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太阳能LED路灯系统研究与应用

作者:admin  来源:www.zznled.com   更新时间:2017-09-30  阅读数:197


1.1  太阳能LED路灯方案

太阳能LED路灯由太阳能电池(在物理学上称为太阳能光伏photovoltaic,PV)、风力发电机、蓄电池(storage batteries)、控制器(controller)、逆变器(inverter)、LED路灯、安装支架和灯杆等部件组成,按结构组合分为风光互补、市电互补和独立式等类型。

受太阳光照射分布密度、光照时间、连续阴天及雪雨天气等因素的制约,通常会对PV或蓄电池的容量进行精准的计算,采用风光互补或市电互补来保证项目照明需求。
1.2  产品标准

查阅我国现行标准,太阳能LED路灯的安全应符合GB 24460-2009《太阳能光伏照明装置总技术规范》标准要求,整体结构具有足够的强度承受10级风荷载试验,防护等级不低于IP54,4m以上高度的灯杆应具有良好的防雷和接地保护措施,接地电阻应小于30 Ω,带电体与金属部件之间绝缘电阻应大于2 MΩ,箱体需设计成使用专用工具才能打开的结构[2]。

在产品设计或确定方案时,组件应符合相应国家标准的要求,无相应国家标准时,应按IEC标准、行业标准、联盟标准或企业标准要求执行,以保证产品的安全及性能符合标准要求。


PV应符合GB/T 9535-2006《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》标准要求,固定型阀控式铅酸蓄电池应符合GB/T 19638系列标准相应要求,通用阀控式铅酸蓄电池应符合GB/T 19639系列标准相应要求,控制器和逆变器应符合GB/T 26849-2011《太阳能光伏照明用电子控制装置性能要求》标准要求,LED路灯应符合GB 7000.1和GB 7000.5标准要求,灯杆和安装支架等部件应符合GB 24460-2009标准的第6.5条要求。

1.3  太阳能电池

PV是通过光电效应或者光化学效应把光能转化成电能,当一定光照到就可输出电压及在有回路的情况下产生电流的1种光电半导体组件,并具有一定的防腐、防雨、防冰雹及抗风能力。


PV按结晶状态可分为结晶薄膜式和非结晶薄膜式两大类,前者又分为单晶硅和多晶硅,目前产业化N型单晶PV的转换效率约为21 %-24 %,P型单晶PV的转换效率约为18.7 %-19.2 %,多晶PV转换效率约为17 %-17.5 %,美国特拉华大学(University of Delaware)最新研制的超高效硅PV采用1种新型横向光学聚焦系统将转换效率提升到42.8 %,比P型单晶PV高出约1倍。

PV的开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子和转换效率等指标是衡量性能优劣的基准,为防止串联中被遮蔽的PV出现热斑效应,在正负极间并联1个旁路二极管,避免受光组件所产生的能量被遮蔽PV所消耗。

1.4  蓄电池

蓄电池作为太阳能LED路灯的储能单元,PV将接收到的有效光能转换为电能输入蓄电池进行储存,在照明需要时为LED路灯提供电能。


通常单体蓄电池具有过压、欠压和过温异常保护,以及过充、过放和过流等保护功能,充电时使电池内部活性物质再生(把电能储存为化学能),需要放电时再把化学能转换为电能。

从使用和维护成本来看,钠硫蓄电池需要持续供热,全钒液流电池(vanadium redox flow battery)需进行流体控制无疑增加了成本,而且这2种蓄电池未形成产业化,锂离子电池具有较强的竞争力但价格昂贵,几乎不需要维护的优势在高端项目中得到大量采用,根据国内外太阳能LED路灯应用现状及成本考虑,方案通常会采用成本适度及免维护的铅酸蓄电池,知名品牌铅酸蓄电池在频繁充放电的情况下约3年使用寿命。

1.5  控制器

控制器是太阳能LED路灯的核心部件,一方面控制蓄电池的充放电保护蓄电池不会过度充电,另一方面根据PV接收日照强度及负载的变化对蓄电池组的工作模式进行切换和调节,并将蓄电池的电能恒流后分配给负载LED灯。



