基于LED的风光互补路灯系统设计

浦振托，赵 斌

（1.江苏省风光互补发电工程技术研究开发中心，南通 226007；2.江苏工程职业技术学院，南通 226007）

基于LED的风光互补路灯系统设计

浦振托1，2，赵 斌1，2

（1.江苏省风光互补发电工程技术研究开发中心，南通 226007；2.江苏工程职业技术学院，南通 226007）

介绍了风光互补路灯系统的工作原理，并以LED为电光源，给出了风光互补路灯系统的设计步骤及要点。根据北京佛爷顶地区的具体资源条件，围绕系统要求，以实际案例，给出了风光互补LED路灯系统的设计过程及系统配置要求。

风光互补；风力发电；太阳能；LED路灯

太阳能与风能在时间和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。夏季，太阳光强度大而风小；冬季，太阳光强度弱而风大。太阳能和风能在时间上的互补性使风光互补发电系统在资源上具有较好的匹配性，同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理，因而风光互补发电系统是资源条件较好的独立电源系统[1-3]。

1 风光互补路灯系统原理及特点

图1 风光互补路灯系统原理框图

如图1所示，风力发电机和太阳能电池组件通过智能控制器给蓄电池充电，然后由智能控制器根据预先设定的方式智能控制路灯开启、关闭，这类系统具有如下特点：①效益好。常规路灯系统必须用埋地电缆供电，随着距离的延伸，线路上消耗的电能多，建设成本高。风光互补路灯系统不需要埋地电缆，无须架线，安装成本低，维修方便，无须专人控制和管理，具有明显的经济效益和社会效益。②清洁能源。风光互补路灯系统使用的是风力资源和太阳能资源，符合绿色环保要求，无污染、无辐射，在环境条件日益恶化的大形势下，发展风光互补路灯系统，社会效益非常明显。③安全性好。风光互补路灯系统给蓄电池充电，采用的是风力和太阳能发电所发出的直流电，而且是低压的，是最安全的电源。④互补性强。风光互补路灯系统利用了太阳能和风能在时间上和地域上的互补性，使风光互补路灯系统在资源上具有最佳的匹配性。

2 风光互补LED路灯系统设计原则

LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的简称，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有很长的使用寿命，与传统灯泡相比，具备节能、环保、寿命长、不易碎、省电、启动时间短等特点[4]。

2.1 一般设计原则

风光互补LED路灯系统主要由太阳能电池、风力发电机、路灯控制器、蓄电池组、LED灯具、灯杆、电柜箱等组成。蓄电池组和控制器为了避免环境温度的影响，一般要深埋于地下，有时为了检修方便，控制器可安装于灯杆下端。风光互补LED路灯设计包括后续的安装都要符合相关国家标准。项目设计时一般要参照的标准有：《风力发电机组第1部分通用技术条件》（GB/T 19960.12005）；《小型风力发电机技术条件》（GB 10760.1—1989）；《风力发电机组塔架》（GB/T 19072—2003）；《离网型风力发电机组用控制器技术条件》（JB/T 6939.1—2004）；《离网型用户风光互补发电系统》（GB/T 19115.1—2003）；《电工电子产品环境试验第2部分试验方法》（GB/T 2423—2001）；《城市道路照明设计标准》（CJJ 45—2006）。

2.2 设备选型及说明

1)风力发电机的选择。①风资源的考核。一个地方是否适合建设风光互补发电系统，要看当地的风力资源情况，一般当地年平均风速至少不能低于3 m/s，否则建设风光互补发电系统意义不大。表1列出了北京地区2000年各月平均风速及年平均风速，事实上只有迎庆、佛爷顶、古北口可以建风光互补发电系统，其他地方由于年平均风速都小于3 m/s，受风资源限制，建设风光互补发电系统意义不大。②风力发电机功率确定。根据当地的年平均风速、最低月平均风速、无有效风速期时间的长短、年度总用电量、月平均最低用电量以及与太阳能发电量的分配比例，确定风力发电机的功率。图2所示为一个额定功率为400 W的风力发电机，风机输出功率的大小由风速决定，随着风速的变化而变化。

表1 北京地区平均风速

2)太阳能电池组件的选择。太阳能电池组的功率由系统日平均最低耗电电量、当地峰值日照小时数、系统损失因子和风力发电机发电量等因素来确定。一般情况下，系统需要的太阳电池组件的最小功率应能满足系统日平均最低用电量，并且余量足够，同时兼顾蓄电池充电需要[5]。

3)LED灯源选择。路灯系统LED灯源的选择应根据使用环境选择合适的灯源类型。白光被证明在视觉效果上有优势。一些城市为了减少事故的发生，优先选择使用白光，而不使用黄光。

4)蓄电池的选择。随着技术进步，一些适合风光互补发电使用的新型蓄电池不断被开发出来，应优先选用。蓄电池组的输出电压值必须与太阳能电池组件输出电压相适应，也必须与风力发电机组的输出电压相匹配。蓄电池的容量最终要由系统日耗电量、系统设计连续阴雨的天数、最长无风的天数、蓄电池充放电效率、放电深度等因素共同确定。

5)路灯控制器主要要求。路灯控制器一般要具备模式设定、欠压保护、卸载、对蓄电池的温度补偿、负载启动瞬间大电流保护及LED恒流源等功能。同时要求控制器具备负载的短路保护、负载过流保护、蓄电池极性反接保护、低压节能保护、防水保护、雷电保护、过风速和过电压刹车等保护功能。

2.3 环境和资源要求

风光互补路灯系统推荐使用条件：①年平均风速要大于3.5 m/s；②年度太阳能辐射总量不小于500 MJ/m2；③空气相对湿度不大于90%(25℃±5℃)；④室内温度介于0℃～＋40℃；⑤室外温度介于－25℃～＋55℃；⑥海拔高度不超过2 km。

