(完整版)风光互补路灯设计

1、离网光伏系统 设计报告书设计题目： 风光互补路灯设计设计人姓名： 向枘 1121560119 班级：能自 1201 班风光互补路灯的设计目录1 风光互补路灯系统介绍 . 41.1 概述 .41.1.1 风光互补路的背景 . 51.1.2 风光互补路灯的发展过程及现状 . 51.1.3 风光互补路灯的意义 . 61.1.4 风光互补路灯的原理 . 82 设计需求 . 93 系统初始化设计 . 103.1 当地气象数据资料. 103.2灯源及灯杆设计. 113.2.1 照明方式的选择 . 113.2.2 灯杆高度及路灯间距的计算 . 123.2.3 路灯灯源的选择 . 123.2.4 灯杆强度 .

2、 133.3 蓄电池的选择. 173.3.1 蓄电池的选择 . 173.3.2 蓄电池的计算 . 183.4 风力发电机组设计 . 183.4.1 风力发电机组的选择 . 183.4.2 风力发电机组功率的确定 . 183.5 太阳能电池组件设计. 193.5.1 太阳能电池组件功率的选择 . 193.5.2 太阳能电池组件功率的确定 . 193.6 方阵倾斜角设计. 204 系统的主要配置说明 . 214.1 系统配置表. 212 / 38风光互补路灯的设计4.2 太阳能组件主要参数. 224.3 风力发电机主要参数. 224.4 控制器主要参数及说明. 234.5 风光互补路灯 24v 直

3、流 系统原理图方框图. 245 系统建设及施工 . 245.1 系统建设流程. 245.2 系统安装说明. 255.2.1 安装前须知事项 . 255.2.2 安装准备 . 265.2.3 安装操作流程 . 276 系统的运行与维护 . 306.1 系统的调试. 306.2 系统的验收. 326.3 系统的维护. 336.4 风光互补路灯系统的防雷及防腐 . 336.5 常见故障及处理. 346.6 使用寿命. 357 系统成本分析 . 358 参考资料 . 368.1 国家标准. 368.2 行业标准. 378.3 参考文献. 373 / 38风光互补路灯的设计1 风光互补路灯系统介绍1.1

4、 概述能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础，在过去的 200 多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，带来了严重的环境污染和生态系统破坏。近年来，世界各国逐渐认识到能源对人类的重要性，更认识到常规能源利用过程中对环境和生态系统的破坏，各国纷纷开始根据国情，治理和缓解已经恶化的环境，并把可再生、无污染的新能源的开发利用作为可持续发展的重要内容。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。风光互补路灯是由小型风力发电机、太阳能电池板、蓄电池组、灯具以及

5、灯杆等组成。他的工作原理是：当有风的时候，风能通过叶轮带动发电机旋转产生电能；当有阳光的时候，太阳能通过光硅片将光能转换成电能，两路电能通过电缆引到蓄电池组加以储存，在晚上的时候为灯具发光提供电能。风光互补路灯，是一种新能源路灯的合理应用，在经历了多年的努力后，风光互补路灯已被越来越多的 人认可和应用，市场出现了欣欣向荣的局面。4 / 38风光互补路灯的设计1.1.1 风光互补路的背景太阳能是地球上一切能源的来源，风能是太阳能在地球表面的另外一种表现形式，由于地球表面的不同形态（如沙土地面、植被地面和水面）对太阳光照的吸热系数不同，在地球表面形成温差，地表空气的温度不同形成空气对流而产生风能。

6、因此，太阳能与风能在时间上和地域上都有很强的互补性。白天太阳光最强时，风很小，晚上太阳落山后，光照很弱，但由于地表温差变化大而风能加强。在夏季，太阳光强度大而风小，冬季，太阳光强度弱而风大。风能和太阳能在时间和季节上如此吻合的互补性，决定了风光互补结合后路灯系统可靠性更高、更具有实用价值。因此，风光互补系统是综合利用风 能、光能解决路灯供电困难的最佳方式。1.1.2 风光互补路灯的发展过程及现状风光互补路灯技术已趋于成熟经过 50 年左右的发展，风光互补技术在光效、寿命、环保性、发光强度、色彩、响应速度等方面 已经比较成熟，大体能够符合现代人使用需求和审美标准。能源局势迫使新能源的加紧开发利用

