风光互补路灯完全版.docx
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风光互补路灯完全版
风光互补太阳能路灯
设
计
方
案
设计单位：
乌鲁木齐旭日阳光太阳能
工程有限公司
设计时间：
二0一一年三月二十日
设计人员：
姜广建
风光互补路灯设计方案
现场效果图
一、自然资源状况
在跨入21世纪之际，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。
而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温室效应都与化石燃料的燃烧有关。
目前的环境问题，很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的。
因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。
太阳能和风能等清洁能源以其独具的优势，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担纲重任，成为21世纪后期的主导能源。
1.1化石能源带来的问题
（1）能源短缺：
由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。
从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。
因此，如不尽早设法解决化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。
（2）环境污染：
当前，由于燃烧煤、石油等化石燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成酸雨，严重污染水土。
这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。
（3）温室效应：
化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全球气候变化。
这一问题已提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国CO2等温室气体的排放量。
1.2太阳能资源及其开发利用特点
（1）储量的“无限性”：
太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大。
太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×1023kW，其中到达地球的能量高达8×1013kW，相当于6×109t标准煤。
按此计算，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿t，是目前世界主要能源探明储量的一万倍。
太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球的时间可以说是无限的。
相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽，用之不竭。
这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最有效途径。
（2）存在的普遍性：
虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。
这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。
（3）利用的清洁性：
太阳能像风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。
（4）利用的经济性：
可以从两个方面看太阳能利用的经济性。
一是太阳能取之不尽，用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发展水平下，有些太阳能利用已具经济性，如太阳能热水器一次投入较高，但其使用过程不耗能，而电热水器和燃气热水器在使用时仍需耗费。
随着科技的发展以及人类开发利用太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。
二、技术方案
设计说明：
一、根据现场勘查情况，在风光互补路灯安装位置位于道路两旁绿化带附近，而风光互补路灯的安装要求在安装位置无树荫、楼宇等遮挡，如有遮挡，将大大降低风机和太阳能光伏组件的充电效率。
因此我公司建议风机和太阳能光伏组件的安装高度高于周围树高，以保证风机和太阳能光伏组件的充电效率。
故灯高设计为10米。
二、1、根据《城市道路照明设计标准》（CJJ45-2006）
第4.1.3条采用普通截光型路灯按平面对称式配置灯具的高杆灯，其间距和高度之比以3∶1为宜，不应超过4∶1。
