随着工业发展给环境带来的不利影响，清洁能源的使用成为了人们着重考虑的问题，我国作为世界上最大的能源生产国和消费国，随着自身经济结构的调整和国际能源结构的改变我国的新能源产业正逐渐向绿色环保的新趋势发展，随着节能灯具的普遍应用，以LED为光源，采用风能和太阳能相结合的风光互补路灯成为了道路节能照明发展的一种新潮流，目前风光互补路灯在日本等发达国家的试车场和我国城市和乡村的夜景照明取得了广泛的应用，风光互补路灯以其独有的优势为节省照明电气开支费用和推广绿色能源的应用起到了积极的作用．
1 风光互补路灯系统
风光互补路灯系统主要由微型风力发电机、太阳能电池板、智能控制器、蓄电池、LED光源组成．
1．1系统发电原理
风光互补路灯系统以太阳能发电为主，风力发电为辅，在夜间为路灯提供照明，太阳能和风能在不同的季节变化过程中具有很强的互补性，夏季光照时间长，风速时间短，冬季光照时间短，风速时间长．根据不同季节天气变化的特殊情况，智能控制器通过自身的工作模式对蓄电池充电，在路灯工作的时候提供电能．风光互补路灯系统可以实现3种运营模式，前两种分别是负载由微型风力发电机单独供电，负载由太阳能电池板单独供电，第三种模式为微型风力发电机和太阳能电池板联合向负载供电．系统发电原理图如图1所示．

