《风光互补发电系统》-毕业学术论文（设计）

毕业设计用纸共6页第6页摘要风光互补发电系统近几年引起了许多专家学者的关注，也取得了一定的成果，并已经推广到日常生活中来。风光互补照明系统，充分利用清洁能源，实现零耗电、零排放、零污染，产品广泛应用于道路、景观、小区照明等。本文首先分析了国内外能源利用的历史，特别介绍了新能源中的风能和太阳能的利用。指出了针对全球能源危机我们应该采取的措施，那就是实行可持续发展战略，加大对新能源的研究、开发和利用，让各项新能源技术通过产品转化为生产力。然后，文章详细阐述了太阳能发电技术的原理和应用，风能技术的原理和设备，LED灯的技术特点和优势，并将这三项技术融入到自己设计的产品当中，而且分析了这款产品的色彩和造型，将技术和艺术结合起来。最后，对市政道路路灯照明进行详细的分析。在能源紧缺的今天，市电路灯耗能问题日益突出。每到“电荒”和能源紧缺，许多道路的路灯不得不关闭、半关闭，导致耗能的路灯摆成了摆设，严重影响了道路的基本照明，没有发挥作用的路灯设施变成了潜在的资源浪费。由此我们意识到，利用太阳能、风能等新型能源发电，设计制作出新型的市政照明路灯，是节约能源、保护环境和发展循环经济的必然要求。这款利用太阳能光伏技术、风机发电技术开发出的智能型风光互补路灯顺应了时代的要求。其各种性等大大优于传统路灯，它的优点在于:明度高、时间长。外观视觉效果新颖，性能稳定，安装和维护容易，寿命长久。智能型风光互补路灯基于高效产能、整体节能策略结合高效使用的技术，解决了传统路灯面临的问题。让耗能的路灯变为自身产能的设备，实现了市政路灯“零能耗”的循环经济发展之路。关键词：风光互补发电系统，太阳能发电原理，太阳能电池板，LED灯

ABSTRACTWindpowergenerationsysteminrecentyearshasarousedtheconcernofmanyexpertsandscholars,butalsoachievedsomeresults,andhasextendedtoeverydaylives.Windandsolarlightingsystem,fulluseofcleanenergy,zeropower,zeroemissions,zeropollution,arewidelyusedinroads,landscape,residentiallighting.Thispaperanalyzesthehistoryofenergyuseathomeandabroad,particularlyintroducedanewenergyinthewindandsolarenergy.Pointedoutthattheglobalenergycrisis,weshouldtakemeasuresthattheimplementationofsustainabledevelopmentstrategytoincreasenewenergyresearch,developmentandutilizationofnewenergytechnologiestotheproductintoproductiveforces.

Then,thearticleelaboratesontheprinciplesofsolarpowertechnologyandapplications,windpowertechnologyworksandequipment,LEDlightingtechnologyfeaturesandadvantages,andthesethreetechnologiesintotheirproductsweredesigned,andanalysisofthisproductcolorandshape,thetechnologyandarttogether.

Finally,themunicipalstreetlighting,roaddetailedanalysis.Intheenergyshortagetoday,thecitylightsthecircuitenergyconsumptionisincreasinglyprominent.Every"powershortage"andtheenergyshortage,manyroadshadtoclosethestreet,half-closed,resultinginenergyputintothestreetfurnishings,aseriousimpactonthebasicroadlighting,streetlightsnotfunctioningfacilitiesintoapotentialwasteofresources.Thus,werecognizethattheuseofsolar,windandothernewenergypowergeneration,designanewtypeofmunicipalstreetlighting,isenergyconservation,environmentalprotectionanddevelopmentofcirculareconomy,anecessaryrequirement.

Theuseofsolarphotovoltaictechnology,windturbinepowergenerationtechnologytodevelopintelligentsolarhybridstreetlightingconformtorequirementsofthetimes.Thevarietyandsomuchbetterthantraditionallamps,ithastheadvantage:thathigh,longtime.Visualappearanceofnew,stableperformance,easyinstallationandmaintenance,longlife.Intelligentsolarhybridstreetlightingbasedonhigh-capacity,combinedwiththeoverallstrategyfortheefficientuseofenergy-savingtechnologies,tosolvetheproblemsfacingthetraditionallights.Letthestreetintotheirownenergyproductionequipmenttoachieveamunicipalstreet"zeroenergy"cycleofeconomicdevelopment.Keywords:Windpowergenerationsystem,solarpowerworks,solarpanels,LEDlights