图2 HY-400W风力发电机功率曲线图

3 设计举例

为北京佛爷顶地区建设风光互补LED路灯系统，完成系统的设计及部件的选型。系统要求的蓄电池电压为24 V，蓄电池放电深度为70%，蓄能天数为4天，LED路灯分主灯和辅灯，主灯功率为80 W，辅灯功率为20 W，每天照明时间10 h，道路长度2 km。

3.1 列出基本数据

当地环境：年平均风速为5.7 m/s（见表1）；峰值日照时数为5 h（查相关资料）；工作电压为DC24 V；负载功率为主灯80 W，辅灯20 W；连续工作10 h；道路长度2 km；储能4天；蓄电池放电深度为70%。

3.2 项目评估

主灯80 W，辅灯20 W，功率共计100 W，路灯每天工作10 h，负载每天用电量W1＝100 W×10 h＝1度。北京佛爷顶地区的年平均风速5.7 m/s，属于风能资源可利用区，日峰值日照时间5 h，属于光资源比较丰富地区，可以确定风光互补路灯系统以风力发电机为辅，光伏发电为主，太阳能发电与风力发电的分配比例关系为6∶4，即太阳能发电承担负载功率消耗的60%，风力发电承担40%。

3.3 设备选型

1)灯具的选择。主灯采用截光型LED灯具，灯具支架长1.5 m，实际照明有效宽度为8.5 m，主灯具距地面直线距离为9 m，各路灯间距为25 m，路一侧所需的路灯总数为2 000/25=80。主灯功率80 W，辅灯20 W，LED灯，24 V系统，其平均亮度、平均照度和照度平均度均高于国家标准要求。选择的主灯型号为LED24 V、80 W，辅灯型号为LED 24 V、20 W。主灯参数如表2所示。

2)风机的选型。系统负载总功率100 W，分配给风力发电机发电量为负载消耗功率的40%，即为40 W，以每日系统工作10 h计，需消耗电量0.4度。选择某公司的一台型号为FD2-0.3/8，额定功率为300 W的风力发电机，其输出功率曲线如图3所示。该型号的风力发电机参数为：启动风速为3 m/s；额定风速为8 m/s；工作风速范围为3～25 m/s；额定输出电压为DC 28 V；额定功率为300 W；最大输出功率为450 W。根据风力发电机功率曲线（图3），在5.7 m/s风速下，发电机输出功率约为120 W。风力发电机平均每天发电量为：W＝P×H=120 W×10 h＝1.2度。系统分配给风力发电机的发电量为0.4度，而实际平均每天发电量可达1.2度，因此选择该风力发电机可以满足设计要求，多余电量可以储存到蓄电池里，以便需要时使用。

3)光伏组件。当地峰值日照时数5 h，光源功率100 W，工作时间10 h，功率分配系数60%，可以得到光伏组件的功率：P=（光源功率×光源工作时间/峰值日照时数）×功率分配系数=（100×10/5）×60%=120 W。在选择太阳能组件的时候还要考虑到连续阴雨天蓄电池的电量存储，所以一般都要比每天光源的功率消耗要大些，以应对连续阴雨天的电量供应。为保证一定的余量，选择功率为185 W，型号为EOPLLY 125M/72-185 W的太阳能电池组件。

表2 LED24V80W路灯主要参数表

图3 300 W风力发电机输出功率曲线图

5)控制器。控制器接线图见图4，控制器宜选用大尺寸LCD显示，用户使用时所有参数直观可见，按键操作功能人性化，一切参数均可按用户要求自行调整，方便客户在各种环境中使用，采用MPPT风机充电方式，充电效率比普通PWM方式更有优越性。

图4 控制器接线图

4 结语

可再生能源的利用已成为未来能源领域研究的重要内容，风光互补发电路灯系统以其特有的优势在新能源领域扮演着极其重要的角色。电力电子技术的日渐成熟，控制系统的智能化，LED照明技术的发展，使风光互补发电路灯系统日臻完善，风光互补发电系统正向着数字化、小型化、绿色化的目标迈进。

[1]周志敏，纪爱华.离网风光互补发电技术及工程应用[M].北京:人民邮电出版社，2011.

[2]李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与应用[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[3]太阳光发电协会.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].刘树民，宏伟，译.北京:科学出版社，2006.

[4]段现星.光伏太阳能LED路灯照明系统设计[J].机电一体化，2011(7)：77-79.

[5]美国国际太阳能协会.太阳能光伏发电设计与安装指南[M].李雅琪，译.长沙:湖南科技出版社，2013.

（责任编辑：王晓燕）

The Design of Wind-PV Hybrid Streetlight System Based on LED

PU Zhen-tuo1,2，ZHAO Bin1,2
(1.Jiangsu Province Scenery Complementary Power Generation Engineering Technology Research Center，Nantong 226007，China；2.Jiangsu College of Engineering and Technology，Nantong 226007，China)

The paper introduced the working principle of wind-PV hybrid streetlight system,and presented the design procedures and the key points in the process of designing a wind-PV hybrid streetlight system based on LED.A sample design procedures and system configuration of the streetlight system of Foyeding Region of Beijing are proposed based on the particular resources of the region and centering on the system requirements.

wind-PV hybrid；wind power；solar power；LED streetlight

TM614；TM615

B

1671-6191(2014)03-0001-04

2014-06-11

浦振托（1968-），男，江苏南通人，江苏省风光互补发电工程技术研究开发中心研发工程师，江苏工程职业技术学院工程师，研究方向为电气与新能源。