控制器对系统工作的连续性和稳定性起到关键作用,应符合现行国家标准GB/T 26849对最大空载电流不应超过其额定电流1%的低功耗要求。具有智能控制功能的控制器和协调器利用无线通信(wireless communication,WC)或电力线载波(power line carrier ,PLC)技术形成系统组网,实时掌握LED路灯及环境状况及进行数据分析与处理,并根据LED路灯及电能状况发送控制指令,实现LED路灯组网后的照度和电能分配的智能监测与控制,改变太阳能LED路灯分散独立控制的现状,运用无线组网及智能控制的系统见图2。[3] 


(1)运算处理:控制器采用微处理器(advanced RISC machine,ARM)对采集模块传输的数据进行运算分析并发出适当的决策指令。ARM对蓄电池与PV之间的充放电控制,在PV不能正常向负载供电时,通过控制器上的充放电及供电切换、稳压、短路保护和软启动等控制保持对负载供电的稳定性,控制中心将掌握系统内所有终端的运行状态,并可用遥控器进行多种运行模式及数据的设置。[4]

(2)控制数据采集:控制器的数据采集包括对PV的工作状态、蓄电池的储电数据和LED路灯工作状态数据的收集。控制器的采集模块分别对电压、电流、温度和环境光照进行实时采集,并将其提供给微处理器进行运算分析并处理。电压电流采集的电路受到ARM处理器的控制,可控制均衡电路进入工作状态,系统运行模式和参数等重要数据都可保存在数据储存器内,停电后也不会丢失。



(3)负载控制:控制器对LED路灯进行分时间段亮度控制达到二次节能的目的。系统设计多路负载输出,电路的输出均有独立的控制与检测功能,当P0.6=1时三极管导通后继电器闭合时MOS管导通后蓄电池向LED路灯供电,当夜晚12点以后控制器将LED路灯降低一半功率,当PV输出电压高于8 V(根据项目需求设置)时控制器切断对LED路灯的供电。

(4)充放电控制:控制器根据蓄电池电压的高低来控制充电电流及是否向LED路灯供电,确保蓄电池处于饱满状态,并防止蓄电池过充、过放及夜间向PV反向充电。控制器采用最大功率追踪技术(maximum power point tracking,MPPT)对蓄电池进行快速充电,在启动时运用MPPT控制输出的1个固定占空比D=1/2,当输出频率在200 K时采用干扰探测法,以1个固定步长改变占空比,检测到输入功率上升则继续增加占空比,当功率降低则减少占空比找到一个临近点,根据功率的变化率来调整步长,将PV发出的直流电有效地贮存在蓄电池中。控制电路中还配置了防反充肖特基二极管,在PV电压低于蓄电池电压时,避免蓄电池向PV进行反充电,在蓄电池反接时电路会自动断开起到保护作用。



1.6  LED路灯

LED路灯耗能是影响系统效率的重要因素之一,随着技术的进步,LED已突破160 lm/W光效,根据典型的道路照明需求将透镜设计成大角度、宽可视角及蝙蝠翼形二次光学配光系统完全满足CJJ 45-2006《城市道路照明设计标准》对照明质量的要求,LED路灯采用翅片自然对流散热结构设计,使空气流过散热片通风道提高LED模组的散热效率,防水防尘等级达到IP67的独立模组LED路灯见图3,产品模组化设计提高了关键件的复用率及适合大批量生产。


1.7  灯杆及结构件

基于太阳能LED路灯可能长期应用在高湿度及含盐量高的海岸区域,灯杆和安装支架等结构件应采用Q235钢,表面热浸镀锌后再喷粉处理,确保能通过至少72 h盐雾测试满足户外使用5年以上的质保期。热浸镀锌应符合国家标准GB/T 13912-2002《金属覆盖层钢铁制件热浸镀锌层技术要求及试验方法》要求,如果灯杆和支架抗风系数选定为27 m/s(相当于10级台风),其结构设计应能承受迎风压强为2700 Pa,同时要考虑雪荷载和承受轻度地震等要求。另外PV安装支架应设计成最佳倾角和任意方向可调结构,确保太阳能LED路灯安装使用的最大利用效率。

