發(fā)布時(shí)間:2018/9/20 10:14:42 來(lái)源:本站
太陽(yáng)能LED路燈要考慮其外形美觀、結(jié)構(gòu)合理,同時(shí)還要恰當(dāng)確定太陽(yáng)電池組件、鉛酸蓄電池組的容量及負(fù)載功率的大小,以保證系統(tǒng)可靠地工作,達(dá)到最好的經(jīng)濟(jì)效益。
太陽(yáng)能路燈工作的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在控制器上面,文獻(xiàn)[1]中,通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能路燈控制器硬件和軟件的合理設(shè)計(jì),來(lái)提高控制器對(duì)蓄電池的保護(hù)能力,從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命;文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)出了一種新型的節(jié)能照明控制器,盡可能地降低了能耗;文獻(xiàn)[3-4]中,基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng),以提高控制器的控制性能。這些研究改善了太陽(yáng)能LED路燈的控制性能,但忽視了對(duì)其應(yīng)用性能的提高。
實(shí)際應(yīng)用中,光伏電池組件的壽命約為20年,LED燈頭的平均壽命能達(dá)到10年,而鉛酸蓄電池組的實(shí)際壽命一般只有2~3年,鉛酸蓄電池組的壽命相比系統(tǒng)其他部件要短得多。路燈各組件壽命的差異,導(dǎo)致在使用過(guò)程中對(duì)蓄電池組的替換相對(duì)要頻繁,目前對(duì)于蓄電池組的安裝方式主要是地埋式,這在很大程度上給施工帶來(lái)了不便。設(shè)計(jì)一種新的儲(chǔ)能方式來(lái)克服路燈系統(tǒng)中各部件壽命的明顯差異和改善蓄電池特殊的安裝形式給其運(yùn)行造成的弊端,具有重要的意義。本文將設(shè)計(jì)一種集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng),使其能夠降低施工的難度,且提高路燈的工作效率。
太陽(yáng)能路燈主要由太陽(yáng)電池組件部分(包括支架)、LED燈頭、控制器、鉛酸蓄電池組和燈桿構(gòu)成,其控制原理示意圖如圖1所示。太陽(yáng)能LED路燈的工作原理是白天太陽(yáng)能路燈在控制器控制下,太陽(yáng)電池經(jīng)過(guò)太陽(yáng)光的照射,吸收太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成電能,光伏組件向鉛酸蓄電池組充電,晚上鉛酸蓄電池組提供電力給LED燈供電,實(shí)現(xiàn)照明功能。控制器確保鉛酸蓄電池組不因過(guò)充或過(guò)放而被損壞,同時(shí)具備光控、時(shí)控、溫度補(bǔ)償及防雷、反極性保護(hù)等功能。
圖1 傳統(tǒng)太陽(yáng)能LED路燈控制原理示意圖
太陽(yáng)能LED路燈在安裝過(guò)程中,燈桿之間的距離同路的寬度和地理位置等因素有關(guān),大致設(shè)為30 m左右。目前道路太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)采用單燈獨(dú)立儲(chǔ)能供電模式。鉛酸蓄電池組因體積、質(zhì)量等原因一般采取就近安放在路燈底下,然后使用導(dǎo)線外接控制器。道路路燈系統(tǒng)每隔30 m左右就需要在燈桿下挖砌一個(gè)水泥防水槽用來(lái)安置鉛酸蓄電池組。由于鉛酸蓄電池組經(jīng)常需要維護(hù),壽命相對(duì)較短,以及埋于地下的特殊安裝形式,都給太陽(yáng)能LED路燈的基本維護(hù)和故障檢修造成了較大影響,增加了應(yīng)用成本。
2.1 LED路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出使用太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)集中儲(chǔ)能供電模式來(lái)替代單燈獨(dú)立儲(chǔ)能供電模式的解決方案。集中儲(chǔ)能的主要思想是,將一定數(shù)量的路燈的儲(chǔ)能元件集中起來(lái)管理,一方面降低了路燈維護(hù)檢修的難度,另一方面通過(guò)合理的能量管理增大了能源的利用效率。圖2為本文設(shè)計(jì)的集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2 集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
圖2中,“1”代表太陽(yáng)電池板,“2”代表控制器,“3”代表鉛酸蓄電池組,“4”代表LED燈,“5”代表單向直流輸電線,“6”代表雙向直流線路,“7”代表蓄電池房。由圖2可知,集中儲(chǔ)能式系統(tǒng)將一定數(shù)量的路燈進(jìn)行集中控制和集中儲(chǔ)能,并且控制器和儲(chǔ)能元件都設(shè)置在蓄電池房里。
2.2 LED路燈系統(tǒng)的接線參數(shù)設(shè)計(jì)
