李丹

摘 要 由于冬夏兩季太陽能風(fēng)能資源差距、區(qū)域內(nèi)太陽能風(fēng)能分布不勻等自然現(xiàn)象，給LED路燈照明帶來極大影響，比如路燈位置的設(shè)置、蓄電池大小配置等。為了解決上述難題，本文提出了一種基于三級電量閾值的主-被動共享模型的風(fēng)光互補(bǔ)智慧路燈組網(wǎng)模型，設(shè)計(jì)出主動和被動兩種能源共享方法，并將其有機(jī)結(jié)合。同時，依據(jù)該方法設(shè)計(jì)了一種實(shí)現(xiàn)該控制方法的路燈控制系統(tǒng)。通過對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，表明本文所提方法能有效提高路燈網(wǎng)絡(luò)中太陽能風(fēng)能整體利用效率，提升蓄電池使用壽命。

關(guān)鍵詞 風(fēng)光互補(bǔ);智慧路燈;單片機(jī);單片機(jī);逆變器

引言

目前，大部分太陽能、風(fēng)能供電的路燈是獨(dú)立運(yùn)行的。在某一區(qū)域內(nèi)部分路燈的設(shè)置位置難免被遮擋，譬如：設(shè)置于樓宇之間，或當(dāng)路燈受到云層的不定時的遮擋，或風(fēng)向的變化等原因，往往會造成路燈的蓄電池的電量無法滿足路燈照明的需要，同時蓄電池長期處于能量虧缺狀態(tài)，嚴(yán)重影響蓄電池使用壽命。為了解決此問題，當(dāng)前主要解決方案是，當(dāng)太陽能、風(fēng)能供電的路燈的電量不足的情況下，利用市電進(jìn)行補(bǔ)充。此種方式存在的問題在于：太陽能、風(fēng)能的利用率不高。

針對以上問題，本文在分析區(qū)域內(nèi)太陽能、風(fēng)能分布不均為風(fēng)光互補(bǔ)路燈對綠色能源利用率帶來影響的基礎(chǔ)上，將太陽能、風(fēng)能路燈組網(wǎng)。同時，提出了一種三級電量閾值的主-被動模式能源共享模型，當(dāng)路燈網(wǎng)絡(luò)中的路燈的蓄電池滿足一定條件后，該路燈的富余能源共享給其他的路燈。提高了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)路燈利用區(qū)域太陽能、風(fēng)能的效率，全面提高了節(jié)能效率，解決了路燈故障維護(hù)的不便，提升了蓄電池的使用壽命。

1相關(guān)工作

氣候變化問題是全球問題，歸根結(jié)底也是發(fā)展的問題，也是能源利用問題。隨著全球氣候問題的日益嚴(yán)重，能源危機(jī)不斷加劇，取之不盡而又干凈環(huán)保的可再生能源——太陽能和風(fēng)能的利用成為目前及未來研發(fā)和應(yīng)用的焦點(diǎn)。將時間上和地域上極具互補(bǔ)性的太陽能和風(fēng)能有效匹配應(yīng)用形成風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，并將風(fēng)光互補(bǔ)的能源系統(tǒng)與節(jié)能環(huán)保的LED照明系統(tǒng)相結(jié)合，是目前及以后一段時間內(nèi)發(fā)展和普及的重點(diǎn)，也將成為全球及國家應(yīng)對氣候變化的一種有效方案。薛[1]等介紹了一種應(yīng)用于風(fēng)光互補(bǔ)路燈 照明系統(tǒng)的新型智能控制器。林等[2]提出了一種新的風(fēng)光互補(bǔ)控制方法——逐步剎車保護(hù)法，逐步剎車保護(hù)法能很好地解決目前現(xiàn)有系統(tǒng)出現(xiàn)的剎車故障問題，提高了風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的可靠性。王等[3]以貴陽欣歆園智能小區(qū)為例進(jìn)行了風(fēng)光互補(bǔ)路燈的用電管理與分析，并對光伏組件和風(fēng)力發(fā)電組件分別進(jìn)行了需求分析和選型，隨后介紹了管理層軟件的開發(fā)。以上技術(shù)提供了太陽能和風(fēng)能給路燈供電的解決方案，但是沒有提及路燈能量互補(bǔ)的知識。趙[4]介紹了路燈無線組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對路燈網(wǎng)絡(luò)的智能監(jiān)控，該方案沒有涉及路燈之間采用電力線通信，實(shí)現(xiàn)路燈間能量互補(bǔ)的通信需要。專利（CN 201010543107.2）[5]提出了一種太陽能、風(fēng)能集成高智能控制方法及其系統(tǒng)，該方案同樣是通過電力線傳輸協(xié)議進(jìn)行彼此間通信調(diào)度的太陽能、風(fēng)能，但是不能設(shè)定預(yù)設(shè)電量值，只能在電量飽和的狀態(tài)下才能調(diào)度。