目录TOC\o"1-3"\h\u20665摘要 130881ABSTRACT 231392目录 323091第一章引言 5211741.1产品设计的背景 529851.2风光互补技术原理 52071.2.1风光互补技术原理的简介 5274081.2.2风光互补系统发电结构 646421.2.3风光互补系统发电技术优势 625246第二章能源概述 6313602.1能源的定义及作用 6183172.2能源的分类 7205402.3能源的开发利用和可持续发展 77384第三章太阳能光伏充电控制器的设计 883153.1太阳能光伏组件基本特性 8166073.1.1太阳能光伏电池的基本原理 8262983.1.2太阳能光伏电池的分类 913463.1.3太阳能光伏组件的模型 9188943.1.4太阳能光伏组件的V-I输出特性与基本参数 10272473.2光伏充电控制器主电路的分析与设计 1245283.2.1光伏充电控制器主电路的分析 12175853.2.2主要元件及其参数的选取 1394213.3光伏充电控制器的控制方法研究 13324633.3.1近似太阳能光伏最大功率跟踪原理 1342763.3.2光伏充电控制器的控制方法 1437003.3.3脉冲充电电流分析 153443.4光伏充电控制器控制电路的设计 1643393.4.1控制电路的硬件设计 16254083.4.2控制电路的软件设计 1831533第四章风能的开发和利用 1941884.1风能利用历史 20239664.2风能设备 219304第五章路灯灯具研究 2215035.1古时灯具与时代和文化的关系 22155165.2传统道路照明光源使用状况 23207625.3路灯分类及特点 23187965.4LEO灯具原理分析研究 24243915.4.1LED灯的特点 241785.4.2LEO路灯设计 265420第六章智能型风光互补路灯 28185596.1产品设计方案 2829286.2产品综合分析 29241446.2.1产品技术分析 29151756.2.2高效微风风机分析 30270176.2.3LED路灯灯头分析 3132130第七章总结与展望 3223244参考文献 3222272附录A 3318202附录B 339690致谢 34第一章引言1.1产品设计的背景能源是人类社会生存和发展的物质基础。在过去的200多年中，建立在煤、石油、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。然而，人们在物质生活和精神生活不断提高的同时，也逐渐意识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，此外还诱发了许多国家、地区间的政治经济纠纷、冲突和战争。人类在深刻反省过去的发展历程后，严肃的提出了要可持续发展道路，在21世纪，持续发展引起全人类的关注，因为它关系到人类文明的延续。毫无疑问，要实现可持续发展的目标，可持续能源供应的支持是必不可少的。因此，人类必须寻求清洁、安全而且可靠的新的可持续系统，设计制造出适合人类的新能源产品。当然，可再生能源的综合利用也要与当地社会、经济发展环境相适应。我国地域辽阔，地区间的自然条件、经济技术基础和社会文化背景差异很大，因此，在各地特别是广大农村和边远地区开展可再生能源的综合开发利用在我国仍然是一种内部机制不健全的经济，必须给予必要的外部推动，包括资金支持、技术支持、政策支持和开发观念的更新。风能和太阳能是是既环保有可再生的能源，属于绿色环保能源。被认为是二十一世纪最重要的新能源，而且风力发电和太阳能发电的技术己经很成熟，随着燃油紧缺、电荒加剧等问题的出现以及太阳能光电技术的成熟与成本的下降，太阳能和风能发电成为备受关注的“朝阳产业”。在市政道路路灯照明领域，路灯应用非常广泛。市电路灯建设需要架变压器、挖管道和铺电缆，工程量巨大，这一切都是因为市电路灯受制于市电能源。在能源紧缺的今天，市电路灯耗能问题益突出。每到“电荒”和能源紧缺，许多道路的路灯不得不关闭、半关闭，导致耗能的路灯摆成了摆设，严重影响了道路的基本照明，没有发挥作用的路灯设施变成了潜在的资源浪费。由此我们意识到，利用太阳能、风能等新型能源发电，为市政照明路灯提供完全电力，是节约能源、保护环境和发展循环经济的必然要求。1.2风光互补技术原理1.2.1风光互补技术原理的简介风光互补是一套发电应用系统，该系统是利用太阳能电池方阵、风力发电机（将交流电转化为直流电）将发出的电能存储到蓄电池组中，当用户需要用电时，逆变器将蓄电池组存储的直流电转变为交流电，通过输电线路送到用户负载处。是风力发电机和太阳电池方阵两种发电设备共同发电。风光互补发电站采用风光互补发电系统，风光互补发电站系统主要由风力发电机、太阳能电池方阵、智能控制器、蓄电池组、多功能逆变器、电缆及支撑和辅助件等组成一个发电系统，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，在既有风悠悠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、农业、牧业、种植、养殖业、旅游业、广告业、服务业、、港口、山区、林区、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。1.2.2风光互补系统发电结构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。该系统是集风能、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。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；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；逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的220v交流电，保证交流电负载设备的正常使用，同时还具有自动稳压功能，可改善风光互补发电系统的供电质量；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要求时控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统的连续性和稳定性；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。它将风能发电系统和光伏发电系统输出的电能转化为化学能存储起来，以备供电不足时使用。1.2.3风光互补系统发电技术优势风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成，发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统在资源上弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷。同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以风光互补发电系统的造价可以降低，系统成本趋于合理。第二章能源概述2.1能源的定义及作用火车为什么能承载着乘客奔向目的地?电灯为什么能给黑暗带来光明?人为什么能运动……这是因为我们“得到”了能量。风能“扫落叶”，太阳能“泽被苍生，普照大地”，河流能“奔流到海不复回”，这也是因为它们具有能量。能量是物质运动的源泉。世界上所有的物质无时不刻都在发生着运动和变化，具有某种形式的能量就是物质运动和变化的原因。对于能源的定义，简单来说，能源是各种形式能量的源泉。我们从物理学的观点来看，能量可以简单地定义为做功的本领。在广义范围上讲，所有物质都可以转化为能量，但是在转化的数量及转化的难易程度上是不同的。人们一般这样认为，能源是比较集中而又较易转化的含能物质。与此同时，还有另一种能源，那就是所谓的能量过程，即物质在宏观运动过程中所转化的能量，例如水的势能差运动产生的水能和空气运动所产生的风能等。随着科学技术的进步，人类对物质性质的认识和掌握的能量转化方法也在不断增加，因此，严格来说，能源并没有一个很明确的定义。2.2能源的分类自然界中有种类繁多的各种能源，我们根据它们的初始来源，现在将其概括为四大类。