CN108332132A - 一种智能风光互补路灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能风光互补路灯，包括垂直轴风机，曲面光伏组件装置，直流LED路灯，控制箱，二次光伏能量反射装置，蓄电池组。曲面太阳能组件中心的面垂线正对最佳方位角方向，倾角可以按照灯杆设定的光伏支架角度，达到最佳倾角。光伏组件为柔性CIGS组件，水平方向曲面结构，曲率为太阳日间方位角变化的对称凹面优化固定曲率，最大程度提高太阳光的有效辐射接收量。光伏组件斜上方设置一个可以被控制的可调节方向的凸面光反射板，用来二次提高太阳辐射利用率。二次光伏能量反射装置通过可控云台装置远程或程序进行反光板方向角度的调整。风光互补充放电控制器只提供风机及光伏充电控制功能，直流电力提供功能，以及光伏电学数据读取功能。LED灯具控制和调光，以及光伏数据采集处理，二次光伏能量反射装置的控制均由控制箱内的照明及高效光伏控制器完成，该控制器可以连接无线通信模块，从而实现无线远程控制。该智能风光互补路灯的应用可以显著提高太阳能利用率，实现灯具及光伏效率调整的远程控制。

Description

一种智能风光互补路灯

技术领域

本发明涉及一种智能风光互补路灯，特别是涉及一种包括风力离网发电、光伏离网发电、LED路灯调光、反射光角度调节、蓄电池充放电、远程分析及控制等技术。涉及工业无线通信技术、新能源技术、储能技术、自动化控制技术、照明及照明控制技术领域。

背景技术

道路照明在市政用电中耗电量是巨大的，随着节能减排的政策倡导，LED道路照明得到了广泛的应用。LED为直流器件，适合与光伏直流电力配合，风能也比较容易转换成直流电力。新能源路灯成为了道路照明应用的重要成员。目前风光互补路灯广泛应用硅基光伏组件，组件为平面结构。硅基光伏组件的转换效率目前基本已经到了最大值。然而硅基组件的缺点有两个，一个是低光照条件下，比如阴天或有阴影全部或部分遮挡，其光电转换效率会急剧下降。一个是高温度效应，就是说在高于25℃，硅基组件的转换效率会随表面温度升高而降低，超过50℃时转换效率降低显著。这两个缺点都是制约光伏独立系统正常运行的重要因素。另外，效率高的硅基光伏组件，通常以平板的工艺形式出现，不容易做出曲面的工艺结构，这也制约了实际应用中的光电转换。

目前以CIGS光伏材料的柔性光伏组件工艺已经成熟，并得到越来越多的光伏发电的应用。其光伏组件的效率不断的提高，已接近硅基光伏组件的转换效率，远高于非晶硅和其他材料光伏组件的转换效率。其优点在于以下方面。一是其组件为柔性，可以有限度的发挥其造型多样化的特点。二是其低光条件下转换效率降低较小。三是其高温条件下转换效率降低小。其低光条件及高温条件下的应用优势，使得其在同样峰值功率的平面组件，比硅基光伏组件综合年发电量提高进15%。目前CIGS柔性组件随着工艺的进步，效率在不断提高，成本在不断降低，在光伏应用领域前景可瞻。

当前，柔性组件极少应用于新能源路灯相关的独立系统中。极少的应用中，也只是配合附着体本身的造型，极大降低了光伏本身的功能。为了更好的发挥柔性组件的自身优势，最大化的在低耗能条件下使光伏本身的有效日光辐射提升，达到更好的光伏发电能力，是要综合风光互补充储放电控制，柔性光伏及灯杆的结构设计，光辐射增强辅助结构及控制设计，照明节能应用的多重考虑。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：基于以上分析，本发明提出了一种智能风光互补路灯，利用独立离网风光互补的方式提供直流电能，提出了凹曲面CIGS柔性组件光伏结构。配合光伏组件结构，提出了二次光伏能量反射装置，并可以无线远程或设定控制策略控制该装置，使光伏组件更大程度提高接受日照辐射的能力。同样通过主控的无线远程控制或设定的控制策略，可以对LED路灯进行分时段调光照明。

