總規(guī)范、GB/T14009太陽能電池組件參數(shù)測量方法[6].

（7）蓄電池組符合國家標準GB13337.1—91固定型鉛酸蓄電池的規(guī)定，而且經過已取得GB/T15481認證資格的檢測機構的測試.

（8）設備功率.

（9）全天候24h不間斷供電.系統(tǒng)總功率P=60W/85%=71W式中，為逆變和供電線路效率.

風力發(fā)電機額定功率為P1；太陽能電池組件板額定功率為P2，蓄電池組容量為C.根據安裝路燈地點的自然資源條件：風力發(fā)電機與太陽能電池組件同時不能發(fā)電的最大連續(xù)時間為3d；太陽能電池組件不能發(fā)電的最大連續(xù)時間為12d；風力發(fā)電機不能發(fā)電的最大連續(xù)時間為6d.

3 蓄電池組的確定

式中24—等號左邊的為蓄電池組充放電電壓，等號右邊的為每天24小時；

70%—蓄電池放電深度；

90%—蓄電池誤差余量.

已知P=60W/85%=71W；可得出C=338.09Ah

根據蓄電池的實際規(guī)格及盡量減少蓄電池數(shù)量的原則，取C=340Ah，實際配置為C=2V/340Ah蓄電池12塊×1組.

4 風力發(fā)電機功率的確定

在太陽能電池不能發(fā)電的天氣里，通常是連續(xù)陰雨天，此時風速和持續(xù)時間均大大超過年平均風速和時間，根據氣象資料及該站點的自然環(huán)境，在此取該時段內4級風（5.5～7.9m/s）4/h/d.

將C和P代入上式，計算得P1=318.9W.

根據風力發(fā)電機的規(guī)格及實際安裝和使用的可靠性，取P1=350W.實際配置為：1臺WV-02-350W風力發(fā)電機.

EV-02系列風力發(fā)電機有機械自動離合系統(tǒng)，擺脫了傳統(tǒng)風力發(fā)電機啟動風力要求高的束縛，使得在很小的風力條件下就可以啟動風力發(fā)電機，在風葉得到一定的轉速和慣性的時候，離合系統(tǒng)自動啟動帶動發(fā)電機發(fā)電，大大提高了風力發(fā)電機的發(fā)電效率，成倍增加了風力發(fā)電機的工作時間.EV-02系列風力發(fā)電機帶有自主偏航系統(tǒng)，在風力不大的情況下可以主動將迎風面對準風向，以得到最大的迎風面積，提高風力發(fā)電機的工作效率.

5 太陽能電池功率的確定

在風力發(fā)電機不能發(fā)電的天氣里，通常是連續(xù)晴天，而且每天日照時數(shù)大大高于年平均日照時數(shù)，根據氣象數(shù)據和站點的自然環(huán)境，取6h/A.

將C和P代入上式，計算得P2=141.2W.

根據太陽能電池的規(guī)格及安裝的方便美觀，取P2=200W，實際配置為：100W×2塊.

6 設備選型

設備選型如表1所示.

表1 設備選型

7 路燈桿的設計方案

風力發(fā)電機和太陽能電池組件是風光互補路燈的標志性組合，要保證風力發(fā)電機和太陽能電池組件能平穩(wěn)、安全的運行，同時也配合路燈燈桿的多樣化造型，應將風光互補路燈燈桿設計為自立式燈桿.風力發(fā)電機位于燈桿的頂端，太陽能電池組件位于燈桿的中部.

燈桿的強度設計應符合《城市道路照明工程施工及驗收規(guī)范》、《小型風力發(fā)電機技術條件》對燈桿、風力發(fā)電機塔管的要求，并且與風力發(fā)電機的固有頻率相差很大，可以抗12級臺風.燈桿的高度應根據安裝地點的地理環(huán)境來決定，保證風力發(fā)電機的使用不受影響.太陽能電池組件的安裝一般以不與風力發(fā)電機的風葉相干涉為準，同時要保證太陽能電池組件不被燈桿遮擋.燈具的安裝高度根據設計要求的照度確定.

8 結束語

風能、太陽能都是無污染的、取之不盡用之不竭的可再生能源，中小型風電和太陽能光電系統(tǒng)在我國已得到初步應用.風力發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電兩者完美的組合，為兩種新能源的規(guī)模化、產業(yè)化、市場化奠定了基礎.早期中小型風力發(fā)電機組在偏遠地區(qū)應用，自然條件好，成本低，造型不要求美觀，技術要求不高.轉入經濟發(fā)達的地區(qū)使用，自然條件相對較差，產業(yè)化較低，技術要求高，成本相對較高，造型要求美觀.隨著地區(qū)環(huán)境差異和需求差異較大，對風光互補發(fā)電技術的要求增加，如低風速啟動、低電壓儲能、抗強臺風、抗鹽霧腐蝕、智能化控制等一系列技術不斷地提上開發(fā)的歷程.在國家的大力扶持和風光互補路燈系統(tǒng)技術日臻完善的基礎上，未來人們將在大街上、道路上會看到一排排的風光互補路燈[7-9].

〔1〕周志敏，紀愛華.風光互補發(fā)電實用技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.9.

〔2〕陳維，沈輝，丁孔賢，鄧幼俊.太陽能LED路燈照明系統(tǒng)優(yōu)化設計[J].中山大學學報（自然科學版），2005，44（2）：95-98.

〔3〕楊金煥，汪征，陳中華.負載缺電率用于獨立光伏系統(tǒng)最優(yōu)化設計[J].太陽能學報，1999，20（1）：93-99.

〔4〕白雪峰，李沛，厲紅.風光互補LED路燈系統(tǒng)的設計[J].中國電力教育，2011（3）：154-155.

〔5〕李少林，姚國興.風光互補發(fā)電蓄電池超級電容器混合儲能研究[J].電力電子技術，2010，44（2）：12-14.

〔6〕張理，王春升.風能發(fā)電及風光互補發(fā)電系統(tǒng)在邊際油田開發(fā)中的應用研究[J].電力電子技術，2008，49（2）：185-190.

〔7〕郭鳳儀，周坤，姜麗麗，張鳳龍，屠宇.太陽能LED照明控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電工電能新技術，2012，31（3）：86-89.

〔8〕譚壯，郭山河，張秀芝，孫康，石有勝，侯焱紅，孫玉嬌.太陽能電池板在剪草機上應用的研究 [J].大學物理實驗，2012，25（1）：23-24.

〔9〕張?zhí)扈?新穎單相光伏并網逆變系統(tǒng)的仿真研究[J].長春工業(yè)大學學報，2008，29（4）：81-84.

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1673-260X（2014）12-0047-02