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1、一种低功耗离网式混合能源照明系统（节能减排大赛科技竞赛国家三等奖）设计者：刘佳 徐兢浩 朱俊杰 丁夕然指导教师：李美成摘要在人类各种消耗能源中,照明能耗所占的比例很大，而且浪费现象严重，据新华网资料数据表明，2010年我国建筑照明能耗所占比例超过总建筑能耗的50%，约为我国一次性能源消费总量的八分之一，达到13.5%左右，是世界同纬度国家的3倍。风光互补系统就是将太阳能、风能等新型清洁能源有机地结合，综合应用，将可基本实现低碳甚至零碳的效果，对于我国节能减排举措具有重要的现实意义。我组通过研究国内外风光互补技术发展状况、比较多种光纤导光的实现方式，采用闭环设计思路，通过太阳能聚光器、传导光纤、
2、照度稳定器、单片机、小型风光互补装置来实现风光互补及自然光照明系统。简要来说，我们设计的混合能源照明系统可以分为两大部分：主体部分为太阳能光纤引入照明，辅助部分为风光互补供能照明，最终实现零电耗。在正常的天气条件下，风力推动小型风机叶片旋转发电，太阳能电池板吸收太阳能，两部分所发电能传入风光互补控制器经滤波整流，对蓄电池充电，并将标准电压贮存在蓄电池中在自然光照较弱的情况下由逆变器调节为灯具提供电能照明。同时，在室内，我们自行设计了照度稳定器，通过实时比对光照度，改变灯具发光功率使得室内照明维持在一个稳定的范围内。对于我组设计的便携式装置小巧轻便实用性强，无论是晴天还是阴雨天都可以照明，不仅可
3、以有节能减排的效果，还可以作为应急情况备用；而我组提出的风光建筑一体化模型突出光纤照明为主体，引入自然光照明，同时以风光互补产生供补电能，供给大功率LED节能灯照明，实现多种新能源高效混合利用，在保证楼宇照明的同时，实现零电耗的节能减排的效果。关键词：光纤 、风光互补、建筑一体化、自动控制、稳定照明一、设计背景1.1环境和能源使用形势1）目前能源危机已然是全世界关注的重要问题，节能减排，减少碳排放是最好的解决办法之一。进入21世纪，能源消耗比重的不断增大严重制约着全球经济的发展速度。而作为能源重要形式的电能，在全球各个领域均居首要地位1，全球各国纷纷采取节电措施最大限度地节约电能，并采取措施减
4、少由于化石原料燃烧带来的高碳排量。2）自2002年以来，国内供电形势一直比较紧张，电量缺口很大。随着电力的普及，即使接近亚洲市场的平均电力使用水平，也都会使中国的电力市场不堪重负2。3）在各种人类消耗能源的项目中,照明能耗是人类所有能源消耗中最多的一项,发达国家的照明能耗约占总能耗的9%以上,我国发达地区的照明能耗占总能耗的6%9%.为此开发利用太阳光照明技术意义重大,不仅表现在节能上,同时符合人类追求生活质量和生活环境的要求.1.2技术发展基础及趋势1）在照明技术中,光纤照明是一枝独秀的照明新技术。由于它具有光的柔性传输,安全可靠,所以广泛地应用于工业、科研、医学及景观设计中,并在国内外市场
5、中已形成各类产品。32）由于光伏建筑一体化具有绿色能源、不占用土地、建筑节能等多种优点，成为一种太阳能利用的后起之秀。我国也提出了“太阳能屋顶计划”，引导市场推进的机制和模式，加快光电商业化发展，符合国家政策要求。对于我们的装置，我们提出了风光互补建筑一体化的方案。3）风光互补发电系统就是以风能和太阳能两种清洁能源为动力，由风力发电机和太阳能电池板发电，经蓄电池贮能，给负载供电的一种新型电源，在微波通信、基站、电台、野外活动、高速公路、景点山区、村庄和海岛方面受到广泛关注。4）多种能源混合使用来提供电力这种理念已经日趋成熟，特别是风光互补发电供电理论受到越来越多的国内外研究人员的重视。将太阳能
