一种低功耗离网式混合能源照明系统Word文档下载推荐.docx

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而作为能源重要形式的电能，在全球各个领域均居首要地位[1]，全球各国纷纷采取节电措施最大限度地节约电能，并采取措施减少由于化石原料燃烧带来的高碳排量。

2）自2002年以来，国内供电形势一直比较紧张，电量缺口很大。

随着电力的普及，即使接近亚洲市场的平均电力使用水平，也都会使中国的电力市场不堪重负[2]。

3）在各种人类消耗能源的项目中,照明能耗是人类所有能源消耗中最多的一项,发达国家的照明能耗约占总能耗的9%以上,我国发达地区的照明能耗占总能耗的6%～9%.为此开发利用太阳光照明技术意义重大,不仅表现在节能上,同时符合人类追求生活质量和生活环境的要求.

1.2技术发展基础及趋势

1）在照明技术中,光纤照明是一枝独秀的照明新技术。

由于它具有光的柔性传输,安全可靠,所以广泛地应用于工业、科研、医学及景观设计中,并在国内外市场中已形成各类产品。

[3]

2）由于光伏建筑一体化具有绿色能源、不占用土地、建筑节能等多种优点，成为一种太阳能利用的后起之秀。

我国也提出了“太阳能屋顶计划”，引导市场推进的机制和模式，加快光电商业化发展，符合国家政策要求。

对于我们的装置，我们提出了风光互补建筑一体化的方案。

3）风光互补发电系统就是以风能和太阳能两种清洁能源为动力，由风力发电机和太阳能电池板发电，经蓄电池贮能，给负载供电的一种新型电源，在微波通信、基站、电台、野外活动、高速公路、景点山区、村庄和海岛方面受到广泛关注。

4）多种能源混合使用来提供电力这种理念已经日趋成熟，特别是风光互补发电供电理论受到越来越多的国内外研究人员的重视。

将太阳能、风能等新型清洁能源结合起来，综合应用，将可基本实现低碳甚至零碳的效果，具有重要意义。

二、系统设计及原理

2.1装置总体模型设计与原理

我组设计的照明系统主要由两部分组成，主体部分为传统的太阳能光纤照明。

放置在室外的聚光器将外界充足的自然光通过反射，经滤色片滤光后由光纤传导，进入室内后再重新分配，均匀高效的为室内提供照明。

辅助部分为风光互补照明。

风力推动风机叶片旋转发电，太阳能电池板吸收太阳能，两部分经过整流及风光互补控制器达到蓄电池充电标准贮存在蓄电池中，再由逆变器作用为灯具提供电能照明。

而在室内，利用控制调节器，通过比对光照度，当光照度不足时引入风光互补部分的辅助照明，使得室内照明维持在一个稳定的范围内。

装置总体模型基本原理图（图1）

2.2独立便携式照明系统

基本元件：

聚光器、光纤、光照度控制调节器（自主研发）、小型风光互补装置（一块30W太阳能电池板、一个小型风机、风光互补控制器、蓄电池）、光照元件。

便携式基本原理完全依据基本原理，以光纤照明为主，以风机与太阳能电池板为辅，在我组自主研发的光照度控制调节器作用下，实现稳定室内照明。

微型元件工作在单个居民楼或者办公楼中供用户进行补充电能照明以及应急灯工作在阴雨天气或者临时急用。

独立便携式构架图（图2）

1照度稳定器封壳2光纤-LED耦合器3供电电路4传输光纤5照明灯具

下图为我们设计的系统各部件展示模板，为了展示理念的方便，我们将各部件分开。

后期优化过程中大幅度的集成各部件，初步测算整体体积约合0.7×

0.5×

0.6m³

（不含外引光纤），外引光纤长度为0.9m。

便携式基本模型（图3）

我组设计的便携式装置小巧轻便，重量轻，实用性强，无论是在阴天还是晴天，经试验只要有光照即可实现装置的基本功能是室内保持长期稳定的照明，实现零碳排放的无污染状态，同时可用于多种地铁、矿下、临时活动房等特殊环境，具有应急功能。

