付 靜， 姜廣軍， 李 丹， 黃 丹

（吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院，吉林 長春 136000）

風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計

付 靜， 姜廣軍， 李 丹， 黃 丹

（吉林建筑大學(xué) 城建學(xué)院，吉林 長春 136000）

本文介紹了一種風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈的設(shè)計方法，它是一種由風(fēng)能和太陽能供電的離網(wǎng)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(shí)驗(yàn)證明，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，效果良好.設(shè)計的方法可以為其他的風(fēng)光互補(bǔ)路燈設(shè)計提供有力的幫助.

風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈；光伏發(fā)電；風(fēng)力發(fā)電

能源與環(huán)境問題已經(jīng)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(guān)注.在眾多的新能源領(lǐng)域中，風(fēng)力發(fā)電和太陽能發(fā)電的開發(fā)和利用被首當(dāng)其沖優(yōu)先發(fā)展，是當(dāng)今國際上的一大熱點(diǎn)，因?yàn)轱L(fēng)能和太陽能的利用，是不用開采、不用運(yùn)輸、不用排放垃圾、沒有環(huán)境污染的技術(shù)，是保護(hù)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(shí)施以來，包括太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等在內(nèi)的可再生能源利用事業(yè)進(jìn)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(wǎng)未覆蓋的地區(qū)建設(shè)可再生能源獨(dú)立電力系統(tǒng)，為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)和生活提供電力服務(wù).”這為我國可再生能源利用事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展指明了方向[1-3].

近幾年來，我國城市路網(wǎng)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(shè)升壓系統(tǒng)，因此大部分遠(yuǎn)離電源點(diǎn)的市郊公路和高速公路都沒有安裝路燈.風(fēng)光互補(bǔ)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(fēng)能和太陽能都是不穩(wěn)定、不連續(xù)的能源，單獨(dú)的風(fēng)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(fēng)能和太陽能具有天然的互補(bǔ)優(yōu)勢，即白天太陽光強(qiáng)，夜間風(fēng)多；夏天日照好、風(fēng)弱而冬春季節(jié)風(fēng)大、日照弱.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)充分利用了風(fēng)能和太陽能資源的互補(bǔ)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(jīng)濟(jì)效益和社會效益.

下面將以某一地區(qū)為例，提出一種風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈的設(shè)計方案[4].

1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)照明系統(tǒng)組成

風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)通常由太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、風(fēng)光互補(bǔ)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(shè)計要素

（1）充分利用風(fēng)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(fēng)速3～30m/s；瞬時極限風(fēng)速40m/s；太陽輻射總量150kcal/cm2；年日照3000h.

（3）穩(wěn)定性保障：運(yùn)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(fēng)力發(fā)電機(jī)及其充電控制器不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生有害的電磁影響.

（5）產(chǎn)品質(zhì)量保障：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計、制造、產(chǎn)品質(zhì)量執(zhí)行國家和行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品的質(zhì)量保證體系符合標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)證規(guī)范、1EC1215晶體硅地面用光伏組件的設(shè)計質(zhì)量認(rèn)證和型式試驗(yàn)、國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)GB13337.1—91固定型鉛酸蓄電池的規(guī)定，而且經(jīng)過已取得GB/T15481認(rèn)證資格的檢測機(jī)構(gòu)的測試.

（8）設(shè)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jù)安裝路燈地點(diǎn)的自然資源條件：風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jù)蓄電池的實(shí)際規(guī)格及盡量減少蓄電池數(shù)量的原則，取C=340Ah，實(shí)際配置為C=2V/340Ah蓄電池12塊×1組.

4 風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)速和持續(xù)時間均大大超過年平均風(fēng)速和時間，根據(jù)氣象資料及該站點(diǎn)的自然環(huán)境，在此取該時段內(nèi)4級風(fēng)（5.5～7.9m/s）4/h/d.

將C和P代入上式，計算得P1=318.9W.

根據(jù)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的規(guī)格及實(shí)際安裝和使用的可靠性，取P1=350W.實(shí)際配置為：1臺WV-02-350W風(fēng)力發(fā)電機(jī).

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

5 太陽能電池功率的確定

在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jù)氣象數(shù)據(jù)和站點(diǎn)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(jù)太陽能電池的規(guī)格及安裝的方便美觀，取P2=200W，實(shí)際配置為：100W×2塊.

6 設(shè)備選型

設(shè)備選型如表1所示.

表1 設(shè)備選型

7 路燈桿的設(shè)計方案

風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池組件是風(fēng)光互補(bǔ)路燈的標(biāo)志性組合，要保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池組件能平穩(wěn)、安全的運(yùn)行，同時也配合路燈燈桿的多樣化造型，應(yīng)將風(fēng)光互補(bǔ)路燈燈桿設(shè)計為自立式燈桿.風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(qiáng)度設(shè)計應(yīng)符合《城市道路照明工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》、《小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)條件》對燈桿、風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔管的要求，并且與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的固有頻率相差很大，可以抗12級臺風(fēng).燈桿的高度應(yīng)根據(jù)安裝地點(diǎn)的地理環(huán)境來決定，保證風(fēng)力發(fā)電機(jī)的使用不受影響.太陽能電池組件的安裝一般以不與風(fēng)力發(fā)電機(jī)的風(fēng)葉相干涉為準(zhǔn)，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(jù)設(shè)計要求的照度確定.

8 結(jié)束語

風(fēng)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(fēng)電和太陽能光電系統(tǒng)在我國已得到初步應(yīng)用.風(fēng)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(chǎn)業(yè)化、市場化奠定了基礎(chǔ).早期中小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在偏遠(yuǎn)地區(qū)應(yīng)用，自然條件好，成本低，造型不要求美觀，技術(shù)要求不高.轉(zhuǎn)入經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)使用，自然條件相對較差，產(chǎn)業(yè)化較低，技術(shù)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(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的要求增加，如低風(fēng)速啟動、低電壓儲能、抗強(qiáng)臺風(fēng)、抗鹽霧腐蝕、智能化控制等一系列技術(shù)不斷地提上開發(fā)的歷程.在國家的大力扶持和風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)技術(shù)日臻完善的基礎(chǔ)上，未來人們將在大街上、道路上會看到一排排的風(fēng)光互補(bǔ)路燈[7-9].

〔1〕周志敏，紀(jì)愛華.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電實(shí)用技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.9.

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1673-260X（2014）12-0047-02