風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)的研究

李繼光 雷江華

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州450002）

隨著科技的發(fā)展，生活質(zhì)量的提高，我們消耗自然資源也越來(lái)越多，而且隨著自然界中一次性能源也越來(lái)越少，這樣就被迫我們要去尋找新的可替代能源。為了提高能源的利用率，我們就要尋求一種新能源的互補(bǔ)技術(shù)，合理的利用兩種或多種新能源互補(bǔ)運(yùn)用的技術(shù)，這樣多種能源的互補(bǔ)在能源相對(duì)強(qiáng)烈的情況下把能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，在能量相對(duì)弱的情況下把儲(chǔ)存的能量釋放出來(lái)合理地利用能量[1]。隨著地球資源的日益貧乏，基礎(chǔ)能源的投資成本日益攀高，各種安全和污染隱患無(wú)處不在，太陽(yáng)能和風(fēng)能作為一種“取之不盡、用之不竭”的安全、環(huán)保新能源越來(lái)越受重視。同時(shí)，也隨著這兩種能源技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，其相關(guān)產(chǎn)品在環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢(shì)，路燈、庭院燈、草坪燈等方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模，由此我們?cè)O(shè)計(jì)了風(fēng)能和太陽(yáng)能相結(jié)合-風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 研制背景及意義

長(zhǎng)期以來(lái)，人們就一直在努力研究利用太陽(yáng)能。我們地球所接收到的太陽(yáng)能，只占太陽(yáng)表面發(fā)出的全部能量的二十億分之一左右，這些能量相當(dāng)于全球所需總能量的3-4萬(wàn)倍，可謂取之不盡，用之不竭。其次，宇宙空間沒(méi)有晝夜和四季之分，也沒(méi)有烏云和陰影，輻射能量十分穩(wěn)定。因而發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)比地面簡(jiǎn)單，而且在無(wú)重量、高真空的宇宙環(huán)境中，對(duì)設(shè)備構(gòu)件的強(qiáng)度要求也不太高。再者，太陽(yáng)能和石油、煤炭等礦物燃料不同，不會(huì)導(dǎo)致“溫室效應(yīng)”和全球性氣候變化，也不會(huì)造成環(huán)境污染。正因?yàn)槿绱?，太?yáng)能的利用受到許多國(guó)家的重視，大家正在競(jìng)相開(kāi)發(fā)各種光電新技術(shù)和光電新型材料，以擴(kuò)大太陽(yáng)能利用的應(yīng)用領(lǐng)域。特別是在近10多年來(lái)，在石油可開(kāi)采量日漸見(jiàn)底和生態(tài)環(huán)境日益惡化這兩大危機(jī)的夾擊下，我們?cè)絹?lái)越企盼著“太陽(yáng)能時(shí)代”的到來(lái)。從發(fā)電、取暖、供水到各種各樣的太陽(yáng)能動(dòng)力裝置，其應(yīng)用十分廣泛，在某些領(lǐng)域，太陽(yáng)能的利用已開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用階段。

風(fēng)力發(fā)電是一種主要的風(fēng)能利用形式，風(fēng)力發(fā)電已經(jīng)開(kāi)展了多年，隨著能源環(huán)境的變化和風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的成熟，未來(lái)幾年風(fēng)力發(fā)電將呈現(xiàn)新的趨勢(shì)。隨著風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的改進(jìn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組將越來(lái)越便宜和高效。增大風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量就減少了基礎(chǔ)設(shè)施的投入費(fèi)用，而且同樣的裝機(jī)容量需要更少數(shù)目的機(jī)組，這也節(jié)約了成本。隨著融資成本的降低和開(kāi)發(fā)商的經(jīng)驗(yàn)豐富，項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的成本也相應(yīng)得到降低。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組可靠性的改進(jìn)也減少了運(yùn)行維護(hù)的平均成本。