图1 风光互补路灯系统发电流程图
1．2系统优点
(1)经济实用性．从节能的角度来看，风光互补路灯系统利用可再生清洁能源向路灯供电，与传统的供电方式相比，既经济实用又节约资源，避免了长途供电带来的弊病，通过科学合理的设计，既简化了道路的照明方式也摆脱了对电网电能的消耗;
(2)高效环保性．风光互补路灯系统以LED灯具为照明光源，采用太阳能和风能相结合，充分利用自然能源向路灯供电，不需燃烧煤炭等化石燃料，不向空气中排放污染气体，具有清洁干净、低碳环保的优点;
(3)美观性．目前全国各地很多城市和农村将风光互补路灯应用于道路夜景照明，通过合理的布灯方式，让城市和乡村的道路在夜晚灯光的烘托下给人们一种视觉上的美感．
2 微型风力发电机
2．1微型风力发电机的选型
白天风力发电机根据风速的变化对蓄电池存储电能，夜晚风力发电机在向蓄电池储能的同时，把多余的电能直接提供给路灯进行照明．如何选择合适的风机功率，是方案论证过程中涉及到的一个重要问题．实际上由于灯杆结构强度、风机风轮直径、重量、额定输出电压等诸多因素的限制，可供风光互补路灯系统选择的风机额定功率非常有限．常用的风力发电机有两种:水平轴风力发电机，垂直轴风力发电机，常见的风力发电机的额定功率一般在1000W以下，与之对应的风机直径在0．8m～2m之间，但是考虑到设备匹配的实用性和方便性，实际工程中应用较多的风机功率一般在300W～400W之间，与太阳能电池板广泛的功率选择范围相比，风机功率的选择具有一定的局限性，所以在方案论证过程中我们采用风机优先的设计方法．
2．2微型风力发电机的原理
微型风力发电机的启动风速一般有3种:1．5m/s，2m/s，3m/s，当风速达到风机的启动风速时，风机开始工作进行发电．根据所处的地理位置不同，风力发电机的功率根据以下公式进行计算:P=0．2D2V3式中，D为风叶的直径，V是风速，P为功率．
3 太阳能电池板
3．1太阳能电池板的工作原理
太阳能电池板分为单晶硅太阳能电池板和多晶硅太阳能电池板，它主要由单晶硅、多晶硅、电池片、钢化玻璃、背板、铝型钢材等器件组成．太阳能电池板是利用光电效应将光能转化成电能的装置，它表面的钢化玻璃对光谱响应范围在320nm～1100nm之间的照射光透光率很高，对于1200nm的红外光有较高的反射率．在风光互补路灯系统中，太阳能电池板的日发电量比风机的日发电量多，但是由于气候和一些不可预测的因素影响，太阳能电池板在发电过程中也存在着一定的能量损失．
3．2太阳能电池板的连接方式
在风光互补路灯系统中为了满足电源电压和设备功率对太阳能电池板的要求，一般采用低电压和低功率的太阳能电池板串联的方式来规避大功率太阳能电池板制造的昂贵费用和制造难度。
4 智能控制器
4．1智能控制器的工作原理
智能控制器是整个风光互补路灯的控制核心，它既有能量转换的功能，也有防止蓄电池因过充或是过放而损坏的作用，它的工作性能直接影响整个系统的效率，智能控制器的参数可以根据人们的要求自行调整，方便人们在各种天气环境条件下的使用。
4．2智能控制器的工作模式
智能控制器通过自身的编码程序对路灯的照明方式和照明时间进行有效控制，白天智能控制器根据光照强度的变化将太阳能电池板接收到的日光辐射能量转变为化学能存储到蓄电池中，夜晚将蓄电池存储的化学能转变为电能提供给路灯进行照明。智能控制器根据夜间的周围环境和人们的实际工作需要对路灯照射到工作面的照度进行分段时间的调整。
4．3智能控制器的设备选型
智能控制器是整个风光互补路灯系统枢纽，在对智能控制器进行设备选型时应考虑它和太阳能电池板、微型风力发电机匹配程度，其额定功率不应超过智能控制器允许的范围，以免过载对设备造成损坏。
5 蓄电池
5．1蓄电池的工作原理
蓄电池在风光互补路灯系统中具有能量存储和供应的作用，白天它将太阳能电池板和风力发电机发电过程中产生的电能转换成化学能储存起来，到了夜晚将化学能转变成电能向路灯供电．理论上蓄电池可以向负载100%提供电能，但是考虑到蓄电池的使用寿命，一般将蓄电池的放电深度定义在80%．由于太阳能辐射和风速大小随着季节的更替而变化不一，尤其是风速变化的不确定性，使太阳能和风力系统的发电量随着天气因素的影响而波动，通过蓄电池对电能的分配和调节，为路灯的正常照明提供了可靠的保证．
5．2蓄电池的工作状态
蓄电池主要有3种工作状态;放电状态、充电状态、和浮充状态，放电状态主要是指蓄电池将化学能转换成电能向负载提供电能的状态，充电状态是指在蓄电池放电后，太阳能和风能对它进行能量储存的状态，浮充状态是指蓄电池为了维护正常工作状态所进行的化学能量储存的状态．
5．3蓄电池的容量计算
蓄电池的容量可以根据负载的日用电量和蓄电池连续供电的天数决定，其计算公式:

式中，C为蓄电池容量，Ah;W为负载额定功率，W;h为负载每天需要工作的时间，h;U为蓄电池额定电压，通常为DC12V/24V;η为蓄电池到负载的回路供电效率，通常为97．5%，一般情况下，系统需要的太阳电池组件的最小功率应能满足系统日平均最低用电量，并且余量足够，同时兼顾蓄电池的需要．
5．4蓄电池的埋地方式
为了保证蓄电池的使用质量和寿命，蓄电池必须采用地表下安装方式，考虑到环境温度对蓄电池的工作性能和容量产生的影响，蓄电池需要安装在地表1m～1．5m处，为了防止蓄电池的损坏，一般将蓄电池安装在蓄电池地埋箱内然后再埋于地下．
6 灯具选择
6．1LED灯具的节能优势
LED作为新一代绿色照明光源，具有可靠耐用、清洁环保、使用寿命长、发光效率高、低辐射与低功耗的特点，本次风光互补路灯系统采用LED灯具作为路灯照明光源，符合照明智能化和照明节能化设计要求．
6．2LED灯具的功率选择
根据巡逻车夜间的工作要求、路灯的灯杆高度、路灯之间的距离间隔、路灯数量，初步选用60W的LED灯具作为本次项目案例的照明光源．
7 本次项目案例
本次项目在农安某试车场建立风光互补路灯系统，为安保巡逻车提供夜间照明．系统要求的蓄电池电压为24V，蓄电池的放电深度为80%，蓄电池需要连续供电的天数为3d，路灯采用Philips60WLED高效节能灯具，每天照明时间16h，试车场道路长度2km，宽度7．5m．
通过DIALux照明仿真软件建模，试车场道路灯光效果模拟图见图2、图3所示．由仿真图所示，灯杆高度8m，灯杆间距25m，灯具与水平线成15角，其测光效果图和点照度曲线图见图4、图5所示．