本文以“城鎮(zhèn)街道太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)”為背景,對(duì)集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。城鎮(zhèn)街道主要道路的長(zhǎng)度一般為8~12 km,燈桿之間的距離大致在30 m左右,因此一條主要道路大致?lián)碛?33~800盞的路燈。若把這些路燈儲(chǔ)能裝置——鉛酸蓄電池組全部進(jìn)行集中儲(chǔ)能,則所需集中儲(chǔ)能鉛酸蓄電池組的容量非常大。
實(shí)際太陽(yáng)能LED路燈產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,為確保儲(chǔ)能和供電的可靠性,一般每盞太陽(yáng)能LED路燈所需儲(chǔ)能元件的容量為12 V,38~150 Ah。鉛酸蓄電池組產(chǎn)品都按一定標(biāo)稱容量來(lái)進(jìn)行批量生產(chǎn),在太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)中常用閥控式密封鉛酸蓄電池容量的規(guī)格為12 V,100 Ah,而負(fù)載電壓一般為24 V,所以對(duì)于采用單燈獨(dú)立儲(chǔ)能供電模式時(shí)通常使用兩臺(tái)12 V,100 Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)使用給負(fù)載供電。不同廠家生產(chǎn)的蓄電池在外觀設(shè)計(jì)和尺寸大小上有所不同,但尺寸差異不大,以“奧特多”閥控密封式鉛酸電池為例,對(duì)于12 V,100 Ah型號(hào)的蓄電池其尺寸為335 mm×172 mm×214 mm。
在對(duì)集中儲(chǔ)能的太陽(yáng)能LED路燈數(shù)量進(jìn)行確定時(shí),需要考慮以下幾個(gè)因素:
(1)鉛酸蓄電池組的并聯(lián)數(shù)目。參與集中儲(chǔ)能的太陽(yáng)能LED路燈數(shù)量越多,所需的儲(chǔ)能鉛酸蓄電池組的容量越大,而鉛酸蓄電池組的并聯(lián)數(shù)目不宜太多,是為了盡量減少鉛酸蓄電池組之間的不平衡造成的影響。
(2)輸電距離。太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)工作條件為低壓直流電,加之LED光源節(jié)能高效,供電電流不大,采用普通的輸電線便能可靠實(shí)現(xiàn)能量傳遞,線路造價(jià)較低,有利于太陽(yáng)能LED路燈的集中儲(chǔ)能設(shè)計(jì)。但當(dāng)輸電距離過(guò)大時(shí),用于集中儲(chǔ)能設(shè)計(jì)的蓄電線路的傳輸成本是不能被忽略的,因此不宜將相距很遠(yuǎn)的太陽(yáng)能LED路燈進(jìn)行集中儲(chǔ)能。
(3)蓄電池安裝空間。對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行集中設(shè)計(jì)時(shí),為了安裝與維護(hù)的方便可以建設(shè)蓄電池房來(lái)安放蓄電池從而代替將蓄電池埋于地下的方式。受地理環(huán)境限制,蓄電池房的體積不宜過(guò)大。
綜合考慮上述三方面因素,并結(jié)合集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)連接示意圖,得到的設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。
表1 集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)
對(duì)于表1中的參數(shù)設(shè)計(jì)依據(jù),具體分析如下:
每一個(gè)集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)中,采用12 V,200 Ah規(guī)格的鉛酸蓄電池進(jìn)行儲(chǔ)能,一個(gè)12 V,200 Ah規(guī)格的鉛酸蓄電池尺寸大概為522 mm×240 mm×218 mm。當(dāng)鉛酸蓄電池組容量相同時(shí),12 V,200 Ah蓄電池比12 V,100 Ah蓄電池所占總體積要小,且采用大容量蓄電池可以減小蓄電池并聯(lián)數(shù)量。蓄電池的并聯(lián)組數(shù)一般不超過(guò)4組,因此本文中,將2個(gè)12 V,200 Ah的鉛酸蓄電池串聯(lián)起來(lái),以滿足負(fù)載輸入電壓為24 V的要求,再將串聯(lián)起來(lái)的鉛酸蓄電池取4組并聯(lián)起來(lái),構(gòu)成一個(gè)鉛酸蓄電池組,一起供8盞LED路燈的儲(chǔ)能供電,總有144個(gè)LED路燈。并聯(lián)能使鉛酸蓄電池組在工作中互為備用,增加太陽(yáng)能LED路燈的供電可靠性。為了減小輸電線路總距離,選擇將蓄電池房安裝在參與集中儲(chǔ)能的太陽(yáng)能路燈的中間位置。
權(quán)衡以上因素,本文每個(gè)蓄電池房允許安放不超過(guò)144個(gè)12 V,200 Ah的鉛酸蓄電池,即:18組鉛酸蓄電池組。故長(zhǎng)為8~12 km的主要道路,道路兩側(cè)分別需建設(shè)2~3個(gè)體積為3.2 m×2.0 m×2.0 m的蓄電池房。對(duì)于蓄電池房,考慮到蓄電池安放時(shí)中間留有一定間隙,以及預(yù)留部分體積安放其他配套設(shè)備。