第一类是与太阳有关的能源。太阳是能量之源，我们除了可以直接利用它的光和热外，它还是地球上多种能源的主要源泉。现在，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自于太阳。各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。人类和动物界的生存就是有这部分能量转化成的能源提供的。煤炭、天然气、石油、油叶岩这些化石燃料实际上也都来源于太阳能，古代的动植物被埋藏在地表之下，经过了千百年之后就变成了化石燃料。除此之外，从太阳能转换来的还有水能、风能、波浪能、海流能等。从数量上计算，太阳能是非常巨大的。理论计算表明，太阳每秒钟辐射到地球上的能量等同于500多万吨煤燃烧时放出的热量;那么一年就有相当于170万亿吨煤的热量，现在全世界一年消耗的能量还不到它的万分之一。然而，到达地球表面的太阳能只有千分之一二被植物吸收，并转变成化学能贮存起来，其余绝大部分都转换成热，散发到宇宙空间去了。第二类是与原子核反应有关的能源。它是由某些物质在发生原子核反应时释放的能量。我们知道，原子核反应主要有裂变反应和聚变反应。目前在世界各地运行的全部核电站都是使用铀原子核裂变时放出的热量。使用氖、氖、铿等轻核聚变时放出能量的核电站还在研究之中，相信不久的未来，核能的原料利用将会更加广泛，在能源构成中的比例也会上升。第三类是与地球内部的热能有关的能源。地球就像一个大热炉，从地面向下，随着深度的增加，温度也不断增高。地热的表现就是从地下喷出地面的温泉和火山爆发喷出的岩浆。地球上的地热资源贮量也很大，如果按目前钻井技术可钻到地下10公里的深度计算，估计地热能资源总量相当于世界年能源消费量的400多万倍。第四类是与地球一月球一太阳相互联系有关的能源。地球、月亮、太阳之间式有规律的运动的，这样就造成了相对位置周期性的变化，海水由于它们之间产生的引力而有规律地涨落，从而形成了潮汐能。实际上，与上述三类能源相比，潮汐能的数量很小，全世界的潮汐能折合成煤约为每年30亿吨，而实际可用的只是浅海区那一部分，每年约为6000万吨煤。2.3能源的开发利用和可持续发展科技的发展让你给人类的生活更加舒适和便利，但人类生活质量提高的背后意味着能源资源的大量消耗，高速发展的现代社会规模空前，向能源资源提出了更高的要求，与此同时，人们也渐渐尝到了过度开采和不合理使用能源资源带来的恶果。人类要想生存和发展，能源的消耗是不可避免的。但是，除了太阳、大气等环境资源以外，几乎所有的资源都是有限的，这就大大限制了人类的发展。另一方面，由于对能源的过度使用，我们的生态环境己经遭到了严重的破坏，这让我们在享受经济发展带给我们的种种好处之时，不免产生忧虑。假如我们这样发展下去的话，我们的子孙后代还能生存下去吗?我们今天取得的成就，后代如果无法享用的话，那还有什么意义呢?所以，人么经过深刻的反思之后，提出了可持续可持续发展的战略，可持续发展应当“以人为本”，还包括能源、环境等各方面的可持续发展。能源的可持续发展，第一是要提高能源的采收率。在能源的开采过程中普遍存在严重的浪费现象，能源的开采过程是要耗费能量的，提高了采收率就减少了能源的初级浪费。其次还要提高能源的利用效率。在资源有限的情况下，提高能源的利用率毫无疑问是合理的选择。提高能源的利用率，不仅仅从总量上节约了资源，高的利用率说明产出量提高了，废水废气的排放量减少了，这在防治空气污染保护环境方面也具有积极的意义。走能源的可持续发展道路还要大力开发新能源和可再生能源。我们在能源问题上，不但要“节流”，还要“开源”。能源的可持续发展，要求我们树立节能和环保意识，并在资源利用、产品开发设计之中有所体现，让更多的绿色能源、绿色产品走进我们的日常生活。第三章太阳能光伏充电控制器的设计3.1太阳能光伏组件基本特性3.1.1太阳能光伏电池的基本原理太阳能光伏电池是一种将光能转换为电能的器件，其本质是大面积的P型与N型半导体所组成的二极管，当太阳光照射在其表面时，N型半导体中的电子被激发出，在PN结内建电场的作用下向P型半导体中聚集，与此同时空穴向N极聚集，如果在外部将两级连接起来会有电流产生，这种现象称作光生伏打效应。太阳能光伏电池最小的单元称为光伏单元（PVCell），工作电压为0.45-0.5V，工作电流为20-25mA/cm2，它作为构成光伏电池的基本单元，一般不单独使用，而是由10～40个光伏单元拼成更大的平板，内部通过一定的串并联方式连接起来，组成光伏组件（PVModule）使用，一般光伏组件的功率都在几十瓦到上百瓦。一定数量的光伏组件安装成阵列形式即组成了光伏阵列（PVArray）。图2-1太阳能光伏系统在风光互补路灯系统中一般使用一至两块光伏组件组成光伏发电电池板，在局部受到阴影遮蔽时，与遮蔽区域相串联的光伏单元都会受到影响，所以局部遮蔽会明显降低整个光伏组件的发电效率。3.1.2太阳能光伏电池的分类太阳能光伏电池按材料种类可分为以下几类：晶体硅型太阳能光伏电池：包括单晶硅光伏电池和多晶硅光伏电池两种类型，多晶硅和单晶硅都是以二氧化硅为原料经一定的工序而制成，单晶硅的制作要更复杂一些，是由多晶硅经单晶炉拉制而成。晶体硅的制作过程是：二氧化硅=>工业硅=>多晶硅=>单晶硅。在转换效率上，目前无锡尚德生产的单晶硅达到19%，多晶硅达到17%，由于单晶硅是由多晶硅加工成的，所以在成本上单晶硅更高。随着技术的发展，未来光伏电池的转换效率将会进一步提高，预计未来两年单晶硅和多晶硅产品的转换效率可提高至20%和18%。作为发展较早，技术工艺相对较成熟的太阳能电池，晶体硅光伏电池占太阳能电池近90%的市场份额。由于受技术限制，我国目前生产的大部分晶体硅光伏电池为多晶硅产品，所以多晶硅电池是市场的主流。薄膜太阳能光伏电池：按材料类型可分为非晶硅、碲化镉（CdTe）、铜铟镓硒（CIGS）等。非晶硅薄膜电池占薄膜太阳能电池产量的一半，碲化镉产品紧随其后。薄膜太阳能电池的特点是重量轻、厚度薄、可弯曲，同时节省材料，制作工艺简单，是晶体硅太阳能电池的一种低成本替代技术，可在价格低廉的玻璃、塑料或不锈钢基板上制造，适合做建筑外墙材料。此外薄膜太阳能电池弱光性好，在早晚光线弱的情况下，发电效果优于晶硅电池。缺点是光电转换效率太低，一般在5%-10%之间。3.1.3太阳能光伏组件的模型晶体硅光伏电池的本质是由P型半导体和N型半导体组成的二极管，所以光伏单元等效电路模型中包含了一些二极管的特性，常见的光伏单元等效电路模型有单二极管模型和双二极管模型，其中单二极管模型在分析时使用较多。图2-2太阳能光伏单元的单二极管等效电路模型I=IL?ID?ISH(2-1)其中，IL为光生电流，ID为二极管电流，ISH为并联电阻RSH的电流。引入输出电压V后，光伏单元输出V-I特性可用以下式子表达：其中，VT=AkT/q；A—二极管品质因数；k—玻尔兹曼常量(J/K)；q—电荷常量(C)；T—绝对温度(K)；IO—二极管反向饱和电流(A)；RS—串联电阻(Ω)，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻等组成；RSH—分流电阻(Ω)，主要由硅片的边缘不清洁或体内缺陷引起。一个理想的光伏电池，RS很小，RSH很大。式(2)所表达的光伏单元V-I特性除了由光伏单元本身材料和结构决定以外，还有受到太阳辐照度(Irradiance)和环境温度(T)的影响，光生电流IL与太阳辐照度和温度有关，但影响其主要因素是太阳辐照度。二极管电流ID与温度有关，主要体现在温度对VT和二极管反向饱和电流IO的影响上。