7、众所周知，传统比、不可再生能源（如煤、石油）终究会枯竭的，电能主要是靠水力发电和火力发电。而新能源如风能、太阳能并未得到普及，城市道路照明，景观照明的用电量很大，所以迫切需要加快风光互补路灯的建设。落实环境保护政策、风光互补新能源技术的加紧开发利用为应对全球气候变化，我国政府承诺到 2020 年单位国内生产总值二氧5 / 38风光互补路灯的设计化碳排放要比 2005 年下降 40%-45%，节能提高能效的贡献率要达到85%以上，这也给节能减排工作带来巨大挑战。为此，2004 年 7 月 3日科技部、信息产业部等 6 部委和 14 个地方政府共同实施的“国家半导体照明工程”首批 50 个项目正式

8、启动。2011 年中国政府斥资 400亿元用于 led 路灯采购，对 led 路灯使用者提供 30%的财政补贴。截至 2009 年底，我国共有 led 企业 3000 余家，其中，年产值上亿的有140 家。产业研究所预测，2012 年全球 led 照明市场可望达到 110 亿美元，比去年增长 26%；2015 年至 192 亿美元，未来四年复合成长率近 20%。在十届人大四次会议的政府工作报告中，提出了建设资源节约型社会，发展循环经济的任务和政策措施，这标志我国进入了可持续发展的新阶段，也为可再生能源产品在国家建设发展中应用创造了机遇。推广风光互补路灯系统将为社会节约巨大资源。发展当地经济，解

9、决社会治安及交通问题提供方案，也是对全社会普及可再生能源知识的最有成效的宣传，更是促进可再生能源技术应用最有效的途径， 有利于当地经济及交通的发展。1.1.3风光互补路灯的意义1) 社会效益风光互补路灯处处体现了现代建美化环境、保护环境的理念。风光互补路灯是一种造型美观的高科技环保产品，安装风光互补路灯，不仅与政府的环保理念相符，而且能向国民进行新能源利用和生态环保知识的直观教育。迎风飞转的风车可给道路一种动感的点缀，更能6 / 38风光互补路灯的设计突显我国人民崇尚环保、重视节能和跟踪高新技术的理念。推广风光 互补路灯对美化当地环境有非常积极的意义。2)经济效益每套 500w、12 米高的常

10、规路灯设备报价 4000 元/套（含灯杆、灯具、光源）输变配送设施每套摊入9000 元，安装施工费用 2000 元/套，一次性投资大约为 1500 元/套。每年的灯具维护费用为 120 元/年，每年耗电 1825kw.h，折合电费约为 1300 元/年。按 10 年使用寿命，其间更换一次输配电设施和灯具耗费 6000 元，总费用为 35200元/套。风光互补路灯设备报价 20000 元（含风力发电系统、太阳能发电系统、储能系统、控制系统和灯杆照明系统），采用专业安装，费用计入报价，每年的维护费用为 80 元，不消耗电能，其间更换两次储能和照明装置约 5000 元，按 10 年计算总费用为 25

11、800 元/套。相比风光互补路灯节省费用为 9400 元。按一段 3000 米长的城市道路安装 200 套路灯每 10 年可以节约费用 188 万元。按一座中等城市拥有 12 万套路灯可节约 11.28 亿元。3)环境效益每套常规路灯 10 年消费 1825kwh 电能，按火力发电标准煤耗400g/kwh 计算，共消费标准煤 7.3 吨,一座中等城市仅路灯一项 10年消耗 87.6 吨标准煤,增加二氧化碳排放万吨,二氧化硫 1.75 万吨,二氧化氮 1.3 万吨,杂质、粉末 15.5 万吨。杂质、粉末直接污染环境；二氧化碳的排放会使地球表面升温，产生“温室效应”；二氧化硫和二氧化氮随着雨水排放

