风光互补LED路灯照明系统的应用研究

江西新能源科技职业学院 简宏勇

当下化石能源正在日益枯竭资源，人类生存所需要的自然资源严重匮乏。为了缓解资源紧张的问题，研究学者们也在积极寻找新的自然资源，通过长期的研究发现以风能和太阳光为基础所设计出来的LED路灯照明系统，在实际使用中发挥巨大的优势，具有广阔的市场前景。基于此，本文将以风光互补知识点为基础，介绍风光互补LED路灯照明系统的特点、原理以及设计思路，通过实际案例分析风光互补LED路灯照明系统在实际运用中优势，为风光互补LED路灯照明系统在路灯照明的实践应用中提供参考。

1 风光互补LED路灯照明系统结构

风光互补LED路灯照明系统就是利用光伏组件将阳光转换为电能并通过蓄电池进行储存、放电等环节实现白天夜晚时给负载供电；晚上又可以在蓄电状态下向电网提供电能达到节能效果，同时还可以减少用电量的大量消耗，节约能源。风光互补发电系统，是将风能和光能等可再生能源在系统装置的作用下转换为可用于路灯照明所需电能的一种新型能源转换应用系统，主要由太阳能电池板排列组成的风力发电机构成，由风力发电机和太阳能电池队列两组发电设备共同发电。在有风的情况下，风向进入风力发电机，带动电动机扇叶转动，从而实现能源的相互转换。当风力发电机生产足够的电时，该发电机中蓄电池组启动，将生成的电储存。在不影响发电装置的情况，LED灯使用蓄电池中的电能时，电流转换器将储存在蓄电池中的直流电转换成交流电，通过输电线路送到负载处。结构系统如图1所示。

图1 风光互补路灯结构图

2 风光互补LED路灯照明系统工作原理

该系统由众多太阳能电池组成。太阳能电池的制造原料有单晶硅和单晶砷化镓利用光生伏特效应将光能转化为电能，具有使用寿命长、稳定性好、可靠性高、转换效率高等优点，已被广泛运用于风光互补路灯系统的设计中，其大小为1×1cm～15.6×15.6cm。有关研究表明：太阳能电池输出功率根据电池的大小不同也有明显的不同，常在数十豪瓦至数瓦之间，在正常工作的情况下光电转换效率可达25%以上。

风力发电机可以自然环境中风能发生高速的运动后转化为机械能，所产生的机械推动转子产生交流电的发电设备。风力发电机构造较为复杂主要由发电机组、鼓风机、转子、限速装置、储能装置和金属外壳组成。风力发电机的工作原理比较简单，容易理解并加以运用。主要过程如下：在有风的条件下，风轮在风力的作用下旋转，把风的一切能量（主要为动能）转化为发电装置发电所需要的机械能带动风轮轴工作，发电机在风轮轴的转动下旋转发电。

3 风光互补LED路灯系统关键技术分析

3.1 系统功率确定技术

随着我国新能源发电技术不断进步，各种新能源发电系统被研制成功。但发电系统功率的计算一直是一个难以解决的关键问题。现阶段，国外的大部分国家和科研机构，主要用功率匹配法、能量匹配来确定发电系统的发电有效功率。目前，国内对风光互补发电系统功率的研究方向有：确定发电系统功率的方法、风光互补发电系统的优化匹配计算、以及如何是有效功率达到最大值的领域上等。基于此，要想成功研制出一款风光互补LED路灯系统，要解决的关键性技术之一，就寻求最合适的功率确定方案。

3.2 系统控制器技术

风光互补发电系统的使用周期与控制器的性能密切相关。风光互补主控制器是风光互补发电系统的核心部件，能有效调节发电能量，在整个系统中发挥不可替代的主要作用，相当于整个系统的大脑。调节过程主要体现在以下几点：

（1）风力互补发电系统所发出的电能，经过控制器的调节后，直接供给各个负荷。

（2）当外界照度和风力充足时，系统将释放出多余的电能，此时，该系统除向负载提供规定大小的电能之外，还能通过控制器将剩余电能输送至对储能装置中，保证蓄电池能够正常进行充电。

