LED太阳能路灯整体设计方案

LED太阳能路灯整体设计方案太阳能电池方阵设计太阳能电池方阵设计中主要是太阳能电池的外特性。首先，对于单片太阳能电池来说，它是一个PN结，除了当太阳光照射在上面时能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下，它的额定输出电压为0..48V。在太阳能光伏发电系统中使用的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池组合连接构成的。它具有负的温度系数，对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件，温度每上升一度，电压下降2Mo1.太阳能电池方阵方位角与倾斜角从我国现阶段光伏发电成本来看，其花费在太阳能电池组件的费用大约为60%^70%o因此，为了充分有效的利用太阳能，如何选取太阳能电池方阵方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。为了让太阳能电池组件在一年中接受到的太阳辐射能尽可能得多，要太阳能组件选择一个方位角与倾斜角。太阳能电池方阵的放置形式和放置角度对系统接收到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到系统的发电能力。光伏组件方阵的放置形式有固定安装式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪装置包括单轴跟踪装置和双轴跟踪装置。1）方位角太阳能电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度），一般在北半球，方向朝向正南（方阵的垂直面与正南方向的夹角为0°）时太阳能电池发电量最大在偏离正南（本半球）30。时，方阵的发电量将减少约10%〜15%;在偏离正南（本半球）60°时，方阵的发电量将减少约20%〜30虬但是，在晴朗的夏天，太阳辐射的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。道路照明设计应根据道路和场所的特点及照明要求，选择常规照明方式或高杆照明方式，常规照明灯具的布置可分为单侧布置、双侧交互布置、双侧对称布置、中心对称布置和横向悬索布置五种基本方式，如图1.采样常规，，照明方式时，应根据道路横断面形式,、宽带及照明要求进行选择，并应符合下列要求：(1)灯具的悬挑长度不宜超过安装高度的l?4o(2)灯具的仰角不宜超过15°。灯具的布置方式、安装高度及间距可按表1经计算后确定。表1灯具的配光类型、布置方式与灯具的安装高度、间距的关系配光类型截光型半截光型非截光型布置方式安装高度H(m)间距S(m)安装高度H(m)间距S(m)安装高度H(m)间距S(m)单侧布置H》WS《3HH》1.2WS《3.5HH》1.4WS《4Heffeffeff双侧交互布置H》0.7WS《3HH》0.8WS《3.5HH》0.9WS《4Heffeffeff双侧对称布置H》0.5WS《3HH》0.6WS《3.5HH》0.7WS《4Heffeffeff注:W为路面有效宽度(m)oeff采用高杆照明方式时，灯具及其配置方式，灯杆安装位置，高度，间距以及灯具最大光强的投射方向，应符合下列要求。(1)可按不同条件选择平面对称，径向对称和非对称三种灯具配置方式。配置在宽阔道路及大面积场地周边的高杆灯宜采用平面对称配置方式;布置在场地内部或车道布局紧凑的立体交叉的高杆灯宜采用非对称配置方式。(2)灯杆不得设在危险地点或维护时严重妨碍交通的地方。(3)灯具的最大光强投射方向和垂线交角不宜超过65。。(4)市区设置的高杆灯应在满足照明功能前提下与环境协调。(2)太阳能路灯设计计算根据以上要求，3安装高度H》0.5W,灯杆高度为6.5m;路灯光远距离为6m,照明灯eff具布置以双侧交错布置，地面高度要求151。照明时间每日10h,连续阴雨天2〜3d,后x半夜半功率工作。灯杆间距20m,2000m道路需要20套。根据以上数据可得路灯光源功率=EXA/(UXKXn)=(15X20)?(0.95X0.90X80)=30(W)rF式中，E为平均照度(1);U为光通量利用系数，一般灯具U取值0.8〜0.75(LED灯具利用xrFF系数取值0.95);K为灯具维护系数，一般灯具取值0.6〜0.7(LED灯具取值0.90);A为照明面积(？)；n为光效，LED灯具取值801。m太阳能光伏电池总容量卬=负载功率又负载工作小时数?4*1.05=30X10?4XI.05=78.75(W)p实际选择晶体硅太阳能电池组件为80W,每组方阵额定工作直流电压为32V;每组方阵开路直流电压为32V;每组方阵为40W电池板2块串联;每组方阵电池板功率为80W;总共需要2组2X40W并联;单块光电池组件规定为S-40W;XX表成功率为40Wo系统直流侧额定电压设计为24V,由24V/节的VRLA蓄电池组成。负载用电每天按10h设计，连续阴雨2〜3d,控制系统采用24V直流供电，系统电源效率95%,放电深度60%,则30W?24VX10hX(3)?0.6?0.95=70A?h(24V)在设计中实际采用24V/70A?h/节蓄电池，适合路灯照明少维护的特点。电气系数参数见表1,结构系统参数见表2。