由于太阳能光伏组件是由若干光伏单元串并联组成，所以由光伏单元的等效电路模型可以进一步推导出太阳能光伏组件的等效电路模型，此时已很难简单地等效为单二极管模型，但其表达式形式与光伏单元的单二极管模型表达式近似。由nS个单元串联、nP个单元并联组成的光伏组件具有如下V-I输出特性[19]：其中，IPH—光伏组件的等效光生电流(A)；IO—光伏组件的等效二极管反向饱和电流(A)；nS—光伏组件的串联光伏单元数；RS—光伏组件的等效串联电阻(Ω)；RSH—光伏组件等效分流电阻(Ω)；VT—热力学电压(V)。IPH在外部受太阳辐射度和温度的影响，在内部受光伏单元并联数nP的影响。式中第二项是光伏组件等效二极管中的电流，其中IO在外部受温度的影响，在内部受并联数nP的影响。3.1.4太阳能光伏组件的V-I输出特性与基本参数某太阳能光伏组件的V-I输出特性如下：图2-3不同光照强度条件下的光伏组件V-I输出特性曲线图2-4不同温度条件下的光伏组件V-I输出特性曲线太阳能光伏组件的特性曲线一般由光伏厂商测试后提供，除了特性曲线以外，光伏厂商还提供了以下主要参数：VOC—开路电压(V)；Vmp—最大功率电压(V)；ISC—短路电流(A)I；mp—最大功率电流(A)；Pmax—最大功率(W)；KV—开路电压温度因数(mV/K)；KI—短路电流温度因数(%/K)，以上前五个参数均是指在标准测试条件(STC：Irradiance1000W/m2Temperature25℃)下所测得的参数。由光伏组件的V-I特性曲线可以看出，短路电流ISC主要受太阳光照强度影响，而开路电压VOC主要受温度影响。在光照和温度一定的条件下，光伏组件的最大功率点只有一处，其对应的电压和电流为最大功率电压Vmp和最大功率电流Imp。3.2光伏充电控制器主电路的分析与设计图2-5光伏充电系统结构图风光互补路灯的光伏充电系统结构图如图2-5所示，主要由太阳能光伏电池和光伏充电控制器组成。为了提高输出电压，太阳能光伏电池采用两块功率75W的多晶硅太阳能光伏组件串联组成。3.2.1光伏充电控制器主电路的分析充电控制器是连接在电源和储能设备之间的电力电子变流装置，作用是将电源的电能转化为储能设备能够接收的电能形式，采用一定的充电策略使储能装置顺利充满。充电控制器的主电路要根据充电电源类型、储能设备特性、容量大小等因素进行设计。一般的充电控制器是以电网电能作为输入，根据不同的储能装置设计不同的输出电压和输出电流，这种充电控制器常采用的充电方法有恒压法、恒流法、恒压限流法、三段式充电法等。在以太阳能和风能作为输入的充电系统中，不能以设计常规充电控制器的思路来设计太阳能光伏充电控制器，而是要从太阳能光伏电池的原理入手，设计出高效合理的主电路和控制方法。光伏充电控制器的主电路采用如图2-6所示的直流斩波器。图2-6光伏充电控制器主电路原理图在图2-6所示的直流斩波电路中，输入电容C的作用是储能和调节光伏板的输出电压，当开关管一直断开时，光伏板向电容充电，直到电容电压达到光伏板的开路电压时充电电流为零，此时电容电压不再上升；当开关管一直导通时，电容向蓄电池放电，直到电容电压降到蓄电池端电压时，电容电压不再下降，光伏电池直接向蓄电池组进行充电。这种主电路与降压电路、升降压电路相比省去了功率电感。在开关变换器中，功率电感也是储能装置，作用是可以升压，但是在将电能转化为磁能的过程中会有一定的磁损存在，电感线圈也有一定的铜损，因此带电感的开关变换器在效率上会有所降低，并且在体积、重量和成本上不具优势。光伏电池输出电压高于蓄电池组，充电控制器不需要升压就能充电，所以可以不需要电感。因此，从效率和作用来看，采用这种斩波器作为主电路是比较合理的。3.2.2主要元件及其参数的选取1、输入电容在相同的光伏电流下，输入电容越大，电容电压上升的越慢，在光伏充电控制器主电路中，采用250V/1000μF的电解电容作为输入电容。2、开关管开关管选用IXYS公司生产的MOSFET，型号为IXTH50N20，主要参数有：最大漏源电压VDSS=200V；最大栅源电压VGS=±20V，最大连续漏电流ID25=50A，最大脉冲漏电流IDM=200A。该器件导通电阻低，转换时间快，具有低损耗的优点。3、二极管二极管采用的是快速恢复整流二极管BYV32-200，正向平均耐流值为18A，最大正向电流峰值为150A，最大重复反向峰值电压200V。3.3光伏充电控制器的控制方法研究3.3.1近似太阳能光伏最大功率跟踪原理由太阳能光伏电池的V-I输出特性曲线可知，在温度不变条件下，当太阳光照强度发生变化时，最大功率点电压的变化很小，近似等于0.7倍的开路电压，而最大功率点电流则随着光照强度在变化，并且在电压低于最大功率电压的区间具有恒流源的特性。所以，要想使太阳能电池时刻保持最大功率输出，必须满足两个条件，一是使光伏组件的输出端电压保持在最大功率点电压，二是使光伏组件的输出电流是连续的。在所有最大功率跟踪(MPPT)算法中，这种恒压式近似最大功率跟踪法(CVT)是最简单的，只需要控制充电器的输入电压等于设定好的恒压值即可，其实用性较强，在简易的小型光伏系统中得到了广泛使用。缺点是当温度发生变化时，最大功率点电压会发生变化，恒压法在使用时要进行温度补偿。3.3.2光伏充电控制器的控制方法在程序中设定两个电压值V1和V2(V1>V2)，当电容电压升至V1时导通开关管，此时电容向蓄电池放电，由于放电速率大于光伏板对它的充电速率，电压开始下降；当电容电压降至V2时断开开关管，此时电容停止放电，在光伏电池的充电下，电压开始上升。将V1设置为太阳能光伏电池的最大功率点电压值33V，V2设置为24V，在电容向蓄电池放电过程中，电容电压降至蓄电池端电压时即停止下降，此时太阳能光伏电池向蓄电池组直接充电。由于蓄电池组在充电时其端电压一般会高于24V，因此电容电压下降不到24V，根据以上判断条件，开关管无法关断。所以当将电容电压的电压上下限值设置为33V和24V时，在电容电压处在24V与33V之间的情况下，根据两次输入电容电压采样值的比较结果判断开关管是否导通或者关断。当本次采样电压值大于前一次采样电压值时，说明光伏电池在向电容充电，开关管应关断；当小于前一次采样值时，说明电容在向蓄电池放电，开关管应导通；当等于前一次采样值时，说明电容已经放电完毕，主电路处于直充状态，应关断开关管使电容开始储能。下表是光伏充电控制器开光管控制策略，其中VC1是本次测得的电容电压，VC0是前一次测得的电容电压。表2-1光伏充电控制器开关管控制策略输入电容可以使光伏板的输出电流连续向电容充电，即只要产生光伏电流，电容就会将能量收集起来。这种控制方法的特点是开关管的频率不是固定的，当太阳光照强度越大，光伏电池的输出电压和输出电流越大，电容的充电电流越大，其电压变化越快，开关管的工作频率越高。在最大功率输出方面，由于输入电压是在低于最大功率点电压的一个范围内波动，所以并不能使太阳能电池始终输出最大功率，但是适当的电压波动可以使充电器有更广的温度适用范围，因为温度升高时，最大功率电压会有所降低，如果采用恒压法，此时效率可能会有明显的降低，但是采用波动的电压可能效率的降低会没那么明显。这种控制方法还具有以下特点：1、这是一种电容电压滞环控制法，充电控制器控制电路检测电容电压和充电电流，然后根据条件判断语句控制开关管的通断，电容电压即在两个设定的电压值之间往返。滞环控制是一种简单的“0”“1”开关控制，实际值与指令值的上下限相比较，交点作为开关点，指令值的上下限值形成一个滞环。2、滞环控制系统在反馈回路上只有一个滞环比较器环节，经过比较器的输出控制信号一般只有两种状态，在开关变换器中可以直接作为开关管的PWM信号，不需要调制，但是频率不固定。