風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)的應(yīng)用研究

江西新能源科技職業(yè)學(xué)院 簡宏勇

當(dāng)下化石能源正在日益枯竭資源，人類生存所需要的自然資源嚴(yán)重匱乏。為了緩解資源緊張的問題，研究學(xué)者們也在積極尋找新的自然資源，通過長期的研究發(fā)現(xiàn)以風(fēng)能和太陽光為基礎(chǔ)所設(shè)計(jì)出來的LED路燈照明系統(tǒng)，在實(shí)際使用中發(fā)揮巨大的優(yōu)勢，具有廣闊的市場前景?；诖?，本文將以風(fēng)光互補(bǔ)知識(shí)點(diǎn)為基礎(chǔ)，介紹風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)的特點(diǎn)、原理以及設(shè)計(jì)思路，通過實(shí)際案例分析風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)用中優(yōu)勢，為風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)在路燈照明的實(shí)踐應(yīng)用中提供參考。

1 風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)就是利用光伏組件將陽光轉(zhuǎn)換為電能并通過蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)存、放電等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)白天夜晚時(shí)給負(fù)載供電；晚上又可以在蓄電狀態(tài)下向電網(wǎng)提供電能達(dá)到節(jié)能效果，同時(shí)還可以減少用電量的大量消耗，節(jié)約能源。風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，是將風(fēng)能和光能等可再生能源在系統(tǒng)裝置的作用下轉(zhuǎn)換為可用于路燈照明所需電能的一種新型能源轉(zhuǎn)換應(yīng)用系統(tǒng)，主要由太陽能電池板排列組成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)成，由風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池隊(duì)列兩組發(fā)電設(shè)備共同發(fā)電。在有風(fēng)的情況下，風(fēng)向進(jìn)入風(fēng)力發(fā)電機(jī)，帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)能源的相互轉(zhuǎn)換。當(dāng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)生產(chǎn)足夠的電時(shí)，該發(fā)電機(jī)中蓄電池組啟動(dòng)，將生成的電儲(chǔ)存。在不影響發(fā)電裝置的情況，LED燈使用蓄電池中的電能時(shí)，電流轉(zhuǎn)換器將儲(chǔ)存在蓄電池中的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，通過輸電線路送到負(fù)載處。結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈結(jié)構(gòu)圖

2 風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)由眾多太陽能電池組成。太陽能電池的制造原料有單晶硅和單晶砷化鎵利用光生伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能，具有使用壽命長、穩(wěn)定性好、可靠性高、轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛運(yùn)用于風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其大小為1×1cm～15.6×15.6cm。有關(guān)研究表明：太陽能電池輸出功率根據(jù)電池的大小不同也有明顯的不同，常在數(shù)十豪瓦至數(shù)瓦之間，在正常工作的情況下光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%以上。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以自然環(huán)境中風(fēng)能發(fā)生高速的運(yùn)動(dòng)后轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，所產(chǎn)生的機(jī)械推動(dòng)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生交流電的發(fā)電設(shè)備。風(fēng)力發(fā)電機(jī)構(gòu)造較為復(fù)雜主要由發(fā)電機(jī)組、鼓風(fēng)機(jī)、轉(zhuǎn)子、限速裝置、儲(chǔ)能裝置和金屬外殼組成。風(fēng)力發(fā)電機(jī)的工作原理比較簡單，容易理解并加以運(yùn)用。主要過程如下：在有風(fēng)的條件下，風(fēng)輪在風(fēng)力的作用下旋轉(zhuǎn)，把風(fēng)的一切能量（主要為動(dòng)能）轉(zhuǎn)化為發(fā)電裝置發(fā)電所需要的機(jī)械能帶動(dòng)風(fēng)輪軸工作，發(fā)電機(jī)在風(fēng)輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)發(fā)電。

3 風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 系統(tǒng)功率確定技術(shù)