本发明所采用的技术方案是：一种智能风光互补路灯包括优化结构的专用灯杆，垂直轴风机，曲面光伏组件装置，LED路灯，控制箱，二次光伏能量反射装置，蓄电池组。路灯通过风能和光伏独立离网提供整体路灯系统应用的直流电能。该智能风光互补路灯系统可以实时收集曲面光伏组件及蓄电池组电学参数，通过分析处理对LED路灯及二次光伏能量反射装置实施指令控制，达到智能优化及智能节能的目的。该智能风光互补路灯系统所收集的各参数可以通过无线通信的方式上传到远程监控中心进行远程分析及监控。LED路灯有PWM亮度可调节的功能。

所述的优化结构的专用灯杆为包括弯曲带直尾光伏支架，可以便于工程安装时太阳方位角的定向，以及减弱灯杆上部分对光伏组件的阴影。所述的垂直轴风机自带AC-DC转换器,所述曲面光伏组件装置包括曲面光伏组件铝合金背板以及曲面CIGS柔性光伏组件，曲面曲率通过光学追踪模拟软件依据典型节气日样本的日光追踪模拟日最大值综合优化。所述蓄电池组为碳铅储能蓄电池组。所述控制箱内部包括风光互补充放电控制器、照明及高效光伏控制器、无线通信模块、LED路灯调光驱动器、系统直流电源。所述二次光伏能量反射装置包括轻质高反射凸曲面光反射板、双坐标轴旋转云台装置、云台控制驱动器。所述直流LED路灯光源为LED灯珠，LED灯珠为中功率3030 6V高效灯珠。

本发明的有益效果为：本发明提供一种智能风光互补路灯，由于其不仅为独立离网利用风能及太阳能发电，不需要使用电网的电力完成道路照明，关键在于其应用了综合光伏发电量更好的CIGS柔性组件，也因为其柔性特点优化了曲面形式，并增加了智能反光装置提高光伏能量的电能转换率。该系统还可以通过远程监控实时了解系统工作状态，节省维护人力及成本，应用方便实用，因此该系统有广泛的应用价值和市场前景。

附图说明

图1是本发明的高效光伏结构的智能风光互补路灯整体示意图；

图2是本发明的曲面光伏组件装置示意图；

图3是本发明的二次光伏能量反射装置示意图；

图4是本发明的控制箱内部控制组成原理图；

其中：

1：曲面光伏组件装置

2：二次光伏能量反射装置

3：杆架一体结构

4：控制箱

5：直流LED路灯

6：垂直轴风机

7：蓄电池组

11：曲面CIGS柔性光伏组件

12：曲面光伏组件铝合金背板

21：云台控制驱动器

22：双坐标轴旋转云台装置

23：凸曲面光反射板

41：风光互补充放电控制器

42：系统直流电源

43：照明及高效光伏控制器

44：LED路灯调光驱动器

45：无线通信模块

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种高效光伏结构的智能风光互补路灯做出详细的说明。

如图1所示，本发明的一种高效光伏结构的智能风光互补路灯，包括垂直轴风机6，安装于灯杆顶端，为H型三叶低风启动的磁悬浮式垂直轴风力发电机。相比于水平轴风机，减小了对光伏组件的投影面积。垂直轴风机6自带AC-DC变换功能，输出直流电DC28V。在垂直轴风机6下方，灯杆成一倾斜的倒J状，形成杆架一体结构3，用于作为曲面光伏组件装置1的受力支架。此杆架一体结构3采用固定高度的倾斜J形弯曲设计，为曲面光伏组件装置1提供一个优化的接收太阳辐射倾斜角，同时可减小曲面光伏组件装置1上方灯杆在曲面光伏组件装置1上的投影面积，也可以平衡由于曲面光伏组件装置1侧出灯杆而造成的重心偏移。杆架一体结构3最上面的弯曲处，安装有二次光伏能量反射装置2，用于依靠光反射原理增加曲面光伏组件装置1接收太阳间接辐射。蓄电池组7为铅碳储能蓄电池组，其配置方式为容量并联相加，电压串联相加。蓄电池组8的单电池电压直流12V，总输出电压为DC24V。控制箱4挂装在灯杆上，用于本发明所涉及的路灯系统各组成部分的功能控制。