12、到地面形成“酸雨”会使水库、河流、湖泊的7 / 38风光互补路灯的设计酸度增加影响植物生长，鱼类繁殖，引起建筑物、材料、文化资源的腐蚀，影响人体健康。风光互补路灯的能源消耗和环境污染始终为“零”。可作为普及新能源知识的好教材.风光互补路灯能最直接的向人们展示太阳能和风能这种清洁和自然能源的应用，展示人类如何利用可再生能源保护地球的生态环境，可作为普及新能源知识的好教材。 1.1.4风光互补路灯的原理路灯，作为便民工程，也是耗电大户。在能源紧张的今天，风光互补路灯解决了这一难题，但风电互补路灯原理并不为人所知。其实风电互补路灯原理在国外早已普及，了解风电互补路灯原理才能更好 的在国内将此项技术进

13、行推广。风光互补发电系统是一种风能和光能转化为电能的装置，风光互补路灯工作原理是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。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。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。风光互补发电站风光互补发电站采用风光互补发电系统，将电力并网送入常规电网中。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、实用。适用于道路照明、农

14、业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、港口、山区、林区、8 / 38风光互补路灯的设计铁路、石油、部队边防哨所、通讯中继站、公路和铁路信号站、地质 勘探和野外考察工作站及其它用电不便地区。2 设计需求（1） 风光互补路灯系统推荐使用资源条件当地年平均风速大于 3.5m/s，同时年度太阳能辐射总量不 小于 500mj/m 是风光互补路灯系统推荐使用地区。（2） 互补路灯系统在下列条件下应能连续、可靠地工作a)室外温度：25 45 ；b)室内温度：040；c) 空气相对湿度：不大于 90%(255)；d)海拔高度不超 过 1000m。（3） 结合北京风力和光照情况使路灯能实现夜间照明 2

15、 天 需求。（4）风光互补路灯系统在以下环境中运行时，应由生产 厂家和用户共同商定技术要求和使用条件a)室外温度范围超出2545 的地区；b)室内温度范围超出 040的用户；c)海拔高度超过 1000m 的地区； d)盐雾或沙尘严重地区。9 / 38风光互补路灯的设计3 系统初始化设计3.1 当地气象数据资料（1）北京地区全年各月的月平均太阳辐射值单位：mj/(m2d)（2）北京地区年平均风功率密度色斑图单位：w/m210 / 38风光互补路灯的设计3.23.2.1灯源及灯杆设计照明方式的选择根据机动车交通道路照明标准值。路灯位置选择设置在昌平区的次干路上。选取截光型路灯。且不用太高等级的照明

16、条件，同时考虑到成本问题，最终选择单侧照明方 案。路灯排列方式如图：11 / 38风光互补路灯的设计3.2.2 灯杆高度及路灯间距的计算 根据城市道路照明标准截光型路灯的高度最小为路面宽度，即 7.5 米；路灯间距最大为三倍灯杆高度，即 22.5 米。所以最终参数选定为：h=7.5m，s=22.5m灯杆的高度应根据安装地点的地理环境来决定，保证风力机组的使用不受影响。太阳能电池组件的安装一般以不与风力机组的风叶相干涉为准，同时要注意保证太阳能电池组件不被灯杆遮挡。所以灯源的高 度为 7.5m，灯杆的高度为 10m。3.2.3 路灯灯源的选择1. 材质：高纯度铝质反射器、灯壳及散热体；高强度钢化

17、玻璃罩； 大功率 led 光源；高效率进口恒流源。2. 太阳能照明系统中的光源要满足以下 2 个条件：a. 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。b. 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。12 / 38风光互补路灯的设计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。3. 适用场所：城市道路，人行道，广场，学校，公园，庭院，居住 区，厂区以及其他需要室外照明的场所。4. 功率选择：光源照度 15 lx, led 发光效率 75lm/