6、、风能等新型清洁能源结合起来，综合应用，将可基本实现低碳甚至零碳的效果，具有重要意义。二、系统设计及原理2.1装置总体模型设计与原理我组设计的照明系统主要由两部分组成，主体部分为传统的太阳能光纤照明。放置在室外的聚光器将外界充足的自然光通过反射，经滤色片滤光后由光纤传导，进入室内后再重新分配，均匀高效的为室内提供照明。辅助部分为风光互补照明。风力推动风机叶片旋转发电，太阳能电池板吸收太阳能，两部分经过整流及风光互补控制器达到蓄电池充电标准贮存在蓄电池中，再由逆变器作用为灯具提供电能照明。而在室内，利用控制调节器，通过比对光照度，当光照度不足时引入风光互补部分的辅助照明，使得室内照明维持在一个稳
7、定的范围内。装置总体模型基本原理图（图 1）2.2独立便携式照明系统基本元件：聚光器、光纤、光照度控制调节器（自主研发）、小型风光互补装置（一块30W太阳能电池板、一个小型风机、风光互补控制器、蓄电池）、光照元件。便携式基本原理完全依据基本原理，以光纤照明为主，以风机与太阳能电池板为辅，在我组自主研发的光照度控制调节器作用下，实现稳定室内照明。微型元件工作在单个居民楼或者办公楼中供用户进行补充电能照明以及应急灯工作在阴雨天气或者临时急用。独立便携式构架图 （图 2）1 照度稳定器封壳 2 光纤-LED耦合器 3 供电电路 4 传输光纤5 照明灯具下图为我们设计的系统各部件展示模板，为了展示理念
8、的方便，我们将各部件分开。后期优化过程中大幅度的集成各部件，初步测算整体体积约合0.70.50.6m（不含外引光纤），外引光纤长度为0.9m。便携式基本模型（图 3）我组设计的便携式装置小巧轻便，重量轻，实用性强，无论是在阴天还是晴天，经试验只要有光照即可实现装置的基本功能是室内保持长期稳定的照明，实现零碳排放的无污染状态，同时可用于多种地铁、矿下、临时活动房等特殊环境，具有应急功能。2.3建筑一体化模型考虑到室内照明在用电比例中占据重要部分，参照我组装置特点，以建筑整体为载体，我们提出了风光互补建筑一体化模型。将我组装置应用到整栋楼的照明比单户照明更省成本，也会在更短的时间内收回成本，更有利
9、于国家节能减排政策的实施，具有更可靠的意义。建筑一体化基本模型（图 5）如上图所示，在建筑一体化中，我们将风机、太阳能电池板、光纤聚光装置安装在楼顶，不仅节省占地面积，而且节省传输费用。白天通过光纤将太阳光导入室内，同时风光互补蓄电池辅助照明，在控制调节器的调控下，自动控制，保证室内稳态照明：夜晚则依靠风光互补蓄电池发电照明，最终实现零电耗的节能减排效果。基本元件：聚光器、光纤、光照度控制调节器（自主研发）、风光互补装置（20块100W太阳能电池板、一个小型风机、风光互补控制器、蓄电池）、光照元件。（以一个房间20为例，其所需功率为60W（参照下面太阳能光照度计算），每层有20个房间，共6层，
10、则所需总功率为：60*20*6=7200W）风机具体参数：风轮直径（米） 6额定风速（转/分钟） 220额定风速（m/s）9额定功率（w）5000最大功率（w）7500输出电压DC（v）220启动风速（m/s）3工作风速（m/s）3-25安全风速（m/s）40塔架高（m）6顶部质量（kg）120塔架类型（mm）159*5以下为太阳能光照度的计算方法：EAV(平均光照度值)= （光通量总值）*CU(利用系数)*K(维护系数)/S（地面面积）；我们以100lx（国家规定办公照明照度要求）为例，CU=0.7，k=0.8,s=20平方米，据查有以下关系式：=60*p, p为灯具总的输出功率。由此可以计