集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng),除了在對(duì)蓄電池的連接形式和集中儲(chǔ)能的LED路燈的數(shù)量要進(jìn)行設(shè)計(jì)之外,對(duì)其控制器的設(shè)計(jì)同樣非常重要。集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED系統(tǒng)的控制器相比傳統(tǒng)的獨(dú)立式儲(chǔ)能太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的控制器[5-8]要復(fù)雜得多。它既要實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)多個(gè)路燈充放電和保護(hù)的協(xié)調(diào)控制,還要實(shí)現(xiàn)能量的統(tǒng)一分配,以提高LED路燈的能源利用效率。圖3為本文基于集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的集成控制器電路原理圖。
圖3 集成控制器電路原理圖
集成控制器的工作原理如下:
每個(gè)路燈單元里面的開關(guān)器件Ti和Si、二極管VD和VDi'、保險(xiǎn)絲BX,以及控制器附近設(shè)置的溫度、光敏和電壓傳感器測(cè)量檢測(cè)電路共同組成控制器輔助電路?刂破鬏o助電路滿足以下功能:(1)通過(guò)電壓傳感器對(duì)蓄電池組電壓u進(jìn)行監(jiān)測(cè);(2)通過(guò)光敏傳感器測(cè)量光照強(qiáng)度R,來(lái)協(xié)助判斷路燈單元中太陽(yáng)電池板和LED燈的工作狀態(tài);(3)通過(guò)溫度傳感器來(lái)測(cè)量實(shí)時(shí)溫度T,實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償功能。該控制器核心芯片采用DSP28335,為多輸入多輸出控制器,可以同時(shí)并行控制多個(gè)蓄電池組的充放電,實(shí)現(xiàn)其能量的合理分配。根據(jù)本文的設(shè)計(jì)要求,此控制器設(shè)計(jì)至少能實(shí)現(xiàn)對(duì)18個(gè)蓄電池組的控制。
PVi(i=1、2、…、n)是每個(gè)路燈的太陽(yáng)電池板;VDi(i=1、2、…、n)是防反充二極管;VDi'(i=1、2、…、n)是防反接二極管;Ti(i=1、2、…、n)是控制充電回路的開關(guān),Si(i=1、2、…、n)是控制蓄電池放電開關(guān);BX是保險(xiǎn)絲;檢測(cè)控制電路監(jiān)控蓄電池的端電壓u,以控制Ti和Si的開合;蓄電池表示的是整個(gè)蓄電池房里所設(shè)置的蓄電池,按照2串4并的形式進(jìn)行組合后安置;Li是LED燈。
控制器利用并聯(lián)在蓄電池充電回路中的開關(guān)器件Ti控制充電電流i的大小變化過(guò)程。控制器檢測(cè)電路監(jiān)控蓄電池的端電壓u,當(dāng)充電電壓超過(guò)蓄電池設(shè)定的充滿斷開電壓時(shí),控制器控制 Ti按照(T1、T9、T17、…)→(T2、T10、T18、…)→…→(T8、T16、T24、…)的順序分8組逐漸關(guān)斷開關(guān)Ti,實(shí)現(xiàn)對(duì)每組蓄電池的充電電壓u和電流i調(diào)節(jié),這種連續(xù)調(diào)節(jié)的形式,可以避免電參量突變,有利于設(shè)備的保護(hù)。通過(guò)控制開關(guān)Ti起到防止蓄電池過(guò)充電的保護(hù)作用。
Si(i=1、2、…、n)為蓄電池放電控制開關(guān),當(dāng)檢測(cè)控制電路通過(guò)監(jiān)測(cè)到蓄電池的電壓u,判別出蓄電池的持續(xù)供電時(shí)間低于所需供電時(shí)間時(shí),控制開關(guān) S2、S4、S6、S8、…關(guān)斷;而開關(guān) S1、S3、S5、S7、…保持接通,為 LED 路燈供電,提供照明。當(dāng)蓄電池的供電電壓低于蓄電池的過(guò)放電保護(hù)電壓時(shí),控制器繼續(xù)控制開關(guān) Si,使余下的 S1、S3、S5、S7、…也關(guān)斷。從而,通過(guò)控制開關(guān)Si,既能起到對(duì)蓄電池的過(guò)放保護(hù),而且以分段控制形式實(shí)現(xiàn)能量的分配,又能盡可能地增長(zhǎng)照明時(shí)間。
電路中的VDi'為蓄電池接反保護(hù)二極管,當(dāng)某一蓄電池極性接反時(shí),對(duì)應(yīng)VDi'導(dǎo)通,蓄電池將通過(guò)VDi'短路放電,對(duì)應(yīng)單元的保險(xiǎn)絲BX將被短路電流熔斷,起到防蓄電池反接保護(hù)作用。
對(duì)于負(fù)載工作電壓為24 V,道路長(zhǎng)度為8~12 km的城鎮(zhèn)街道太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng),在道路兩側(cè)分別建立2~3個(gè)蓄電池房安置蓄電池組,來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄電池安裝模式。這種集中儲(chǔ)能式系統(tǒng)能降低建設(shè)成本和后期的維護(hù)費(fèi)用;集成型的控制系統(tǒng),對(duì)能量進(jìn)行統(tǒng)一管理,在保證太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的正常工作的基礎(chǔ)上,提高了太陽(yáng)能LED路燈工作效率。
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