風光互補直流LED路燈照明系統的設計

方益樹

（銅陵市科學技術局，安徽 銅陵 244000）

1.概述

風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。風能和太陽能穩定性較差、能量密度低，隨地理分布、季節不同變化較大，并受晝夜交替影響，風能和太陽能在時間上、季節上以及地理位置上都有較好的的互補性。白天陽光強,風小,晚上無陽光,風大。在夏季,太陽光強度大風小,冬季,陽光強度較弱,風力大,因此互補性好是風光復合發電的主要優點,可以提供更加穩定的電能[1]。太陽能獨立發電的發電成本較高，有著較強的隨機性,而風能發電成本較低,風光互補結合可共用一套設備,降低工程系統造價,降低運行成本，可在滿足供電要求的情況下降低發電成本。

我國風光互補發電普及程度較低且應用項目較少,風光互補發電主要集中在偏遠地區和常規電力不能送達的地區如青藏高原、內蒙古地區等。西安交通大學針對在設計風光互補發電系統中存在設備配置隨意造成投資大等問題,提出“局部——整體法”作為風光互補發電系統的優化設計方法,并在氣候資源上有很強可比性的兩地區的具體系統設計上驗證了該方法的運用;華東電力集團公司提出了風光互補旋風發電裝置,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,跳出了風光互補發電資源限制的束縛,節省了大容量的蓄電設備;合肥工業大學設計了一套風光混合發電系統,并根據負載、風光資源、風電機組及光伏電池的成本與功率對該結構進行了優化設計,節約了一次性投資費用,為風光互補發電系統的優化設計提供了經驗[2]，新疆軍區69032部隊運用計算機控制技術和大功率集成電路技術對風光綜合電源系統進行了設計,實現了風能、太陽能、柴油機、蓄電池能源互補的一體化和智能化,可獨立地向各種負載提供不間斷的供電。華南理工大學提出一種基于分級模糊算法的互補發電場的能量管理控制系統[3]。

風光互補直流LED路燈照明系統利用可再生能源風能太陽能集中對道路路燈及小區、景觀路燈等供電，具有節能、環保、美景之功能。經維普等檢索，風光互補直流LED路燈照明系統目前國內尚無規模化應用先例。

2003年，作者研發出一種利用太陽能為城市小區路燈及樓道提供照明的“太陽能自動照明裝置”（專利號：2003257388.X），在此基礎上，進一步研發了“風光互補路燈照明系統”和“風能并網電能互補路燈照明系統”（發明專利號：CN200910144216.4）

2.風光互補直流LED路燈照明系統設計

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

圖1 大功率LED與白光φ5LED使用壽命時間曲線對比

圖2 大功率LED使用壽命時間曲線

對于人眼而言,在同等照度下,LED路燈的亮度是普通鈉燈的2.5倍。相應地,在達到同樣亮度的條件下,LED路燈的照度只是普通鈉燈的40%.經實際和理論測算,在亮度相同的條件下,LED路燈比普通鈉燈節能50%～80%不等(各廠家水平不同)。并且,LED路燈的均勻性遠高于普通鈉燈,其色溫也比普通鈉燈好。LED路燈的發展速度很快,實驗室已研制出功率高達150W的高亮度LED燈管,其前途不可限量。雖然現在LED燈管的成本較高,但其符合國家節能減排的大政方針,值得推廣。

白光LED因為節能、環保的優點，正在成為取代傳統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的光衰非常嚴重，壽命只有幾千小時，僅約為藍光芯片封裝的 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。

風光互補直流LED路燈照明系統軟硬件結構簡稱（圖3）：

圖3 系統軟硬件結構簡圖

風光互補直流LED路燈照明系統有風力發電機組件、太陽能電池陣列、蓄電池組、系統智能控制器以及LED路燈等組成。

有風時風力發電機發電通過智能控制器對蓄電池充電儲能，白天有陽光時太陽能電池發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控方式控制路燈的點亮與熄滅。夜晚自動點亮路燈，天亮后自動關斷路燈電源。智能控制器實現系統的全自動充放電功能。由于系統使用蓄電池儲能，可確保路燈系統能正常照明。

風光互補路燈照明系統適用于風力資源較好的地區使用，它降低了風能太陽能發電的應用門檻，具備大規模推廣使用價值。

風光互補LED路燈照明系統是針對一個小范圍內的數十盞LED路燈采用風力發電機發電為主，太陽能發電作為補充，智能控制器集中控制給路燈供電。系統硬件結構如圖4所示：

圖4 系統硬件結構

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

系統中有六路采樣信號輸入，它們是：風力發電機輸出電壓和電流、光伏陣列輸出電壓和電流、蓄電池電壓和輸出電流，信號均為變化的直流信號。系統選用霍爾電壓電流傳感器分別采樣。采樣信號經過霍爾元件后變為電壓信號，經過濾波后進入單片機A/D口處理。

來自A/D轉換電路的控制信號經三極管放大進入光耦芯片，光耦輸出通過三極管控制繼電器觸點的通斷，分別用于風能發電、光伏發電對蓄電池的充電和蓄電池對負載供電的控制。控制輸出電路及信號轉換驅動輸出。快速光耦芯片HCPL-4504。(圖6)

圖6 光耦芯片接線圖

圖7是系統主程序流程圖。

圖7 系統主程序流程圖

3.風光互補直流LED路燈照明系統應用

銅陵地區屬北亞熱帶濕潤氣候地區、四季分明，氣候溫和、光照充足，雨量適中、無霜期長、嚴寒期短。年平均氣溫16.2℃，年平均氣壓 101.13kPa，常年盛行風向：夏季主導風向西南風，冬季主導風向東北風；風速：最大風速24m/s，夏季風速 3.2m/s，冬季風速3.8m/s，年平均風速3.6m/s；降水量：年平均降水量1404mm，一小時最大降水量55.7mm。銅陵屬于風力資源較好地區，適合使用風光互補系統發電。

小型“風光互補路燈照明系統”一般有幾十盞LED路燈，總功率約為數千瓦，風力發電機選擇幾百瓦或幾千瓦的小功率風力發電機，每個系統使用一臺或幾臺組合。

太陽能直流LED路燈照明系統于2005年在銅陵一家公司投入生產，產品已經在省內外推廣，項目獲得2006年科學技術部中小企業創新基金。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路燈系統，中國南車集團銅陵車輛廠，銅陵縣新農村建設示范村道路小區等使用，取得了很好的效果。

山水人家小區直流LED路燈照明系統，安裝太陽能電池組件共1900W，小區共有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。

山水人家小區直流LED路燈照明系統使用多年來極大地方便了小區居民的夜晚出行，取得了很好的照明效果，節約了大量的電能。目前新的LED路燈照明系統工程將加裝風能發電部分，使用風光互補直流LED路燈照明系統。進一步提高綠色能源的利用率和LED路燈照明系統的使用效果。“風光互補路燈照明系統”參加了2009年銅陵市首屆科技創新創意創業大賽，獲得的一等獎。

[1]陳博.風光復合發電的初探[J].上海電力,2008,(2).

[2]張伯泉,楊宜民.風力和太陽能光伏發電現狀及發展趨勢[J].中國電力,2006,(6).

[3]楊宜民,張伯泉.基于多Agent的風力/太陽能互補發電場能量管理系統[J].電力自動化設備,2007,(8).

[4]林亮，陳志忠.白光 LED 的加速老化特性[J].發光學報，2005，26（5）.