18、w15hs/（0.950.975）=39.47w取灯源功率为 40w3.2.4灯杆强度根据城市道路照明工程施工及验收规范和小型风力发电机技术条件的相关要求，灯杆应与风力机组的自振频率相差很大，可 以抗 12 级台风。最终选定的灯杆厚度为 5mm，强度校核如下：(1) 计算依据a) 风速 v=120km/h(十二级风)b)基本风压w0=0.7mpac) 整基杆风振系数取 1.3d) 设计计算依据：、建筑结构荷载规范gb50009-2001、建筑地基基础设计规范gb5007-2002、钢结构设计规范gb50017-2003、高耸结构设计规范gbj135-9013 / 3822w2风光互补路灯的设计

19、(2) 设计条件基本数据：170w 硅铁模块距地面高度 10m，面积 1.34m ,每块重量 45kg, 220w 硅铁模块距地面高度 7m，面积 1.74 m ,每块重量30kg,灯杆截面为圆形，灯杆上口径直径 d 为 120mm，底部下口径直径 d 为 260mm，厚度 =5mm。法兰厚度为 20mm,直径 500mm。材料为 q235 钢，屈服强度为 f 屈=240n/mm2，灯杆高度为 10m，路灯含模块灯头总重为 380kg。(3) 灯柱强度计算a) 风载荷系数wk=zszrw0式中： k 风荷载标准值（kn/ m ）；z高度 z 处的风振系数；s风荷载体型系数；z风压高度变化系数；

20、r高耸结构重现期调整系数，对重要的高耸结构取 1.2。 b) 太阳能板：高度为 10m 和 7m风压高度变化系数 z 取 1.38风荷载体型系数 s =0.8r=1.2整基杆风振系数z 取 1.3灯盘风载荷系数 wk1=zszurw014 / 38+ww sww s风光互补路灯的设计=1.30.81.381.20.7=1.2kn/ m c) 灯杆：简化为均布荷载风压高度变化系数 z 取 1.38风荷载体型系数 s =0.6 r=1.22整基杆风振系数z 取 1.3灯杆风载荷系数 wk2=zszrw0=1.30.61.381.20.7=0.90kn/ m2d) 太阳能板及灯杆迎风面积ss太阳能板

21、 1太阳能板 2=(1.34+1.34)sin22=0.96 =1.74sin22 =0.63 s灯杆=(0.12+0.26)10/2=1.9 (4) 内力计算弯矩设计值：m=m m灯盘 灯杆m=q k 1 s太阳能板10m+q k 2 灯杆 5m=1.41.20.9610+1.41.20.637+1.40.901.95=35.5 knm最大剪力 v=q k 1 s太阳能板 +q k 2 灯杆=5.05kn式中 q-载荷组合系数15 / 38风光互补路灯的设计(5) 灯柱根部应力灯柱根部最大应力应小于灯柱材料的许应力即 max=m/w+p/a +2v/a式中 m/w弯曲应力p/a轴向应力2v/

22、a剪应力由前面计算出灯柱总弯矩为 m=34.25knm w抗弯截面系数 w=i/yi 为截面惯性矩y 为应力点到中性轴的距离截面惯性矩 i=( d4-d4)/64d-灯柱根部内径d-灯柱根部外径i=3.14(260mm)4-(250mm)4/64=0.32108 mm4弯曲应力 max=my/i=35.5106 nmm130mm/0.32108 mm4=144.2n/ mm轴向应力-p/a2=144.2mpap轴向负荷p=路灯总重=380kg稳定系数a灯杆根部截面积。当长细比=2l/i=(2x10000)/(0.707x130)=218 时16 / 38风光互补路灯的设计查表得=0.103 式