表1电气系数参数30W高亮LED路设计光源30W高亮LED路灯设计光源灯光通量801m/W光源寿命大于7万h单块晶体硅太阳能电总光通量24001m80W池单节免维护蓄电池规光色暖白色24V/70A-h格对路面平均251x控制其规格60V/10A照度表2结构系统参数灯管高度6.5m组件支架优质钢材光源度6m表面处理冷镀锌设计灯管间距20m灯管预埋件优质圆钢设计安装数量（套）200灯杆基础C25混凝土浇筑灯杆材料优质冷轧薄板在不同的季节，各个方位的日辐照量峰值产生时刻是不一样的。太阳能电池方阵的方位稍微向东或向西一些都有获得最大发电量的时候。方阵设置场所受到很多条见的制约，如果要将方位角调整到在一天中负载的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，可参考下式：方位角力一天中负载的峰值时刻（24小时制）-12]乂15+（经度-116）2）倾斜角太阳能电池方阵通常是面向赤道放置，相对于地平面有一定的倾角。对于全年负载均匀的固定式太阳能电池方阵，如果设计斜面的辐射量小，意味着需要更多的太阳能电池来保证相太阳能电池供电;如果各个月份太阳能电池方阵面接收到的太阳辐射量差别很大，意味着需要大量的蓄电池来保证太阳辐射量低的月份的用电供应，这些都会提高整个系统的成本。因此，确定太阳能电池方阵的最有倾角是发电系统中不可缺少的一个重要环节。目前有观点认为，太阳能电池方阵倾角等于当地纬度为最佳，但这样做的结果，夏天太阳能电池组件发电量过盈而造成浪费，冬天时发电量又往往不足而使蓄电池处于欠充电状态，所以这不是最佳的选择。也有观点认为，太阳能电池方阵倾角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好，推荐太阳能电池方阵倾角在当地纬度的基础上再增加15°〜20。。最佳倾角的概念，在不同的应用中式不一样的，在独立发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制要综合考虑太阳能电池方阵平面上太阳辐射量的连续性，均匀性和极大性，而对于并网光伏发电系统中通常总是要求在全年中的到最大的太阳辐射量。设计中希望得到太阳能电池方阵在一年中平均发电量最大时的最佳倾斜角度，而一年中的最佳倾斜角度与当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角度和积雪滑落的倾斜角度（斜率大于50%〜60%）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，对于正南，倾斜角从水平开始逐渐向最佳倾斜角过渡时，其日辐射量不断增加到最大值，然后再增加倾斜角，其日辐射量不断减少。特别是在倾斜角大于50°〜60°以后，日辐射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时，发电量下降到最小。对于方位角不为0°的情况，斜面日辐射量的值普遍偏低，最大日辐射量值在于水平面接近的倾斜角附近。太阳能电池方阵倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑：(1)连续性。一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的，多数是单调升降，个别也有少量起伏，但一般不会大起大落。(2)均匀性。选择倾角，最好使方阵便面上全年接收到的日平均辐射量比较均匀，以免夏天接收到的辐射量过大，造成浪费;而冬天接收到的辐射量太小，造成蓄电池过放造成损坏，影响系统供电稳定性。(3)极大性。选倾斜角时，不但要使太阳能电池方阵辐射量最弱的月份获得最大的辐射量，同时要兼顾全年日平均辐射量不能太小。可用一种较近似的方法来确定太阳能电池方阵倾角。一般在我国南方地区，太阳能电池方阵倾斜角可比当地维度增加10°〜15。；在北方地区，倾斜角可比当地维度增加10°〜15。，纬度较大时，增加的角度可小一些。在青藏高原，倾角不宜过大，可大致等于当地纬度。同时，为了太阳能电池方阵支架的设计和安装方便，方阵倾角常取成整数。以上所述为方位角，倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计，某一太阳能电池方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。4太阳能控制器工作原理及功能4.1控制器的基本工作原理太阳能电池的输出特性曲线如图所示。太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随时改变。然而当光强度一定时，太阳能电池输出的电流一定，可认为是恒流源。因此，必须研究和设计性能优良的光伏控制器，才能更有效的利用太阳能。1.0100mV/cm,25?0.81.2Pmax0.60.80.40.50.200.20.40.60.8输出电压（归一化单位）图4.1.1太阳能电池的输出特性曲线太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充放电控制器对蓄电池充电，同时供给负载用电。