以上我們所說(shuō)的發(fā)電形式，無(wú)論是光伏發(fā)電還是風(fēng)能發(fā)電，都不能在我國(guó)大多數(shù)城市進(jìn)行單一實(shí)現(xiàn)，比如太陽(yáng)光照在冬季的時(shí)候相對(duì)較弱，不能提供足夠的能量來(lái)發(fā)電；而風(fēng)能在我國(guó)大多城市更是無(wú)法長(zhǎng)久持續(xù)，城市氣候?qū)Τ鞘兄械娘L(fēng)形成起到了較大的作用，使得風(fēng)力發(fā)電出現(xiàn)了短缺，這就讓我們考慮是不是應(yīng)該把兩種或兩種以上的新型能源結(jié)合形成一種復(fù)合式能源提供給我們，兩者互補(bǔ)，綜合利用，這就說(shuō)到我們提出的風(fēng)光互補(bǔ)型復(fù)合型能源。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 控制流程設(shè)計(jì)

無(wú)論是外界環(huán)境怎樣變化，風(fēng)光互補(bǔ)能源供給系統(tǒng)都可作出優(yōu)化的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案來(lái)滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。應(yīng)該說(shuō)，風(fēng)光互補(bǔ)能源供給系統(tǒng)是最合理的獨(dú)立電源系統(tǒng)。圖1就是風(fēng)光互補(bǔ)能源供給系統(tǒng)的控制框架圖，我們可以從中了解到風(fēng)電與光電相互結(jié)合的基本原理[2]。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)能源供給系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

2.2 機(jī)械部分

圖2就是風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)圖，在機(jī)械設(shè)計(jì)中需要解決的問(wèn)題有：

2.2.1 在保證機(jī)械結(jié)構(gòu)的同時(shí)，保證連接的緊密性和傳動(dòng)效率；

2.2.2 在實(shí)現(xiàn)其基本效果的同時(shí)，使結(jié)構(gòu)盡量合理、簡(jiǎn)單。

2.2.3 要實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)太陽(yáng)能路燈功能的同時(shí)，更要實(shí)現(xiàn)其智能控制。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)圖

智能控制系統(tǒng)：

風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)需要智能控制部分，其智能控制部分就是一個(gè)單片機(jī)控制電路系統(tǒng)，其包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，要設(shè)計(jì)合適的接口電路[3]。系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則：

①盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。

②系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿(mǎn)足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求。

③硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合程序設(shè)計(jì)方案一并考慮?？紤]的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。

④系統(tǒng)中的相關(guān)元器件要盡可能做到性能匹配。

⑤可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分。

⑥盡量減少外圍。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[3]。因而在選擇器件上盡量的簡(jiǎn)潔。

根據(jù)要求，分析出需要的功能有：具備時(shí)鐘功能、時(shí)間調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)、二極管（模擬路燈）的顯示功能、定時(shí)開(kāi)燈關(guān)燈的時(shí)間調(diào)整功能、按鍵控制功能。

基于以上功能要求，我們決定使用AT89C51芯片，顯示器件選用數(shù)碼管和二極管，數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式來(lái)顯示指令，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)通過(guò)二極管顯示。圖3為風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們可從圖4風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈的電路控制框架圖中分析控制原理，系統(tǒng)根據(jù)需要設(shè)計(jì)感受外界光照強(qiáng)度的反饋電路和路燈故障反饋電路，感受外界光照強(qiáng)度一般采用光敏電阻或光敏二極管，通過(guò)單片機(jī)來(lái)對(duì)路燈的開(kāi)與關(guān)的設(shè)置，以及電能的蓄電補(bǔ)充采用光敏二極管感受外界光照變化，無(wú)光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流，二極管截止；光照時(shí)反向電流增大，形成光電流。采用光敏電阻對(duì)光源的感應(yīng)改變自身電阻，由電壓比較器提取之間電壓，考慮到電阻變化的靈敏度，采用兩個(gè)光敏電阻串聯(lián)的方式，通過(guò)改變與光敏電阻串聯(lián)的電位器的值可以調(diào)節(jié)光敏電阻的感光范圍[4]。