2.3建筑一体化模型

考虑到室内照明在用电比例中占据重要部分，参照我组装置特点，以建筑整体为载体，我们提出了风光互补建筑一体化模型。

将我组装置应用到整栋楼的照明比单户照明更省成本，也会在更短的时间内收回成本，更有利于国家节能减排政策的实施，具有更可靠的意义。

建筑一体化基本模型（图5）

如上图所示，在建筑一体化中，我们将风机、太阳能电池板、光纤聚光装置安装在楼顶，不仅节省占地面积，而且节省传输费用。

白天通过光纤将太阳光导入室内，同时风光互补蓄电池辅助照明，在控制调节器的调控下，自动控制，保证室内稳态照明：

夜晚则依靠风光互补蓄电池发电照明，最终实现零电耗的节能减排效果。

聚光器、光纤、光照度控制调节器（自主研发）、风光互补装置（20块100W太阳能电池板、一个小型风机、风光互补控制器、蓄电池）、光照元件。

（以一个房间20㎡为例，其所需功率为60W（参照下面太阳能光照度计算），每层有20个房间，共6层，则所需总功率为：

60*20*6=7200W）

风机具体参数：

风轮直径（米）6

额定风速（转/分钟）220

额定风速（m/s）9

额定功率（w）5000

最大功率（w）7500

输出电压DC（v）220

启动风速（m/s）3

工作风速（m/s）3-25

安全风速（m/s）40

塔架高（m）6

顶部质量（kg）120

塔架类型（mm）∮159*5

以下为太阳能光照度的计算方法：

EAV（平均光照度值）=∑Φ（光通量总值）*CU（利用系数）*K（维护系数）/S（地面面积）；

我们以100lx（国家规定办公照明照度要求）为例，CU=0.7，k=0.8,s=20平方米，据查有以下关系式：

ΣΦ=60*Σp,Σp为灯具总的输出功率。

由此可以计算，当需要100lx照度的时候，需要总的输出功率为60w。

故有确定关系，即节能灯具有输出功率3w/平方米的特点。

因此，只要根据室内的光照度需求值，我们就可以协调控制器使室内达到一个稳定的值（100lx）。

工作原理：

在我们提出的这个装置中，并不是传统意义上的风光互补装置，我们的装置白天以光纤导入自然光为主，夜晚以蓄电池的发电为主，而蓄电池的充电则依靠风力发电和太阳能光伏发电，最终实现零电耗。

在我们装置的前端部分分为光纤部分和风光互补部分。

①光纤部分，依靠聚光装置通过透镜二次高效聚集太阳光，将太阳光耦合进入塑料光纤中，通过光纤进行传输。

在聚光装置，我们同时安装一个双轴跟踪器，保证全天日可以充分接受太阳光光照。

②风光互补部分，采用小型风机离网发电，整合太阳能光电池发电，贮存在蓄电池中，这就是常规下的风光互补原。

风机部分，在有风条件下（风速达到额定风速以上），风力推动风机叶片转动，带动发电机发电，此时为电压、频率不稳定的低质量交流电，经过控制器整流作用，在蓄电池处就可以得到稳定的高品质直流电。

光电池部分，在有光条件时，太阳能电池聚集能量，产生电能，同样贮存在蓄电池中。

这样，即使在阴雨天、夜晚及其他天气恶劣的情况下，可有蓄电池提供能量，维持室内不间断照明。

此两部分元件共同构成风光互补系统，电能由蓄电池在控制调节器的调配下进行输送，输出为灯具的额定稳定直流电。

实际建筑中利用光导管照明图（图6）

我组用光纤代替光导管，故实现效果会更亮。

（目前这些光导建筑中没有光照度控制，室内照明不稳定）

三、局部设计及原理

3.1光纤传导及聚光装置设计与原理

该照明系统主要由两部分组成，主体部分为）太阳能光纤照明。

放置在室外的聚光器将外界充足的自然光在椭圆聚光面聚焦反射，经滤色片滤光（滤掉了对人体有害的红外线和紫外线）后由光纤传导，进入建筑室内后再重新进行分配，均匀高效的为室内提供照明。

风机叶片在风力推动下旋转发电，太阳能电池板吸收太阳能，两部分所发能量在风光互补控制器中经整流滤波达到蓄电池充电标准，贮存到蓄电池中，需要时再由逆变器作用输出为灯具提供电能照明。

而在室内，我们通过给照度稳定器设定标准光照度，检测比对光照度，当室内光照度不足时由蓄电池提供辅助电力照明，使得室内照明维持在一个相对稳定的范围内。

光纤照明示意图（图7）

1两级反射镜2聚光器外壳3调节器4光纤导入口5光纤

6照明灯具7支架8驱动电机

我组装置将普通聚光器改装成两次反射多平面镜构成抛物面聚光器,这种聚光器采用多镜面构成抛物面反射聚光,并把抛物面上的太阳光反射到抛物面焦点面镜像点面的受光器上,这样可以大大减小光线入射角,不仅能克服一次反射聚光受光器因聚光器受阻挡造成的聚光不均匀的缺点,而且能够减小聚光器占地面积,同时受光器还可以接受直射阳光,实现数倍聚光,以更经济和实用的方法使光电池产生获得最佳的光伏效率。

