風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

方益樹

（銅陵市科學(xué)技術(shù)局，安徽 銅陵 244000）

1.概述

風(fēng)能和太陽能作為一種清潔的可再生能源,受到世界各國的重視。風(fēng)能和太陽能穩(wěn)定性較差、能量密度低，隨地理分布、季節(jié)不同變化較大，并受晝夜交替影響，風(fēng)能和太陽能在時(shí)間上、季節(jié)上以及地理位置上都有較好的的互補(bǔ)性。白天陽光強(qiáng),風(fēng)小,晚上無陽光,風(fēng)大。在夏季,太陽光強(qiáng)度大風(fēng)小,冬季,陽光強(qiáng)度較弱,風(fēng)力大,因此互補(bǔ)性好是風(fēng)光復(fù)合發(fā)電的主要優(yōu)點(diǎn),可以提供更加穩(wěn)定的電能[1]。太陽能獨(dú)立發(fā)電的發(fā)電成本較高，有著較強(qiáng)的隨機(jī)性,而風(fēng)能發(fā)電成本較低,風(fēng)光互補(bǔ)結(jié)合可共用一套設(shè)備,降低工程系統(tǒng)造價(jià),降低運(yùn)行成本，可在滿足供電要求的情況下降低發(fā)電成本。

我國風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電普及程度較低且應(yīng)用項(xiàng)目較少,風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電主要集中在偏遠(yuǎn)地區(qū)和常規(guī)電力不能送達(dá)的地區(qū)如青藏高原、內(nèi)蒙古地區(qū)等。西安交通大學(xué)針對(duì)在設(shè)計(jì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中存在設(shè)備配置隨意造成投資大等問題,提出“局部——整體法”作為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并在氣候資源上有很強(qiáng)可比性的兩地區(qū)的具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)上驗(yàn)證了該方法的運(yùn)用;華東電力集團(tuán)公司提出了風(fēng)光互補(bǔ)旋風(fēng)發(fā)電裝置,從理論和邏輯上解決了可再生能源的離散性和非可控問題,跳出了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電資源限制的束縛,節(jié)省了大容量的蓄電設(shè)備;合肥工業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)了一套風(fēng)光混合發(fā)電系統(tǒng),并根據(jù)負(fù)載、風(fēng)光資源、風(fēng)電機(jī)組及光伏電池的成本與功率對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),節(jié)約了一次性投資費(fèi)用,為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)[2]，新疆軍區(qū)69032部隊(duì)運(yùn)用計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和大功率集成電路技術(shù)對(duì)風(fēng)光綜合電源系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了風(fēng)能、太陽能、柴油機(jī)、蓄電池能源互補(bǔ)的一體化和智能化,可獨(dú)立地向各種負(fù)載提供不間斷的供電。華南理工大學(xué)提出一種基于分級(jí)模糊算法的互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)的能量管理控制系統(tǒng)[3]。

風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)利用可再生能源風(fēng)能太陽能集中對(duì)道路路燈及小區(qū)、景觀路燈等供電，具有節(jié)能、環(huán)保、美景之功能。經(jīng)維普等檢索，風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)目前國內(nèi)尚無規(guī)?；瘧?yīng)用先例。

2003年，作者研發(fā)出一種利用太陽能為城市小區(qū)路燈及樓道提供照明的“太陽能自動(dòng)照明裝置”（專利號(hào)：2003257388.X），在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研發(fā)了“風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)”和“風(fēng)能并網(wǎng)電能互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)”（發(fā)明專利號(hào)：CN200910144216.4）

2.風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的白熾燈的壽命不到2000小時(shí)，普通5mmLED在2000小時(shí)光衰在30%以上，到6000小時(shí)光衰達(dá)到50%，到10000小時(shí)后光衰為70%，基本上看不到光了。超高亮度LED卻可以在10000小時(shí)時(shí)光衰 10%(流明維持率 90%以上)，50000小時(shí)光衰30%(流明維持率70%以上)，大功率LED的使用壽命時(shí)間曲線及其與白光φ5LED使用壽命時(shí)間曲線對(duì)比如圖1和圖2。

圖1 大功率LED與白光φ5LED使用壽命時(shí)間曲線對(duì)比

圖2 大功率LED使用壽命時(shí)間曲線

對(duì)于人眼而言,在同等照度下,LED路燈的亮度是普通鈉燈的2.5倍。相應(yīng)地,在達(dá)到同樣亮度的條件下,LED路燈的照度只是普通鈉燈的40%.經(jīng)實(shí)際和理論測(cè)算,在亮度相同的條件下,LED路燈比普通鈉燈節(jié)能50%～80%不等(各廠家水平不同)。并且,LED路燈的均勻性遠(yuǎn)高于普通鈉燈,其色溫也比普通鈉燈好。LED路燈的發(fā)展速度很快,實(shí)驗(yàn)室已研制出功率高達(dá)150W的高亮度LED燈管,其前途不可限量。雖然現(xiàn)在LED燈管的成本較高,但其符合國家節(jié)能減排的大政方針,值得推廣。

白光LED因?yàn)楣?jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，正在成為取代傳統(tǒng)電光源的最有潛力的下一代照明光源。但是普通封裝的φ5白光LED的光衰非常嚴(yán)重，壽命只有幾千小時(shí)，僅約為藍(lán)光芯片封裝的 φ5 LED 壽命的 1／10[4]。