23、中:l灯杆高度 10000mm i0.707r. r=260/2=130轴向应力 p/a=(3809.8)/(0.1034.08103 mm2)=8.86 n/ mm2=8.86mpa最大剪应力 max=2v/a=(25.05103n)/4.08103 mm2=2.47 n/ mm 2 =2.47mpa式中 v-最大剪力灯柱根部最大应力为max=144.2+8.86+2.47=155.53mpa由于max=155.53mpa右边=30a，符合要求。所以选择 80w 太阳能电池组件。3.6 方阵倾斜角设计根据前人的经验及大量的实践，在确定最佳倾角有下面两个要点： (1) 板面的最佳倾角大致等于应

24、用所在地的纬度。(2) 为了达到最好的接受光照的目的，板面倾角在上一个要点的基础上再增加 5到 10。以使该倾角能保证接受光照量最弱的月份能得到在相同纬度数值下南半球最大光能接收量。这样往往会使夏季获得的 辐射量过少，从而导致方阵全年得到的太阳辐射量偏小。总结以上两个要点，查表可知，北京地区的太阳能电池板最佳倾 角为+4，北京的维度为 39.8，所以最佳倾角为 43.8。20 / 38风光互补路灯的设计4 系统的主要配置说明 4.1 系统配置表名称光源风机太阳能板控制器蓄电池灯杆电缆附件蓄电池箱规格型号led 24v 40w300w40w风光互补12v100ah10m/7.5m单位盏台块台只套

25、套个数量1121211备注21 / 38风光互补路灯的设计4.2 太阳能组件主要参数型号标称功率 峰值电压 峰值电流尺寸重量（w）（v） （a）（mm）（kg）tsm-40m 4017.50.5 2.280.2 635*535*403.84.3 风力发电机主要参数型号风轮直径（m）叶片材料叶片数调速方式工作风速范围（m/s）切入风速（m/s）额定风速（m/s）额定功率（w）额定电压（v）发电机形式整机质量（kg）备注fd2.0-0.3/82.0木质玻璃钢涂覆3风轮侧偏3-2538300dc24永磁三相交流35标准型22 / 38风光互补路灯的设计4.4 控制器主要参数及说明 型号风机额定功率

26、光伏功率最大充电电流最大负载电流每路最大输出功率 外形尺寸zyk-型智能控制器300w150w25adc5a120w250*161*75智能控制器是专门为风能、太阳能供电的系统设计的智能控制器。该控制器具有充电保护和两路负载工作时间控制的功能。具有五种负载控制方式：全光控、光时控、晚上两段控、白天两段控、全时控。有通讯接收接口，用户可自己配置发射接收模块，进行远程控制。 主要特点 ：1 式的充电方式，提高蓄电池使用寿命。2 控制两路直流负载，负载工作时间可灵活控制。3 负载控制方式：全光控、光时控、晚上两段控、白天两段控、 全时控。4 冲电压、过放电压都可以分别设置。5 短路保护：1.25 倍

27、额定电流 60s，1.5 倍额定电流 5s 时过载 保护动作；大于 3 倍额定电流 0.5s 时短路保护动作。6 机输出电压超过了蓄电池的充电电压，系统对风机进行泄荷。23 / 38风光互补路灯的设计7 简便，四位 led 加上两个按键，方便用户参数设置。8 485 组网方式。9 线接收接口，用户可自己配置发射接收模块，进行远程控制。 4.5 风光互补路灯 24v 直流 系统原理图方框图5 系统建设及施工 5.1 系统建设流程安装流程图24 / 38风光互补路灯的设计5.2 系统安装说明5.2.1 安装前须知事项(1) 安装工作应在晴朗无风的天气下进行。(2) 台风等极端恶劣天气来临之前，手动