聚光器示意图及实物图（图8）

3.2风光互补装置设计及原理

风光互补基本原理图（图9）

风光互补照明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、灯具等部分构成。

风力发电机和太阳能电池可以各自独立发电，也可以共同联合发电。

阴雨天和夜间可以利用风能，无风时可以利用太阳能，风能与太阳能互补发电。

系统同时配有蓄电池，可以保证在无风又无光的情况下正常工作。

控制器对蓄电池的过冲、过放进行保护，并对光源的开启和亮灯时间进行控制。

3.3控制调节器设计及原理

3.3.1控制调节器基本原理

我们组设计的又一创新点在于，室内附加自动调节的光能捕获判断供光系统。

具体而言，当通过光纤捕获的太阳光传递到室内进行照明时，进行光照度判断，当光能判断后，再通过单片机实现自动分配蓄电池中的电能，使得灯具发光，并且不同时刻，不同光照度会使系统自动调节灯具发光数（即发光功率），这样大大减少了不必要的电能损耗，并且使得室内的光照度值达到稳定，不至于引起人的视觉疲劳。

灯具控制基本示意图（图10）

比较器电路图如下所示：

vin为电压输入端，vr为预设定的电压值，两者经过比较器比较在v0处输出电压值（0,5v），将此信号输入单片机，进行信号操作，在实现装置中控制电路LED的通断。

左图自主比较电路右图控制比较输出图（图11）

4.3.2开关式控制调节器

①在有光条件下，聚光器将光能捕获，将装置放置于一黑暗的室内（小箱子），内部安有光照度感应器和判断装置，通过电压比较器和单片机80C52实现，当太阳光达到规定照度时，风光互补装置只把电能贮存在蓄电池中，供后续使用。

②对①中的光进行部分遮挡，使得光只有部分通过光纤传入暗室，且室内的光纤输入量逐渐减小，当室内光照度值达到<

=85lx时，通过电压比较器、单片机80C52实现，继电器引脚产生动作信号，使LED灯开启一组，完成一次动作。

③继续遮挡捕获光的装置，使得光纤引入的光产生的照度效果只有70lx，此时通过电压比较器、单片机80C52实现，继电器引脚再次产生动作信号，LED灯再原有的基础上，再次开启一组（共两组开启）。

④持续遮挡捕光装置，使得光纤引入的光产生的照度效果只有50lx，此时通过电压比较器、单片机80C52实现，继电器产生第三次动作信号，LED等再两组的基础上，再次开启一组（三组开启）。

此时所有的LED灯全部开启。

⑤同时，当光纤引入的自然光逐渐增大时，也可以完成LED灯一组一组关闭的效果。

但不足之处在于不可实现连续性调节光强度值调节，会使房间忽明忽暗。

三次动作的控制部分全部独立，即判断互不影响，可以实现对任意照度值进行比较判断，做出相应的动作。

单片机对灯具的控制是借助自主设计的程序算法，可以实现多个灯具的独立照明控制。

同时，也具有延时效果，对于暂时性的光照变化不会引起亮灯数目的变化，起到节能减排的效果。

在此方案中采用LED环绕式设计，每一圈为一组，每一组由一个单片机引脚的高低电频控制，5V高电频为接通，0v低电频为断开，进而通过控制可以使室内照度保持稳定。

4.3.3控制调节器

整个电路的工作过程是：

当输入比较电压VC增大时，PWM波的占空比增大，每个开关周期管子的导通时间增加，主电路输出的平均电压增大；

反之，主电路输出的平均电压减小；

当发生欠／过压或过载温度升高时，由控制逻辑电路自动减小脉宽以保护电路。

具体原理是：

电路内部主要包括时钟发生器、脉宽比较器、逻辑电路、限流电路和电力场效应晶体管（P-MOSFET），辅助部分有过／欠压检测（Over／UnderVoltageDetection）、过压保护（OvervoltageProtection）、温度检测和用于输出参考电压的电压调节模块。

时钟波形序列和由IC外部提供的比较电压VC（PIN2脚）输入脉宽比较器，经过脉宽调制产生与输入比较电压VC保持同步变化的等幅不等宽脉冲序列，即PWM波。

该PWM波与过／欠压检测和温度传感信号一起提供给逻辑控制电路，产生控制P-MOSFET门极导通与关断的开关信号。

当发生欠／过压或过载温度升高时，由控制逻辑电路自动减小脉宽以保护电路.