因此，滞环控制具有控制简单，无需反馈补偿环节，响应速度快，鲁棒性好的优点，一些改进型的电压滞环控制在降低开关变换器输出电压波动，提高负载瞬态突变响应等方面比传统的控制方法更具有优势。3.3.3脉冲充电电流分析脉冲式充电法是一种新型的充电法，具有两种类型，一种是正负脉冲充电法，也就是采取充-放结合的方式，在若干正脉冲之后有一个负脉冲的放电瞬间。另一种是正脉冲充电法，也就是采取充-停结合的方式。第一种方式的优点是可以大电流高速充电，缺点是放电过程会损耗能量。第二种方式充电速率相对较慢，因为要依靠电池自身的去极化能力去消除充电过程中产生的极化现象比较缓慢，但这种方式不会有能量损耗。由于太阳能产生的光伏电流较小，所以采用正脉冲充电法即可。图2-7脉冲充电电流波形示意图分析图2-6所示主充电电路的充电电流波形，在每个开关周期内，输入电容都以33V的初始电压向蓄电池放电，电流大小随着电容和蓄电池组的电压差的减小而减小，最后停止放电，开关管断开。在电容电压达到33V之前蓄电池没有充电电流，所以这种充电电路输出的是脉冲式充电电流，属于正脉冲充电法。每一个电流脉冲波就是一个小的能量团，能够将蓄电池内部的金属离子镀在极板上，显然，单位面积极板上的脉冲电流越大，充电速率越快，但不是速率越快越好，不同种类的蓄电池的最佳充电速率不同。常规充电法中，通常规定铅酸蓄电池的主充阶段充电速率为0.1C，最大不超过0.3C，而磷酸铁锂蓄电池的充电速率通常可达2C，常用作动力蓄电池。对于光伏充电控制器，充电速率随太阳光照强度的变化而变化。由于电容电压初始值都是33V，所以蓄电池充电电流的幅值在短时间内是可以看作近似不变的，随着蓄电池电压的升高，电流幅值会略有下降。当太阳光照强度发生变化时，如图2-7所示，在开光管关断期间电容电压上升的更快，因此关断时间减小，而导通时间不变，整个开关周期减小，频率增加，输出电流的平均电流也越大，充电速率越高。3.4光伏充电控制器控制电路的设计光伏充电控制器的控制电路的任务是实时检测输入电容两端的电压和蓄电池充电电流，根据(2-3-2)节的电压滞环控制方法输出开关管的PWM信号。3.4.1控制电路的硬件设计控制电路采用PIC16F873A单片机作为主控制器，主要功能部件有电压检测电路、开关管驱动电路和供电电路。电压检测电路图2-8光伏充电控制器的线性隔离电压检测电路光伏充电控制器采用的是隔离型电压检测电路，具有较高的线性度和精度，如图2-8所示。在光耦的选择上没有采用昂贵的线性光耦，而是采用由东芝公司生产的TLP521-2普通双光耦，其中一个光耦的输出作为检测输出，另一个光耦的输出作为反馈，用来补偿发光二极管时间、温度的非线性特性。输入电压VI经过由电阻R1、R3组成的分压电路接运算放大器的正输入端，由运算放大器虚断和虚断可得VR3=V3=V2=VR4，又由IR4=IR6，R4=R6可得VR3=VR6，输出电压VR6经RC滤波电路接入单片机模拟量I/O口。由于单片机的模拟量I/O口限定最大输入为+5V，所以用二极管接+5V电源对输入模拟量进行钳位，通过调节分压电路的阻值可以调整输入电压的量程。待测输入电容电压的最大值为40V左右，要保证40V电压经过分压电路后能转换成5V以内电压值，可以采用R1阻值为68K、R3阻值为10K的分压电路。U6是与蓄电池组共地的线性调压器L7812，它的作用是为双光耦TLP521-2的反馈光耦和运算放大器供电，输出光耦则是由隔离DC-DC模块U7输出的12V供电，因为检测电路的主电路侧和控制电路侧是隔离的，其供电也采用各自回路中的供电模块。MOSFET驱动电路及开关管吸收电路图2-9驱动芯片外围电路及MOSFET吸收电路MOSFET的驱动芯片采用东芝公司生产的可直接驱动小功率MOSFET和IGBT的功率型光耦TLP250。TLP250主要参数如下：输入阈值电流IF=5mA(max)；电源电流ICC=11mA(max)；电源电压VCC=10~35V；输出电流IO=±0.5A(min)；开关时间tpLH/tpHL=0.5μs(max)。驱动芯片输出接入MOSFET栅极，驱动芯片地线接MOSFET源极。TLP250内部结构如图2-10所示。图2-10TLP250内部原理图为了抑制MOSFET的过电压和关断时的du/dt，减小开关损耗，开关管缓冲电路采用的是RCD吸收电路，又称关断缓冲电路，如图2-9所示。当开关管关断时，电容C会吸收一部分电流，减小过电压对开关管的冲击。二极管采用的是快速恢复二极管BYV32-200。电容和电感可以通过实验方法确定，经过实际多次试验，确定电容选用1000pF无感电容，电阻选用30Ω1W功率电阻。4、单片机外围电路及供电设计单片机外围电路包括晶振电路、复位电路和LED指示灯。充电控制器输入电压检测电路输出的模拟量通过单片机的AN0通道进行A/D转换；蓄电池充电电流检测电路输出的模拟量通过单片机的AN1通道进行A/D转换；开关管PWM信号从RC1口输出至驱动芯片的输入端。图2-11单片机外围电路设计供电部分如图2-8所示，U6是与蓄电池组共地的线性集成调压器L7812，将蓄电池的24V电压转换成12V电压为检测电路的运算放大器和反馈光耦U3供电，由U6供电的单元都是以蓄电池组负极作为参考点，而输入电压也是以蓄电池组负极为参考点，这就是为什么采用与蓄电池组共地的L7812作为隔离型电压检测电路主电路一侧的供电模块的原因。U7是一个24V转12V的隔离型DC-DC变换器，其输出一端与控制电路的信号地相连，另一端为需要12V供电的MOSFET驱动芯片和隔离型电压检测电路控制电路一侧的输出光耦供电。U9是一个线性集成调压器L7805，将DC-DC模块的12V输出转换成5V输出为单片机供电，L7805接地端和单片机的接地端均接信号地。3.4.2控制电路的软件设计图2-12控制电路单片机PIC16F873A程序流程图光伏充电控制器控制电路的单片机通过循环执行检测、判断、输出的过程控制开关管的通断。当输入电容电压高于设定上限值33V时PWM控制口输出高电平，开关管导通，电容开始放电且电压下降；程序不断循环检测，当电容电压低于设定下限值24V时PWM控制口输出低电平，开关管关断，电容开始蓄能且电压上升。在24V与33V之间时，根据两次输入电容电压采样值的比较结果判断开关管是否导通或者关断。当本次采样电压值V1大于前一次采样电压值V0时，说明光伏电池在向电容充电，开关管应关断；当V1<V0时，说明电容在向蓄电池放电，开关管应导通；当V1=V0时，说明电容已经放电完毕，主电路处于直充状态，应关断开关管使电容开始储能。第四章风能的开发和利用风是地球上最普遍的自然现象之一，它是由太阳辐射热引起的。当太阳辐射到地球表面，由于地球表面各处的受热不均，因此就会产生温差，进而引起大气的对流运动，这样就形成了风。风是流动的空气，不但有速度，而且还有密度，所以风包含着能量。虽然到达地球的太阳能中只有大约2%转化为风能，但其总量仍是十分可观的。据世界气象组织估计，全球的风能约为2.74x10“12kw·h，其中可利用的风能为Zx1o‘10kw.h，比地球上可开发利用的水能总量还要大10倍。风能就是空气流动所产生的动能。大风所具有的能量是很大的。台风的凤速可以达到50~60m/S，换算成它对每平方米物体表面上的压力，竟然可以高达200kg以上。汹涌澎湃的海浪，是被风激起的，它对海岸的冲击力是相当大的，有时可达每平方米20~30t的压力，最大时甚至可达每平方米60t左右的压力。风不仅能量是很大的，而且它在自然界中所起的作用也是很大的。它可使山岩发生侵蚀，造成沙漠，形成风海流，它还可在地面作输送水分的工作，水汽主要是由强大的空气流输送的，从而影响气候，造成雨季和旱季。