本發(fā)明涉及一種智能風光互補路燈，特別是涉及一種包括風力離網發(fā)電、光伏離網發(fā)電、LED路燈調光、反射光角度調節(jié)、蓄電池充放電、遠程分析及控制等技術。涉及工業(yè)無線通信技術、新能源技術、儲能技術、自動化控制技術、照明及照明控制技術領域。

背景技術：

道路照明在市政用電中耗電量是巨大的，隨著節(jié)能減排的政策倡導，LED道路照明得到了廣泛的應用。LED為直流器件，適合與光伏直流電力配合，風能也比較容易轉換成直流電力。新能源路燈成為了道路照明應用的重要成員。目前風光互補路燈廣泛應用硅基光伏組件，組件為平面結構。硅基光伏組件的轉換效率目前基本已經到了最大值。然而硅基組件的缺點有兩個，一個是低光照條件下，比如陰天或有陰影全部或部分遮擋，其光電轉換效率會急劇下降。一個是高溫度效應，就是說在高于25℃，硅基組件的轉換效率會隨表面溫度升高而降低，超過50℃時轉換效率降低顯著。這兩個缺點都是制約光伏獨立系統正常運行的重要因素。另外，效率高的硅基光伏組件，通常以平板的工藝形式出現，不容易做出曲面的工藝結構，這也制約了實際應用中的光電轉換。

目前以CIGS光伏材料的柔性光伏組件工藝已經成熟，并得到越來越多的光伏發(fā)電的應用。其光伏組件的效率不斷的提高，已接近硅基光伏組件的轉換效率，遠高于非晶硅和其他材料光伏組件的轉換效率。其優(yōu)點在于以下方面。一是其組件為柔性，可以有限度的發(fā)揮其造型多樣化的特點。二是其低光條件下轉換效率降低較小。三是其高溫條件下轉換效率降低小。其低光條件及高溫條件下的應用優(yōu)勢，使得其在同樣峰值功率的平面組件，比硅基光伏組件綜合年發(fā)電量提高進15%。目前CIGS柔性組件隨著工藝的進步，效率在不斷提高，成本在不斷降低，在光伏應用領域前景可瞻。

當前，柔性組件極少應用于新能源路燈相關的獨立系統中。極少的應用中，也只是配合附著體本身的造型，極大降低了光伏本身的功能。為了更好的發(fā)揮柔性組件的自身優(yōu)勢，最大化的在低耗能條件下使光伏本身的有效日光輻射提升，達到更好的光伏發(fā)電能力，是要綜合風光互補充儲放電控制，柔性光伏及燈桿的結構設計，光輻射增強輔助結構及控制設計，照明節(jié)能應用的多重考慮。

技術實現要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是：基于以上分析，本發(fā)明提出了一種智能風光互補路燈，利用獨立離網風光互補的方式提供直流電能，提出了凹曲面CIGS柔性組件光伏結構。配合光伏組件結構，提出了二次光伏能量反射裝置，并可以無線遠程或設定控制策略控制該裝置，使光伏組件更大程度提高接受日照輻射的能力。同樣通過主控的無線遠程控制或設定的控制策略，可以對LED路燈進行分時段調光照明。

本發(fā)明所采用的技術方案是：一種智能風光互補路燈包括優(yōu)化結構的專用燈桿，垂直軸風機，曲面光伏組件裝置，LED路燈，控制箱，二次光伏能量反射裝置，蓄電池組。路燈通過風能和光伏獨立離網提供整體路燈系統應用的直流電能。該智能風光互補路燈系統可以實時收集曲面光伏組件及蓄電池組電學參數，通過分析處理對LED路燈及二次光伏能量反射裝置實施指令控制，達到智能優(yōu)化及智能節(jié)能的目的。該智能風光互補路燈系統所收集的各參數可以通過無線通信的方式上傳到遠程監(jiān)控中心進行遠程分析及監(jiān)控。LED路燈有PWM亮度可調節(jié)的功能。

所述的優(yōu)化結構的專用燈桿為包括彎曲帶直尾光伏支架，可以便于工程安裝時太陽方位角的定向，以及減弱燈桿上部分對光伏組件的陰影。所述的垂直軸風機自帶AC-DC轉換器,所述曲面光伏組件裝置包括曲面光伏組件鋁合金背板以及曲面CIGS柔性光伏組件，曲面曲率通過光學追蹤模擬軟件依據典型節(jié)氣日樣本的日光追蹤模擬日最大值綜合優(yōu)化。所述蓄電池組為碳鉛儲能蓄電池組。所述控制箱內部包括風光互補充放電控制器、照明及高效光伏控制器、無線通信模塊、LED路燈調光驅動器、系統直流電源。所述二次光伏能量反射裝置包括輕質高反射凸曲面光反射板、雙坐標軸旋轉云臺裝置、云臺控制驅動器。所述直流LED路燈光源為LED燈珠，LED燈珠為中功率3030 6V高效燈珠。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供一種智能風光互補路燈，由于其不僅為獨立離網利用風能及太陽能發(fā)電，不需要使用電網的電力完成道路照明，關鍵在于其應用了綜合光伏發(fā)電量更好的CIGS柔性組件，也因為其柔性特點優(yōu)化了曲面形式，并增加了智能反光裝置提高光伏能量的電能轉換率。該系統還可以通過遠程監(jiān)控實時了解系統工作狀態(tài)，節(jié)省維護人力及成本，應用方便實用，因此該系統有廣泛的應用價值和市場前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的高效光伏結構的智能風光互補路燈整體示意圖；