28、将风力机的引线从控制器接线端子上取下，并将其短路，使风力发电机的风轮处于制动状态。台风或雷雨结束后，手动将风力机引线重新与控制器上相应的接线端 子相连，使系统恢复正常工作。(3) 检修或拆卸风光互补路灯前，手动将风力机的引线从控制器接线端子上取下，并将其短路，使风力发电机的风轮处于制动状态。 风机在运行状态下切勿靠近风轮，以免事故发生。风光互补路灯系统的安装及检修请在专业人员的指导下进行，或 与经销商联系。(4) 勿使用过细或质量不佳的电缆，尽量使用原配电缆。以免引 起漏电或火灾。(5) 非专业人员勿打开控制器机壳。(6) 勿将控制器、逆变器及蓄电池放置在潮湿、雨淋、震动、腐25 / 38风光

29、互补路灯的设计蚀及强烈电磁干扰的环境中，也不能放置在阳光直射、靠近暖炉等热 源的地方。(7) 为保证风光互补的使用效果以及蓄电池使用寿命，联系经销 商或自行选配适宜的蓄电池。5.2.2 安装准备(1) 检查工作根据设备清单及配件清单来检查包装箱内的部件及配件、说明书 等是否齐全, 以确保组装正常进行a） 风光互补路灯系统设备清单检查设备是否齐全b） 风光互补路灯系统配件清单按配件清单检查是否齐全(2) 准备工具： 5 6 根木头或金属桩 6 磅铁锤 30m 卷尺用于勘测地基或测量设备 长 1m 直径 3cm 的固体金属棒或管子 铁铲或者其挖土工具 成套盒装扳手 30cm 活扳手 套筒扳手26

30、/ 38风光互补路灯的设计 黄腊管、绝缘胶带 万用表 螺丝刀 线钳 导线若干5.2.3安装操作流程 安装流程简要说明a) 地质勘察：风光互补路灯系统应根据对环境和资源的要求进 行地质勘察选择合适的安装地址。b) 地基：地基基础坑开挖尺寸应符合设计规定，基础混凝土强度等级不应低于 c20，基础内电缆护管从基础中心穿出并应超出基础平面 30 50mm. 浇制钢筋混凝土基础前必须排除坑内积水。c) 灯杆穿线等：将风力发电机组，太阳能电池组件，灯源引线在灯 杆相应位置引出。d) 组装风力发电机组：参照小型风力发电机组使用说明书中整 机的安装。e) 安装太阳能电池组件：按设计高度将组件支架固定在灯杆上，

31、注意角度应与设计要求一致。将太阳能电池组件与组件支架固定好。确定无误后，将太阳能电池板遮挡，将组件引线与太阳能电池组件接线 盒相连接，注意正负极性。f) 安装灯源：将路灯（灯罩、灯源成套后）与灯杆固定好，完成接27 / 38风光互补路灯的设计线工作。g) 竖起灯杆：参照小型风力发电机组使用说明书中竖起塔架。 h) 电气连接，调试，运行：详见下节。(2) 风光互补路灯 24v 直流系统接线图安装时先接蓄电池，再接风机和太阳板。拆卸时先卸负载，然后卸风机，再卸太阳板，最后卸蓄电池。有正负极的地方注意别接反。 连接要求a) 系统内各部件之间电路的连接应是固定式可靠连接，部件之间不 允许使用插头、插座

32、方式互联。b) 系统输出端与外电路的连接应当是固定连接，或者系统输出端使 用插座。28 / 38风光互补路灯的设计c) 不应使用双向插头连接系统输出端与用户的外电路。d) 对于系统以外的永久性电路的安装，所有可能由于暴露而受损的 导线都应用导线管保护。 电路连接规程a) 风光互补发电系统各部件安装完毕，外电路施工完工后，应按下列顺序安全可靠地进行系统部件连接和系统与外电路的连接。 b) 蓄电池与蓄电池连接。c) 将控制器与蓄电池组连接，虽有防反接保护，也应注意不可将电 池正、负极性接反。d) 将太阳电池板遮蔽后，与控制器光伏输人端连接。e) 使风力发电机组处于刹车状态，将输出线与控制器风力发电充电 输人端连接。f) 控制器与灯的连接。（具体电气连接线图见控制器说明书） 风力机、灯杆、组件