圖4 風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈的電路控制框架圖

3 性能分析

圖5

該風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)工作原理：利用自然風(fēng)作為動(dòng)力,風(fēng)輪吸收風(fēng)的能量,帶動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),把風(fēng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?經(jīng)過(guò)控制器的整流,穩(wěn)壓作用,把交流電轉(zhuǎn)換為直流電,向蓄電池組充電并儲(chǔ)存電能。利用光伏效應(yīng)將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為直流電，供負(fù)載使用或者貯存于蓄電池內(nèi)備用。

圖6

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

①節(jié)能環(huán)保，無(wú)紫外線、紅外線和汞污染，符合ROHS要求；

②內(nèi)置隔離低壓恒流驅(qū)動(dòng)，安全、穩(wěn)定、可靠；

③可頻繁開(kāi)關(guān)啟動(dòng),無(wú)閃爍和眩光的現(xiàn)象；同時(shí)顯色性能好；抗震性能強(qiáng)；

④外觀輕盈，款式新穎，便于安裝和運(yùn)輸

⑤維修成本低，一個(gè)路燈損壞時(shí)不影響其他路燈正常使用。

⑥可靠性高、使用年限長(zhǎng)。

圖7 模型圖

該風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)適用于各類(lèi)型道路照明：高速路、主干路及迎賓路、通向政府機(jī)關(guān)和大型公共建筑的主要道路、偏遠(yuǎn)山區(qū)等難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離輸電和控制的地區(qū)。

5 市場(chǎng)前景

目前，隨著地球不斷的惡化，節(jié)能環(huán)保問(wèn)題己經(jīng)成為世界各國(guó)共同面對(duì)的重要問(wèn)題，開(kāi)發(fā)新能源和可再生清潔能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定性影響的五項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域之一，充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能和風(fēng)能是世界各國(guó)政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策[5]。面對(duì)能源的急缺與全球性的金融危機(jī),眾多國(guó)家紛紛制定雄心勃勃的發(fā)展規(guī)劃,推動(dòng)相關(guān)節(jié)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。各國(guó)可再生能源法的頒布、快速發(fā)展的光伏屋頂計(jì)劃、各種減免稅收政策和補(bǔ)貼政策以及逐漸成熟的綠色電力價(jià)格,為這兩類(lèi)能源市場(chǎng)的發(fā)展提供了了良好的基礎(chǔ)。

基于太陽(yáng)能和風(fēng)能供給能源的相關(guān)產(chǎn)品不斷大量應(yīng)用，以及其生產(chǎn)成本不斷的降低，利用風(fēng)能和太陽(yáng)能已經(jīng)是大勢(shì)所趨[6]。我們?cè)O(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)型智能路燈系統(tǒng)利用風(fēng)能、太陽(yáng)能進(jìn)行雙重供電，大大減少了對(duì)電能的依賴(lài)，同時(shí)節(jié)能，環(huán)保，可靠性高，使用成本低廉，因此具有良好的市場(chǎng)前景。

［1］太陽(yáng)能利用協(xié)會(huì).新編太陽(yáng)能產(chǎn)品設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能利用新技術(shù)工藝實(shí)務(wù)全書(shū)［M］.北京：中國(guó)科技文化出版社，2007.

［2］馬文會(huì)，戴永年，楊斌,等.加快太陽(yáng)能級(jí)硅制備新技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)硅資源可持續(xù)發(fā)展［J］.中國(guó)工程科學(xué)，2005（增刊）：91-94.

［3］胡雅伶.太陽(yáng)能路燈在道路照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.有色冶金與研究，2010，（3）：25-27.

［4］姜祥元.太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.福建建筑，2008（7）：95-97.

［5］CJJ45-2006，城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］胡雅伶.太陽(yáng)能路燈在道路照明設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.有色冶金與研究，2010，31（3）：25-27.

［7］太陽(yáng)能路燈：前景廣闊問(wèn)題尚存［J］.中國(guó)照明電器，2008（10）：40-40.