代春燕，袁建華,2，張方虎， 陳 軒，張 皓

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002；2.三峽大學新能源微電網湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌443002；3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司官地水電站，四川成都610000)

集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)設計

代春燕1，袁建華1,2，張方虎3， 陳 軒1，張 皓1

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北宜昌443002；2.三峽大學新能源微電網湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北宜昌443002；3.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司官地水電站，四川成都610000)

在太陽能LED路燈系統(tǒng)里，蓄電池的使用壽命相對其他組件較短，而傳統(tǒng)的單燈獨立儲能模式和蓄電池的地埋式安裝，給后期檢修和維護造成了很大的不便。設計一種集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)來解決這一問題，設計內容有路燈系統(tǒng)的結構設計、參數設計和控制器設計。研究結果表明，這種新型系統(tǒng)不但降低了設計成本，而且提高了系統(tǒng)的能量利用率。

集中儲能;蓄電池房;能量分配;集成控制器

太陽能LED路燈要考慮其外形美觀、結構合理，同時還要恰當確定太陽電池組件、鉛酸蓄電池組的容量及負載功率的大小，以保證系統(tǒng)可靠地工作，達到最好的經濟效益。

太陽能路燈工作的關鍵技術體現在控制器上面，文獻[1]中，通過對太陽能路燈控制器硬件和軟件的合理設計，來提高控制器對蓄電池的保護能力，從而延長蓄電池的使用壽命；文獻[2]設計出了一種新型的節(jié)能照明控制器，盡可能地降低了能耗；文獻[3-4]中，基于單片機設計了控制系統(tǒng)，以提高控制器的控制性能。這些研究改善了太陽能LED路燈的控制性能，但忽視了對其應用性能的提高。

實際應用中，光伏電池組件的壽命約為20年，LED燈頭的平均壽命能達到10年，而鉛酸蓄電池組的實際壽命一般只有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，導致在使用過程中對蓄電池組的替換相對要頻繁，目前對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了不便。設計一種新的儲能方式來克服路燈系統(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行造成的弊端，具有重要的意義。本文將設計一種集中儲能式太陽能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。

1 太陽能LED路燈系統(tǒng)傳統(tǒng)儲能方式

太陽能路燈主要由太陽電池組件部分(包括支架)、LED燈頭、控制器、鉛酸蓄電池組和燈桿構成，其控制原理示意圖如圖1所示。太陽能LED路燈的工作原理是白天太陽能路燈在控制器控制下，太陽電池經過太陽光的照射，吸收太陽光轉換成電能，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，實現照明功能。控制器確保鉛酸蓄電池組不因過充或過放而被損壞，同時具備光控、時控、溫度補償及防雷、反極性保護等功能。

圖1 傳統(tǒng)太陽能LED路燈控制原理示意圖

太陽能LED路燈在安裝過程中，燈桿之間的距離同路的寬度和地理位置等因素有關，大致設為30 m左右。目前道路太陽能LED路燈系統(tǒng)采用單燈獨立儲能供電模式。鉛酸蓄電池組因體積、質量等原因一般采取就近安放在路燈底下，然后使用導線外接控制器。道路路燈系統(tǒng)每隔30 m左右就需要在燈桿下挖砌一個水泥防水槽用來安置鉛酸蓄電池組。由于鉛酸蓄電池組經常需要維護，壽命相對較短，以及埋于地下的特殊安裝形式，都給太陽能LED路燈的基本維護和故障檢修造成了較大影響，增加了應用成本。

2 集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)的設計

2.1 LED路燈系統(tǒng)的結構設計

針對以上問題，本文提出使用太陽能LED路燈系統(tǒng)集中儲能供電模式來替代單燈獨立儲能供電模式的解決方案。集中儲能的主要思想是，將一定數量的路燈的儲能元件集中起來管理，一方面降低了路燈維護檢修的難度，另一方面通過合理的能量管理增大了能源的利用效率。圖2為本文設計的集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)的結構示意圖。

圖2 集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)結構示意圖

圖2中，“1”代表太陽電池板，“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，集中儲能式系統(tǒng)將一定數量的路燈進行集中控制和集中儲能，并且控制器和儲能元件都設置在蓄電池房里。

2.2 LED路燈系統(tǒng)的接線參數設計

本文以“城鎮(zhèn)街道太陽能LED路燈系統(tǒng)”為背景，對集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)參數進行設計。城鎮(zhèn)街道主要道路的長度一般為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擁有533～800盞的路燈。若把這些路燈儲能裝置——鉛酸蓄電池組全部進行集中儲能，則所需集中儲能鉛酸蓄電池組的容量非常大。

