風光互補型智能路燈系統的研究

李繼光 雷江華

（鄭州輕工業學院 機電工程學院，河南 鄭州450002）

隨著科技的發展，生活質量的提高，我們消耗自然資源也越來越多，而且隨著自然界中一次性能源也越來越少，這樣就被迫我們要去尋找新的可替代能源。為了提高能源的利用率，我們就要尋求一種新能源的互補技術，合理的利用兩種或多種新能源互補運用的技術，這樣多種能源的互補在能源相對強烈的情況下把能量儲存起來，在能量相對弱的情況下把儲存的能量釋放出來合理地利用能量[1]。隨著地球資源的日益貧乏，基礎能源的投資成本日益攀高，各種安全和污染隱患無處不在，太陽能和風能作為一種“取之不盡、用之不竭”的安全、環保新能源越來越受重視。同時，也隨著這兩種能源技術的發展和進步，其相關產品在環保節能的雙重優勢，路燈、庭院燈、草坪燈等方面的應用已經逐漸形成規模，由此我們設計了風能和太陽能相結合-風光互補型智能路燈系統設計。

1 研制背景及意義

長期以來，人們就一直在努力研究利用太陽能。我們地球所接收到的太陽能，只占太陽表面發出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當于全球所需總能量的3-4萬倍，可謂取之不盡，用之不竭。其次，宇宙空間沒有晝夜和四季之分，也沒有烏云和陰影，輻射能量十分穩定。因而發電系統相對比地面簡單，而且在無重量、高真空的宇宙環境中，對設備構件的強度要求也不太高。再者，太陽能和石油、煤炭等礦物燃料不同，不會導致“溫室效應”和全球性氣候變化，也不會造成環境污染。正因為如此，太陽能的利用受到許多國家的重視，大家正在競相開發各種光電新技術和光電新型材料，以擴大太陽能利用的應用領域。特別是在近10多年來，在石油可開采量日漸見底和生態環境日益惡化這兩大危機的夾擊下，我們越來越企盼著“太陽能時代”的到來。從發電、取暖、供水到各種各樣的太陽能動力裝置，其應用十分廣泛，在某些領域，太陽能的利用已開始進入實用階段。

風力發電是一種主要的風能利用形式，風力發電已經開展了多年，隨著能源環境的變化和風力發電產業的成熟，未來幾年風力發電將呈現新的趨勢。隨著風力發電技術的改進，風力發電機組將越來越便宜和高效。增大風力發電機組的單機容量就減少了基礎設施的投入費用，而且同樣的裝機容量需要更少數目的機組，這也節約了成本。隨著融資成本的降低和開發商的經驗豐富，項目開發的成本也相應得到降低。風力發電機組可靠性的改進也減少了運行維護的平均成本。

以上我們所說的發電形式，無論是光伏發電還是風能發電，都不能在我國大多數城市進行單一實現，比如太陽光照在冬季的時候相對較弱，不能提供足夠的能量來發電；而風能在我國大多城市更是無法長久持續，城市氣候對城市中的風形成起到了較大的作用，使得風力發電出現了短缺，這就讓我們考慮是不是應該把兩種或兩種以上的新型能源結合形成一種復合式能源提供給我們，兩者互補，綜合利用，這就說到我們提出的風光互補型復合型能源。

2 設計方案

2.1 控制流程設計

無論是外界環境怎樣變化，風光互補能源供給系統都可作出優化的系統設計方案來滿足用戶的要求。應該說，風光互補能源供給系統是最合理的獨立電源系統。圖1就是風光互補能源供給系統的控制框架圖，我們可以從中了解到風電與光電相互結合的基本原理[2]。

圖1 風光互補能源供給系統設計圖

2.2 機械部分

圖2就是風光互補型智能路燈系統的機械設計圖，在機械設計中需要解決的問題有：

2.2.1 在保證機械結構的同時，保證連接的緊密性和傳動效率；

2.2.2 在實現其基本效果的同時，使結構盡量合理、簡單。

2.2.3 要實現傳統太陽能路燈功能的同時，更要實現其智能控制。

圖2 風光互補型智能路燈系統的機械設計圖

智能控制系統：

風光互補型智能路燈系統需要智能控制部分，其智能控制部分就是一個單片機控制電路系統，其包含兩部分內容：一是系統擴展，二是系統的配置，即按照系統功能要求配置外圍設備，要設計合適的接口電路[3]。系統的擴展和配置應遵循以下原則：