圖2是本發(fā)明的曲面光伏組件裝置示意圖；

圖3是本發(fā)明的二次光伏能量反射裝置示意圖；

圖4是本發(fā)明的控制箱內部控制組成原理圖；

其中：

1：曲面光伏組件裝置

2：二次光伏能量反射裝置

3：桿架一體結構

4：控制箱

5：直流LED路燈

6：垂直軸風機

7：蓄電池組

11：曲面CIGS柔性光伏組件

12：曲面光伏組件鋁合金背板

21：云臺控制驅動器

22：雙坐標軸旋轉云臺裝置

23：凸曲面光反射板

41：風光互補充放電控制器

42：系統直流電源

43：照明及高效光伏控制器

44：LED路燈調光驅動器

45：無線通信模塊

具體實施方式

下面結合實施例和附圖對本發(fā)明的一種高效光伏結構的智能風光互補路燈做出詳細的說明。

如圖1所示，本發(fā)明的一種高效光伏結構的智能風光互補路燈，包括垂直軸風機6，安裝于燈桿頂端，為H型三葉低風啟動的磁懸浮式垂直軸風力發(fā)電機。相比于水平軸風機，減小了對光伏組件的投影面積。垂直軸風機6自帶AC-DC變換功能，輸出直流電DC28V。在垂直軸風機6下方，燈桿成一傾斜的倒J狀，形成桿架一體結構3，用于作為曲面光伏組件裝置1的受力支架。此桿架一體結構3采用固定高度的傾斜J形彎曲設計，為曲面光伏組件裝置1提供一個優(yōu)化的接收太陽輻射傾斜角，同時可減小曲面光伏組件裝置1上方燈桿在曲面光伏組件裝置1上的投影面積，也可以平衡由于曲面光伏組件裝置1側出燈桿而造成的重心偏移。桿架一體結構3最上面的彎曲處，安裝有二次光伏能量反射裝置2，用于依靠光反射原理增加曲面光伏組件裝置1接收太陽間接輻射。蓄電池組7為鉛碳儲能蓄電池組，其配置方式為容量并聯相加，電壓串聯相加。蓄電池組8的單電池電壓直流12V，總輸出電壓為DC24V?？刂葡?掛裝在燈桿上，用于本發(fā)明所涉及的路燈系統各組成部分的功能控制。

如圖2所示，所述的曲面光伏組件裝置1包括有曲面CIGS柔性光伏組件11和曲面光伏組件鋁合金背板12。曲面CIGS柔性光伏組件11所采用的光伏材料為半導體材料銅銦鎵硒（CIGS），其特點是屬于薄膜太陽能材料，且為柔性材料，在組件形狀設計上優(yōu)勢明顯。除此之外CIGS光伏組件具有低光照以及高環(huán)境溫度下轉換效率降低較少的優(yōu)點，因此同樣峰值功率的光伏組件CIGS較硅基組件綜合發(fā)電量高15%以上。在本發(fā)明的曲面光伏組件裝置1中曲面CIGS柔性光伏組件11粘合在曲面光伏組件鋁合金背板12上面。曲面光伏組件鋁合金背板12固定在桿架一體結構3上。

如圖1所示，所述曲面光伏組件裝置1整體面對太陽輻射的方向為一個對稱凹形曲面。在一日內太陽相對運行軌跡中，在一定曲率半徑變化范圍內，凹形曲面比平面接受的太陽光輻射要多。本發(fā)明的關鍵之一就是找到了這個曲率半徑范圍。綜合四個典型節(jié)氣光學追蹤模擬的結果，優(yōu)化選擇出滿足優(yōu)化的桿架一體結構3的J形傾斜直臂的傾斜角在45°（華北地區(qū)典型光伏傾斜角度）的條件下的曲率半徑為4500mm。因此，曲面光伏組件裝置1曲面選定曲面半徑4500mm。

如圖3所示，為圖1中二次光伏能量反射裝置2的結構圖，所述輕質高反射凸曲面光反射板23反光面為白色高反射表面防腐涂層，板材為輕質鋁合金材質，曲率半徑為1000mm。凸曲面光反射板23通過固定桿鎖定在可雙軸旋轉的雙坐標軸旋轉云臺裝置22上，因此凸曲面光反射板23可以水平軸和豎直軸旋轉。云臺控制驅動器21為雙坐標軸旋轉云臺裝置22提供旋轉所需的動力電能并可接收外來指令信號，對雙坐標軸旋轉云臺裝置22各軸旋轉角度予以智能控制，控制范圍為豎直軸旋轉角度0-90°，水平軸旋轉角度為0-90°。