如图2所示，所述的曲面光伏组件装置1包括有曲面CIGS柔性光伏组件11和曲面光伏组件铝合金背板12。曲面CIGS柔性光伏组件11所采用的光伏材料为半导体材料铜铟镓硒（CIGS），其特点是属于薄膜太阳能材料，且为柔性材料，在组件形状设计上优势明显。除此之外CIGS光伏组件具有低光照以及高环境温度下转换效率降低较少的优点，因此同样峰值功率的光伏组件CIGS较硅基组件综合发电量高15%以上。在本发明的曲面光伏组件装置1中曲面CIGS柔性光伏组件11粘合在曲面光伏组件铝合金背板12上面。曲面光伏组件铝合金背板12固定在杆架一体结构3上。

如图1所示，所述曲面光伏组件装置1整体面对太阳辐射的方向为一个对称凹形曲面。在一日内太阳相对运行轨迹中，在一定曲率半径变化范围内，凹形曲面比平面接受的太阳光辐射要多。本发明的关键之一就是找到了这个曲率半径范围。综合四个典型节气光学追踪模拟的结果，优化选择出满足优化的杆架一体结构3的J形倾斜直臂的倾斜角在45°（华北地区典型光伏倾斜角度）的条件下的曲率半径为4000mm-5000mm，优选4500mm。

如图3所示，为图1中二次光伏能量反射装置2的结构图，所述凸曲面光反射板23反光面为白色高反射表面防腐涂层，板材为轻质铝合金材质，曲率半径为900-1200mm，优选1000mm。凸曲面光反射板23通过固定杆锁定在可双轴旋转的双坐标轴旋转云台装置22上，因此凸曲面光反射板23可以水平轴和竖直轴旋转。云台控制驱动器21为双坐标轴旋转云台装置22提供旋转所需的动力电能并可接收外来指令信号，对双坐标轴旋转云台装置22各轴旋转角度予以智能控制，控制范围为竖直轴旋转角度0-90°，水平轴旋转角度为0-90°。