风中含有巨大的能量，全世界每年用燃烧煤得到的能量却还不到风力所提供的1%，合理利用风能，既可减少环境污染，又可减轻越来越大的能源短缺的压力。自然界中的风能资源是极其巨大的。据世界气象组织估计，整个地球上可以利用的风能为ZXIO‘7MW。为地球上可资利用的水能总量的10倍。4.1风能利用历史早在古时候人们就把风能作为动力来使用，人们利用风来带动传动装置，用以灌溉、排涝和研磨谷物等。在各大文明古国，都有使用风车的记载。我国对风能的利用历史悠久，根据汉字研究，早在公元前16世纪，中国商代以前的甲骨文就有“帆”字，它是一个双桅杆帆的形象，这说明那是我国己经开始利用风力鼓帆航船了。到公元3世纪的三国时代，就已经出项了多桅多帆的土帆船，这种帆船的帆可以转动来适应不同的风向。在东汉末年汉墓的壁画上出现了风车的图画，人们利用风车把风能转化成机械能用来春米、灌溉、磨面等。（2）后来，人们对风能的利用水平不断的提高，这种提高除了体现在帆船风车的改进上之外，还体现在对风向的掌握上，唐代诗人王维写道“向江帖见日，归帆但信风”。在唐代，我国与日本世界的往来交通工具就是帆船。宋朝是风车应用的全盛时期，甚至当时流行的垂直轴风车至今仍在使用。明朝时候，我国的帆船制造业进入鼎盛时期，著名的“郑和下西洋”就发生在明初。郑和很善于使用风力，他巧妙地利用了东部沿海的季风，冬季季风多吹西北风和东北风，郑和七次下西洋，有五次选在冬季，这时候有来自东北和西北方向的季风了正好可以顺风航行，经南海穿过马六甲海峡进入印度洋，但在返回时有六次选在夏季，趁着夏季的西南季风，正好可以顺风返航。现在，人们主要利用风能来发电和提水，风力发电系统是主要的设备。风力提水具有悠久的历史，荷兰是近代发展风力提水最好的国家，荷兰被称为“风车之国”。在还没有电能的时候，荷兰人们就已经开始利用风能生活生产了，其最多的时候有一万多架风车。风车帮助荷兰人提干海水，使得荷兰人拦海造田得以成功。值得一提的是，荷兰人还制定了世界上最特别的法律—《风法》，并授予风车主人以“风杖”，其它人不得在风车附近修建其它建筑物。现代风力提水机按作业性质和水源太偶见分为两类:一类是低扬程大流量风力提水机，这类提水机用于河渠提水灌溉、排涝和盐场提水制盐;一类是高扬程小流量风力提水机，可用于深井提水。风力发电在新能源和可再生能源行业中增长最快，年增长率达35%，美国、意大利和德国年增长率更是高达50%以上。德国风力发电占总发电量的3%，月·麦风力发电量甚至已超过总发电量的10%。据统计，全世界发电装机量已达25000MW以上，可以满足1500万个家庭，也就是3800万人的用电要求。欧洲占世界风力发电装机总容量的70%，其它国家也在积极开拓市场，目前已有50多个国家正积极发展风能事业。现在风力发电技术已经比较成熟，所以很多国家对风力发电的投入较大，发展速度也很快，这样就使得风电价格可以不断下降。如果再考虑环保及其它因素，加上政府税收优惠政策，有些地区的风力发电己经可以与火力发电等相竞争。然而，风力发电在我国起步较晚，1992年联合国召开环境与发展大会之后，我国才明确要根据当地的具体情况，研发和利用太阳能、风能、潮汐能、地热能、生物能等新能源。我国现代风力发电技术起始于20世纪70年代初期，经过30多年的研究、生产及推广应用，我国自行开发研制的小型风力发电机组，运行平稳可靠，使用寿命平均在15年以上。特别是在没有电网的边远地区，我国离网型小型风力发电机组的产能和保有量均占世界第一。我国自行研制生产的小型风力发电机组，不但满足了国内用户的需求，而且还出口到瑞典、印尼等国家和地区。4.2风能设备人类目前对风能的利用主要是将风能转化为机械能，利用机械能来提水、磨面、春米等，或者是将机械能进一步转化为电能输送到千家万户。风力发电的主要设备是风力发电机，也叫风轮机。历史上人们使用过各式各样的风轮机，现代使用的风力发电机大致分为两类:水平轴式发电机和垂直轴式发电机。水平轴式风力发电机的风轮转轴与地面平行，就像常用的电风扇一样;垂直轴式风力发电机的风轮转轴与地面垂直，叶片绕垂直轴线旋转。风能够产生三种力以驱动发电机工作，分别为轴向力(即空气牵引力，气流接触到物体并在流动方向上产生的力)、径向力(即空气提升力，使物体具有移动的趋势的、垂直于气流方向的压力和剪切力的分量，狭长的叶片具有较大的提升力)和切向力，用于发电的主要有前两种力，水平轴风机使用轴向力，垂直轴风机使用径向力。现代风机主要利用空气提升力，其方向与风向垂直，主要装置为风翼或叶片。当气流经过风翼型叶片表面时就开始了风能向电能转化过程。气体此产生提升力，导致转子围绕中心轴旋转。垂直轴风机常使用轻微弯曲的堆成风翼，其优点是使用时无需考虑风向，齿轮箱和发电设备可安放于地面;缺点是每次旋转会产生很高的扭矩波动，无自启动能力，并且风速大时调整转速的能力有限。垂直轴风机于1970年开始商业化，一直持续到80年代末。目前水平轴风机占统治地位。水平轴风机主要包括塔架及其顶部的吊舱，吊舱内装有发电机、齿轮箱和转子。不同型号的风机使用不同的技术调整吊舱方向，风速合适时使吊舱迎向风向，风速过大时偏离风向。对于小型风机，采用尾舵调整转子和吊舱方向，大型风机以风向标提供信号，使用电动装置调整吊舱和转子方向。现代风机中，转子叶片是最昂贵的零部件之一，并且叶片的强度是风力发电机组性能优劣的关键。目前的叶子所用材质已由木质、帆布等发展为复合材料(玻璃钢)、金属(铝合金)等，其中纤维增强的新型复合材料叶片不仅抗疲劳强度高、寿命较长，而且具有防雷击破坏的能力。大型的风力发电机组一般采用水平轴式风力发电机，小型风力发电机组则两者兼有。一般的风力发电机有风机、增速齿轮箱、发电机、偏航装置、控制系统、塔架等部件组成。风轮将风能转化为机械能，低速转动的风轮通过传动装置由齿轮增速箱增速，再将动力传递给发电机，发电机将机械能转化为电能，上述部件都装在机舱上，机舱由高高的塔架举起。由于水平轴式风力发电机本身的局限性，使得风力发电成本很难降得很低，但是摆翼立轴式风力发电机是一种全新的风力发电机，它的出现大大降低了风力发电的成本。立轴式风力发电机不存在风向改的问题，因此不需要迎风调节装置，也不需要将全部风力发动机组搬上塔架。摆翼立轴式风力发电机利用气动原理，将翼片偏摆轴置于其空气动力中心之前，在风的作用下，翼片在两侧自动摆向相反的一边，由此产生同一方向的力矩，协力驱动风力发电机转动，它的结构简单，而且在灾害性大风来临时会自动顺桨，将负荷卸载，其调速装置也比其它的风力发电机简单有效，在风速和负载变化时，风力发电机的转速也能保持恒定。并网型风力发电机组适于安装在有电网且风力资源丰富的地方，发出的电并入电网，目的是节约常规能源，减少环境污染。当平均风速高于3米/秒时，风轮开始转动，风速继续提高，高于4米/秒时，机组自动启动，到达某一设定转速后，发电机将按控制程序自动连入电网，一般是小发电机先并网，当风速升高到7论米/秒后，发电机组将切换到大发电机运行。离网型风力发电机组适用于偏远的农村、沿海岛屿、自然村落、旅游景点、在叶片迎风面的流动速度远高于背风面，相应地，迎风面压力小于背风面，并由边防哨所等。这些地方用户分散，用电量小，常规电网难以到达，推行小型风力发电机组可以很好的解决这些地方的用电问题，而且节约燃料和资金，减少对环境的污染，有很好的经济效益和社会效益。第五章路灯灯具研究5.1古时灯具与时代和文化的关系古代的灯具不仅作为照明用具，在装饰方面也有很多的应用，并且和古代城市文化紧密地结合在一起。从唐宋开始，我国开始盛行用灯笼作为招牌，在夜间的时候将其点亮用以吸引顾客，这种形式十分引人注目，由此形成了代表各种行业的灯笼造型，如酒楼悬挂的灯笼形如酒瓶，灯笼的数目、颜色也代表不同的含义，如数目的多少代表店铺的等级，颜色的不同则代表店铺经营的内容和特点。