2基于三級電量閾值的主-被動共享的風(fēng)光互補(bǔ)智慧路燈組網(wǎng)方法

基于三級電量閾值的主-被動模式能源共享方法，采用主動和被動兩種能源共享模式。每個路燈都包含三個預(yù)設(shè)電量值，從大到小分別是CH、CM、CL。計(jì)算公式如下：

CH=TN*P （1）

CL =TS*P （2）

CM = CL +EL +ED （3）

TN為晚上亮燈時間，TS為晚上剩余亮燈時間， 由于冬天和夏天的晚上照明時間不一致，TN和TS值是動態(tài)變化。P為路燈功率。CH為路燈整個晚上照明的耗電量，作為向路燈網(wǎng)絡(luò)主動共享能量的閾值;CL值為晚上照明時 照明耗電量，作為向路燈網(wǎng)絡(luò)請求能源補(bǔ)給的閾值。CM作為向路燈網(wǎng)絡(luò)被動共享能量的閾值。EL為直流能源逆變成交流時的損耗， ED為傳輸過程中帶來的能量損耗。太陽能板輸出電壓VP，蓄電池兩端電壓VB。

當(dāng)蓄電池的電量值C大于CH時，即可將自身可利用的太陽能/風(fēng)能共享給路燈組網(wǎng)內(nèi)的其余路燈。在保證了自身的照明需求的基礎(chǔ)上，將自身的能源主動共享給路燈組網(wǎng)內(nèi)的其余路燈，保證路燈組網(wǎng)內(nèi)的更多的路燈的蓄電池的電量能夠滿足晚上照明的需求。此為主動共享模式。

當(dāng)蓄電池的電量值C小于CL時，向其他的路燈發(fā)送供電請求，避免該路燈出現(xiàn)電量不足的情況。當(dāng)蓄電池的電量值C大于CM時，判斷是否接收到其他路燈的供電請求。若接收到其他路燈的供電請求，并且此時風(fēng)機(jī)單元或太陽能板正在為蓄電池充電，則向發(fā)送供電請求的路燈提供電能。此為被動共享模式。

光強(qiáng)充足的情況下（VP>VB+1），采用主動共享能源模式，方法流程如下：

（1）當(dāng)蓄電池的電量值C大于CH值，該路燈節(jié)點(diǎn)會向路燈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送共享廣播消息。

