序号： 编码： 第十四届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛摘要3前言41.1研发背景41.2研究意义41.3 我国太阳能、风能发电的发展趋势51.3.1 太阳能发电的发展趋势51.3.2 风能发电的发展趋6第二章 系统总体设计方案72.1主要部件72.1.1 光源72.1.2 风机82.1.3 太阳能电池板82.1.4 蓄电池92.2 容量计算及设备选型92.1.1 发电量与用电量计算92.1.2 设备参数102.3 设备选型102.3.1 灯源的选型102.3.2 太阳能电池板选型122.3.3 风机选型13第三章 智能路灯的工作机理153.1风光互补路灯系统原理153.2实物连线图和连线原理图17第四章 自动报警设计184.1 设计思路184.2 程序流程184.3程序调试21第五章 易拆修设计22第六章 智能路灯23第七章 风光互补智能路灯的应用29附件一 专利论文证书31摘要在能源紧张的今天，风能和太阳能做为洁净的能量来源已愈来愈引起人们的重视，随着技术的进步，这两种新能源成本也在不断降低，为普及使用创造了条件。路灯，作为便民工程，也是耗电大户，普遍安装在野外，有条件使用这两种新能源。但是风能和太阳能的利用存在一些限制及弊端，风速和太阳能不稳定，受自然条件及气候影响很大，产生的能量大小不稳定，为此，我们设计一种风光互补发电系统及电网补充智能路灯系统。 风光互补智能路灯，是指利用自然风作为动力，风轮吸收风的能量，带动风力发电机旋转，把风能转变为电能，经过控制器的整流，稳压作用，把交流电转换为直流电，向蓄电池组充电并储存电能的。利用光伏效应将太阳能直接转化为直流电，供负载使用或者贮存于蓄电池内备用。在电路中加入一个电路检测单片机，当电路连续24小时没有电流通过则判断电路发生了故障，路灯系统发出警报，并通过无线传输模块，传送给终端，易拆修的一个智能路灯装置。 本项目是以上海电机学院作为试验点，根据设计的要求和设计思路，完成风光互补路灯的整体方案设计。并对风力发电机、太阳能电池、蓄电池和控制器进行了选择。然后根据设计要求进行了容量计算，根据计算的容量进一步确定硬件所需要的型号，本机构涉及机械、电气控制、材料、单片机控制等领域，是一种清洁环保的装置。关键词： 新能源 风光互补 智能路灯 易拆修前言1.1研发背景 自 20 世纪 70 年代全球发生石油危机以来，太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了高度重视，各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持太阳能光伏发电技术在控制方法上。我国在 20 世纪70 年代也对光伏发电进行了研究，但是当时基本是没有任何外加控制的应用，随着能源危机的到来，人们对光伏发电进行了深入的研究，使光伏发电的效率得到巨大的提升。 如今，获取最大输出功率的控制方法主要有以下几种：开环控制方法如恒定电压法、短路电流比例系数法和插值计算法等；闭环控制方法有扰动控制法、电导增量法等。随着模糊控制在控制领域的广泛应用，基于模糊控制、基于神经网络等人工智能的控制方法也开始被研究。如合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心的吴红斌，陶晓峰，丁明对光伏并网发电系统的 MPPT 电压控制进行了仿真，根据光伏并网系统的结构，采用外环为电压环、内环为并网电流环的双环控制。通过 abc/dq0 变换将并网电流解耦为有功分量和无功分量，引入最大功率点跟踪提供的直流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的有功分量，引入交流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的无功分量，实现了具有 MPPT 和电压控制能力的三相光伏并网发电技术。 风光互补发电由于综合了风能和光伏发电的优点，弥补了风力发电和光伏发电的不足，现在国内外已经对风光互补发电展开了研究。美国NREL 实验室和Colorado State University 联合研制一种系统仿真软件 hybrid2，只要输入具体的负荷性能，风能特性以及光照强度等数据，便能够对风光互补发电系统进行仿真并得到仿真结果，其功能强大，该软件的缺点是它只能够进行仿真，而不能进行优化设计。国内的一些科研机构也对风光互补发电进行了详细的研究，应用精准的表征组件特性并通过实际的观测获取更加精确的风光资源模型，能够模拟出系统的实时状态。1.2研究意义在能源紧张的今天，风能和太阳能做为洁净的能量来源已愈来愈引起人们的重视，随着技术的进步，这两种新能源成本也在不断降低，为普及使用创造了条件。路灯，作为便民工程，也是耗电大户，普遍安装在野外，有条件使用这两种新能源。但是风能和太阳能的利用存在一些限制及弊端 ，风速和太阳能不稳定，受自然条件及气候影响很大，产生的能量大小不稳定，为此，我们设计一种风光互补发电系统及电网补充智能路灯系统。