（3）当日照和风力较弱，系统发电量减少，转化的电能无法达到负载运行的条件时，控制器就可以调动蓄电池中储存的电能补充给负载，确保负载平稳运行，保证系统的安全性。

风光互补发电系统的控制系统主要是硬件和软件系统控制两部分组成。同样的，风光互补路灯系统的控制器主要是硬件和软件系统控制两部分组成。其中，在硬件系统控制上，要借助计算机的力量。根据太阳能和风能情况的实际情况，利用微型计算机技术进行辅助监控，从而保证能源利用的平衡性和协调性，有效实现对发电系统的监测和控制。该体统利用到微型计算机的好处在于及时对数据进行合理分析，根据分析结果有效调整发电设备的技术参数，保障系统正常运行。

在软件系统控制上，风光互补路灯系统通过对系统监控程序进行了升级，使其高度适用于整个发电过程中。通过对系统程序的有效升级改造后，风光互补路灯系统中控制器在软件监控上可以无障碍的实现数据采集、设定子程序等相关工作，从而实现在系统发电、转换、照亮灯具等一系列过程数据的科学采集，为有效分析数据，提高发电效率奠定坚实的数据支撑。目前，国内对风光互补发电系统的研究都是于静态结构为主，缺少对系统动态的数据收集与研究。其次，众多风光互补路灯在设计就考虑到了开灯与关灯的控制问题，在其构造中特别增加智能控制器的设计元素，并以组块的形式安装在灯具中，实现了对其进行智能控制，且控制方式多样化，提升了灯具的安全性和经济效益。

3.3 待解决的技术难题

（1）亮灯时间不保证

风能和太阳能是两种最常用的自然能源。从季节来看，在夏季我国以晴天为主，太阳照射时间长，产生了有很多光能，而在雨天时，虽然光能减少，但会有很多风，也能为使用风光互补路灯提供条件；到了冬季是，我国大部分地区出现刮风天气，带来了很多风能，也是能使风光互补的路灯正常运行的。此外，风光互补路灯系统配备了完善的储能系统，以确保在无外界能源补充的情况下，能使路灯正常照亮。

（2）造价高

多数人认为，风光互补的路灯构造复杂，投入成本高。但从科学发展进程的角度去分析，随着技术的进步和节能照明产品价格的逐步下降，风光补充照明系统的路灯价格与普通路灯价格相差不大。风光补充系统的灯不耗电，而且比普通街灯的使用成本便宜得多。

4 风光互补LED路灯设计简介

4.1 风光互补路灯配置

将按照一定比例在风光互补系统中安装风力发电机和太阳能电池板。现阶段，多数该系统成品的比例为10：3，即在一套系统中含有10个风力发电机、3块太阳能电池板。该比例在多数城市的实验结果表明：该技术参数能满足城市对路灯照明的要求，适用于大多数城市道路。例如10m高路灯配置：灯笼型垂直轴风力发电机——300W；太阳能电池板——75W；灯杆高度——10m；灯泡功率——75陶瓷金卤灯或80W无极灯、LED灯；蓄电池——100AH免维护；亮灯时间——10h/d。

4.2 蓄电池配置

蓄电池使用胶质蓄电池，将其安装在路灯柱之间，既可作储存电能的场所，也可作广告展台。在无意外的情况胶体蓄电池的使用寿命可达1-3年，工作稳定性较高。

4.3 控制系统

风光互补调节器的质量对蓄电池使用寿命起着非常重要的作用。风光补充调节器是蓄电池充放电过程中必不可少的，在蓄电池运行过程中，有必要将充放电值控制在一个相对恒定的范围内。普通电池的平均使用寿命为2-3年，具有高稳定性的调节器，使用寿命可达5-8年。

4.4 太阳能电池模块

因单晶硅太阳能电池能将光快速转化为电能的优点所以被广泛运用。其实，对于独立供电的能源发电系统的路灯，要求对电池具备长时间的供电能力，使用光线较弱的多晶硅太阳能电池效果比较好。

结语：风光互补LED照明系统作为一种新形绿色环保、无污染的新能源照明系统，其应用范围和领域也在不断的扩大，在实际应用中明显优于传统路灯。在注重新能源开发与利用的今天，伴随着光伏发电与风力发电技术的不断成熟与完善，风光互补LED路灯照明系统不仅在偏远山区，在其他场景下将具有更加广阔的应用前景。