隨著我國新能源發(fā)電技術(shù)不斷進(jìn)步，各種新能源發(fā)電系統(tǒng)被研制成功。但發(fā)電系統(tǒng)功率的計(jì)算一直是一個(gè)難以解決的關(guān)鍵問題。現(xiàn)階段，國外的大部分國家和科研機(jī)構(gòu)，主要用功率匹配法、能量匹配來確定發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電有效功率。目前，國內(nèi)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)功率的研究方向有：確定發(fā)電系統(tǒng)功率的方法、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化匹配計(jì)算、以及如何是有效功率達(dá)到最大值的領(lǐng)域上等?；诖?，要想成功研制出一款風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈系統(tǒng)，要解決的關(guān)鍵性技術(shù)之一，就尋求最合適的功率確定方案。

3.2 系統(tǒng)控制器技術(shù)

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的使用周期與控制器的性能密切相關(guān)。風(fēng)光互補(bǔ)主控制器是風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的核心部件，能有效調(diào)節(jié)發(fā)電能量，在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮不可替代的主要作用，相當(dāng)于整個(gè)系統(tǒng)的大腦。調(diào)節(jié)過程主要體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）風(fēng)力互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能，經(jīng)過控制器的調(diào)節(jié)后，直接供給各個(gè)負(fù)荷。

（2）當(dāng)外界照度和風(fēng)力充足時(shí)，系統(tǒng)將釋放出多余的電能，此時(shí)，該系統(tǒng)除向負(fù)載提供規(guī)定大小的電能之外，還能通過控制器將剩余電能輸送至對(duì)儲(chǔ)能裝置中，保證蓄電池能夠正常進(jìn)行充電。

（3）當(dāng)日照和風(fēng)力較弱，系統(tǒng)發(fā)電量減少，轉(zhuǎn)化的電能無法達(dá)到負(fù)載運(yùn)行的條件時(shí)，控制器就可以調(diào)動(dòng)蓄電池中儲(chǔ)存的電能補(bǔ)充給負(fù)載，確保負(fù)載平穩(wěn)運(yùn)行，保證系統(tǒng)的安全性。

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要是硬件和軟件系統(tǒng)控制兩部分組成。同樣的，風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)的控制器主要是硬件和軟件系統(tǒng)控制兩部分組成。其中，在硬件系統(tǒng)控制上，要借助計(jì)算機(jī)的力量。根據(jù)太陽能和風(fēng)能情況的實(shí)際情況，利用微型計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行輔助監(jiān)控，從而保證能源利用的平衡性和協(xié)調(diào)性，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的監(jiān)測和控制。該體統(tǒng)利用到微型計(jì)算機(jī)的好處在于及時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析，根據(jù)分析結(jié)果有效調(diào)整發(fā)電設(shè)備的技術(shù)參數(shù)，保障系統(tǒng)正常運(yùn)行。

在軟件系統(tǒng)控制上，風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)通過對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控程序進(jìn)行了升級(jí)，使其高度適用于整個(gè)發(fā)電過程中。通過對(duì)系統(tǒng)程序的有效升級(jí)改造后，風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)中控制器在軟件監(jiān)控上可以無障礙的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)定子程序等相關(guān)工作，從而實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)發(fā)電、轉(zhuǎn)換、照亮燈具等一系列過程數(shù)據(jù)的科學(xué)采集，為有效分析數(shù)據(jù)，提高發(fā)電效率奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐。目前，國內(nèi)對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的研究都是于靜態(tài)結(jié)構(gòu)為主，缺少對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)收集與研究。其次，眾多風(fēng)光互補(bǔ)路燈在設(shè)計(jì)就考慮到了開燈與關(guān)燈的控制問題，在其構(gòu)造中特別增加智能控制器的設(shè)計(jì)元素，并以組塊的形式安裝在燈具中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其進(jìn)行智能控制，且控制方式多樣化，提升了燈具的安全性和經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 待解決的技術(shù)難題