①盡可能選擇典型電路，為硬件系統的標準化、模塊化打下良好的基礎。

②系統擴展與外圍設備的配置水平應充分滿足應用系統的功能要求。

③硬件結構應結合程序設計方案一并考慮。考慮的原則是：軟件能實現的功能盡可能由軟件實現，以簡化硬件結構。

④系統中的相關元器件要盡可能做到性能匹配。

⑤可靠性及抗干擾設計是硬件設計必不可少的一部分。

⑥盡量減少外圍。系統器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統的穩定性[3]。因而在選擇器件上盡量的簡潔。

根據要求，分析出需要的功能有：具備時鐘功能、時間調節的調節、二極管（模擬路燈）的顯示功能、定時開燈關燈的時間調整功能、按鍵控制功能。

基于以上功能要求，我們決定使用AT89C51芯片，顯示器件選用數碼管和二極管，數碼管采用動態顯示方式來顯示指令，系統開關狀態通過二極管顯示。圖3為風光互補型智能路燈單片機控制系統結構框圖。

圖3 風光互補型智能路燈單片機控制系統結構框圖

2.3 自動控制系統設計

我們可從圖4風光互補型智能路燈的電路控制框架圖中分析控制原理，系統根據需要設計感受外界光照強度的反饋電路和路燈故障反饋電路，感受外界光照強度一般采用光敏電阻或光敏二極管，通過單片機來對路燈的開與關的設置，以及電能的蓄電補充采用光敏二極管感受外界光照變化，無光照時,有很小的飽和反向漏電流，二極管截止；光照時反向電流增大，形成光電流。采用光敏電阻對光源的感應改變自身電阻，由電壓比較器提取之間電壓，考慮到電阻變化的靈敏度，采用兩個光敏電阻串聯的方式，通過改變與光敏電阻串聯的電位器的值可以調節光敏電阻的感光范圍[4]。

圖4 風光互補型智能路燈的電路控制框架圖

3 性能分析

圖5

該風光互補型智能路燈系統工作原理：利用自然風作為動力,風輪吸收風的能量,帶動風力發電機旋轉,把風能轉變為電能,經過控制器的整流,穩壓作用,把交流電轉換為直流電,向蓄電池組充電并儲存電能。利用光伏效應將太陽能直接轉化為直流電，供負載使用或者貯存于蓄電池內備用。

圖6

4 創新點及應用

①節能環保，無紫外線、紅外線和汞污染，符合ROHS要求；

②內置隔離低壓恒流驅動，安全、穩定、可靠；

③可頻繁開關啟動,無閃爍和眩光的現象；同時顯色性能好；抗震性能強；

④外觀輕盈，款式新穎，便于安裝和運輸

⑤維修成本低，一個路燈損壞時不影響其他路燈正常使用。

⑥可靠性高、使用年限長。

圖7 模型圖

該風光互補型智能路燈系統適用于各類型道路照明：高速路、主干路及迎賓路、通向政府機關和大型公共建筑的主要道路、偏遠山區等難以實現遠距離輸電和控制的地區。

5 市場前景

目前，隨著地球不斷的惡化，節能環保問題己經成為世界各國共同面對的重要問題，開發新能源和可再生清潔能源是21世紀世界經濟發展中最具決定性影響的五項技術領域之一，充分開發利用太陽能和風能是世界各國政府可持續發展的能源戰略決策[5]。面對能源的急缺與全球性的金融危機,眾多國家紛紛制定雄心勃勃的發展規劃,推動相關節能技術和產業的發展。各國可再生能源法的頒布、快速發展的光伏屋頂計劃、各種減免稅收政策和補貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價格,為這兩類能源市場的發展提供了了良好的基礎。

基于太陽能和風能供給能源的相關產品不斷大量應用，以及其生產成本不斷的降低，利用風能和太陽能已經是大勢所趨[6]。我們設計的風光互補型智能路燈系統利用風能、太陽能進行雙重供電，大大減少了對電能的依賴，同時節能，環保，可靠性高，使用成本低廉，因此具有良好的市場前景。

［1］太陽能利用協會.新編太陽能產品設計與太陽能利用新技術工藝實務全書［M］.北京：中國科技文化出版社，2007.

［2］馬文會，戴永年，楊斌,等.加快太陽能級硅制備新技術研發，促進硅資源可持續發展［J］.中國工程科學，2005（增刊）：91-94.

［3］胡雅伶.太陽能路燈在道路照明設計中的應用［J］.有色冶金與研究，2010，（3）：25-27.

［4］姜祥元.太陽能路燈的設計與應用［J］.福建建筑，2008（7）：95-97.

［5］CJJ45-2006，城市道路照明設計標準［S］.

［6］胡雅伶.太陽能路燈在道路照明設計中的應用［J］.有色冶金與研究，2010，31（3）：25-27.

［7］太陽能路燈：前景廣闊問題尚存［J］.中國照明電器，2008（10）：40-40.