风光互补LED路灯照明系统设计

付 静， 姜广军， 李 丹， 黄 丹

（吉林建筑大学 城建学院，吉林 长春 136000）

风光互补LED路灯照明系统设计

付 静， 姜广军， 李 丹， 黄 丹

（吉林建筑大学 城建学院，吉林 长春 136000）

本文介绍了一种风光互补LED路灯的设计方法，它是一种由风能和太阳能供电的离网照明系统，将解决目前路灯系统存在的诸多弊端，有着广阔的前景.实验证明，装置运行平稳，效果良好.设计的方法可以为其他的风光互补路灯设计提供有力的帮助.

风光互补LED路灯；光伏发电；风力发电

能源与环境问题已经成为可持续发展面临的主要问题，日益引起国际社会的广泛关注.在众多的新能源领域中，风力发电和太阳能发电的开发和利用被首当其冲优先发展，是当今国际上的一大热点，因为风能和太阳能的利用，是不用开采、不用运输、不用排放垃圾、没有环境污染的技术，是保护地球、造福子孙后代的百年大计工程.自《中华人民共和国可再生能源法》颁布实施以来，包括太阳能、风能、生物质能等在内的可再生能源利用事业进入了新的历史发展时期.《中华人民共和国可再生能源法》中明确规定：“国家扶持在电网未覆盖的地区建设可再生能源独立电力系统，为当地生产和生活提供电力服务.”这为我国可再生能源利用事业的进一步发展指明了方向[1-3].

近几年来，我国城市路网和高速公路发展迅速，常规路灯必须用埋地电缆供电，如果照明线路延长，还需要设升压系统，因此大部分远离电源点的市郊公路和高速公路都没有安装路灯.风光互补路灯的出现避开了给路灯长途供电的弊端.由于受季节更替和天气变化的影响，风能和太阳能都是不稳定、不连续的能源，单独的风力发电或太阳能光伏发电都存在发电量不稳定的缺陷.但风能和太阳能具有天然的互补优势，即白天太阳光强，夜间风多；夏天日照好、风弱而冬春季节风大、日照弱.风光互补发电系统充分利用了风能和太阳能资源的互补性，是一种具有较高性价比的新型能源发电系统，有明显的经济效益和社会效益.

下面将以某一地区为例，提出一种风光互补LED路灯的设计方案[4].

1 风光互补路灯系统结构

图1 风光互补照明系统组成

风光互补路灯系统通常由太阳能电池板、风力发电机、风光互补控制器、蓄电池、光源、卸荷电路等几部分组成，如图1所示[5].

2 本系统的设计要素

（1）充分利用风能、太阳能可再生能源，保证常年不间断供电.

（2）适用的环境工作条件：温度-15～45℃相对湿度95%；雨和沿海盐雾；风速3～30m/s；瞬时极限风速40m/s；太阳辐射总量150kcal/cm2；年日照3000h.

（3）稳定性保障：运行平稳、安全可靠，在无人值守条件下能全天候使用.

（4）无电磁干扰：风力发电机及其充电控制器不会对周围环境产生有害的电磁影响.

（5）产品质量保障：风力发电机组的设计、制造、产品质量执行国家和行业有关标准，产品的质量保证体系符合标准GB/T19001—2000、ISO9001—2000的规定.

（6）太阳能电池符合1EEE1262—1995光伏组件测试认证规范、1EC1215晶体硅地面用光伏组件的设计质量认证和型式试验、国家标准GB/T14007—92陆用太阳能组件总规范、GB/T14009太阳能电池组件参数测量方法[6].

（7）蓄电池组符合国家标准GB13337.1—91固定型铅酸蓄电池的规定，而且经过已取得GB/T15481认证资格的检测机构的测试.

（8）设备功率.

（9）全天候24h不间断供电.系统总功率P=60W/85%=71W式中，为逆变和供电线路效率.

风力发电机额定功率为P1；太阳能电池组件板额定功率为P2，蓄电池组容量为C.根据安装路灯地点的自然资源条件：风力发电机与太阳能电池组件同时不能发电的最大连续时间为3d；太阳能电池组件不能发电的最大连续时间为12d；风力发电机不能发电的最大连续时间为6d.

3 蓄电池组的确定

式中24—等号左边的为蓄电池组充放电电压，等号右边的为每天24小时；

70%—蓄电池放电深度；

90%—蓄电池误差余量.

已知P=60W/85%=71W；可得出C=338.09Ah

根据蓄电池的实际规格及尽量减少蓄电池数量的原则，取C=340Ah，实际配置为C=2V/340Ah蓄电池12块×1组.