2、此次风光互补路灯所选用LED光源光照半径为15米，为保证该路段夜间的整体效果，无暗区，故设计灯间距为30米。
风光互补路灯系统效果图
风光互补路灯效果图
三、设备选型
3.1.光源的选择
光源选用路灯专用LED光源，该光源具有以下特点：
首创散热器与灯壳一体化设计，LED直接与外壳紧密相接，通过外壳散热翼与空气对流散热，充分保证了LED路灯50000小时的使用寿命。
按照每天工作10个小时计算，其寿命也在12年以上，维护费用极低；
灯壳采用铝合金压铸成型，可以有效的散热和防水、防尘。
灯具表面进行了耐紫外线抗腐蚀处理，整体灯具达到IP65标准；
采用单体椭圆反射腔配合球状孤面来设计，针对性地将LED发出的光控制在需要范围内，提高了灯具出光效果的均匀性和光能的利用率，更能凸显LED路灯节能优点。
与传统的钠灯相比，可节电60%以上；
无不良眩光、无频闪。
消除了普通路灯不良眩光所引起的刺眼、视觉疲劳与视线干扰，提高驾驶的安全性；
启动无延时，通电即达正常亮度，无须等待，消除了传统路灯长时间的启动过程；
绿色环保无污染：
不含铅、汞等污染元素，对环境没有任何污染；
与太阳能结合是绝好搭档，充分发挥LED直流低压工作与节能环保的优点，太阳能光伏板与LED光源相结合，为客户实现最佳性价比和高可靠性。
3.2风机的选型
本系统选用300W磁悬浮风力发电机，风机输出三相交流电，经过风光智能控制器给蓄电池充电。
全永磁悬浮风力发电机是专门为低风速区应用而研发的，用全永磁悬浮推力轴承平衡由于风压作用在叶轮上引起的轴向压力增加而产生的轴向摩擦力，以减少传统风机因叶轮在超大风速作用下旋转时的轴向摩擦力，这对提高风机旋转速度，减小轴向摩擦，增加发电量，意义重大；同时风机转子系统在旋转时的径向摩擦力可减小70%以上，极大地减少了摩擦阻力，起动风速为1.5米/秒，明显优于普通风力发电机。
a、在性能方面：
采用新一代专利技术的径向磁路永磁转子结构，无滑环，无励磁绕组，定、转子气隙大，使发电机具有中、低速发电性能好，效率高、比功率大的特点，能适应高转速的使用场合；
b、在可靠性方面：
使用全永磁悬浮轴承，使整个转子处于微摩擦状态，辅助轴承则采用专用的宽系列双橡胶圈密封进口轴承（内含长寿命、耐高温润滑脂）；以先进真空沉浸工艺使发电机具有可靠性高、寿命长、结构简单、免维护的特点，同时能使发电机在极恶劣的环境条件下可靠工作。
以下为技术参数：
型号
FD1.5-0.30/10C
安全风速:
50.0米/秒
叶片直径：
1.5米
额定直流输出:
12V/24V
起动风速:
1.5米/秒
额定功率:
300W
切入风速:
2.5米/秒
过风保护方式
电磁制动
额定风速:
10米/秒
3.3太阳能电池板
对于较小型电站电池组件选型遵循以下原则：
●在兼顾易于搬运条件下，选择大尺寸，高效的电池组件；
●选择易于接线的电池组件；
●组件各部分抗强紫外线（符合GB/T18950-2003橡胶和塑料管静态紫外线心能测定）；
3.4风光互补智能控制器
本系统选用的控制器为风光互补智能控制器，
具有高效充电及多种自我保护功能。
具体的技术参数如下：
●规格型号：
EPFG24V-20
●风机输入：
三相AC≤50V，P≤300W
●光伏电池输入：
DC50.0Vpm，I≤15A
●输出电压：
DC28.0V
●输入过压保护值：
AC50±5V
●输出过流保护值：
DC20A±1A
●蓄电池欠压保护启动电压：
DC21.0±0.3V
●蓄电池欠压保护恢复电压：
DC23.0±0.3V
●蓄电池充满保护启动电压：
DC28.0±0.2V
●风机卸载箱功率：
400W
●外形尺寸：
310×200×120mm
●工作环境：
环境温度－45℃～+65℃，相对湿度0～90%。
3.5蓄电池
蓄电池采用地表下安装方式。
由于蓄电池在低温或高温环境工作都会影响其工作性能，尤其是在低温下，其工作容量将会下降很多，这是蓄电池特性所决定的。
在地表下1米-1.5米处，其环境温度受地温的影响较明显，起到一定的“恒温”作用，使其在冬季温度觉地表以上高，在夏季炎热时又比地表上温度低，有利于蓄电池性能的发挥
3.6灯杆
3.6．1、风光互补太阳能路灯路灯杆设计要求及说明：
灯杆必须满足抗10级风荷载的强度要求。
本系统应用于公路及人行道照明，光灯杆高度设计为10米，光源距地面8.0米，采用一杆双灯的款式；该款式可根据客户具体要求作调整，或者使用客户指定的灯杆款式，下口径不小于200mm,上管径不得小于100㎜，管壁厚度≥4毫米（未镀锌前），优质钢材，必须热镀锌喷塑灯杆，寿命10年以上，杆体锥型、样式和外观颜色符合结构要求。
同时参照以下标准设计。
CJJ45-9《城市道路照明设计标准；》；
CJJ89-2001《城市道路照明工程施工及验收规程》；
由于风光互补路灯有其特殊性，风机安装在灯杆顶部，组件安装在离地（路灯光）7米以上；其等效垂直面会乘载风压，这就对灯杆的整体构成一定的水平剪切力，灯杆的受剪切力强度。
由于风压的计算影响的参数多，计算复杂。
参照我公司已使用的实际运行经验，灯杆壁厚选用4毫米的。