如圖4所示，所述的控制箱4包括風光互補充放電控制器41、系統直流電源42、照明及高效光伏控制器43、LED路燈調光驅動器44、無線通信模塊45。風光互補充放電控制器41作為系統充放電的核心連接垂直軸風機6、曲面CIGS柔性光伏組件11、蓄電池組7，將垂直軸風機6的風力以及曲面CIGS柔性光伏組件11優(yōu)化轉換的光伏能量的電能按照最大功率跟蹤算法結合不同電壓階段蓄電池組7自身的充電特性控制為蓄電池組7充電。風光互補充放電控制器41工作模式為電站式工作模式，即正常輸出模式為長時供電模式，為本發(fā)明一種高效光伏結構的智能風光互補路燈中所有用電部分提供電能來源。風光互補充放電控制器41可以實時采集微型垂直軸風機6、曲面CIGS柔性光伏組件11、蓄電池組7的充電電壓與電流及儲能的電壓電流參數以及對應的充放電時間參數，并通過串口通信向照明及高效光伏控制器43傳輸數據。系統直流電源42特點在于可穩(wěn)定由風光互補充放電控制器41輸出的直流電壓，系統電壓定義為24V直流。系統直流電源42為照明及高效光伏控制器43、云臺控制驅動器21、LED路燈調光驅動器44、無線通信模塊45提供直流供電。所述的照明及高效光伏控制器43為整個系統的關鍵控制模塊，其特點是實時讀取風光互補充放電控制器41采集的光伏電壓數據。當光伏電壓低于9V時（天黑），照明及高效光伏控制器43向LED路燈調光驅動器44發(fā)出指令，由LED路燈調光驅動器44驅動直流LED路燈5亮燈，并按照照明及高效光伏控制器43預定分時段調光程序進行節(jié)能亮燈。當光伏電壓高于13V（天亮）時，照明及高效光伏控制器43向LED路燈調光驅動器44發(fā)出指令，由LED路燈調光驅動器44關閉輸出，使直流LED路燈5滅燈。另外，照明及高效光伏控制器43預置了符合特定地理經緯度的針對二次光伏能量反射裝置2角度旋轉算法。按照十二個月，定義雙坐標軸旋轉云臺裝置22十二個日初始垂直軸坐標角度、終止垂直軸坐標角度以及初始水平軸坐標角度、最大水平軸坐標角度。以當天所處的那個月所定義的初始雙軸角度開始，以豎直軸當日初始角度及當日最終角度間隔的六分之一角度為垂直軸當日步進角度，以水平軸當日初始角度及當日最大水平角度間隔的三分之一角度為水平軸當日步進角度。自照明及高效光伏控制器43采集到光伏電壓高于13V開始，每一小時垂直軸順由東向西轉動一個垂直步進角度，每一個小時水平軸由下至上轉動一個水平步進角度，水平轉動步進轉動到定義當日最大角度時，轉為每小時由上之下轉動一個水平步進角度。一直轉到定義的當日垂直最終角度為止。當照明及高效光伏控制器43采集到光伏電壓高于9V時，垂直及水平軸初始到下一日所定義的初始坐標角度。上述所指的十二個預置角度坐標是經過光學追蹤模擬計算出的最優(yōu)坐標值。依據上述算法，照明及高效光伏控制器43依據系統時鐘，定時調用硬件控制程序，發(fā)送控制指令給云臺控制驅動器21，從而控制雙坐標軸旋轉云臺裝置22帶動輕質高反射凸曲面光反射板23轉動。凸曲面光反射板23可以反射曲面CIGS柔性光伏組件11的太陽反射和散射光生成二次反射光返回到曲面CIGS柔性光伏組件11的曲面上，也可以直接反射太陽光到曲面CIGS柔性光伏組件11的曲面上，大大增加了曲面CIGS柔性光伏組件11的有效太陽輻射，顯著提高光伏轉換效率。

如圖4所示，所述的無線通信模塊45作為溝通照明及高效光伏控制器43與遠程監(jiān)控中心平臺的中介。照明及高效光伏控制器43可以將從風光互補充放電控制器41讀取的風力、光伏、儲能相關的電學參數傳送給無線通信模塊45。無線通信模塊45以GPRS通信模式發(fā)送。遠程監(jiān)控中心通過互聯網絡平臺讀取信息參數，并分析參數，根據分析結果執(zhí)行更多的遠程控制策略，將必要指令遠程發(fā)送給無線通信模塊45接收并傳送給照明及高效光伏控制器43，進而實施控制操作。