4 风力发电机功率的确定

在太阳能电池不能发电的天气里，通常是连续阴雨天，此时风速和持续时间均大大超过年平均风速和时间，根据气象资料及该站点的自然环境，在此取该时段内4级风（5.5～7.9m/s）4/h/d.

将C和P代入上式，计算得P1=318.9W.

根据风力发电机的规格及实际安装和使用的可靠性，取P1=350W.实际配置为：1台WV-02-350W风力发电机.

EV-02系列风力发电机有机械自动离合系统，摆脱了传统风力发电机启动风力要求高的束缚，使得在很小的风力条件下就可以启动风力发电机，在风叶得到一定的转速和惯性的时候，离合系统自动启动带动发电机发电，大大提高了风力发电机的发电效率，成倍增加了风力发电机的工作时间.EV-02系列风力发电机带有自主偏航系统，在风力不大的情况下可以主动将迎风面对准风向，以得到最大的迎风面积，提高风力发电机的工作效率.

5 太阳能电池功率的确定

在风力发电机不能发电的天气里，通常是连续晴天，而且每天日照时数大大高于年平均日照时数，根据气象数据和站点的自然环境，取6h/A.

将C和P代入上式，计算得P2=141.2W.

根据太阳能电池的规格及安装的方便美观，取P2=200W，实际配置为：100W×2块.

6 设备选型

设备选型如表1所示.

表1 设备选型

7 路灯杆的设计方案

风力发电机和太阳能电池组件是风光互补路灯的标志性组合，要保证风力发电机和太阳能电池组件能平稳、安全的运行，同时也配合路灯灯杆的多样化造型，应将风光互补路灯灯杆设计为自立式灯杆.风力发电机位于灯杆的顶端，太阳能电池组件位于灯杆的中部.

灯杆的强度设计应符合《城市道路照明工程施工及验收规范》、《小型风力发电机技术条件》对灯杆、风力发电机塔管的要求，并且与风力发电机的固有频率相差很大，可以抗12级台风.灯杆的高度应根据安装地点的地理环境来决定，保证风力发电机的使用不受影响.太阳能电池组件的安装一般以不与风力发电机的风叶相干涉为准，同时要保证太阳能电池组件不被灯杆遮挡.灯具的安装高度根据设计要求的照度确定.

8 结束语

风能、太阳能都是无污染的、取之不尽用之不竭的可再生能源，中小型风电和太阳能光电系统在我国已得到初步应用.风力发电和太阳能光伏发电两者完美的组合，为两种新能源的规模化、产业化、市场化奠定了基础.早期中小型风力发电机组在偏远地区应用，自然条件好，成本低，造型不要求美观，技术要求不高.转入经济发达的地区使用，自然条件相对较差，产业化较低，技术要求高，成本相对较高，造型要求美观.随着地区环境差异和需求差异较大，对风光互补发电技术的要求增加，如低风速启动、低电压储能、抗强台风、抗盐雾腐蚀、智能化控制等一系列技术不断地提上开发的历程.在国家的大力扶持和风光互补路灯系统技术日臻完善的基础上，未来人们将在大街上、道路上会看到一排排的风光互补路灯[7-9].

〔1〕周志敏，纪爱华.风光互补发电实用技术[M].北京：电子工业出版社，2011.9.

〔2〕陈维，沈辉，丁孔贤，邓幼俊.太阳能LED路灯照明系统优化设计[J].中山大学学报（自然科学版），2005，44（2）：95-98.

〔3〕杨金焕，汪征，陈中华.负载缺电率用于独立光伏系统最优化设计[J].太阳能学报，1999，20（1）：93-99.

〔4〕白雪峰，李沛，厉红.风光互补LED路灯系统的设计[J].中国电力教育，2011（3）：154-155.

〔5〕李少林，姚国兴.风光互补发电蓄电池超级电容器混合储能研究[J].电力电子技术，2010，44（2）：12-14.

〔6〕张理，王春升.风能发电及风光互补发电系统在边际油田开发中的应用研究[J].电力电子技术，2008，49（2）：185-190.

〔7〕郭凤仪，周坤，姜丽丽，张凤龙，屠宇.太阳能LED照明控制系统的设计与实现[J].电工电能新技术，2012，31（3）：86-89.

〔8〕谭壮，郭山河，张秀芝，孙康，石有胜，侯焱红，孙玉娇.太阳能电池板在剪草机上应用的研究 [J].大学物理实验，2012，25（1）：23-24.

〔9〕张天瑜.新颖单相光伏并网逆变系统的仿真研究[J].长春工业大学学报，2008，29（4）：81-84.

TK512

A

1673-260X（2014）12-0047-02