风光互补直流LED路灯照明系统的设计

方益树

（铜陵市科学技术局，安徽 铜陵 244000）

1.概述

风能和太阳能作为一种清洁的可再生能源,受到世界各国的重视。风能和太阳能稳定性较差、能量密度低，随地理分布、季节不同变化较大，并受昼夜交替影响，风能和太阳能在时间上、季节上以及地理位置上都有较好的的互补性。白天阳光强,风小,晚上无阳光,风大。在夏季,太阳光强度大风小,冬季,阳光强度较弱,风力大,因此互补性好是风光复合发电的主要优点,可以提供更加稳定的电能[1]。太阳能独立发电的发电成本较高，有着较强的随机性,而风能发电成本较低,风光互补结合可共用一套设备,降低工程系统造价,降低运行成本，可在满足供电要求的情况下降低发电成本。

我国风光互补发电普及程度较低且应用项目较少,风光互补发电主要集中在偏远地区和常规电力不能送达的地区如青藏高原、内蒙古地区等。西安交通大学针对在设计风光互补发电系统中存在设备配置随意造成投资大等问题,提出“局部——整体法”作为风光互补发电系统的优化设计方法,并在气候资源上有很强可比性的两地区的具体系统设计上验证了该方法的运用;华东电力集团公司提出了风光互补旋风发电装置,从理论和逻辑上解决了可再生能源的离散性和非可控问题,跳出了风光互补发电资源限制的束缚,节省了大容量的蓄电设备;合肥工业大学设计了一套风光混合发电系统,并根据负载、风光资源、风电机组及光伏电池的成本与功率对该结构进行了优化设计,节约了一次性投资费用,为风光互补发电系统的优化设计提供了经验[2]，新疆军区69032部队运用计算机控制技术和大功率集成电路技术对风光综合电源系统进行了设计,实现了风能、太阳能、柴油机、蓄电池能源互补的一体化和智能化,可独立地向各种负载提供不间断的供电。华南理工大学提出一种基于分级模糊算法的互补发电场的能量管理控制系统[3]。

风光互补直流LED路灯照明系统利用可再生能源风能太阳能集中对道路路灯及小区、景观路灯等供电，具有节能、环保、美景之功能。经维普等检索，风光互补直流LED路灯照明系统目前国内尚无规模化应用先例。

2003年，作者研发出一种利用太阳能为城市小区路灯及楼道提供照明的“太阳能自动照明装置”（专利号：2003257388.X），在此基础上，进一步研发了“风光互补路灯照明系统”和“风能并网电能互补路灯照明系统”（发明专利号：CN200910144216.4）

2.风光互补直流LED路灯照明系统设计

传统的白炽灯的寿命不到2000小时，普通5mmLED在2000小时光衰在30%以上，到6000小时光衰达到50%，到10000小时后光衰为70%，基本上看不到光了。超高亮度LED却可以在10000小时时光衰 10%(流明维持率 90%以上)，50000小时光衰30%(流明维持率70%以上)，大功率LED的使用寿命时间曲线及其与白光φ5LED使用寿命时间曲线对比如图1和图2。

图1 大功率LED与白光φ5LED使用寿命时间曲线对比

图2 大功率LED使用寿命时间曲线

对于人眼而言,在同等照度下,LED路灯的亮度是普通钠灯的2.5倍。相应地,在达到同样亮度的条件下,LED路灯的照度只是普通钠灯的40%.经实际和理论测算,在亮度相同的条件下,LED路灯比普通钠灯节能50%～80%不等(各厂家水平不同)。并且,LED路灯的均匀性远高于普通钠灯,其色温也比普通钠灯好。LED路灯的发展速度很快,实验室已研制出功率高达150W的高亮度LED灯管,其前途不可限量。虽然现在LED灯管的成本较高,但其符合国家节能减排的大政方针,值得推广。

白光LED因为节能、环保的优点，正在成为取代传统电光源的最有潜力的下一代照明光源。但是普通封装的φ5白光LED的光衰非常严重，寿命只有几千小时，仅约为蓝光芯片封装的 φ5 LED 寿命的 1／10[4]。