目前，我公司在新疆区域安装的同等壁厚的灯杆，均经历过秋冬季的大风，没有一盏路灯出现因大风损坏。
在路灯结构设计中，除考虑强度因素外，还着重考虑抗腐蚀性，外观的美观、新颖等，结合当地的自然环境。
3.7风光互补路灯配置
路灯系统
名称
规格型号
数量
单位
备注
风机
300W
1
台
控制器
风光互补
1
台
太阳能板
100W
2
块
光源
LED24V80W
1
盏
光源
LED24V20W
1
盏
蓄电池
12V150Ah
2
只
蓄电池箱
1
个
灯杆
10米（双灯）
1
套
电缆附件
1
套
安装
运输
1
盏
LED灯与高压钠灯应用及节能比较
太阳能LED路灯和传统的高压钠灯在性能上和造价上的比较。
目前在LED的光衰和稳定性方面尚有较多争议。
因此本文重点介绍了提高LED的长期寿命（光衰）和短期发光稳定性的方法。
前者主要靠采用热管来改善其散热。
后者则主要靠采用恒流驱动芯片。
采用以上措施以后，太阳能LED路灯将能无可争议地取代高压钠灯。
一.中国的太阳能资源
中国的太阳能资源是十分丰富的（图1）。
图1.我国的太阳能资源
由图中可见，我国的东南沿海地区是比较差的，但平均日辐射量也可以达到每平方米3.2-3.8KW，也已经足够一个家庭的供电了。
而2/3以上国土年总日照量>5GJ/M2，理论储量相当于1.7万亿吨标准煤。
太阳能资源丰富地区包括：
青藏高原、西北地区、华北地区、东北大部、云南、广东、海南地区,年平均日照时间2200小时。
北京地区一年日照约2300小时。
现在很多德国家庭都已经开始在屋顶上安装太阳能电池板以供应整个家庭的用电，而德国一般城市年平均日照只有1600小时，可见德国公民对环保意识的浓厚。
二.LED路灯和高压钠灯的比较
太阳能最简单的应用是产生热水，其次是发电。
而发电的一个很重要的应用是照明,中国的照明用电占全部电能耗费的12％。
但大型的太阳能发电厂的建厂成本很高，而且大功率太阳能电池板要占用很大的无遮挡面积，所以太阳能照明最好的实现方法是和发光器件结合在一起，构成独立的照明装置。
目前，最有前景的是太阳能路灯，太阳能庭院灯，太阳能草坪灯，太阳能信号灯，和太阳能航标灯等。
其中尤以太阳能LED路灯的经济价值最高。
因为普通的路灯需要铺设很长的输电线路，而且随着距离的增加，电压会逐渐降低，过一定距离还要用变压器升压。
其电源线路的铺设要投入很高的费用。
而太阳能路灯则不然。
因为每一根路灯杆都是独立的，不需要铺设输电线路，这就大大降低了架设的费用。
而且LED的发光效率远高于白织灯，虽然从数字上比不过高压钠灯（高压钠灯的发光效率为132流明/瓦，而LED只有90流明/瓦），但是LED的发展潜力很大。
表1是各种灯具的发光效率的比较。
表1.各种灯具的效率
高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低只有2000－2500oK，而LED的色温较高，可以达到3500－4500oK以上。
另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。
还有，高压钠灯的显色指数差，只有20到40，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75－80。
所以路面明亮，感觉舒适。
所以从实际的发光效果来看，LED反而可以比高压钠灯高出很多。
80W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。
100W的LED，其输出光通量大约只有6250流明（经过二次光学设计，会有所损失），到达路面时的流明数仍为6000流明，而路面的平均照度可以达到16Lux（12m高杆）。
250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。
但到达路面的流明数就只有7000流明。
路面的照度大约为30－40Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。
所以80W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为28.2-37.6。
二者相当。
所以，80W的LED可以取代250W的高压钠灯，LED可以节能2.5倍。
另外，LED的寿命长，不需要经常更换。
高压钠灯设计寿命2万小时，由于受电压变化及高启动电流的影响，实际寿命在2年以下。
所以其实际寿命通常只有4000小时，假定每天工作10小时，只能工作400天，一年多一点就要更换；而大功率LED的寿命为50,000小时，假定每天工作10小时，13.7年才需要更换。
这就大大节省了维护费用。
图：
间隔为35米的80瓦LED路灯（白色）和250瓦高压钠灯（黄色）在六车道道路上的实际比较，很明显LED路灯的照度要亮得多
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