2. 技术难点

2.1  能量互补

在实际应用中受自然条件的影响,某1太阳能LED路灯长期处于背阴或云层遮挡时,
蓄电池将处于欠压状态并导致LED路灯不亮影响照明。图4能量互补方案在每盏LED路灯配置智能控制模块,采用WC或PLC技术对LED路灯进行组网管理,协调器通过多种通信方式将所有LED路灯的运行信息发送到远端的监控平台,系统在获得某两个LED路灯的能源均衡控制信息后,通过ZigBee无线组网智能管理功能,应用优化能源互补运算法则向相关的测控模块发出能源均衡控制信号,对应的测控模块收到命令后开启连接的两个功率MOS管,让高电量的蓄电池向低电量的蓄电池充电,达到充分合理分配能量的智能管理模式,实现对每台LED路灯实时监控及采集数据并分析处理,解决系统内LED路灯之间电能差异的调配。[5]
 

2.2  特定日照

由于太阳能资源受地理环境及气候条件的影响,不同地区的太阳能资源均不相同,而精准的系统配置计算则是太阳能LED路灯控制系统设计的关键点,因此斯派克光电通过项目经验积累提出太阳能发电系统匹配的计算方法,给出更符合实际应用的计算发电量公式。

系统利用所在地区的太阳辐射气象资料,计算PV组在12个月份的发电量,以全年12个月能量功率平衡进行系统匹配计算,避免人为插补或离散数据引入的误差,搭建PV、控制器和蓄电池组成的太阳能LED照明系统。



通过无线方式将控制器组网连接,搭建无线数据采集平台,利用系统平台按周期完成光数据采集,根据数据分析绘制出不同光照条件下发电功率分布曲线,配置相应软件实现项目的准确评估。[6]

2.3  蓄电池优化

蓄电池长时间处于低电量状态将会造成不可逆转的容量下降,通常控制器是通过检测蓄电池的内阻来调整充放电时间保证使用寿命,但蓄电池的内阻随着容量的不同,呈现的变化曲线差异较大,往往影响测量结果的准确性。



试验证明,控制器内置电流和电压两个变量的存储单元,随时记录充放电的电流和电压值,通过积分的方式检测电池的容量,三个月1次深循环充放电,控制器对蓄电池的实际容量进行修正和调整,并根据蓄电池的工作状态采用不同的控制模式,当电压低于下限值时直接进入保护模式或调整输出功率来保护蓄电池。

2.4  可靠运行

太阳能LED路灯的各组件选用工业级的优质元器件按严格的生产工艺制造,适合在恶劣条件下可靠运行。控制器配有专用的远程监控软件及遥控器,可根据地理环境现状对系统进行设置及修改运行模式,控制器具有完善的保护功能,防止PV反接和蓄电池的过充、放电及防反接,负载短路过载,防雷等。同时控制PV对蓄电池进行安全高效的充电,为不同特性负载LED路灯提供适应的恒流输出。


3. 市场推广及应用

太阳能资源的分布与各地区的海拔高度、地理状况和气候条件密切相关,我国属于太阳能资源十分丰富的国家之一,总辐射量约在930-2330 MJ/m²之间,全国总面积2/3以上地区的年日照时间大于2000 h,大部分地方全年都有2/3以上的晴好天气可以使用太阳能。[7]


绿色环保的太阳能资源可持续利用,加上LED的节能环保,以及独立式太阳能LED路灯无需架线铺缆等特点,具有显著的节能减排效果,在国内外得到大量的应用。

太阳能LED路灯受到越来越多的应用及关注,高效节能与绿色环保的特点将成为更多市政道路改扩建工程的最佳选择,在广场、校园、公园、街道和电能匮乏的偏远地区具有良好的推广与应用空间。

2015年12月斯派克光电承担了中国政府赠安提瓜和巴布达的2000套太阳能LED路灯项目,图5为我国驻安提瓜和巴布达任共平大使、安提瓜和巴布达总理加斯顿·布朗和斯派克光电总裁吴峰等代表出席项目的交接仪式,安提瓜和巴布达总理加斯顿·布朗表示将引进更多的高效节能太阳能LED照明产品,加强与中国在绿色能源利用等方面的合作。


结语

再生能源重复利用是节能减排的基准,也是我国新能源产业落实国策的重要举措,积极推广太阳能LED路灯应用的同时,应结合当地太阳能资源情况,按PV的工作特性和运行规律进行系统设计,避免系统不能按预期目标正常运行。我国是人口密集的耗能大国,应结合当前能源问题的严峻性在项目方案的结构硬件和控制软件相结合进行恰当的优化设计,利用智能控制技术优化控制管理实现二次节能,促进新能源和再生能源的应用。

                         文章源自:Led路灯厂家         www.zznled.com
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