风光互补路灯的设计--毕业论文设计.doc

目 录摘要：1 一 风光互补路灯概述2 （一） 风光互补发电概述2 （二） 风光互补路灯3 1 风光互补路灯的组成及各部件的作用3 2 风光互补路灯的特点4 3 风光互补路灯的发展前景6 4风光互补路灯的应用场景6 二 风光互补路灯的设计7 （一） 风光互补路灯设计方案7 （二） 风光互补路灯设计参数7 1技术参数8 2路灯设计8 3安装要求9 4注意事项11参考文献11致 谢120风光互补路灯的设计 摘要：能源是人类社会存在与发展的物质基础。在过去的200多年中，建立在煤炭、石油和天然气等化石燃料基础上的能源体系极大地推动了人类社会的发展。与此同时，地球50万年历史积累下来有限的化石能源正在以惊人的速度被消耗。据有关资料显示，以目前全世界对能源的需求量和增长速度来看，地球上已探明的石油储备可维持40余年，天然气60余年，煤炭200余年。人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也越来越感觉到大规模使用化石燃料所带来的严重后果：资源日益枯竭，环境不断恶化，还诱发了不少国与国、地区之间的政治经济纠纷，甚至战争和冲突。因此人类必须寻求一种新的、清洁、安全、可靠的可持续能源系统。在众多可再生能源中，风能和太阳能由于碳的零排放，是21世纪最被看好的可再生能源。风能、太阳能虽然有取之不尽、用之不竭，就地可取、无需运输，无环境污染等优点，但无论是风能发电系统还是光伏发电系统，都受到自然资源的制约；不仅在地域上差别迥异，而且随时间变化具有很强的随机性。根据风光的互补性，使用风光互不系统可以很好的解决发电系统的供电问题，实现连续、稳定的供电。 关键词：发电系统、控制系统、储存系统、照明系统 一、 风光互补路灯概述 （一）风光互补发电概述风光互补，就是利用太阳能电池组件、风力发电机将转化的电能存储到蓄电池中，当夜晚点亮路灯的时候，逆变器将蓄电池中存储的直流电转变为交流电，从而供灯具用电。由于蓄电池存储的电能有限，所以风光互补最大的优势就是在夜间和阴雨天时由风力发电机发电，晴天有太阳的时候由太阳能发电，既有风又有太阳的情况下两者同时发电。风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交流直流负载等部分组成，系统结构如下图。该系统是风能、太阳能及蓄电池等多种能源发电技术及系统智能控制技术为一体的复合可再生能源发电系统。(1)风力发电部分是利用风力机将风能转换为机械能，通过风力发电机将机械能转换为电能，再通过控制器对蓄电池充电，经过逆变器对负载供电；(2)光伏发电部分利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对蓄电池充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；(3)控制部分根据日照强度、风力大小及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；(4)蓄电池部分由多块蓄电池组成，在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将风力发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。 （5）风光互补发电系统根据风力和太阳辐射变化情况，可以在以下三种模式下运行：风力发电机组单独向负载供电；光伏发电系统单独向负载供电；风力发电机组和光伏发电系统联合向负载供电。 （6）风光互补发电系统主要由风力发电机、太阳能电池、智能控制器、蓄电池组、逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统。夜间和阴雨天无阳光时由风能发电，晴天由太阳能发电，在既有风又有太阳的情况下两者同时发挥作用，实现了全天候的发电功能，比单用风机和太阳能更经济、科学、使用。（二）风光互补路灯1.风光互补路灯的组成及各部件的作用风光互补路灯主要由太阳能电池组件、风力发电机、大功率LED灯、风光互补控制器、太阳能专用免维护蓄电池、逆变器等部件组成，还包括太阳能电池组件支架、风机附件、灯杆、预埋件、蓄电池地埋箱等部件。风光互补控制器是对光伏电池板和风力发电机所发出的电能进行调节和控制，一方面把调整后的电能送往灯具，另一方面把多余的能量对蓄电池进行充电，当发出的电能不能满足负载需要时，控制器就会把蓄电池中存储的电能送往灯具，蓄电池存储的电能用完时，控制器可以控制蓄电池不被过放电，当蓄电池充满电后，控制器可以控制电池不被过充电。具有完善的保护功能，从而可以达到更长的使用时间。太阳能电池组件是将太阳能直接转换为电能的发电装置，具有以下特点：不产生噪声，不排放污水，不需要燃料，维护费用低，稳定性好，效率高，寿命长。风力发电机是以自然风作为动力，驱动风轮及发电机旋转，将风能转换为电能给蓄电池充电或通过逆变器直接转换成交流电。具有体积小、重量轻，发电效率高，微风便能启动，寿命长免维护等特点。蓄电池作为风光互补发电系统的储能设备，在整个发电系统中起着非常重要的作用。首先，由于自然风和光照是不稳定的，在风力、光照过剩的情况下，存储负载供电多余的电能，在风力、光照欠佳时，储能设备蓄电池可以作为负载的供电电源;其次，蓄电池具有滤波作用，能使发电系统更加平稳的输出电能给负载;另外，风力发电和光伏发电很容易受到气候、环境的影响，发出的电量在不同时刻是不同的，也有很大差别。作为它们之间的“中枢”，蓄电池可以将它们很好的连接起来，可以将太阳能和风能综合起来，实现二者之间的互补作用。常用蓄电池主要有铅酸碱性镍蓄电池和镉镍蓄电池。 图.风光互补路灯系统图2.风光互补路灯的特点 优点由于蓄电池存储的电能有限，所以风光互补最大的优势就是在夜间和阴雨天时由风力发电机发电，晴天由太阳的时候由太阳能发电，既有风又有太阳的情况下两者同时发电，风光互补路灯完全适应自然环境的变化，夏季，风力小，但是阳光强，冬季，阳光弱，但是风力大。阴天风力大阳光弱，晴天阳光强风力弱。具有很好的互补性，同时风能和太阳能是取之不尽的再生能源。实现了全天候的发电能力，比单用风力发电及单独使用太阳能更科学、实用。普通的路灯必须用地埋电缆供电，所以路灯供电线路的建设成本高，距离远还要建设升压系统，并且耗费电能。而风光互补路灯不需要输电线路，不消耗电能，有明显的经济效益。风光互补路灯是完全利用风能和太阳能为灯具供电，系统兼具风能和太阳能产品的双重优点，开关智能控制，自动感应外界光线变化，无须人工操作，适用于乡村结合道路、高速公路、城市道路、景观道路、小区等等场所。风光互补路灯具有零电费、绿色环保等特性，节能减排是未来照明发展的重要方向之一。节能减排，节约环保，无后期大量电费支出。资源节约型和环境友好型社会正成为大势所趋。对比传统路灯，风光互补路灯以自然中可再生的太阳能和风能为能源，不消耗任何非再生性能源，不向大气中排放污染性气体，致使污染排放量降低为零。长久下来，对环境的保护不言而喻，同时也免除了后期大量电费支出的成本。免除电缆铺线工程，无需大量供电设施建设。市电照明工程作业程序复杂，缆沟开挖、敷设暗管、管内穿线、回填等基础工程，需要大量人工；同时，变压器、配电柜、配电板等大批量电气设备，也要耗费大量财力。