發(fā)布時(shí)間:2018/9/7 8:49:52 來源:本站
太陽能作為一種新興可再生能源逐漸進(jìn)入各個(gè)行業(yè),特別是太陽能發(fā)電系統(tǒng)正處于蓬勃發(fā)展的階段,很多煤炭科研院所、工廠企業(yè)目前大力研究如何將太陽能電池系統(tǒng)應(yīng)用于傳統(tǒng)的煤炭企業(yè),然而由于技術(shù)、成本等諸多問題,太陽能路燈在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用仍處于滯緩態(tài)勢(shì)。
從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看,太陽能照明系統(tǒng)的前景廣闊。太陽能照明在未來十年后將會(huì)普及,成為未來照明行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。在能源緊張、拉閘限電的城市、工礦企業(yè)及用電困難的邊遠(yuǎn)地區(qū),有著很強(qiáng)的可推廣性。
文章將介紹太陽能電池驅(qū)動(dòng)新型LED路燈系統(tǒng)應(yīng)用于傳統(tǒng)的煤炭進(jìn)場(chǎng)路燈照明系統(tǒng),達(dá)到新型能源與傳統(tǒng)能源的完美結(jié)合。
該路燈照明系統(tǒng)以SPCE061A單片機(jī)為控制核心,對(duì)太陽能路燈系統(tǒng)進(jìn)行蓄電池充放電控制,驅(qū)動(dòng)LED路燈達(dá)到夜晚照明要求。
太陽能路燈照明系統(tǒng)是以μA SPCE061A單片機(jī)為控制核心的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng),主要由太陽能電池板、蓄電池、單片機(jī)、LED驅(qū)動(dòng)這4部分構(gòu)成,能夠?qū)崿F(xiàn)蓄電池充放電的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),精確的A/D采樣保證了對(duì)蓄電池狀況的及時(shí)響應(yīng),充分保證蓄電池的使用壽命,從而使系統(tǒng)長(zhǎng)期、穩(wěn)定的運(yùn)行下去。系統(tǒng)中,單片機(jī)隨時(shí)檢測(cè)太陽能電池板電壓,達(dá)到預(yù)定值時(shí)給蓄電池充電,電壓不足時(shí)與蓄電池?cái)嚅_;單片機(jī)同時(shí)檢測(cè)蓄電池電壓,保證不過充、過放。同時(shí)蓄電池供應(yīng)單片機(jī)系統(tǒng)和LED系統(tǒng)的電能。LED由PT4115芯片驅(qū)動(dòng),能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)30W LED燈正常工作,能夠達(dá)到預(yù)定的照度。正常的光照條件下,可以維持高達(dá)12h的夜晚照明。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
圖1 煤炭進(jìn)場(chǎng)太陽能路燈照明系統(tǒng)框圖
SPCE061A是性價(jià)比很高的一款十六位單片機(jī),該芯片擁有8路10位精度的ADC,兩路10位精度的DAC。SPCE061A片內(nèi)還集成了一個(gè)ICE(在線仿真電路)接口,使得對(duì)該芯片的編程、仿真都變得非常方便,而ICE接口不占用芯片上的硬件資源,在集成開發(fā)環(huán)境(unSP IDE)下用戶可以利用它對(duì)芯片進(jìn)行仿真;而程序的下載(燒寫)也是通過該接口進(jìn)行下載。
該系統(tǒng)中負(fù)載功率為30W,系統(tǒng)要求夜間工作12h,所需能量為360Wh。
以光照比較豐富區(qū)為例,根據(jù)光照參數(shù),每天光照時(shí)間折合4.5h,可計(jì)算得需要的電池板功率為5.3W。
小型的獨(dú)立光伏系統(tǒng)有用鉛酸蓄電池的,也有用鎳鎘蓄電池的,但大中型的系統(tǒng)一般用鉛酸蓄電池。因?yàn)樵讵?dú)立光伏系統(tǒng)中,由于太陽能電池的輸出功率隨太陽光照強(qiáng)度在變化,當(dāng)夜間或陰雨天時(shí)太陽能電池的輸入功率為0或很小不能滿足負(fù)載的要求因此獨(dú)立光伏系統(tǒng)需要一個(gè)儲(chǔ)能裝置,在光照強(qiáng)的時(shí)候,把多余的電能儲(chǔ)存下來,供光照弱的時(shí)候使用。
對(duì)鉛酸蓄電池的選擇,主要考慮的是蓄電池的容量和工作電壓。其中蓄電池的容量指的是在一定放電條件下蓄電池能連續(xù)提供的能量的總和,這個(gè)參數(shù)的選擇主要與太陽能光伏系統(tǒng)的工作條件下的太陽輻射平均強(qiáng)度和需要連續(xù)供應(yīng)負(fù)載電量的時(shí)間和功率有關(guān);工作電壓是蓄電池接通負(fù)載放電時(shí)在負(fù)載上所呈現(xiàn)出來的電壓,其大小主要決定于后面負(fù)載的額定工作電壓值。