充放电控制器的功能主要有两个，一是对蓄电池的充放电保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是储能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电；二是提供稳定的直流电压源给逆变器或直流负载使用。4.2太阳能LED路灯控制器太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最重要的部分，也是与各种路灯系统最大的区别所在。控制器设计的性能如何，决定了一个太阳能路灯系统运行情况的优劣。所以设计功能完备、结构简单的智能太阳能光伏路灯控制器是非常重要的。控制器需要实现的功能有:天黑时自动开灯;天亮时自动关灯;在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电;并要具有短路保护、反接保护等。控制器不仅担负对整个太阳能路灯的状态控制，还得确保系统的安全运行。4.2.1LED路灯控制器的硬件结构LED路灯控制器的硬件结构框图如图2所示，主要构成包括以下部分。(1)电流、电压采样模块。根据系统的功率，可以采用电阻组件或互感器，如国产CT系列互感器、GMR电流互感器等，其一次测电流可按C/5(C为蓄电池容量)设计。(2)电源模块。由蓄电池提供电源，通过78XX等电源芯片为MCU提供稳定的工作电源(2.5~6V)。(3)键盘输入。可采用标准的行列键盘(或在光伏系统中预留接口，在需要设定时接入)，也可定制专用的薄膜按键。(4)LCD显示。由于液晶显示器具有功耗极低，体积小，重量轻等特点，所以适用于蓄电池供电的系统。(5)远程通信接口。系统采用异步串行通信，在MCU内部设有异步串行通信口。可用软件来控制异步串行通信(RS,232标准的异步串行通信)。(6)MOSFET控制模块。CMU的系统逻辑控制信号，通过MOSFET控制模块形成MOSFET的门极控制电压，来完成对系统的状态保护及逻辑控制。此外，考虑系统可适用于不同的功率，对于所使用的MOSFET和大功率开关管都留有充足的余量，来满足不同系统的要求。同时系统中还设置了LED指示器，以便于直接观察系统的状态和出现的问题。光伏电流采样模块输入电蓄压电键盘输入采池样模MCU块电LED源模MOSFET控制模块块远程通信接口图2LED路灯控制器的硬件结构框图2（LED路灯控制软件对于具体的LED路灯控制软件基本的主程序在初始化时完成MCU的I/O设置和中断设置，再循环等待过程中，采集判断系统所处状态，并进入相应状态的处理子程序，同时等待键盘输入和串行通信起始位，流程图如图1所示初始化（键盘、LED的I/O口配置，中断设置及相应寄存器的初始化）请看门狗采集判断系统所出的状态并进入相应的处理子程序，同时等待键盘输入，串行输入的起始位图1流程图异步串行通信是通过设置I/O口，以软件形式来异步串行通信。同时系统通过键盘的输入，来控制LED的显示内容，由LED在线显示系统所处的状态，表明系统充电或放电状态。也可选择显示蓄电池电压、容量及充放电电流的大小，所有这些数据可在需要时通过串行通信传送给上位机进行进一步的处理，可远程监控LED路灯控制系统的状态。这部分程序流程可参考通用的异步串行通信程序和液晶显示程序。在软件编程时需注意的事项：(1)用较少的按键来实现诸多功能，如负载工作模式的设置，伏在工作时间的设定，还有自检功能等。(2)键盘在定时中断服务程序中读取，用中断间隔时间实现键盘的去抖动，不必编写另外的演示程序，提高CPU的利用率。(3)环境光线(闪电、礼花燃放等)对太阳能电池组件的采用电压有明显影响，在对白天、黄昏的识别时，要进行软件延时，一般控制在2~3min。(4)外部中断为高级优先中断，编制子程序实现负载过流、短路保护时，要充分考虑到伏在启动瞬间会产生数倍于额定电流的冲击电流，冲击电流维持时间在3〜5nls左右，应在软件上采取措施，避免与负载开启的误判。(5)为保护负载(灯具)，蓄电池过放保护恢复时，应用软件设置一个回差电压，这样负载开关不会出现抖动现象，有利于延长灯具的使用寿命。3(太阳能路灯控制器的主要功能太阳能路灯控制器的主要功能包括两个功能:蓄电池充电及蓄电池给LED供电。(1)蓄电池充电当系统检测到环境太阳光线充足时，控制器就会进入充电模式。蓄电池充电主要有两个比较重要的电压值:深度放电电压和浮充电电压。前者代表蓄电池充电的最高电压，这些参数可从蓄电池产品手册上查到。在电路设计中针对12V蓄电池，分别设置深度放电电压为UV和浮充电电压为13.8Vo具体充电模式见表1所示。表1蓄电池充电模式蓄电池电压VBAT控制器工作描述涓流充电模式，采用MPPT算法优化太阳能电池欠压保护值〈VBATG1V输出功率，充电电流最大限制在0.5A恒流充电模式，采用MPPT算法优化太阳能电池11V<VBAT<13.8V输出功率，充电电流最大限制值取决于太阳能电池最大输出功率VBAT>13.8V恒流充电模式，确保蓄电池电压稳定在13.8V从表1可以看出恒流充电模式会用到MPPT算法，MPPT算法有很多种方式可以实现，总的来说各有优劣，设计中采用相对简单的扰动观察法来实现。这种方法是通过增大或者减少充电电路开关信号PWM占空比，然后观察输出功率是变大还是变小，由此来决定下一步是增大还是减小占空比。由于太阳能电池的输出变化相对比较缓慢，而且是单级点，所以采用这种方式可收到比较好的效果。(2)蓄电池给LED供电当系统检测到环境太阳光线不足时，就会进入蓄电池给LED