11、算，当需要100lx照度的时候，需要总的输出功率为60w。故有确定关系，即节能灯具有输出功率3w/平方米的特点。因此，只要根据室内的光照度需求值，我们就可以协调控制器使室内达到一个稳定的值（100lx）。工作原理：在我们提出的这个装置中，并不是传统意义上的风光互补装置，我们的装置白天以光纤导入自然光为主，夜晚以蓄电池的发电为主，而蓄电池的充电则依靠风力发电和太阳能光伏发电，最终实现零电耗。在我们装置的前端部分分为光纤部分和风光互补部分。光纤部分，依靠聚光装置通过透镜二次高效聚集太阳光，将太阳光耦合进入塑料光纤中，通过光纤进行传输。在聚光装置，我们同时安装一个双轴跟踪器，保证全天日可以充分接受太
12、阳光光照。风光互补部分，采用小型风机离网发电，整合太阳能光电池发电，贮存在蓄电池中，这就是常规下的风光互补原。风机部分，在有风条件下（风速达到额定风速以上），风力推动风机叶片转动，带动发电机发电，此时为电压、频率不稳定的低质量交流电，经过控制器整流作用，在蓄电池处就可以得到稳定的高品质直流电。光电池部分，在有光条件时，太阳能电池聚集能量，产生电能，同样贮存在蓄电池中。这样，即使在阴雨天、夜晚及其他天气恶劣的情况下，可有蓄电池提供能量，维持室内不间断照明。此两部分元件共同构成风光互补系统，电能由蓄电池在控制调节器的调配下进行输送，输出为灯具的额定稳定直流电。实际建筑中利用光导管照明图(图 6)我
13、组用光纤代替光导管，故实现效果会更亮。（目前这些光导建筑中没有光照度控制，室内照明不稳定）三、局部设计及原理3.1光纤传导及聚光装置设计与原理该照明系统主要由两部分组成，主体部分为）太阳能光纤照明。放置在室外的聚光器将外界充足的自然光在椭圆聚光面聚焦反射，经滤色片滤光（滤掉了对人体有害的红外线和紫外线）后由光纤传导，进入建筑室内后再重新进行分配，均匀高效的为室内提供照明。辅助部分为风光互补照明。风机叶片在风力推动下旋转发电，太阳能电池板吸收太阳能，两部分所发能量 在风光互补控制器中经整流滤波达到蓄电池充电标准，贮存到蓄电池中，需要时再由逆变器作用输出为灯具提供电能照明。而在室内，我们通过给照度
14、稳定器设定标准光照度，检测比对光照度，当室内光照度不足时由蓄电池提供辅助电力照明，使得室内照明维持在一个相对稳定的范围内。 光纤照明示意图（图 7）1 两级反射镜 2 聚光器外壳 3 调节器 4 光纤导入口 5 光纤6 照明灯具 7 支架 8 驱动电机我组装置将普通聚光器改装成两次反射多平面镜构成抛物面聚光器,这种聚光器采用多镜面构成抛物面反射聚光,并把抛物面上的太阳光反射到抛物面焦点面镜像点面的受光器上,这样可以大大减小光线入射角,不仅能克服一次反射聚光受光器因聚光器受阻挡造成的聚光不均匀的缺点,而且能够减小聚光器占地面积,同时受光器还可以接受直射阳光,实现数倍聚光,以更经济和实用的方法使光
15、电池产生获得最佳的光伏效率。 聚光器示意图及实物图（图 8）3.2风光互补装置设计及原理风光互补基本原理图（图 9）风光互补照明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、灯具等部分构成。风力发电机和太阳能电池可以各自独立发电，也可以共同联合发电。阴雨天和夜间可以利用风能，无风时可以利用太阳能，风能与太阳能互补发电。系统同时配有蓄电池，可以保证在无风又无光的情况下正常工作。控制器对蓄电池的过冲、过放进行保护，并对光源的开启和亮灯时间进行控制。3.3控制调节器设计及原理3.3.1控制调节器基本原理我们组设计的又一创新点在于，室内附加自动调节的光能捕获判断供光系统。具体而言，当通过光纤捕获的太阳光传递到室内进行照明时，进行光照度判断，当光能判断后，再通过单片机实现自动分配蓄电池中的电能，使得灯具发光，并且不同时刻，不同光照度会使系统自动调节灯具发光数（即发光功率），这样大大减少了不必要的电能损耗，并且使得室内的光照度值达到稳定，不至于引起人的视觉疲劳。 信号装换部分部分1. x(i1)eavx(i2)2.x(i2)eavx(i3)控制部分室内照度光照度感应计灯具控制基本示意图（图 10）比较器电路图如下所示：v