如图4所示，所述的控制箱4包括风光互补充放电控制器41、系统直流电源42、照明及高效光伏控制器43、LED路灯调光驱动器44、无线通信模块45。风光互补充放电控制器41作为系统充放电的核心连接垂直轴风机6、曲面CIGS柔性光伏组件11、蓄电池组7，将垂直轴风机6的风力以及曲面CIGS柔性光伏组件11优化转换的光伏能量的电能按照最大功率跟踪算法结合不同电压阶段蓄电池组7自身的充电特性控制为蓄电池组7充电。风光互补充放电控制器41工作模式为电站式工作模式，即正常输出模式为长时供电模式，为本发明一种高效光伏结构的智能风光互补路灯中所有用电部分提供电能来源。风光互补充放电控制器41可以实时采集微型垂直轴风机6、曲面CIGS柔性光伏组件11、蓄电池组7的充电电压与电流及储能的电压电流参数以及对应的充放电时间参数，并通过串口通信向照明及高效光伏控制器43传输数据。系统直流电源42特点在于可稳定由风光互补充放电控制器41输出的直流电压，系统电压定义为24V直流。系统直流电源42为照明及高效光伏控制器43、云台控制驱动器21、LED路灯调光驱动器44、无线通信模块45提供直流供电。所述的照明及高效光伏控制器43为整个系统的关键控制模块，其特点是实时读取风光互补充放电控制器41采集的光伏电压数据。当光伏电压低于9V时（天黑），照明及高效光伏控制器43向LED路灯调光驱动器44发出指令，由LED路灯调光驱动器44驱动直流LED路灯5亮灯，并按照照明及高效光伏控制器43预定分时段调光程序进行节能亮灯。当光伏电压高于13V（天亮）时，照明及高效光伏控制器43向LED路灯调光驱动器44发出指令，由LED路灯调光驱动器44关闭输出，使直流LED路灯5灭灯。另外，照明及高效光伏控制器43预置了符合特定地理经纬度的针对二次光伏能量反射装置2角度旋转算法。按照十二个月，定义双坐标轴旋转云台装置22十二个日初始垂直轴坐标角度、终止垂直轴坐标角度以及初始水平轴坐标角度、最大水平轴坐标角度。以当天所处的那个月所定义的初始双轴角度开始，以竖直轴当日初始角度及当日最终角度间隔的六分之一角度为垂直轴当日步进角度，以水平轴当日初始角度及当日最大水平角度间隔的三分之一角度为水平轴当日步进角度。自照明及高效光伏控制器43采集到光伏电压高于13V开始，每一小时垂直轴顺由东向西转动一个垂直步进角度，每一个小时水平轴由下至上转动一个水平步进角度，水平转动步进转动到定义当日最大角度时，转为每小时由上之下转动一个水平步进角度。一直转到定义的当日垂直最终角度为止。当照明及高效光伏控制器43采集到光伏电压高于9V时，垂直及水平轴初始到下一日所定义的初始坐标角度。上述所指的十二个预置角度坐标是经过光学追踪模拟计算出的最优坐标值。依据上述算法，照明及高效光伏控制器43依据系统时钟，定时调用硬件控制程序，发送控制指令给云台控制驱动器21，从而控制双坐标轴旋转云台装置22带动轻质高反射凸曲面光反射板23转动。凸曲面光反射板23可以反射曲面CIGS柔性光伏组件11的太阳反射和散射光生成二次反射光返回到曲面CIGS柔性光伏组件11的曲面上，也可以直接反射太阳光到曲面CIGS柔性光伏组件11的曲面上，大大增加了曲面CIGS柔性光伏组件11的有效太阳辐射，显著提高光伏转换效率。

如图4所示，所述的无线通信模块45作为沟通照明及高效光伏控制器43与远程监控中心平台的中介。照明及高效光伏控制器43可以将从风光互补充放电控制器41读取的风力、光伏、储能相关的电学参数传送给无线通信模块45。无线通信模块45以GPRS通信模式发送。远程监控中心通过互联网络平台读取信息参数，并分析参数，根据分析结果执行更多的远程控制策略，将必要指令远程发送给无线通信模块45接收并传送给照明及高效光伏控制器43，进而实施控制操作。

Claims (6)

1.一种智能风光互补路灯，包括控制箱、LED路灯、蓄电池组的风光互补路灯；其特征在于，还包括垂直轴风机、曲面光伏组件装置、杆架一体结构、二次光伏能量反射装置，所述曲面光伏组件装置包括曲面CIGS柔性光伏组件和曲面光伏组件铝合金背板；所述的杆架一体结构呈倾斜的倒J状。

2.根据权利要求1所述的一种智能风光互补路灯，其特征在于，所述的曲面CIGS柔性光伏组件表面为一个对称凹形曲面，在杆架一体结构的J形倾斜直臂的倾斜角在45°的条件下曲面曲率半径为4000mm至5000mm。

3.根据权利要求1所述的一种智能风光互补路灯，其特征在于，所述的二次光伏能量反射装置，包括云台控制驱动器、双坐标轴旋转云台装置、凸曲面光反射板，可以通过云台控制驱动器驱动双坐标轴旋转云台装置，双轴坐标旋转。

4.根据权利要求1所述的一种智能风光互补路灯，其特征在于，所述凸曲面光反射板反光面为白色高反射表面防腐涂层，曲率半径为900mm-1200mm。

5.根据权利要求2所述的一种智能风光互补路灯，其特征在于，优选的曲面CIGS柔性光伏组件的曲面曲率半径为4500mm。

6.根据权利要求4所述的一种智能风光互补路灯，其特征在于，优选的凸曲面光反射板反光面曲率半径为1000mm。