风光互补路灯则不会，每个路灯都是单独个体，无需铺缆，无需大批量电气设备，省人力又省财力。个别损坏不影响全局，不受大面积停电影响。由于常规路灯是电缆连接，很可能会因为个体的问题，而影响整个供电系统；风光互补发电路灯则不会出现这种情况。分布式独立发电系统，个别损坏不会影响其他路灯的正常运行，即使遇到大面积停电，亦不会影响照明，不可控制的损失因此大幅降低。节约大量电缆开销，更免受电缆被盗的损失。 电网普及不到的偏远地区安装路灯，架线安装成本高，并会有严重的偷盗现象。一旦偷盗，影响整个电力输出，损失巨大。使用风光互补路灯则不会有此顾虑，每个路灯独立，免去电缆连接，即使发生偷盗现象也不会影响其他路灯的正常运作，将损失降到最低。 缺点 （1） 安全性问题担心风光互补路灯的风车和太阳能电池板会被风吹落到公路上伤及车辆和行人。实际上，风光互补路灯的风车和太阳能电池板的受风面积远小于公路指示牌和灯杆广告牌，而且，路灯的强度设计也是按抗12级台风的标准设计的，不会出现安全上的问题。 （2） 亮灯时间不保证担心风光互补路灯受天气影响，亮灯时间不保证。风能和太阳能是最常有的自然能源，晴天阳光充足，而阴雨天则风大，夏天阳光照射强度高，而冬天风大，并且，风光互补路灯系统配有足够的储能系统，能保证路灯有充足的电源。 3.风光互补路灯的发展前景目前，在国内外市场上常见的风光互补路灯主要用于两种场合。一是在远离电网或不利于铺设电缆地区的农牧民家庭使用。二是用于路灯照明。风光互补道路照明是一个新兴的新能源利用领域，它不仅能为城市照明减少对常规电的依赖，也为农村照明提供了新的解决方案。据2013-2017年中国风光互补路灯行业发展前景与投资预测分析报告数据显示，中国现有城乡路灯总数，大约在2亿盏，并以每年20%的速度增长，假如这2亿盏400瓦或250瓦高压钠灯全部改成150瓦或100瓦风光互补LED路灯，并且每盏路灯每天工作12小时，在1年内将节约1500亿度电。而三峡水电站在2010年的发电总量为840亿度电。因此把全国2亿盏路灯全部改为风光互补路灯后，所节省的电量相当于1.8个三峡水电站2010年的全年发电量。全球的环境在日益恶化，各国都在发展清洁能源，“十二五”期间，节能环保行业将占据经济建设中的重要角色，清洁能源的领域将会不断发展壮大。我国有丰富的风能及太阳能资源，路灯作为户外装置，两者的结合做成风光互补路灯，无疑给国家的节能减排提供了一个很好的解决方案。一套400瓦的常规路灯一年耗电超过1000度，相当于消耗标准煤400多公斤。若换成1000套照明效果相当的150瓦风光互补路灯，一年可节约电能上百万度，节约标准煤达400多吨。由此可见，风光互补路灯在城市道路照明行业中的发展前景十分看好。中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。 4.风光互补路灯的应用场景 中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。另外，利用风光互补系统开发储量丰富的可再生能源，可以为广大边远地区的农村人口提供最适宜也最便宜的电力服务，促进贫困地区的可持续发展。 室外应用 世界上室外照明工程的耗电量占全球发电量的12%左右，在全球日趋紧张的能源和环保背景下，它的节能工作日益引起全世界的关注。基本原理是：太阳能和风能以互补形式通过控制器向蓄电池智能化充电，到晚间根据光线强弱程度自动开启和关闭各类led室外灯具。智能化控制器具有无线传感网络通讯功能，可以和后台计算机实现三遥管理(遥测、遥讯、遥控)。智能化控制器还具有强大的人工智能功能，对整个照明工程实施先进的计算机三遥管理，重点是照明灯具的运行状况巡检及故障和防盗报警。 