（2）該路燈控制器同時接通逆變器，向路燈網(wǎng)絡(luò)共享能源。

（3）蓄電池的電量值C小于CL的路燈，接收到共享能源的廣播消息，接通交流補(bǔ)充電路，接收共享的能源。

光強(qiáng)不足的情況下（VP

（1）當(dāng)蓄電池的電量值C小于CL值，該路燈節(jié)點(diǎn)向路燈網(wǎng)絡(luò)發(fā)送補(bǔ)給能源廣播消息。

（2）接收到補(bǔ)給能源請求的廣播消息，蓄電池的電量值C大于CM的路燈，接通逆變器。

（3）蓄電池電量值C大于CM值的路燈，通過路燈網(wǎng)絡(luò)，向蓄電池電量值C小于CL值的路燈共享能源。

3實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證該方案的有效性，該系統(tǒng)被應(yīng)用在東莞市照明工業(yè)園中，進(jìn)行為期2年的驗(yàn)證測試。為了對比試驗(yàn)，該工業(yè)園內(nèi)安裝了16盞路燈，其中8盞為獨(dú)立安裝，另外8盞采用本文提出的組網(wǎng)方式。試驗(yàn)所在地區(qū)位于東經(jīng)113.6°，北緯22.5°。試驗(yàn)采用路燈功率為30W，太陽能板為120W，蓄電池容量為200AH。

在實(shí)驗(yàn)中，我們通過如下參數(shù)，對比我們算法的有效性：①路燈忍受連續(xù)陰雨天數(shù)，②蓄電池壽命的影響。

蓄電池壽命的變化，采用傳統(tǒng)的蓄電池放電能力進(jìn)行測試，即使用放電儀在滿充電量狀態(tài)下，對蓄電池放電，測試蓄電池的放電能力，其計(jì)算公式如式（4）所示。

CA=CM/CF? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

CA為放電能力（百分比），CM為蓄電池最大放電量，CF為蓄電池滿充電量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)過2年的運(yùn)行，特別對光照時數(shù)不太充足的11月份至3月份測試，按照上文配置獨(dú)立運(yùn)行的太陽能路燈最長能夠連續(xù)運(yùn)行6個陰雨天，而按照本文提出的組網(wǎng)方式的太陽能路燈，按照同樣的配置最長能夠連續(xù)運(yùn)行10個陰雨天，大幅提高了路燈忍受陰雨天的能力。

為了測試本文提出的組網(wǎng)方式對蓄電池壽命的影響，按照上述配置運(yùn)行1.5年后，每隔一個月對16盞路燈的蓄電池進(jìn)行滿充，使用放電儀測試蓄電池的放電能力（滿充電量的百分比）。

如圖1所示，綜合上述數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，組網(wǎng)路燈經(jīng)過1.5年運(yùn)行蓄電池放電能力明顯優(yōu)于獨(dú)立運(yùn)行路燈，同時測試的0.5年內(nèi)發(fā)現(xiàn)，組網(wǎng)運(yùn)行路燈放電能力變化小于獨(dú)立運(yùn)行路燈。

4結(jié)束語

本文的目的在于克服冬夏兩季太陽能風(fēng)能資源差距、區(qū)域內(nèi)太陽能風(fēng)能分布不勻等缺陷，創(chuàng)造性地提出一種通過將路燈組網(wǎng)、利用電力線傳輸協(xié)議進(jìn)行彼此間通信調(diào)度的風(fēng)光互補(bǔ)智慧路燈網(wǎng)絡(luò)。采用三級電量閾值的主-被動模式能源共享模型，通過對單個路燈蓄電池充電情況進(jìn)行分析，結(jié)合預(yù)設(shè)電量值，將富余的能源補(bǔ)給其他路燈。同時通過組網(wǎng)，建立各個路燈之間的通信，方便對各個路燈的控制。在此基礎(chǔ)上，通過分析蓄電池充放電的歷史數(shù)據(jù)，判斷蓄電池的性能，并通過能量共享網(wǎng)絡(luò)及時補(bǔ)充能量虧缺的蓄電池，提升蓄電池使用壽命。達(dá)到了經(jīng)濟(jì)和社會效益雙贏的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 薛林，姚國興.基于PIC單片機(jī)的風(fēng)光互補(bǔ)路燈照明控制器[J].可再生能源，2011，29（1）：107-110.

[2] 林閩，張艷紅，修強(qiáng)，等.風(fēng)光互補(bǔ)路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].可再生能源，2011，29（6）：146-149.