代春燕，袁建華,2，張方虎， 陳 軒，張 皓

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002；2.三峽大學(xué)新能源微電網(wǎng)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(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

代春燕1，袁建華1,2，張方虎3， 陳 軒1，張 皓1

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北宜昌443002；2.三峽大學(xué)新能源微電網(wǎng)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(yáng)能LED路燈系統(tǒng)里，蓄電池的使用壽命相對(duì)其他組件較短，而傳統(tǒng)的單燈獨(dú)立儲(chǔ)能模式和蓄電池的地埋式安裝，給后期檢修和維護(hù)造成了很大的不便。設(shè)計(jì)一種集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)來(lái)解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)內(nèi)容有路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)計(jì)和控制器設(shè)計(jì)。研究結(jié)果表明，這種新型系統(tǒng)不但降低了設(shè)計(jì)成本，而且提高了系統(tǒng)的能量利用率。

集中儲(chǔ)能;蓄電池房;能量分配;集成控制器

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。

1 太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式

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?？刂破鞔_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 集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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。

3 集中儲(chǔ)能式太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)的控制器研究

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。控制器輔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。

4 結(jié)論

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。

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

[2]姚宏,馮衛(wèi)東,邱望標(biāo).太陽(yáng)能LED路燈控制器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代機(jī)械,2009(2):22-25.

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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(xué)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(xué)碩士學(xué)位論文培優(yōu)基金(2015PY037);梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(2015KJX07)

代春燕(1990—)，女，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾履茉窗l(fā)電技術(shù)。

袁建華(1978—)，男，湖南省人，博士，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樘?yáng)能光伏并網(wǎng)技術(shù)、新型逆變器和微電網(wǎng)，以及智能電網(wǎng)。