道路照明车行道路照明工程(快速道/主干道/次干道/支路)；小区(广义)道路照明工程(小区路灯/庭院灯/草坪灯/地埋灯/壁灯等)。目前已被开发的新能源新光源室外照明工程有：风光互补led智能化路灯、风光互补led小区道路照明工程、风光互补led景观照明工程。二、风光互补路灯的设计 （一）风光互补路灯设计方案1.路灯配置设计路灯配置采用一台100W风力发电机、一片75W太阳能电池板、一套100W低压无极灯或者LED以及2只60AH/12V铅酸阀控蓄电池，组成一支独立的风光互补路灯。可每天可靠亮灯8小时。 2.配置清单序号部件名称规格型号数量1风力发电机FD2.5-0.5/91台2太阳能组件TPM-30M(75W)2块3充电控制器CMP121个4灯杆10m,镀锌，喷塑1套5灯罩、灯源24V/100W LED1套6路灯控制器24V/10A1个7电控箱标准1个8蓄电池12V 60Ah2个9附件1套表.配置清单 （二）风光互补路灯设计参数1.技术参数发电主体：（1）故障率低（转速慢、无转向机构）； （2）无噪音； （3）发电曲线饱满（启动风速低、在中低风速运行时发电量较大）； （4）不受风向及近地面团风的影响； （5）抗台风能力较强（抗风能力达到45m/s）。2.路灯设计（1）风光互补路灯配置： 垂直轴风力发电和太阳能电池板以10：3的配比进行设计，适用于大多数城市道路。例如10米高路灯配置： 灯笼型垂直轴风力发电机-100W；太阳能电池板-75W；灯杆高度-10米；灯泡功率-100W无极灯、LED灯蓄电池-60AH免维护；亮灯时间-8h/d；（2）蓄电池配置：蓄电池采用胶体蓄电池，安装在路灯灯杆中间，既作为蓄电池箱同时可用作广告灯箱。胶体蓄电池寿命较长，工作稳定性较高。（3）控制系统：风光互补控制器或风力发电控制器对于蓄电池的充放电控制非常关键，必须将其控制在较平稳的变化范围内。控制器的好坏对于蓄电池以及光源的寿命起到至关重要的作用。（4）光源应用在太阳能照明系统中的光源要满足以下2个条件： 寿命要长，光衰要低，这样才能体现高品质照明系统，太阳能照明系统一般也是提供长时间质保期的。 为尽可能的降低初期投入成本，事必要减小晶硅片面积和蓄电池容量，这是由电流来决定的。所以相同功率的光源实际工作电流越小越好，这样整体造价就会下降。光源的价格在整个太阳能照明系统中所占的比例很小很小。无极灯工作电流小，同功率的无极灯和金卤灯和高压钠灯相比电流只有一半左右，可大大降低太阳能板和蓄电池的配置，另外寿命超长，光通维持率高，显色性好，这些优点都非常适合作为太阳能光源，国内外已有很多工程应用实例。（5）太阳能电池组件：单晶硅太阳能电池具有光电转换效率高的特点，故一般都喜欢采用它。其实对于新能源路灯而言，由于其独立供电，供电持续性要求较高，故采用弱光性较强的多晶硅太阳能电池效果较好。3.安装要求（1） 地基浇筑（2） 确定立灯位置；勘察地质情况，如果地表1.2米皆是松软土质，那么开挖深度应加深；同时要确认开挖位置以下没有其他设施（如电缆、管道等），路灯顶部没有长时间遮阳物体，否则要适当更换位置。 （3） 在立灯具的位置预留（开挖）符合标准的1.2米坑；进行予埋件定位浇筑。预埋件放置在方坑正中，PVC穿线管一端放在预埋件正中间、另端放在蓄电池储存处，注意保持预埋件、地基与原地面在同一水平面上（或螺杆顶端与原地面在同一水平面上，根据场地需要而定），有一边要与道路平行；这样方可保证灯杆竖立后端正而不偏斜。然后以C20混凝土浇筑固定，浇筑过程中要不停用震动棒震动，保证整体的密实性，牢固性。施工完毕，及时清理定位板上残留泥渣，并以废油清洗螺栓上杂质。