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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、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???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,并在国内外市场中已形成各类产品。[3] 2）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、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，