在此次太陽能光伏路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,擬采用12V/30W的LED節(jié)能燈,因此所選擇的蓄電池工作電壓為12V。蓄電池容量的計(jì)算以保證一次滿幅值充電后可以維持連續(xù)三天陰雨天氣的夜晚照明為標(biāo)準(zhǔn),計(jì)算公式為:
蓄電池容量=負(fù)載日耗電量×天數(shù)
其中,負(fù)載日耗電量的計(jì)算為:
負(fù)載日耗電量=負(fù)載電流×小時(shí)數(shù)
目前,多數(shù)太陽能燈選用LED作為光源,LED壽命長(zhǎng),可以達(dá)到100000h以上,而且工作電壓低,非常適合應(yīng)用在太陽能路燈系統(tǒng)上。特別是LED技術(shù)己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵性的突破,其特性在過去的幾年中有了很大地提高,性能價(jià)格比也有較大地突破。具有節(jié)能、長(zhǎng)壽、顯色性好、安全等優(yōu)點(diǎn)。
因?yàn)長(zhǎng)ED路燈的工作電壓一般為12V或24V,屬安全電壓,可以不做電氣保護(hù)接地。但LED路燈金屬燈桿應(yīng)做防雷接地,接地電阻不大于10Ω。至于燈桿及燈具外殼,燈桿的高度應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距,道路的照度標(biāo)準(zhǔn)確定。燈具外殼在美觀和節(jié)能之間,大多數(shù)都選擇節(jié)能,燈具外觀要求不高,相對(duì)實(shí)用就行。
目前LED路燈的標(biāo)準(zhǔn)一般是路面照度均勻度(uniformity of road surface illuminance)的平均照度0.48。光斑比值1:2,符合道路照度。(實(shí)際1/2中心光斑達(dá)到25LUX,1/4中心光強(qiáng)達(dá)到 15LUX,16m遠(yuǎn)的最低光強(qiáng)4LUX,重疊光強(qiáng)約6LUX)。目前市場(chǎng)路燈透鏡材料為改良光學(xué)材料,透過率≥93%,耐溫-38~+90℃,抗UV紫外線黃化率30000h無變化等特點(diǎn)。它在新型城市照明中有非常好的應(yīng)用前景。對(duì)深度的調(diào)光,且顏色和其他特性不會(huì)因調(diào)光而變化。系統(tǒng)對(duì)路燈的功率要求是150W高壓鈉燈照度要求,基于對(duì)上述LED燈優(yōu)點(diǎn)的介紹,并與常規(guī)燈源對(duì)比,LED燈具有更光明的應(yīng)用前景,同時(shí),30W的LED照明效果相當(dāng)于150W常規(guī)燈源的照明效果,出于對(duì)路燈實(shí)際應(yīng)用及成本的考慮,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路擬采用12V/30W的LED燈,最后擬采用型號(hào)為GP-FH的LED作為該系統(tǒng)的路燈光源。
該系統(tǒng)采用PWM(Pulse Width Modulation)調(diào)制方法控制對(duì)蓄電池的充電的控制電路,開關(guān)器件采用MOS管,控制電路具有溫度補(bǔ)償,過充、過放、負(fù)載短路、過載保護(hù)等功能,極大的延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,保證整個(gè)路燈系統(tǒng)的正常工作。
軟件設(shè)計(jì)部分主要是蓄電池狀態(tài)的檢測(cè),根據(jù)電壓狀態(tài)決定對(duì)電路的控制方案。LCD 顯示程序主要負(fù)責(zé)電流電壓等一系列參數(shù)的顯示工作。采用鍵盤控制LCD的開關(guān),以節(jié)約電能。鍵盤控制程序采用中斷控制,保證外部操作對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確控制。
由于SPCE061A不能同時(shí)進(jìn)行多路AD轉(zhuǎn)換,所以程序中采用分時(shí)的方法進(jìn)行檢測(cè),利用有限的資源完成系統(tǒng)任務(wù)。根據(jù)電流參數(shù)采用Timer A產(chǎn)生PWM波對(duì)電流進(jìn)行精確控制。在低電壓時(shí),通過IOB1輸出電平控制繼電器通斷,達(dá)到對(duì)輸出電路的控制。
圖2 系統(tǒng)流程圖
目前大多數(shù)的路燈仍然采用交流電供電,一方面是交流電路燈的技術(shù)已經(jīng)是十分成熟,而太陽能路燈還有很多不確定因素,另一方面主要的考慮仍然是太陽能的初始投資過大,從而忽略了太陽能供電的很多優(yōu)越性。
眾所周知太陽能最重要的優(yōu)點(diǎn)是一種取之不盡用之不竭、最清潔的可再生能源,它可以有效減緩地球變暖的問題,而且它將逐步取代部分傳統(tǒng)能源。有關(guān)決策者現(xiàn)已認(rèn)識(shí)到,LED路燈取代高壓鈉燈是發(fā)展的趨勢(shì),同時(shí),太陽能驅(qū)動(dòng)LED路燈也有要取代交流電驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)。