当时人们到饭店吃饭的时候，首先会四处查看灯笼的样式，以便寻找自己合意的饭店。随着电灯的发明，各种各种各样的灯饰相继出现，其中灯箱是装饰艺术中常用的一种形式，应用范围很广，形式变化较多，灯箱由发光面、非发光面，灯具和骨架以及电源线路等组成。发光面上的灯饰及色彩效果，通过灯具发光面更加完美，特别是夜晚，效果最佳。夜间的灯饰一般由霓虹灯、聚光灯、泛光灯等可形成漫反射光、直射光、泛光、轮廓光、动态光等多种形式。它可以营造出不同的气氛来满足不同人群的情感需要，从而吸引人们的注意力。射灯，分金属、塑料灯壳两种，一般用于各种展览会、博物馆或商店等，具有突出展品或商店、陈列品的作用。吸顶灯，分浮凸式和嵌入式两种，按灯罩分有圆球、半球、扁圆、平圆、方形、长方形、菱形、三角形、橄榄型和垂直形等。霓虹灯，是一种利用气体发光放电的灯，颜色可根据需要而冲入不同的气体，如充氖气可发红橙光，充氖和汞的混合气，可发绿色光。灯具的种类何其之多，可都与当时的社会环境、城市文化有着密切的关系。每个时代的灯具，都是当时社会生产力发展的一个缩影，是艺术和技术相结合的产物。灯具，是物质文化的组成部分，一部灯具发展史，也是一个国家文化史的组成部分。古时灯具有许多造型元素都被赋予了民族符号的色彩，很多动植物形态、抽象图形、器皿形态被运用在灯具上，还有各种纹理，卷云纹、荷花纹、盘龙纹、万字纹、回字纹、喜字纹等等。很多表面色彩和纹样纹理是一些具有民族代表性的符号。汉代的长信宫灯和漆绘跪坐人形灯都是生动逼真、神态恬静优雅的宫仆形象，体现了封建时代严格的君臣之道。唐代的宝莲灯取材于民间故事，又名孝子灯，在民间有广泛流传，古代孝子为父母祝寿时常点燃此灯，这也是儒家孝梯思想的体现。羊形青瓷烛座、树形铜灯、龙形铜烛台等都是借由动物本身所代表的祥瑞、谦和、和平的寓意所营造出的繁荣昌盛的面貌来表现灯具的形态和意境，富于浓厚的人情味和生活气息，又不失浪漫的情怀。汉代的连枝树形铜灯则以自然为创作主题，构思奇特，造型新颖，呈现出了一个生动活泼的画面。古代很多灯具都运用中国的传统色彩，风格简约古朴，排列成行呈现出繁荣昌盛、气势磅礴的王朝风韵，细节处又展现精致之美。5.2传统道路照明光源使用状况为了满足人们夜间行路等活动的目的，人们设计制造出了路灯。从古至今，路灯跟随着时代的脚步也在发生着变化。目前，普遍采用的传统道路照明光源是高压钠灯和金属卤化物灯，这两种光源均为高强度气体放电光源，在明视觉下，都具有很高的光效，高压钠灯可达1201m/w，金卤灯在801m/w，但存在以下三个缺点:(l)中间视觉条件下钠灯的光效大幅度下降，钠灯是黄色光源，而路灯工作条件正好是中间视觉范围，亮度较低，钠灯光效的下降越大。曾有研究表明，光效视觉条件下明显比钠灯低的金卤灯，在中间视觉亮度较低情况下，实际发光效率超过高压钠灯，而且随着亮度降低、钠灯光效进一步下降，金卤灯光效继续上升，因此得出了金卤灯更适合路灯光源的结论。(2)均匀度差。现有的钠灯、金卤灯在照明道路上照出中心亮外围暗的亮度均匀度低的圆形光斑，光斑的中心亮度往往高于国家标准，造成能源浪费，并且道路是沿纵向延伸的长条形区域，为了达到路面亮度和均匀度的要求，圆形照明光斑的大部分外围光线都将落到有效照明区域之外，造成了光线的二次浪费，因此圆形光斑不适用于道路照明。(3)传统光源的路灯在结构上都由反射器和玻璃罩组成，光源发出的光小部分直接透过玻璃罩到达路面，约60%的光是经反射器再经玻璃罩射出，但这类反射器的反射利用率仅为60%，灯具的总体出光效率在70%左右。如果再加上圆斑中心过度照明和外围光的损失，传统灯具的有效利用率不足50%。5.3路灯分类及特点灯具的分类方法很多，这里只介绍道路照明灯具的常用分类方法。道路照明灯具按用途可分为功能性灯具和装饰性灯具两大类。功能性灯具内装有控光部件(反光器或折光器)，以便重新分配光源光通量，使配光符合道路照明要求，光的利用率得以提高，眩光也受到限制。此类灯具也具有一定的装饰效果。常用于一般道路、大型广场、停车场及立体交叉等场所的照明。装饰性灯具一般采用装饰性透光部件围绕光源组合而成。以造型美观、美化环境为主，并适当兼顾效率和限制眩光等要求。一般多用于庭院、商业街道的照明。人行道，艺术效果要求高的广场也可以采用。1965年国际照明委员会建议根据灯具最大光强方向以及在90“和80“方向上的光强值(即眩光控制程度)将灯具分成截光型、半截光型和非截光型。1977年国际照明委员会认为，对道路照明常用的不对称灯具只根据它在一个平面或一维方向上的配光进行分类是不能令人满意的，因为它没有考虑其它方位角平面上的配光。并提出至少应该考虑灯具的3种不同属性，即射程、扩散和控制。应根据这3种属性对灯具进行分类。根据国家标准《外壳防护等级》和《灯具一般安全要求与实验》将灯具按防尘、防固体异物和防水等级分类。灯具的防尘性能分成6级，防水性能分成8级。5.4LEO灯具原理分析研究现在人们越来越注重环保类产品的开发，在照明产业界，为了高效利用有限的能源，照明产品也正朝着更加节能的方向发展。荧光灯具已逐渐成为主流节能型灯具，现在各制造商正在努力研究和开发更加节能的灯具产品。近几年L印等新型光源技术的迅速发展，更有力的推动了照明产品的节能化。LED是发光二极管(LightEmittingoiode)的简称，也被称作发光二极管，这种半导体组件一般是作为指示灯、显示板，它不但能够高效率地直接将电能转化为光能，而且拥有很长的使用寿命，与传统灯泡相比，同时具备不易碎，非常省电等优点。发光二极管是由嫁(Ga)与砷(AS)、磷(P)的化合物制成的二极管，它是由一个PN结组成的，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。常用的是发红光、绿光或黄光的二极管。磷砷化嫁二极管发红光，磷化嫁二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光。5.4.1LED灯的特点发光二极管作为一种新颖的半导体光源，其特点为:(l)节能LED能耗较小，随着科学技术的进步，它将成为一种新型的节能照明光源，目前白光功率LED的出光效率已经达到16llm/W，超过了荧光灯的平均水平，远远高于白炽灯和卤钨灯的发光效率。预计到2020年，白光LED的发光效率将达到或超过2001/W，那时将超过所有的传统光源。(2)环保现在广泛使用的荧光灯、节能灯和汞灯、金卤灯等电光源中都含有危害人体的汞，而且积累性的，较难排出。这些光源的生产过程和废弃的灯管都会对环境造成污染，LED则没有这些问题。LED的可见发射光不含有红外和紫外线，是一种“清洁”光源。另外，由于节能可以减少二氧化碳、二氧化硫以及氮氧化物等有害气体排放，起到了保护大自然的作用。(3)美化生活发光二极管已能发出各种颜色的光，而且发光效率很高，加上先进的驱动和控制技术，可以得到五光十色、鲜艳灵活的各种效果，照明得到了空前的发展，正向人性化、智慧化和艺术化方向发展。(4)寿命长LED的寿命可以长达5~10亿小时，传统光源在这方面无法与之相比。白炽灯为1000小时，荧光灯、金卤灯为10000小时，高压钠灯为20000小时。(5)启动时间短L印的响应时间只有几十纳秒。白炽灯的响应时间为零点几秒，在一些需要快速响应或高速运动的场合，应用LED作为光源是很好的选择。(6)结构牢固LED是一种全固态的光源，其结构中不含有玻璃、灯丝等易损坏的部件，所以耐振动、抗冲击，不易损坏。因此LED光源可以用于条件苛刻的环境。