φ5白光LED不能作為照明路燈的光源，必須使用1W及以上的大功率LED作為路燈光源。

風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)簡稱（圖3）：

圖3 系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)簡圖

風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組件、太陽能電池陣列、蓄電池組、系統(tǒng)智能控制器以及LED路燈等組成。

有風(fēng)時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電通過智能控制器對(duì)蓄電池充電儲(chǔ)能，白天有陽光時(shí)太陽能電池發(fā)電通過智能控制器給蓄電池充電。智能控制器采用光控和時(shí)控方式控制路燈的點(diǎn)亮與熄滅。夜晚自動(dòng)點(diǎn)亮路燈，天亮后自動(dòng)關(guān)斷路燈電源。智能控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)充放電功能。由于系統(tǒng)使用蓄電池儲(chǔ)能，可確保路燈系統(tǒng)能正常照明。

風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)適用于風(fēng)力資源較好的地區(qū)使用，它降低了風(fēng)能太陽能發(fā)電的應(yīng)用門檻，具備大規(guī)模推廣使用價(jià)值。

風(fēng)光互補(bǔ)LED路燈照明系統(tǒng)是針對(duì)一個(gè)小范圍內(nèi)的數(shù)十盞LED路燈采用風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電為主，太陽能發(fā)電作為補(bǔ)充，智能控制器集中控制給路燈供電。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

采用8051處理器芯片及0808接口芯片等組成的主電路圖（圖5）：

圖5 主電路圖

系統(tǒng)中有六路采樣信號(hào)輸入，它們是：風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流、光伏陣列輸出電壓和電流、蓄電池電壓和輸出電流，信號(hào)均為變化的直流信號(hào)。系統(tǒng)選用霍爾電壓電流傳感器分別采樣。采樣信號(hào)經(jīng)過霍爾元件后變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過濾波后進(jìn)入單片機(jī)A/D口處理。

來自A/D轉(zhuǎn)換電路的控制信號(hào)經(jīng)三極管放大進(jìn)入光耦芯片，光耦輸出通過三極管控制繼電器觸點(diǎn)的通斷，分別用于風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電對(duì)蓄電池的充電和蓄電池對(duì)負(fù)載供電的控制?？刂戚敵鲭娐芳靶盘?hào)轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)輸出?？焖俟怦钚酒琀CPL-4504。(圖6)

圖6 光耦芯片接線圖

圖7是系統(tǒng)主程序流程圖。

圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

3.風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)應(yīng)用

銅陵地區(qū)屬北亞熱帶濕潤氣候地區(qū)、四季分明，氣候溫和、光照充足，雨量適中、無霜期長、嚴(yán)寒期短。年平均氣溫16.2℃，年平均氣壓 101.13kPa，常年盛行風(fēng)向：夏季主導(dǎo)風(fēng)向西南風(fēng)，冬季主導(dǎo)風(fēng)向東北風(fēng)；風(fēng)速：最大風(fēng)速24m/s，夏季風(fēng)速 3.2m/s，冬季風(fēng)速3.8m/s，年平均風(fēng)速3.6m/s；降水量：年平均降水量1404mm，一小時(shí)最大降水量55.7mm。銅陵屬于風(fēng)力資源較好地區(qū)，適合使用風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)發(fā)電。

小型“風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)”一般有幾十盞LED路燈，總功率約為數(shù)千瓦，風(fēng)力發(fā)電機(jī)選擇幾百瓦或幾千瓦的小功率風(fēng)力發(fā)電機(jī)，每個(gè)系統(tǒng)使用一臺(tái)或幾臺(tái)組合。

太陽能直流LED路燈照明系統(tǒng)于2005年在銅陵一家公司投入生產(chǎn)，產(chǎn)品已經(jīng)在省內(nèi)外推廣，項(xiàng)目獲得2006年科學(xué)技術(shù)部中小企業(yè)創(chuàng)新基金。目前銅陵市獲得較大范圍的普及使用，如銅陵縣山水人家小區(qū)路燈系統(tǒng)，中國南車集團(tuán)銅陵車輛廠，銅陵縣新農(nóng)村建設(shè)示范村道路小區(qū)等使用，取得了很好的效果。

山水人家小區(qū)直流LED路燈照明系統(tǒng)，安裝太陽能電池組件共1900W，小區(qū)共有LED路燈庭院燈共57盞、居民樓道等240盞，每桿路燈20W。樓道燈每盞1.2W。

山水人家小區(qū)直流LED路燈照明系統(tǒng)使用多年來極大地方便了小區(qū)居民的夜晚出行，取得了很好的照明效果，節(jié)約了大量的電能。目前新的LED路燈照明系統(tǒng)工程將加裝風(fēng)能發(fā)電部分，使用風(fēng)光互補(bǔ)直流LED路燈照明系統(tǒng)。進(jìn)一步提高綠色能源的利用率和LED路燈照明系統(tǒng)的使用效果?！帮L(fēng)光互補(bǔ)路燈照明系統(tǒng)”參加了2009年銅陵市首屆科技創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)大賽，獲得的一等獎(jiǎng)。

[1]陳博.風(fēng)光復(fù)合發(fā)電的初探[J].上海電力,2008,(2).

[2]張伯泉,楊宜民.風(fēng)力和太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].中國電力,2006,(6).

[3]楊宜民,張伯泉.基于多Agent的風(fēng)力/太陽能互補(bǔ)發(fā)電場(chǎng)能量管理系統(tǒng)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2007,(8).

[4]林亮，陳志忠.白光 LED 的加速老化特性[J].發(fā)光學(xué)報(bào)，2005，26（5）.