1)全國(guó)所有路燈改為太陽能路燈可以節(jié)省一個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。LED路燈比高壓鈉燈要節(jié)能,早已為人們所認(rèn)識(shí)。不過可能還缺乏一些定量的概念,F(xiàn)在公認(rèn)100W的LED路燈可以取代250W的高壓鈉燈,所以可以簡(jiǎn)單地認(rèn)為,每一盞LED路燈可以節(jié)約150W電能。然而,如果改成用太陽能供電的話,那么連這100W的電也能節(jié)省下來,也就是說,每盞路燈可以節(jié)省250W電。據(jù)統(tǒng)計(jì),中國(guó)現(xiàn)有路燈總數(shù)大約在一億盞以上,假如這一億盞路燈可以折合成為6000萬盞250W的高壓鈉燈路燈,再假定這6000萬盞路燈全部改成太陽能LED路燈,那么總共可以節(jié)約1500萬kW的功率。假定每盞路燈每天工作12h,在1年內(nèi)將節(jié)約電657億kWh。而三峽水電站在2007年的發(fā)電總量為616.03億kWh。因此把全國(guó)的路燈全部改為太陽能路燈后所節(jié)省的電量將超過一個(gè)三峽水電站一年的發(fā)電量。這是一個(gè)極其驚人的數(shù)字。
2)太陽能供電時(shí)的效率將會(huì)比交流電供電時(shí)的效率高15% 。因?yàn)椴捎媒涣麟姽╇姇r(shí)必須采用開關(guān)電源將其變?yōu)橹绷。一般開關(guān)電源的效率大約在80%左右。所以對(duì)于100W的LED路燈,其交流輸入功率就大約需要120W(下面的比較表中就采用120W)。而采用太陽能供電時(shí)只要采用DC/DC恒流源,其效率高達(dá)95%。因此合計(jì)后采用太陽能的總效率約高15%。
3)太陽能供電的LED路燈的總體成本比交流供電的LED路燈低很多。兩種系統(tǒng)的LED燈頭和燈桿成本是大體相同的,主要差別是太陽能電池板。通常太陽能電池板的功率大約是LED燈具功率的3倍。如果LED為100W,那么就要求使用300W的太陽能電池板。目前太陽能電池板的價(jià)錢已經(jīng)降低到23元/W以下,300W就是6900元。此外,太陽能系統(tǒng)還需要蓄電池,但是其成本相當(dāng)于交流供電中的開關(guān)電源成本。所以二者可以抵消。所以燈具本身成本的差別主要是太陽能電池板。
交流供電LED路燈在初次安裝時(shí)的最大支出是電纜的鋪設(shè)。一般以為主要就是電纜本身的成本,但是除了電纜本身外,它的鋪設(shè)、輔助設(shè)施(檢查井、配電設(shè)備)等,要比電纜本身貴很多,F(xiàn)在假定以某礦進(jìn)場(chǎng)公路為例:長(zhǎng)度10km,路寬18m。現(xiàn)每隔30m一盞,對(duì)面放置,一共需要666盞LED路燈,如果采用太陽能路燈的話,五年內(nèi)就可以回收成本還可以節(jié)省61萬元,五年以后每年的電費(fèi)就可以節(jié)省122萬元,隨著太陽能電池板價(jià)格的不斷下降,節(jié)省的費(fèi)用還要多。交流供電LED路燈和太陽能驅(qū)動(dòng)LED路燈費(fèi)用對(duì)照見表1。
論文就太陽能充電控制電路對(duì)蓄電池的充電方式、控制電路的功能要求和實(shí)際應(yīng)用方面做了分析,完成了硬件電路設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的科學(xué)管理,并將其應(yīng)用到煤炭進(jìn)場(chǎng)太陽能路燈系統(tǒng)中。
在本論文的設(shè)計(jì)中尚有許多需要改善的地方其中最主要的是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能效率以用的最大化,當(dāng)前最重要的方法是通過對(duì)太陽方位和高度的控制和對(duì)太陽能電池最大功率點(diǎn)的跟蹤來實(shí)現(xiàn)。太陽能電池是依靠太陽光輻射能而產(chǎn)生電能的器件同樣的一塊太陽能板由于放置的角度不同,所接受的光輻射能就不同,產(chǎn)生的電能就不同。因此為了提高太陽能電池電能的產(chǎn)量,可以讓太陽能板自動(dòng)的隨著天空中太陽的方位和高度的變化而跟蹤;為了讓太陽能電池的輸出功率達(dá)到最大除了采用太陽高度和方位跟蹤的技術(shù)之外,還有一種太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤。由于光伏陣列輸出特性的非線性特征,必須考慮使光伏系統(tǒng)在不同日照、溫度以及不同負(fù)載特性條件下都工作在光伏陣列輸出特性的最大功率點(diǎn)上或附近,從而充分利用太陽電池陣列吸收的太陽能。
表1 交流供電LED路燈和太陽能驅(qū)動(dòng)LED路燈費(fèi)用對(duì)照
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