（1）亮燈時(shí)間不保證

風(fēng)能和太陽能是兩種最常用的自然能源。從季節(jié)來看，在夏季我國以晴天為主，太陽照射時(shí)間長，產(chǎn)生了有很多光能，而在雨天時(shí)，雖然光能減少，但會(huì)有很多風(fēng)，也能為使用風(fēng)光互補(bǔ)路燈提供條件；到了冬季是，我國大部分地區(qū)出現(xiàn)刮風(fēng)天氣，帶來了很多風(fēng)能，也是能使風(fēng)光互補(bǔ)的路燈正常運(yùn)行的。此外，風(fēng)光互補(bǔ)路燈系統(tǒng)配備了完善的儲(chǔ)能系統(tǒng)，以確保在無外界能源補(bǔ)充的情況下，能使路燈正常照亮。

（2）造價(jià)高

多數(shù)人認(rèn)為，風(fēng)光互補(bǔ)的路燈構(gòu)造復(fù)雜，投入成本高。但從科學(xué)發(fā)展進(jìn)程的角度去分析，隨著技術(shù)的進(jìn)步和節(jié)能照明產(chǎn)品價(jià)格的逐步下降，風(fēng)光補(bǔ)充照明系統(tǒng)的路燈價(jià)格與普通路燈價(jià)格相差不大。風(fēng)光補(bǔ)充系統(tǒng)的燈不耗電，而且比普通街燈的使用成本便宜得多。

4 風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈設(shè)計(jì)簡介

4.1 風(fēng)光互補(bǔ)路燈配置

將按照一定比例在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能電池板?，F(xiàn)階段，多數(shù)該系統(tǒng)成品的比例為10：3，即在一套系統(tǒng)中含有10個(gè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)、3塊太陽能電池板。該比例在多數(shù)城市的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該技術(shù)參數(shù)能滿足城市對(duì)路燈照明的要求，適用于大多數(shù)城市道路。例如10m高路燈配置：燈籠型垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)——300W；太陽能電池板——75W；燈桿高度——10m；燈泡功率——75陶瓷金鹵燈或80W無極燈、LED燈；蓄電池——100AH免維護(hù)；亮燈時(shí)間——10h/d。

4.2 蓄電池配置

蓄電池使用膠質(zhì)蓄電池，將其安裝在路燈柱之間，既可作儲(chǔ)存電能的場所，也可作廣告展臺(tái)。在無意外的情況膠體蓄電池的使用壽命可達(dá)1-3年，工作穩(wěn)定性較高。

4.3 控制系統(tǒng)

風(fēng)光互補(bǔ)調(diào)節(jié)器的質(zhì)量對(duì)蓄電池使用壽命起著非常重要的作用。風(fēng)光補(bǔ)充調(diào)節(jié)器是蓄電池充放電過程中必不可少的，在蓄電池運(yùn)行過程中，有必要將充放電值控制在一個(gè)相對(duì)恒定的范圍內(nèi)。普通電池的平均使用壽命為2-3年，具有高穩(wěn)定性的調(diào)節(jié)器，使用壽命可達(dá)5-8年。

4.4 太陽能電池模塊

因單晶硅太陽能電池能將光快速轉(zhuǎn)化為電能的優(yōu)點(diǎn)所以被廣泛運(yùn)用。其實(shí)，對(duì)于獨(dú)立供電的能源發(fā)電系統(tǒng)的路燈，要求對(duì)電池具備長時(shí)間的供電能力，使用光線較弱的多晶硅太陽能電池效果比較好。

結(jié)語：風(fēng)光互補(bǔ)LED照明系統(tǒng)作為一種新形綠色環(huán)保、無污染的新能源照明系統(tǒng)，其應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也在不斷的擴(kuò)大，在實(shí)際應(yīng)用中明顯優(yōu)于傳統(tǒng)路燈。在注重新能源開發(fā)與利用的今天，伴隨著光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的不斷成熟與完善，風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)不僅在偏遠(yuǎn)山區(qū)，在其他場景下將具有更加廣闊的應(yīng)用前景。