混泥土凝固过程中，要定时浇水养护；待混凝土完全凝固（一般72小时以上），才能进行吊灯安装。（2） 太阳能电池组件安装 电池组件的输出正负极在连接到控制器前须采取措施避免短接； 太阳电池组件与支架连接时要牢固可靠； 组件的输出线应避免裸露，并用扎带扎牢； 电池组件的朝向要朝正南，以指南针指向为准； 太阳电池组件安装的角度应与当地的纬度相同。（3） 蓄电池安装 蓄电池置于控制箱内时须轻拿轻放，防止砸坏控制箱； 蓄电池之间的连接线必须用螺栓压在蓄电池的接线柱上并使用铜垫片以增强导电性； 输出线连接在蓄电池后在任何情况下禁止短接，避免损坏蓄电池； 蓄电池的输出线与电线杆内的控制器相联时必须通过PVC穿线管； 上述完成后，检查控制器端的接线，防止短路。正常后关好控制箱的门。（4）灯具安装 灯杆起吊之前，先检查各部位紧固件是否牢固，灯头安装是否端正，光源工作是否正常。然后在简易调试系统工作是否正常；松开控制器上太阳板连接线，光源工作；接上太阳板连接线，灯熄；同时仔细观察控制器上各指示灯的变化；一切属于正常，方可起吊安装, 进行各部位组件固定：太阳板和风机固定在太阳板支架上，灯头固定到挑臂上，然后将支架与挑臂固定到主杆，并将连接线穿引到控制箱（电池箱）。对接公母头对插线,将对插口与灯杆对接,同时用外六角螺丝拧紧将其与灯杆固定,灯头对插过程中,将引线拉直，避免挫伤线缆。导线经过所有管口部位，管口倒内角取毛刺避免损伤电缆线。 主灯杆起吊时，注意安全防范；螺丝绝对紧固好，如组件朝阳角度有所偏差，需要上去端调整其朝阳方向完全朝正南。 将蓄电池放进电池箱，按照技术要求将连接线连接到控制器；先接蓄电池，再接负载，然后接太阳板；接线操作时一定要注意各路接线与控制器上标明的接线端子不能接错，正负两极性不能碰撞，不能接反；否则控制器将被损坏。调试系统工作是否正常；松开控制器上太阳板连接线，灯亮；接上太阳板连接线，灯熄；同时仔细观察控制器上各指示灯的变化；一切属于正常，方可封好控制箱。（5）风力发电机安装要求 将发电机总成固定在灯杆上； 将3支风叶均匀对称的安装在风叶转轮上，且校正平衡度重心； 将安装好的风叶总成安装在带锥度的发电机上，且固定； 将风叶的顶帽安装在风叶的总成顶部； 最后把风机输出线与太阳能电池板线相应接到对应的接口处。 风机周围3米内，应无高层建筑物；4.注意事项风光互补路灯以太阳辐射及风力为能源，照射在光电池组件上的阳光是否充裕直接影响灯具的照明效果，四周建筑物较高，也直接影响到风的流向，因此在选择灯具的安装位置时，电池组件及风力发电机在任何时间段都能够照射到阳光，且无树叶及高层建筑遮挡物。穿线时一定要注意导线勿夹在灯杆的连接处。导线的连接处应该连接牢固，且用PVC胶带缠绕。使用时，为保证美观和电池组件能更好的接收太阳辐射，特别新疆是多风沙地区, 电池板方阵倾角应超过30度，保持方阵表面的干净，以免影响发电量。有条件时可用清水清洗，再用干净抹布擦干。切勿用腐蚀性溶剂或硬物冲洗擦试。定期检查所有安装部件的紧固程度,遇到冰雹、狂风、暴雨等异常天气，应及时采用保护措施。参考文献：1王君一，徐任学.太阳能利用技术.北京：金盾出版社，2008.12刘竹青.风能利用技术.北京：中国农业科学技术出版社，2006.103赵树安.太阳能光伏发电及应用技术.南京：东南大学出版社，2011.54张希良.风能开发利用.北京：化学工业出版社，2005.15林闽，张艳红，修强，热孜望；风光互补路灯控制系统的设计J；可再生能源 ；2011年 06期.6王志新；风光互补技术及应用J；新材料产业；2009年 02期.7刘鑫，郭锐强，魏子贺；风光互补路灯的发展前景研究，商场现代化，2012年 23期. 10