實際太陽能LED路燈產品設計中，為確保儲能和供電的可靠性，一般每盞太陽能LED路燈所需儲能元件的容量為12 V，38～150 Ah。鉛酸蓄電池組產品都按一定標稱容量來進行批量生產，在太陽能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，而負載電壓一般為24 V，所以對于采用單燈獨立儲能供電模式時通常使用兩臺12 V，100 Ah的鉛酸蓄電池串聯使用給負載供電。不同廠家生產的蓄電池在外觀設計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，對于12 V，100 Ah型號的蓄電池其尺寸為335 mm×172 mm×214 mm。

在對集中儲能的太陽能LED路燈數量進行確定時，需要考慮以下幾個因素：

(1)鉛酸蓄電池組的并聯數目。參與集中儲能的太陽能LED路燈數量越多，所需的儲能鉛酸蓄電池組的容量越大，而鉛酸蓄電池組的并聯數目不宜太多，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現能量傳遞，線路造價較低，有利于太陽能LED路燈的集中儲能設計。但當輸電距離過大時，用于集中儲能設計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的太陽能LED路燈進行集中儲能。

(3)蓄電池安裝空間。對鉛酸蓄電池進行集中設計時，為了安裝與維護的方便可以建設蓄電池房來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大。

綜合考慮上述三方面因素，并結合集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)連接示意圖，得到的設計參數如表1所示。

表1 集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)設計參數

對于表1中的參數設計依據，具體分析如下：

每一個集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)中，采用12 V，200 Ah規(guī)格的鉛酸蓄電池進行儲能，一個12 V，200 Ah規(guī)格的鉛酸蓄電池尺寸大概為522 mm×240 mm×218 mm。當鉛酸蓄電池組容量相同時，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數量。蓄電池的并聯組數一般不超過4組，因此本文中，將2個12 V，200 Ah的鉛酸蓄電池串聯起來，以滿足負載輸入電壓為24 V的要求，再將串聯起來的鉛酸蓄電池取4組并聯起來，構成一個鉛酸蓄電池組，一起供8盞LED路燈的儲能供電，總有144個LED路燈。并聯能使鉛酸蓄電池組在工作中互為備用，增加太陽能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能的太陽能路燈的中間位置。

權衡以上因素，本文每個蓄電池房允許安放不超過144個12 V，200 Ah的鉛酸蓄電池，即：18組鉛酸蓄電池組。故長為8～12 km的主要道路，道路兩側分別需建設2～3個體積為3.2 m×2.0 m×2.0 m的蓄電池房。對于蓄電池房，考慮到蓄電池安放時中間留有一定間隙，以及預留部分體積安放其他配套設備。

3 集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)的控制器研究

集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)，除了在對蓄電池的連接形式和集中儲能的LED路燈的數量要進行設計之外，對其控制器的設計同樣非常重要。集中儲能式太陽能LED系統(tǒng)的控制器相比傳統(tǒng)的獨立式儲能太陽能LED路燈系統(tǒng)的控制器[5-8]要復雜得多。它既要實現同時對多個路燈充放電和保護的協(xié)調控制，還要實現能量的統(tǒng)一分配，以提高LED路燈的能源利用效率。圖3為本文基于集中儲能式太陽能LED路燈系統(tǒng)設計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：

每個路燈單元里面的開關器件Ti和Si、二極管VD和VDi'、保險絲BX，以及控制器附近設置的溫度、光敏和電壓傳感器測量檢測電路共同組成控制器輔助電路。控制器輔助電路滿足以下功能：(1)通過電壓傳感器對蓄電池組電壓u進行監(jiān)測；(2)通過光敏傳感器測量光照強度R，來協(xié)助判斷路燈單元中太陽電池板和LED燈的工作狀態(tài)；(3)通過溫度傳感器來測量實時溫度T，實現溫度補償功能。該控制器核心芯片采用DSP28335，為多輸入多輸出控制器，可以同時并行控制多個蓄電池組的充放電，實現其能量的合理分配。根據本文的設計要求，此控制器設計至少能實現對18個蓄電池組的控制。

PVi(i=1、2、…、n)是每個路燈的太陽電池板；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，Si(i=1、2、…、n)是控制蓄電池放電開關；BX是保險絲；檢測控制電路監(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蓄電池房里所設置的蓄電池，按照2串4并的形式進行組合后安置；Li是LED燈。

