發(fā)布時間:2018/9/3 9:13:44 來源:本站
太陽能路燈以其無需鋪設(shè)電纜,不消耗常規(guī)能源等優(yōu)點得到了廣泛認(rèn)可。然而太陽能路燈還存在一些問題造成其成本偏高,可靠性不穩(wěn)定。比如電池往往不到一年就需要更換,不僅提高了后期維護的費用,而且增加了客戶的消費成本,也造成了資源浪費。其次是太陽能屬于不穩(wěn)定能源,而且能量分布不均,夏天能量充足,但路燈使用時間短,冬天有效光照時間短,但路燈使用時間長,大大降低了運行的可靠性,其原因主要受到太陽能路燈控制器性能的影響。太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分,主要完成對蓄電池的充、放電、調(diào)光和路燈的開、關(guān)控制,以及在過充、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進行及時和有效地保護,保證照明時間,確?煽啃,有效延長電池壽命,降低成本。
太陽能路燈控制器的技術(shù)和質(zhì)量的主要要求有:1)供電系統(tǒng),根據(jù)太陽能路燈蓄電池板特性,要設(shè)計成恒流輸出;2)過充,過放保護;3)具有系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)功能;4)建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng);5)根據(jù)市場要求,產(chǎn)品模塊化。
太陽能路燈控制器的發(fā)展到目前為止已經(jīng)經(jīng)歷了3個階段:第一代功能比較簡陋,開關(guān)燈控制需要外接光敏感應(yīng)器,定時時間不可設(shè)置,沒有電池保護電路,系統(tǒng)壽命非常短暫,很快就被市場淘汰;第二代在第一代的基礎(chǔ)上,設(shè)置了電池保護電路,通過太陽能路燈蓄電池組件搜集光敏數(shù)據(jù),通過開關(guān)或程序設(shè)置定時,技術(shù)上有了階躍式的發(fā)展,逐漸被市場接受;第三代路燈控制器在于多數(shù)商家采用了PWM充電控制功能,對蓄電池進行涓流充電,有效延長了電池壽命,降低了使用成本,從而進一步擴大市場占有率。
一個好的控制器可以彌補甚至解決純太陽能路燈的諸多問題,提高其可靠性。自適應(yīng)太陽能供電路燈需要開發(fā)第四代控制器,它的特點是具有自適應(yīng)燈的功率調(diào)節(jié)功能,電量檢測和剩余電量計算是必備的;同時具有組網(wǎng)功能,這樣可以保持整條街的路燈亮度一致,并可以進行通訊。
目前各種現(xiàn)代控制理論,如自適應(yīng)控制、自學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進控制理論和算法也大量應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中。其中自適應(yīng)控制太陽能供電路燈控制器設(shè)計是值得推進的技術(shù)。
自適應(yīng)單純太陽能供電路燈的設(shè)計目標(biāo):主要針對支路和供行人和非機動車通行的居住區(qū)道路和人行道路燈[3];對于由風(fēng)能供電或風(fēng)光互補的路燈系統(tǒng)本設(shè)計同樣適合;由于太陽能的不可靠性以及主干道的照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性,單純太陽能供電比市電供電的路燈控制器的設(shè)計更為復(fù)雜,如系統(tǒng)控制需要太陽能和市電切換,則在本設(shè)計的基礎(chǔ)上進行精簡就好了。目標(biāo)地點位于北京市內(nèi)。
自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計方案的宗旨:通過精確控制,達(dá)到降低成本,提高可靠性的目的。主要具有以下幾個特點及功能(以太陽能路燈儲能器件為鉛酸電池為例):
1)MPPT電路 根據(jù)太陽能路燈蓄電池板的特性,如將太陽能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個恒定電壓值附近,則太陽電池在整個工作過程中近似工作在最大功率點處,太陽能電池組件的能量轉(zhuǎn)換效率最高。利用PWM技術(shù)并通過對負(fù)載穩(wěn)壓來實現(xiàn)對LED的恒流,從而保證了LED的可靠使用。采用意法半導(dǎo)體公司的MPPT專用芯片SPV1020,跟蹤效率可達(dá)98%,能量轉(zhuǎn)換效率為95%。理論上,使用MPPT技術(shù)會比傳統(tǒng)方法效率提高50%,實際測試中,由于周圍環(huán)境影響與各種能量損失,最終的效率也可以提高20%~30%。