(7)可以做成薄型灯具传统光源都是向周围发射，设计灯具为了提高光线利用率，常常采用反射器收集光线并向需要的方向照射，反射器与光源之间有一定的距离，而反射器又有一定的曲率，因此导致灯具就有相当的厚度。但是发光二极管具有很强的方向性，在大多数情况下不需要使用反射器，这样设计成的灯具厚度较小，就可以做成薄型美观的半导体照明灯具，尤其适合没有太多灯具安装空间的场合。发光二极管不仅可以用作指示灯，显示光源和信号系统，而且可以取代白炽灯、荧光灯、钠灯等用于一般照明。人们认为LED是继白炽灯、放电灯光源之后的第三代光源，也称之为21世纪新光源。中间视觉条件是LED路灯取代钠灯的主要原因。中间视觉是由人眼视网膜的生理构造决定的。视网膜是是觉得光学过程和电生理的接口。当光线通过透镜会聚到视网膜背面的感受细胞时，视觉过程就开始了。感受细胞根据其形状，可分为柱状细胞和锥状细胞。感受细胞的光敏色素就如同探测器，它能有效地把光能转化为神经脉冲，进而启动视觉过程。柱状细胞比锥状细胞的光敏性更强，它能在很低的亮度条件下起感觉作用，所以对暗视觉起主要作用。但在较强的照明情况下，它对光的响应趋于饱和，因此对明视觉作用很小。一个锥状细胞可能会有三种不同色素中的任何一种，这三种色素能对不同的波带产生响应，正是由于这三种不同色素中的不同响应，人们才能分辨出不同的颜色。中间视觉条件下，高压钠灯的照明效率有所下降，因为它是黄色发光，而LED白光是全光谱发光，虽然在黄红光部分也有下降，但蓝绿上升多得多，总的照明效率有所上升，所以白光LED路灯比高压钠灯节能。既然L印路灯已经能取代钠灯，做到节能减排，那么我们就应该积极推广LED路灯的实际应用。LED路灯除了中间视觉条件造成比高压钠灯节能外，还有就是LED从外延到芯片到封装成器件都想将光从前方射出，这比高压钠灯、金卤灯的光通量利用率上要高很多。除此之外，长寿命、驱动电压低可以与太阳能电池组成太阳能路灯，LED路灯可以以较大的金属外壳作为散热体，这是其它灯具难以做到的，另外，路灯均为政府部门建设和管理，LED路灯取代钠灯能够做到节能减排，符合国家政策，较易推广。去年底举行的哥本哈根气候峰会吹响了全球节能减排的号角。在此背景下，LED照明作为一种新型节能、环保替代性技术，迅速成为政府、资本和企业界聚光的焦点。截至2009年底中国已经成为全球最重要的LED照明生产基地，而国家发改委等六部委则在去年10月联合出台了《半导体照明节能产业发展意见》进行大力扶持。LED照明可实现节能减排。当前，照明约占世界总能耗的20%左右。有统计数据显示，仅LED路灯节能一项，每年就能为中国节省约一座三峡大坝所发的电力。正是由于LED照明所具有的节能、环保优势，近年来，其全球产值年增长率保持在20%以上，中国也先后启动了绿色照明工程、半导体照明工程、“十城万盏”计划等推进该产业发展，2008年我国半导体照明总产值近700亿元。而且，各路资本积极介入投资LED产业，投资规模增长迅速，仅2009年上半年，全国各地纷纷上马的LED项目总投资预算已超过200亿元。5.4.2LEO路灯设计LED路灯的整体效率由4个效率决定:功率LED的发光效率、二次光学设计达到的光线利用率、良好散热以保证LED发光效率的保持率、驱动电路的效率。功率LED的发光效率是固定的，要选用发光效率高，且散热小的，目前，市售商品好的已有100lm/W，而热阻则有3、11K/W不等。值得注意的是，市售商品的发光效率数据都是瞬态测量得到的，制成灯具后其结温上升会引发发光效率下降，能保持多少发光效率与本身热阻和灯具热学设计的散热效果有关，因此，就LED技术而言，关键技术就是光学设计、散热设计和驱动电路设计。(1)光学设计一般功率LED都带有透镜，所以灯具的光学设计又称为二次光学设计。对每个LED单元来说，二次光学设计可根据路灯要求采用反射面反射、棱镜折射和反射折射相结合的原理进行配光。现在有的是利用LED路灯时多光源特点对安装面角度调节进行简单的调整，有的专门设计功率LED棱镜，还有的设计成棱镜面板进行配光，总的来说LED路灯的二次配光较传统光源如高压钠灯或金卤灯路灯配光容易，配光后达到的效果也比较好，不但没有圆斑中心亮度特别亮的缺点，均匀度也可以从标准要求的0.4提高到0.6~0.7，还可以减少圆斑外围光的无谓损失。二次光学设计除非特殊情况(比如有围墙的高架道路等)必须考虑到环境照明系数，即给道路环境如人行道路提供一定的照明，通常要求环境照明系数不小于一种非球面的复眼透镜也是产生均匀光斑的有效结构，采用复眼透镜的二次光学器件也是由反光杯和透镜组合而成，反光杯收集光线并将其调制为相对平行的光束后再由复眼透镜将光以一定角度发射出去，可达到均匀舒适的照明效果。在二次配光时应该考虑在达到路面指标的情况下尽可能增加灯杆之间的距离，进而减少灯的数目，从而降低安装LED路灯的总成本。(2)散热设计LED器件的发光效率和寿命与其工作时的结温有密切的关系。对给定的功率LED来说，结温的上升带来的是效率的下降和寿命的缩短，而不同热学设计的器件情况又是不同的，LED路灯的散热设计总思路是要热通道中的路程尽可能短，热阻又尽可能小，要使热尽可能地导出，然后散出去，以使器件的结温上升值尽可能小，只有这样才能维持较高的发光效率和较长的寿命。热管技术是既可靠又不增加附加功耗的导热组件，虽然要增加一些成本，但得到的是少下降的效率和增加的寿命，是当前100w以上LED路灯首选的散热设计方案。当然，还必须做好散热，应用可以采用金属灯壳作为散热器的有利条件，做好热管与灯壳之间的热导连接，并尽量加大灯壳散热的表面积，结构上要便于形成气流，提高散热效率。热管中尤以回路热管导热效率最高，它不像单管热管那样因为重力因素造成放置位置对导热效率有影响，成本也较低，是最适合采用的技术。散热结构效果如何，以测量LED路灯工作时;LED器件结温为最科学的方法。我们曾对LED组件上的LED结温进行了测定，原则上同样可用此法测量LED路灯的LED器件结温，原理是测量器件的正向压降值，并根据其负温度系数关系，可以直接求的结温。通常认为，外壳温度可代表结温是很不科学的，就是L印器件不同结构热阻不一样，结温也不相同，何况是灯具。灯具的外壳到器件之间还存在其它导热体和勤结或焊接材料，它们的热阻直接影响到灯具的导热、散热能力，会加大器件结温和外壳之间的温差。作为工艺上参数，可在LED灯具的LED器件旁或者背面定几个测试点，测试比较这些测试点的温度，在外界环境温度固定的条件下，这是有一定价值的。(4)LED路灯的驱动电源由于LED的伏安特性在到达一定阀值后，电流会随电压的上升而急剧增加。LED是电流控制器件，所以应该用恒流电源驱动。驱动电源目前主要有两种:一种是单级的直流恒流驱动，比较简单，效率可接近90%。另一种是标准的AC/oc开关电源和DC/DC恒流驱动电路串联驱动。如果选用质量较好的元器件，就可以做出效率达90%以上的恒流驱动电源。在制成LED路灯后，应按照国家半导体照明工程研发及产业联盟制定的《整体式LED路灯的测量方法》，进行基本电性能和电流谐波测量、电磁兼容实验、光通量和光效测量、光强分布和光束角测量、颜色的测量、光通量温度特性曲线测量、最高允许环境温度实验和寿命、发光维持特性实验。LED太阳能路灯基本技术要求①每天照明时间为6~8h。②保证3~5天阴雨天能正常工作。③系统寿命5年以上，灯具总光衰小于30%。④LED光效)60~801m/W。⑤照明控制:光控时控开关或纯光控开关。⑥灯具发光角)110。第六章智能型风光互补路灯6.1产品设计方案6.2产品综合分析这款利用太阳能光伏技术、风机发电技术应用于路灯，开发出的智能型风光互补路灯顺应了时代的要求。将各种新型光源应用在这种路灯上，其光照度、对雾霆的穿透性等大大优于传统路灯，并且明度高、时间