图2试车场灯具布置平面图                              图3试车厂3D建模图

图4试车场测光结果图                                     图5试车场点照度曲线图
由测光结果图可知，计算得出的实际值满足按等级设定的数值范围，由灯光点照度曲线图可知，路面平均照度16lx，最小照度与最大照度的比值为0．45，满足城市道路照明设计标准对路面照度10lx，最小均匀度0．4的标准．
7．1天气数据
农安地区年平均有效日照小时数为2300h，峰值日照小时数为4．6h，年平均大于2m/s风速有效小时数3900h，年平均风速3．3m/s，恶劣天气连续天数为3d．
7．2设备选型
太阳能电池板额定功率:灯具功率×工作时间/充电效率系数/峰值日照小时数，LED灯具功率:60W，每日工作时间;16h，充电效率系数:0．75，峰值日照小时数为4．6h，通过计算，满足要求的太阳能电池板的功率为:280W，太阳能电池板的连接方式:两个12V，140W太阳能电池板串联．蓄电池满足恶劣天气连续供电天数为3d，额定电压DC24V，蓄电池放电深度:80%，蓄电池到回路负载的效率为:97．5%，经过计算和预留余量蓄电池的容量为200Ah，蓄电池连接方式:4只12V100Ah蓄电池两两串联后并联．风机选择额定功率为300W的水平轴微型风力发电机，与之对应的风机直径为1．4m．
7．3发电量计算
风光互补路灯系统的各个环节的工作效率:太阳能电池板的能量转换效率受到组件的匹配损失、表面尘埃遮挡损失、不可利用的太阳辐射损失、温度影响，取效率为95%．智能控制器的能量转换效率为90%，蓄电池的放电深度为80%，蓄电池到负载回路的效率为97．5%．风机年平均发电功率:P=0．2×D2×V3．式中，D是风机直径取值1．4m，V是瞬时风速，取农安县年平均风速3．3m/s，通过计算，风机年平均发电功率:14W．风机年平均发电量:风机年平均发电功率×年平均有效风速小时数×各个回路效率系数，通过计算，风机年平均发电量为34．5kWh．太阳能电池板发电量:太阳能电池板额定功率×年平均有效日照小时数×各个回路效率系数，通过计算，太阳能电池板发电量为372．7kWh，两者总共发电量为407．2kWh，平均每天支持路灯工作时间为407．2kWh/60W/365=18h，由计算结果可知蓄电池容量满足连续恶劣天气的供电，风机和太阳能电池板的发电量满足路灯的夜间照明要求．
7．4经济效益计算
本次项目案例采用物品清单费用见表1．由表1可知，本次项目案例总共费用为296320元，本次项目案例利用风能和太阳能两种自然能源的互补优势和可再生特点，避免了因施工地点偏僻而引入市电造成的施工困难，节省了因施工距离过远而造成的高额费用．

表1风光互补路灯物品费用清单
以上列举的智能控制器、太阳能电池板、蓄电池、风力发电机等使用设备的寿命为25年，以路灯每天工作16h，北方电气费用0．5元/kWh为例，25年总共节省电能费用为:
60×16×0．5×80×365×25/1000=350400元
所以从长远的角度来看，采用风光互补路的供电方式是有利的．
8 结语
以风能和太阳能为首的可再生绿色能源，正逐渐成为未来节能领域的重要内容，风光互补路灯系统凭借着自身优势在节能领域中发挥着重要的作用，它利用自然能源的特点，把风能和太阳能二者有效结合，为那些地处偏远的农村和山区提供了稳定便捷的供电方式．