2)過充過放保護 采用充電限壓,電池溫升檢測策略,如蓄電池電36 V,充電截止電壓42.5~43 V,充電截止溫度80℃,充電截止溫升30℃。不過絕大部分時間蓄電池基本處于欠充狀態(tài)。同時通過對電池電壓的數(shù)據(jù)實時采集,利用軟件控制對電池采取限壓保護;通過實時計算電池電量進行防過充過放保護,電量為100%時停止充電,電量為20%時停止放電,為延長其壽命,做了第二道防線。圖1為蓄電池過充保護流程圖。
圖1 蓄電池過充保護流程圖
Fig.1 Flow chart of battery overcharge protection
3)智控開關(guān),實時監(jiān)測,預(yù)警功能 進行太陽能路燈電池板電流檢測,蓄電池電壓檢測,蓄電池電量監(jiān)測,以及環(huán)境溫度的檢測,采用光開時關(guān),并實時上傳工作環(huán)境及狀態(tài)數(shù)據(jù),預(yù)警故障,保證系統(tǒng)的可靠性。圖2為太陽能路燈的開、關(guān)控制流程圖。
圖2 路燈的開、關(guān)控制流程圖
Fig.2 Flow chart of lamp open and close control
4)亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié) 通常太陽能路燈廠家為了保證連續(xù)陰雨天的正常工作,只一味地加大蓄電池容量,一般蓄電池的容量可達(dá)電池板容量的5倍,其實這樣做并不能解決問題。因為陰雨天工作的可靠性并不取決于電池的容量,而是由很多因素平衡而定的。根據(jù)當(dāng)前地理位置,季節(jié),時間,氣象條件,光的輻射量,浮塵濃度,工作環(huán)境以及剩余電量,自適應(yīng)調(diào)節(jié)燈的亮度,合理分配能量。由于設(shè)計為純太陽能供電,不考慮雙電源情況,所以要想提高系統(tǒng)可靠性,唯一的方案就是犧牲燈的亮度。
根據(jù)當(dāng)天用電前的剩余電量和當(dāng)天的充電量來進行自適應(yīng)調(diào)節(jié),在保證正常照明的同時,使電池的工作點長期保持在高電位,并且使充放電深度在30%以下,根據(jù)電池循環(huán)壽命曲線,可以延長電池壽命4~5倍,有效降低太陽能路燈的成本,提高可靠性。以下將分別闡述剩余電量和充電量的計算過程。
2.2.1 電池電量檢測
1)電量檢測的算法
大量的實驗數(shù)據(jù)表明,電池老化時蓄電池的內(nèi)阻與電荷之間有較高的相關(guān)性(0.88左右),蓄電池完全充電和完全放電時的內(nèi)阻相差2~4倍,所以通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地檢測電池電量。
2)建立內(nèi)阻—電量—循環(huán)周期的關(guān)系曲線
為了得到實時剩余電量值,要建立一個電量和內(nèi)阻之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。
以時間為標(biāo)準(zhǔn),就可以建立起內(nèi)阻—電量—循環(huán)周期的關(guān)系曲線,然后通過Matlab的曲線擬合功能得出內(nèi)阻,電量以及循環(huán)周期的關(guān)系式。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線如圖3所示,剩余電量隨著內(nèi)阻的增大而成指數(shù)趨勢減小。
圖3 蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線
Fig.3 Relation curve of battery internal resistance and remaining power
3)在線檢測電量
在太陽能路燈工作開始之前檢測出剩余電量,采用交流壓降內(nèi)阻測量法測得內(nèi)阻值,通過查做好的數(shù)據(jù)表,并進行數(shù)據(jù)校正,得出對應(yīng)的電量值。
給電池施加一個固定頻率和固定電流(目前一般使用1 kHz頻率、50 mA小電流),然后對其電壓進行采樣,經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運放電路計算出該電池的內(nèi)阻值。圖4為在線測量剩余電量硬件框圖。
圖4 在線測量剩余電量硬件框圖
Fig.4 Hardware diagram of online measure remaining power
2.2.2 充電量計算
充電量是通過太陽能電池板接收輻射強度和電池板面積計算得到的。太陽能電池板接收輻射強度為單日輻射強度與sin α的乘積,其中α為正午太陽輻射與電池板的平均夾角。電池板面積可參考配置計算部分的內(nèi)容,并且經(jīng)過優(yōu)化得到的。
2.2.3 剩余電量計算
通過計算電流在時域上的積分,可得出電量變化值,在路燈工作前檢測到的電池電量作為初始電量,則剩余電量為初始電量減去電量變化值。同時通過對MPPT電路的輸出電流做積分,作為電量變化的校正值,從而得到較準(zhǔn)確的剩余電量值。圖5為剩余電量計算流程圖。
圖5 剩余電量計算流程圖