φ5白光LED不能作为照明路灯的光源，必须使用1W及以上的大功率LED作为路灯光源。

风光互补直流LED路灯照明系统软硬件结构简称（图3）：

图3 系统软硬件结构简图

风光互补直流LED路灯照明系统有风力发电机组件、太阳能电池阵列、蓄电池组、系统智能控制器以及LED路灯等组成。

有风时风力发电机发电通过智能控制器对蓄电池充电储能，白天有阳光时太阳能电池发电通过智能控制器给蓄电池充电。智能控制器采用光控和时控方式控制路灯的点亮与熄灭。夜晚自动点亮路灯，天亮后自动关断路灯电源。智能控制器实现系统的全自动充放电功能。由于系统使用蓄电池储能，可确保路灯系统能正常照明。

风光互补路灯照明系统适用于风力资源较好的地区使用，它降低了风能太阳能发电的应用门槛，具备大规模推广使用价值。

风光互补LED路灯照明系统是针对一个小范围内的数十盏LED路灯采用风力发电机发电为主，太阳能发电作为补充，智能控制器集中控制给路灯供电。系统硬件结构如图4所示：

图4 系统硬件结构

采用8051处理器芯片及0808接口芯片等组成的主电路图（图5）：

图5 主电路图

系统中有六路采样信号输入，它们是：风力发电机输出电压和电流、光伏阵列输出电压和电流、蓄电池电压和输出电流，信号均为变化的直流信号。系统选用霍尔电压电流传感器分别采样。采样信号经过霍尔元件后变为电压信号，经过滤波后进入单片机A/D口处理。

来自A/D转换电路的控制信号经三极管放大进入光耦芯片，光耦输出通过三极管控制继电器触点的通断，分别用于风能发电、光伏发电对蓄电池的充电和蓄电池对负载供电的控制。控制输出电路及信号转换驱动输出。快速光耦芯片HCPL-4504。(图6)

图6 光耦芯片接线图

图7是系统主程序流程图。

图7 系统主程序流程图

3.风光互补直流LED路灯照明系统应用

铜陵地区属北亚热带湿润气候地区、四季分明，气候温和、光照充足，雨量适中、无霜期长、严寒期短。年平均气温16.2℃，年平均气压 101.13kPa，常年盛行风向：夏季主导风向西南风，冬季主导风向东北风；风速：最大风速24m/s，夏季风速 3.2m/s，冬季风速3.8m/s，年平均风速3.6m/s；降水量：年平均降水量1404mm，一小时最大降水量55.7mm。铜陵属于风力资源较好地区，适合使用风光互补系统发电。

小型“风光互补路灯照明系统”一般有几十盏LED路灯，总功率约为数千瓦，风力发电机选择几百瓦或几千瓦的小功率风力发电机，每个系统使用一台或几台组合。

太阳能直流LED路灯照明系统于2005年在铜陵一家公司投入生产，产品已经在省内外推广，项目获得2006年科学技术部中小企业创新基金。目前铜陵市获得较大范围的普及使用，如铜陵县山水人家小区路灯系统，中国南车集团铜陵车辆厂，铜陵县新农村建设示范村道路小区等使用，取得了很好的效果。

山水人家小区直流LED路灯照明系统，安装太阳能电池组件共1900W，小区共有LED路灯庭院灯共57盏、居民楼道等240盏，每杆路灯20W。楼道灯每盏1.2W。

山水人家小区直流LED路灯照明系统使用多年来极大地方便了小区居民的夜晚出行，取得了很好的照明效果，节约了大量的电能。目前新的LED路灯照明系统工程将加装风能发电部分，使用风光互补直流LED路灯照明系统。进一步提高绿色能源的利用率和LED路灯照明系统的使用效果。“风光互补路灯照明系统”参加了2009年铜陵市首届科技创新创意创业大赛，获得的一等奖。

[1]陈博.风光复合发电的初探[J].上海电力,2008,(2).

[2]张伯泉,杨宜民.风力和太阳能光伏发电现状及发展趋势[J].中国电力,2006,(6).

[3]杨宜民,张伯泉.基于多Agent的风力/太阳能互补发电场能量管理系统[J].电力自动化设备,2007,(8).

[4]林亮，陈志忠.白光 LED 的加速老化特性[J].发光学报，2005，26（5）.