在一年使用期内，如十公里采用风光互补LED智能路灯照明可以节约355875KWh电量，相当于节约了133.98吨煤，减少了784吨粉尘，135.59吨二氧化碳。有利于提高一个城市的形象和品位。并且光控开关和电路报警器的使用更能减少人力的投入。传统的单一的风能或太阳能发电系统，可能会导致全国大部分地区在一个特定的时间，将会能源不够用枯竭，如果使用风能和太阳能可以解决单一能源的不足。了解大部分城市，已几乎成为中国的风能和太阳能路灯的基本设施城市建设，在我国目前绝大多数单一的传统供应电能使用。城市发展，道路建设，路灯架设，这是巨大的能源消耗，在这个能源短缺时代，我们怎么能这样被消耗？新的措施，以减少能源消耗，而且可以在不影响城市的发展，它是必要的可以更换能量，寻找新的措施减少能源的消耗但又不影响城市的发展，根据初步了解引进风能和太阳能的使用，既不浪费了大量的能源消耗，不污染环境的新型路灯风光互补是我们新的城市绿色低碳生活的趋势。1.3 我国太阳能、风能发电的发展趋势 随着科学技术的发展，我们的生活更美好，但我们周围的环境越来越差，一次能源的性质越来越少，所以被迫去寻找新能源。我们发现有统一的能源，能源效率不高，成本相对是比较高的，所以我们必须寻求新的能源互补的技术，合理利用两种或两种以上的互补利用的新能源技术，使各种互补能源的能量储存的能量比较强的情况下，储存的能量释放能量的情况下合理使用能源相对较弱。随着地球资源变得越来越稀缺，基础能源的投资成本上升，以及各种安全和污染问题可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”越来越多的环保新能源更重要。1.3.1 太阳能发电的发展趋势 长期以来，人们一直在努力研究利用太阳能。可谓是取之不尽，只占太阳表面发出的全部能量的二十亿分之一左右,太阳表面的能量相当于全球所需总能量的3-4倍。其次，宇宙空间没有昼夜和四季之分，没有乌云和阴影，辐射能量十分稳定。从而产生比地面相对简单的系统，而且在无重量、高真空的宇宙环境中，的设备部件的强度要求不太高。此外，太阳相比石油，煤炭和其他化石燃料，不会导致“温室效应”和全球气候变化，也不会造成环境污染。正因为如此，许多国家的重视利用太阳能，我们都在竞相开发的各种光学和光电新材料，扩大利用太阳能应用。尤其是在过去的10年中，在石油可开采量日渐见底，两大危机和生态环境日益恶化，越来越多的人期待太阳能时代“，从发电，供热，供水，各种太阳能发电厂，这是广泛使用的，在某些方面，利用太阳能已进入实用化阶段。1.3.2 风能发电的发展趋1 风力发电成本将大幅降低随着风力发电技术的改进，所述风力涡轮机将被越来越便宜和高效的。增加风力发电机组的单机容量在基础设施的投资来降低成本，而且同样的装机容量需要更少数目的机组，这也节约了成本。减少融资成本和有经验的开发者，项目开发成本也可以相应降低。风力发电机组可靠性的改进也减少了运行和维护的平均成本。总体上，风力发电成本将得到大幅降低。2 技术装备国产化比例必然提高 风力发电技术和设备，中国的风电设备制造能力和技术水平，降低风力发电的成本，提高市场竞争力，促进中国风电技术的发展为大规模商用奠定了基础。它的意义不仅仅在于降低风力发电成本，还将推动形成中国的风力涡轮机产业，我们的优势走向国际市场。3 海上风力发电悄然兴起并将成为重要能源形式 海上有丰富的风能资源和广阔平坦的区域，最近成为海上风电技术研究和应用的热点。多兆瓦风力发电机组投入商业运营的海上风电场是国内和国际风能利用的新趋势。随着时代的风力发电发展，陆地上发电机组的总人数已经饱和，海上风电场将成为未来发展的重点。海上风力发电是近年来国际风电产业，发展新的领域，是方向中的方向。 4 风力发电机组不断向大型化发展 随着现代风力发电技术的发展日趋成熟，风力发电机是，保持大规模发展。在一般情况下，有两个大型风力发电机组的发展模式。基于土地的风电，低风速发电技术，主要机型的方向是2-5兆瓦的大型风力涡轮机，这种模式是向电网的输电。海上风电，主要用于在相对较浅的近岸海域，安装5MW以上的大型风力发电机，布置大规模的风力发电场，这种模式的主要制约因素是规划建设风电场的成本，但海上风电的优势是显而易见的，即不占用土地，海上风能资源。第二章 系统总体设计方案 风光互补路灯框架如图 2-1 包括风力发电机、太阳能电池板、智能控制器、蓄电池组和 LED 路灯。由于本文设计的风光互补路灯初步设定假设的地点是上海电机学院，所以对校园环境进行了勘察并测初校园道路两边的树高灯遮掩物的数据。综合测定遮掩物的高度为 6.5m，因此设计其路灯灯高 8m，灯杆高10m，灯具间距 30m，灯杆采用 Q235 优质钢结构标准灯杆，灯头采用 60WLED 路灯。 智能控制器蓄电池组 风力发电LED路灯太阳能电池板图2-1 风光互补路灯框架2.1主要部件2.1.1 光源光源选用路灯专用 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。 2.1.2 风机本系统选用磁悬浮风力发电机，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