Fig.5 Capacity check and remaining power calculation flow chart
1)Zigbee無線通訊系統(tǒng)連網(wǎng)
保證整條路的路燈的開,關(guān)時間一致,馬路亮度均勻,保證駕駛安全,避免駕駛員視覺疲勞;實時傳送數(shù)據(jù),進行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制;在線軟件升級,降低維護及調(diào)試成本;待機睡眠,降低系統(tǒng)功耗。將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于蓄電池生產(chǎn)過程中的充放電參數(shù)檢測中,將極大地提高產(chǎn)品測試的靈活性和可靠性,對提高蓄電池生產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要意義。
2)模塊化可擴展性
設(shè)計的控制器的供電系統(tǒng)可以是模塊化的,設(shè)計采用恒流充電方式,所以電池板可擴展,LED模組可根據(jù)系統(tǒng)功率進行并聯(lián)擴展。
根據(jù)如上計算,具體設(shè)計框圖如圖6所示,為太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架。圖7為太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖。
開關(guān)燈的時間根據(jù)天安門升降旗時間而定,如表1所示,全年最長點燈時長在12月為14.52小時,最短為9.13小時。照明時間分為3個時段,第一個時段從當(dāng)天天安門降旗時刻開始,為5個小時,第二個時段到早上5點,第三個時段從5點到天安門升旗時刻,燈光亮度各時段權(quán)重比為5∶2∶3,如果以100 W光源為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),則光源功耗最大為1.068 5 kW·h,在5月份。根據(jù)計算單日輻射強度各月差別為3倍左右,而電池板真正接收到的輻射強度各月差別只有2倍,與傳統(tǒng)固定調(diào)節(jié)的光源功耗相比,自適應(yīng)單純太陽能供電路燈節(jié)能明顯,這樣就充分體現(xiàn)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)的靈活性。
圖6 太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架
Fig.6 Hardware framework of solar street lamp control system
圖7 太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖
Fig.7 The circuit principle diagram of solar street lamp control system
表1 照明策略基準(zhǔn)參數(shù)
Tab.1 Lighting strategy benchmark parameters
圖8顯示根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得出的各月太陽能電池板面積排列柱形圖,從而可以選定電池板的面積為柱形途中的拐點處2月的面積值,太陽電池板面積為2.2 m2,蓄電池為115 Ah。這樣選擇的原因是這樣可以保證全年85%的照明時間,剩下的15%為過放,不過要給自適應(yīng)調(diào)節(jié)留下一個調(diào)節(jié)余量,所以選擇以2月數(shù)據(jù)計算出的太陽能面積的值,即2.216 2 m2,過放的情況為3個月,過放比率為25%,從而有10%的調(diào)節(jié)空間。
圖8 各月太陽能電池板對應(yīng)面積排列柱形圖
Fig.8 Each month solar panels corresponding area arrangement bar charts
自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器的設(shè)計,實現(xiàn)了以MPPT電路為控制核心的智能太陽能路燈控制器,具有外圍電路簡單,可靠性高的特點,實現(xiàn)了太陽能電池的最大功率點跟蹤,采用了合理的蓄電池充放電策略,實現(xiàn)算法簡單,既提高了太陽能電池板的使用效率,又延長了蓄電池的使用壽命 ,對于個別過分欠充、過充燈根據(jù)問題加大、減小電池板面積,更換電池或燈珠,根據(jù)每盞路燈的實際情況靈活調(diào)整其配置,可使每盞燈都工作在最佳狀態(tài),不但保證了正常照明,而且避免了資源浪費,也降低了產(chǎn)品造價,具有一定的參考和推廣應(yīng)用價值。
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