关于混合能源多功能路灯的研究

刘瑞洋 朱广铧 张佳慧 张可欣 朱灵慧

摘要：十四五期间，我国大力倡导碳达丰，碳中和理念，积极呼吁节能减排，保护环境。为响应国家号召，本文提出混合能源多功能路灯，打破了以往传统路灯模式，利用风能和太阳能发电作为电力支撑，同时顶棚设计，坐垫设计，塔扇的运用和充电宝及电源的设立满足了人民群众美好生活的需要。采用一种基于离网的小型垂直轴风力发电装置将风能最大化的利用同时太阳能板的运用和风力发电机在不同天气下完美的配合，提高供电的稳定性。基于存储的电力支撑充电宝和塔扇的运行以及舒适的坐垫，提高人们的舒适感与满足感。聚碳酸钠材质的顶棚将保护性与协调性发挥到了最大。综合来看，混合能源多功能路灯性价比很高！

关键词：节能减排、太阳能、风能、路灯

1.概述

随着化石能源的日渐枯竭及人类对环境问题的日益重视，储量大、分布范围广、清洁无污染的风能和太阳能成为重要的可持续能源之一。最近几年来，我国对于新能源的开发应用给予了很大的重视，现阶段我国实际开发的新能源主要是将风能以及相应的核能、生物能、太阳能等。就调查报告显示，在众多的新能源中，太阳能资源的数量是非常巨大的，并且是取之不尽用之不竭的洁净资源。当前我国对于太阳能的利用程度非常高，一平方米实际获取的太阳能辐射约为6100MJ。风能资源的利用也有了极大的提升，风能的实际储量大约为3.33GW，数量也是非常庞大的。【1】随着风机的理论研究不断深入，太阳能相关技术，也日趋成熟，风力发电机和太阳能发电机作为一种高效的能源转化装置，已成为人类利用新能源的最有效途径。

随着人们生活水平的不断提高，公园、商业街等成为日常休闲娱乐的重要场所，路灯在这类场所不可或缺，而传统路灯具有许多弊端，如能源浪費严重、管理手段单一、信息化水平低下、缺乏故障主动报警机制、故障灯位置难以发现等，投放多功能路灯已经成为目前顺应时代潮流之举。另一方面，为了方便人们休息、闲坐，这类公共场所又必须布置大量的座椅。因此，找到一种灯-椅一体化设计方案，能够有效节省城市稀缺的土地资源，具有较好的应用前景，合理的利用太阳能和风能也对城市绿色发展和优美的城市环境有重要意义。在此基础上，本文设计中给产品添加了受智能控制功能的塔扇，增强其舒适度。 因此，兼具较好人-机-环境协调性，有效节省城市稀缺的土地资源，满足人民美好生活的需要是本文研究的主要目的。

在新能源支撑下，本文设计的多功能路灯由八部分组成：自上而下分别为基于离网的水平垂直轴的风力发电机，太阳能板，LED 灯，聚碳酸钠材质的顶棚，广告宣传板，内置塔扇的 TP1-TPR 座椅，充电桩。综合来看，混合能源多功能路灯性价比很高，未来有良好的发展前景！

2.创新点

风力发电：本文建立了垂直轴风力发电系统及其优化的基本理论体系，有效避免了当今风力发电系统普遍存在的问题，使得该系统可以更高效、更系统地利用风能进行发电。主要体现在以下四个方面：

1） 提供了建设性的理论依据 ：在进行垂直轴风机流场分布特性研究中，综合考虑透过叶片的气流、叶片扰动气流、轴流空气、旋转尾流与风机固体机构综合作用效果，探索复杂流场下的叶片受力，为高效率垂直轴风机设计提供新的理论依据。

2） 进行了全局优化 ：从系统整体优化角度出发，应用多学科协同作用观点，寻求优化最优解作为目标，获得整机系统的全局优化效果。

3） 减少了风能在发电过程的消耗 ：创新性地将 MEMS、可穿戴设备供电系统及纳米发电机相关能量收集技术引用至垂直轴风力发电系统，探索出了解决可利用风能在传递与转化过程中能量耗散问题的新思路，提高了垂直轴风力发电系统的风能利用率。

4） 建立多因素影响系统的评估模型 ：在系统性能分析流固耦合和机电耦合的一般方法中寻求突破和创新，探索复杂场作用效果中多场耦合流-固-电耦合的多因素影响系统的新分析方法，为工程实践中日益增长的风电效能评估提供新的理论和技术。 保障了系统的计算精度。 探索风电系统中流、固、电各场单个分析与多场协同耦合分析的场间关联过渡矩阵的求解方法，突破对单个物理环境分析特征结果的片面性和针对多个物理环境构建的统一模型的运算量大速度慢的问题，保证计算速度的基础上保证系统特征性能的精度。

太阳能发电：太阳能与路灯的结合：LED 是当前应用频率较高的一种照明设备类型，具有能耗低的特点，而太阳能光伏发电对提高环境保护也有着较大的优势，将光伏发电与 LED 照明结合应用，能够大大节省电缆材料， 同时便捷性更高，受客观因素的影响较低。（引自韩小亮《太阳能光伏发电技术及应用》）

太阳能在路灯中的运用包括采用晶体硅太阳能电池供电，与免维护阀控式密封蓄电池（胶体电池）连接来储存电能，由智能化充放电控制器控制。电池板连接采用专用防盗不锈钢螺丝。与使用传统技术和能源的路灯相比具有以下优势：

1） 无需铺设线缆、无需交流供电、不产生电费;

2） 采用直流供电、控制，稳定性好、寿命长、发光效率高;

3） 安装维护简便;

4） 安全性能高;

5） 节能环保;

6） 使用寿命长，经济实用

可广泛应用于城市主、次干道、小区、工厂、旅游景点、停车场等场所 。

（以上文段节选自 《太阳能 LED 路灯系统的设计与应用》，作者：彭建军）

3.盈利模式

随着共享时代的来临，共享充电宝行业销售是极重要的销售渠道，因其具有销售简单，易操作等特点，充电宝各企业也纷纷开始布局。目前市场上充电宝品牌众多，竞争激烈，市场饱和度较高。据报道，小电、怪兽、街电、来电等共享充电宝以半小时起步计费，价格从 1.5 元至 2.5 元不等。每 24 小时封顶价少则 30 元、多则 50 元， 封顶价格高达 99 元。其他共享充电宝消息显示，目前共享充电宝两大品牌街电和搜电宣布正式合并，双方将组建全新的集团公司。合并完成后，官方披露的数据显示，用户规模突破 3.6 亿，日订单峰值将达到 300 万单，市场份额跃居行业第一。本文在路灯下进行共享充电宝的设计，通过与共享充电宝厂商进行相关合作，在多功能路灯下面进行投放，增强盈利空间。同时通过对顶棚设计，坐垫设计，塔扇的运用，使用聚碳酸钠材质的顶棚，加上广告宣传板，内置塔扇的 TP1-TPR 座椅，分别加强与相关厂商的合作，进一步拓宽盈利空间。

参考文献：

薛嘉义.中国新能源资源基础及发展前景展望[J].时代汽车，2021，（09）：12-13.

韩小亮. 太阳能光伏发电技术及应用[J].太阳能，2014，（18）：48-51.

本文是广西壮族自治区2021年大学生创业训练计划立项项目“混合能源多功能路灯”项目成果，项目编号（S202110595325X）