控制器利用并聯在蓄電池充電回路中的開關器件Ti控制充電電流i的大小變化過程?？刂破鳈z測電路監(jiān)控蓄電池的端電壓u，當充電電壓超過蓄電池設定的充滿斷開電壓時，控制器控制 Ti按照(T1、T9、T17、…)→(T2、T10、T18、…)→…→(T8、T16、T24、…)的順序分8組逐漸關斷開關Ti，實現對每組蓄電池的充電電壓u和電流i調節(jié)，這種連續(xù)調節(jié)的形式，可以避免電參量突變，有利于設備的保護。通過控制開關Ti起到防止蓄電池過充電的保護作用。

Si(i=1、2、…、n)為蓄電池放電控制開關，當檢測控制電路通過監(jiān)測到蓄電池的電壓u，判別出蓄電池的持續(xù)供電時間低于所需供電時間時，控制開關 S2、S4、S6、S8、…關斷；而開關 S1、S3、S5、S7、…保持接通，為 LED 路燈供電，提供照明。當蓄電池的供電電壓低于蓄電池的過放電保護電壓時，控制器繼續(xù)控制開關 Si，使余下的 S1、S3、S5、S7、…也關斷。從而，通過控制開關Si，既能起到對蓄電池的過放保護，而且以分段控制形式實現能量的分配，又能盡可能地增長照明時間。

電路中的VDi'為蓄電池接反保護二極管，當某一蓄電池極性接反時，對應VDi'導通，蓄電池將通過VDi'短路放電，對應單元的保險絲BX將被短路電流熔斷，起到防蓄電池反接保護作用。

4 結論

對于負載工作電壓為24 V，道路長度為8～12 km的城鎮(zhèn)街道太陽能LED路燈系統(tǒng)，在道路兩側分別建立2～3個蓄電池房安置蓄電池組，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蓄電池安裝模式。這種集中儲能式系統(tǒng)能降低建設成本和后期的維護費用；集成型的控制系統(tǒng)，對能量進行統(tǒng)一管理，在保證太陽能LED路燈系統(tǒng)的正常工作的基礎上，提高了太陽能LED路燈工作效率。

[1]張濤.改進型太陽能路燈控制器的研制[J].自動化與儀器儀表,2011(4):78-79,82.

[2]姚宏,馮衛(wèi)東,邱望標.太陽能LED路燈控制器設計[J].現代機械,2009(2):22-25.

[3]黎云漢.太陽能LED路燈控制系統(tǒng)的設計[J].軟件工程師，2013(5)：33-36.

[4]張秀梅.基于單片機的太陽能路燈智能控制系統(tǒng)設計[J].微計算機信息,2012(6):100-101,135.

[5]劉鑫.太陽能路燈系統(tǒng)控制器研究及設計[D].青島：中國海洋大學,2011.

[6]程來星,盧麗娟,江超.太陽能LED路燈控制器的設計[J].電子設計工程,2013(2):154-157,161.

[7]李海霞.太陽能LED路燈控制器的設計[D].鄭州:鄭州大學,2011.[8]王金生.太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設計探討[J].蓄電池,2011(1):20-25.

Design of centralized energy storing type solar LED street lamp system

DAI Chun-yan1,YUAN Jian-hua1,2,ZHANG Fang-hu3,CHEN Xuan1,ZHANG Hao1
(1.Electrical Engineering&Renewable Energy School,Three Gorges University，Yichang Hubei 443002,China;2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid,Yichang Hubei 443002,China;3.Guandi Hydroelectric Power Station,Yalong River Hydropower Development Company,Ltd.，Chengdu Sichuan 610000,China)

In solar LED street lamp system,the service life of the battery is relatively short,while the traditional single lamp independent storage mode and battery buried installation cause great inconvenience to the later repair and maintenance.A centralized energy storing type solar LED street lamp system was designed to solve this problem,and the design content of street lamp system included the structural design,parameters design and controller design.The research results show that,this new system can not only reduce the design cost,but also enhance the energy utilization rate.

centralized storage;battery room;energy distribution;integrated controller

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1042-03

2016-12-04

湖北省自然科學基金(2012FFB03703);湖北省教育廳青年人才基金 (Q20131301);湖北省宜昌市科技局科技基金(A13-302a-09);三峽大學碩士學位論文培優(yōu)基金(2015PY037);梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室基金資助項目(2015KJX07)

代春燕(1990—)，女，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向為新能源發(fā)電技術。

袁建華(1978—)，男，湖南省人，博士，碩士生導師，主要研究方向為太陽能光伏并網技術、新型逆變器和微電網，以及智能電網。