基于电流调节控制调节器基本原理图（图12）

电路中Vref保持不变，这使得电阻R1上的电压降随着光照的强弱变化呈现正特性变化，则取自光敏电阻RO，两端的比较电压VC随着光照的强弱变化呈现出负特性，即当光照度强烈时，RO电阻值减小，比较电压VC亦减小；

当光照度变弱时，RO电阻值增大，比较电压VC亦增大。

由此可使由比较电压VC控制的输出电压UO随着光照的强弱变化亦呈现出负特性，从而控制照明灯具获得随光照强弱呈反向变化的功率以实现自动调光：

即当光照度强烈时照明灯具功率降低，当光照度变弱时照明灯具功率增大。

BTS629的工作电压（PIN4-GND）在5．5～16．9V之间，负载电流（PIN4～PIN7）理论值最大为14A，输出参考电压Vref=2．5V，占空比变化范围在8%～98％之间。

该设计中供电电源为直流12V，则负载获得电压变化范围在O．96～11．76V之间变化，也即当完全无光照射和自然光照射时分别输出0．96V和11．76V；

而光敏电阻在无光照射和自然光照射时的阻值分别为100kΩ和100Ω。

为了使VC在8％Vref～98％Vref范围内变化，确保D<

98％，取R1=2．2kΩ；

则当光照度达到最强时，Ro=100Ω，对应的D值为4％由BTS629的自动保护而关闭，此时Uo接近于0V而关闭照明灯具。

这种方案可以实现，在自然光照度值连续变化时，LED灯亮度连续变化，此时保持灯的数量不变，通过电流大小不变，改变各端电压值大小，重新分配，可连续性操作。

四、装置亮点

4.1风光建筑一体化

我们的装置最大亮点在于轻巧地把太阳能、风能有机的结合起来利用，并且在使用方式上对太阳光实现了光导光伏一体化利用。

该系统整体上突出光纤照明为主体，引入自然光照明，同时以风光互补产生供补电能，供给大功率LED节能灯灯照明，实现多能高效混合利用互补。

我们设计的最终目标为光照强度，即无论太阳能照明本身，光伏发电，还是风力发电所达到的最终结果都是室内的光照强度。

在白天，一般指早10点到下午15点，以华北地区为例，此段时间为可见光最强的时段，经研究正常情况下一天当中的中午12点到下午15点阶段为全天中光伏发电的主要工作阶段。

B、C座之间，在试验阶段我们在华北电力大学主楼，与此同时，我组将小型风机至于主楼检测到风速可达24小时中至少20小时，满足风机的最低要求风力（12m/s）这样在有光，且光照充足情况下，光导纤维将自然光引入室内，使得自然光得到一次直接利用。

与此同时，光照到太阳能电池板时，太阳能电池板聚集能量，将太阳能转化为可以输入到蓄电池中的有效电能，控制器作用下使得小型风机和太阳能电池板分别按不同输出线路把电能储存在蓄电池中。

4.2稳定照度自调节控制

我们知道，无论是日常办公还是工厂设备，对于光照度的稳定性有很高的要求，这是我组我们方案的一大突破。

我们通过学习单片机原理、模拟电路、数字电路，独立完成了此部分功能实现的逻辑实现设计。

我们小组设计搭建了一种保证室内光照度基本稳定的检测自调节装置了一种实现按照室内的光照强度，通过对于室内照度的实时检测，今后续电路判断后调节LED节能灯的功率，实现了室内的照度恒定，此部分电力来源为有风光互补所发电能自行感知，判断，分配光能的来源，过剩的电能贮存在蓄电池中，实现无人操作，自动感知调节一体化。

4.3太阳光双轴追踪器

该系统分为四个部分:

光电信号采集单元、单片机数据处理、光电祸合隔离系统和云台电机驱动部分。

其中第一部分由光电二极管来实现光信号到电信号的转换;

第二部分由ADC把模拟电信号转化为数字电信号，并在单片机中进行数据处理，比较前后采集的光信号找到最大光强处，并记下相应位置;

第三部分防止电磁干扰;

第四部分由单片机根据数据处理结果，输出信号控制云台电机转动，找到最大光强的位置，并输出相应的信号控制聚光透镜的驱动电机，使其转动到太阳入射方向，如图13所示为。

自动跟踪控制系统框图（图13）

由于检测的信号为可见光信号，因此我们选用可以检测可见光的硅光电二极管，其型号为3DU33，φ=0.5㎝。

光信号照射到光电二极管以后，转换得到非常微弱的电信号，经过前置放大器进行放大，工作电压为+12V和一12V，如图14所示为光电信号转换电路。

云台是进行水平和垂直两个方向转动的装置。

云台转动靠电机驱动，其内带有两个电机，这两个电机一个负责水平方向的转动，另一个负责垂直方向的转动。

云台是一个固定装置，不用再制作转动支架，可减少成本。

云台旋转的角度:

水平:

0—365度;

垂直:

0—90度。

步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的执行器。

由于受脉冲的控制，其转子的角位移量和速度严格地与输入脉冲的数量和脉冲频率成正比。

改变通电顺序可以改变步进电机的旋转方向;

改变通电频率可以改变步进电机的转速。

对步进电机的单片机控制采用串行控制方式，连接结构比较简单。

作为自动跟踪控制系统的控制核心，单片机主要用来进行数据处理，并输出信号控制云台找到太阳最大光强位置，从而最终控制聚光透镜转向日光直射位置。

单片机首先对信号进行AD转换，并比较前后采集的数据，得到最大值。

光电信号转换电路（图14）

主程序流程图（图15）

为实现精确跟踪日光信号，采用粗调与微调结合的方式实现。

太阳转动分东西、南北两个方向，在一周内，太阳每天的运动轨迹几乎相同，每天同一时刻太阳会转动到近似相同的位置，因此，首先设定一天从早上6点到晚上6点，整点和半点时刻太阳的固定角度位置。

单片机程序定时对聚光透镜东西、南北两个方向进行调整，称为粗调。

又由于每天同一时刻太阳位置的角度差别存在是必然的，自动跟踪控制系统在固定角度位置附近转动，精确调整小偏差角度，称为微调。

一天结束后，单片机程序定时控制聚光透镜返回初始位置待命。

五、装置价值

5.1经济价值

我组设计的方案可以创造巨大的经济价值，以一间36平方米的工作间为例，日均照明开灯6小时为例，在正常条件下，房间需要两个40w的荧光灯来提供照明，这样计算每天每房耗电为

2*0.08kw*6h=0.48度，

各类接线、传导耗电占比例取η=8%，则有电能消耗0。

48*（1+8%）=0.5184度，每年耗电011584*30*12=186.6度，

以北京现行电价0.5元∕度计算，这部分全年电费=93.312元。

如果以工业用电电价1.2元/度计算，则平均每个工作间全年照明电费223.95元。

我们组设计的装置在一个工作间中的装置成本：

光纤成本：

3mm直径的照明光纤（我组试验用）为5元/米，假设房间从顶层（6）楼到底层平均每间房用光纤长度9.5m，则单间光纤成本5元/米*9.5米=47.5元，全楼光纤成本57.5*200=16500元；

聚光装置成本：

单个1.5米直径太阳能聚光灶每台380元，全楼需要5台，共需380元/台*5台=1900元；

风机：

5KW风机每台22000元；

控制器5KW风光互补控制器单价3700元；

大容量蓄电池12V200AH单价1480元，8台共1480*8=11840元；

100W太阳能电池板单价：

298元，100组需要29800元

全部装置所需成本：

16500+1900+22000+3700+1480+11840=57420元；

而以原始电能供电的方式，整栋楼（200个房间），一年所需电费223.95*200=44702.4元。

这样，全部装置在一栋楼中应用收回成本需要57420/44702=1.3年，收回成本后，每年装置可以为这座楼节省电费44702.4元。

据统计，北京市现有居民1339万，其中流动人口300万左右，有工作的人员（中年以上）达700万人，全年居民用电总量276．2亿千瓦小时。

就北京地区的写字楼而言，据统计北京工作人员总数700万人左右，人均占有办公区域面积10平米，即4人共用一个36平米的办公区[4]，如果有10%的办公楼采用我们组设计的采光照明方案，则全年可以节省电能：

7*10ˆ7/4*186.6=13.7655亿度电能，有效实现了节能减排！

5.2环保价值

我们设计的方案具有巨大环保价值，主要减少CO₂、SO₂、NOx.排放。

我国的照明约占总耗电量10%，而目前普遍使用的照明灯具只有约15%转化成光能，也就是说有80%多的能量是以热形式耗去的。

（引自中国节能网《太阳能光纤照明系统技术原理及应用分析》）而使用光纤照明就可以避免能量转化中的能量损失大大减少有人为造成的不必要的损耗和浪费，从而提高能源的利用效率。

同时合理利用自然资源，让廉价的风能与太阳能资源充分发挥出它的效能，营造出一个绿化的社会，缓解电能的需求，延长不可再生能源（如煤等）的使用寿命，符合国家产业政策，是国家大力提倡和支持的产业方向。

美国能源部能源信息管理综合分析及预测办公室（EIA）发表的“EnergyOutlook2010”研究报告指出，全