太陽能路燈控制器

【專家解說】：1、系統(tǒng)介紹 1.1 系統(tǒng)基本組成簡介 系統(tǒng)由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱 （內(nèi)有控制器、蓄電池）和燈桿幾部分構(gòu)成；太陽能電池板光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統(tǒng)的抗風設(shè)計非常有利；燈頭部分以1W白光LED和1W黃光LED集成于印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發(fā)光源。 控制箱箱體以不銹鋼為材質(zhì)，美觀耐用；控制箱內(nèi)放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統(tǒng)選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利于系統(tǒng)維護費用的降低；充放電控制器在設(shè)計上兼顧了功能齊備（具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等）與成本控制，實現(xiàn)很高的性價比。 1.2 工作原理介紹 系統(tǒng)工作原理簡單，利用光生伏特效應原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時后，充放電控制器動作，蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。 2、系統(tǒng)設(shè)計思想 太陽能路燈的設(shè)計與一般的太陽能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環(huán)節(jié)更多。下面將以香港真明麗集團有限公司的這款太陽能LED大功率路燈為例，分幾個方面做分析。 2.1 太陽能電池組件選型 設(shè)計要求：廣州地區(qū)，負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)7天。 ⑴ 廣州地區(qū)近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經(jīng)簡單計算廣州地區(qū)峰值日照時數(shù)約為3.424h； ⑵ 負載日耗電量 = = 12.2AH ⑶ 所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A 在這里，兩個連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計最短天數(shù)為20天，1.05為太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，0.85為蓄電池充電效率。 ⑷ 太陽能組件的最少總功率數(shù) = 17.2×5.9 = 102W 選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標準電池組件，應該可以保證路燈系統(tǒng)在一年大多數(shù)情況下的正常運行。 2.2 蓄電池選型 蓄電池設(shè)計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數(shù)要簡單。 根據(jù)上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續(xù)工作7個陰雨天，再加上第一個晚上的工作，蓄電池容量： 12.2×（7+1） = 97.6 （AH），選用2臺12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。 2.3 太陽能電池組件支架 2.3.1 傾角設(shè)計 為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。 關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。本次路燈使用地區(qū)為廣州地區(qū)，依據(jù)本次設(shè)計參考相關(guān)文獻中的資料[1]，選定太陽能電池組件支架傾角為16o。 2.3.2 抗風設(shè)計 在太陽能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個需要非常重視的問題就是抗風設(shè)計?？癸L設(shè)計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設(shè)計，二為燈桿的抗風設(shè)計。下面按以上兩塊分別做分析。 ⑴ 太陽能電池組件支架的抗風設(shè)計 依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數(shù)選定為27m/s（相當于十級臺風），根據(jù)非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以，設(shè)計中關(guān)鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。 在本套路燈系統(tǒng)的設(shè)計中電池組件支架與燈桿的連接設(shè)計使用螺栓桿固定連接。 ⑵ 路燈燈桿的抗風設(shè)計 路燈的參數(shù)如下： 電池板傾角A = 16o 燈桿高度 = 5m 設(shè)計選取燈桿底部焊縫寬度δ = 4mm 燈桿底部外徑 = 168mm 如圖3，焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W 的計算點P到燈桿受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風荷載在燈桿破壞面上的作用矩M = F×1.545。 根據(jù)27m/s的設(shè)計最大允許風速，2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N?？紤]1.3的安全系數(shù)，F(xiàn) = 1.3×730 = 949N。 所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。 根據(jù)數(shù)學推導，圓環(huán)形破壞面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。 上式中，r是圓環(huán)內(nèi)徑，δ是圓環(huán)寬度。 破壞面抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3） =π×（3×842×4＋3×84×42＋43）= 88768mm3 =88.768×10－6 m3 風荷載在破壞面上作用矩引起的應力 = M/W = 1466/（88.768×10－6） =16.5×106pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa 其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強度。 所以，設(shè)計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質(zhì)量能保證，燈桿的抗風是沒有問題的。 2.4 控制器 太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池?；竟δ鼙仨毦邆溥^充保護、過放保護、光控、時控與防反接等。 蓄電池防過充、過放保護電壓一般參數(shù)如表1，當蓄電池電壓達到設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)。 在選用器件上，目前有采用單片機的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點和優(yōu)點，應該根據(jù)客戶群的需求特點選定相應的方案，在此不一一詳述。 2.5 表面處理 該系列產(chǎn)品采用靜電涂裝新技術(shù)，以FP專業(yè)建材涂料為主，可以滿足客戶對產(chǎn)品表面色彩及環(huán)境協(xié)調(diào)一致的要求，同時產(chǎn)品自潔性高、抗蝕性強，耐老化，適用于任何氣候環(huán)境。加工工藝設(shè)計為熱浸鋅的基礎(chǔ)上涂裝，使產(chǎn)品性能大大提高，達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求，其它指標均已達到或超過GB的相關(guān)要求。 3、結(jié)束語 整體設(shè)計基本上考慮到了各個環(huán)節(jié)；光伏組件的峰瓦數(shù)選型設(shè)計與蓄電池容量選型設(shè)計采用了目前最通用的設(shè)計方法，設(shè)計思想比較科學；抗風設(shè)計從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面；表面處理采用了目前最先進的技術(shù)工藝；路燈整體結(jié)構(gòu)簡約而美觀；經(jīng)過實際運行證明各環(huán)節(jié)之間匹配性較好。 目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環(huán)保節(jié)能相比，常規(guī)化石能源日趨緊張，并且使用后對環(huán)境會造成了日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現(xiàn)給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。 戶用光伏電源產(chǎn)品的質(zhì)量直接關(guān)系到用戶的利益。目前我們國家有標準；GBT19064～2003家用太陽能光伏電源系統(tǒng)技術(shù)條件和試驗方法對戶用光伏電源產(chǎn)品(以下簡稱產(chǎn)品)進行評價。該標準產(chǎn)品部件提出了相關(guān)的技術(shù)要求，對組裝成一體的產(chǎn)品整體性沒有評價標準。 2004年10月，lEC頒布了國際標準IEC62124獨立光伏系統(tǒng)一設(shè)計驗證(PhotovOItaic(PV1standa10nesystems—Des_gnvermcation)，該標準制定了對獨立光伏系統(tǒng)設(shè)計進行驗證試驗的程序，以及系統(tǒng)設(shè)計驗證的技術(shù)要求，從而可以對系統(tǒng)整體性能進行評估。 標準的范圍和目的 IEC62124標準所包括的技術(shù)性能測試方法和程序適用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨立光伏系統(tǒng)由多個部件組成，即使部件符合技術(shù)和安全標準，整個系統(tǒng)的技術(shù)指標是否滿足設(shè)計要求，仍需進一步驗證。該標準驗證了系統(tǒng)的設(shè)計和性能，并對系統(tǒng)性能進行評估。 系統(tǒng)性能試驗要求和抽樣 系統(tǒng)應依據(jù)本標準的試驗程序進行性能試驗。在試驗進行中，測試者應嚴格遵守制造商的操作、安裝和連接指示。性能試驗可以進行室外試驗，也可以進行室內(nèi)試驗。如果試驗現(xiàn)場的室外測試條件和標準中的模擬室外條件相似，可以進行室外試驗。如果差別很大，則建議做室內(nèi)試驗。試驗條件能夠覆蓋系統(tǒng)被設(shè)計和使用的主要氣候區(qū)。試驗需要同一型號的系統(tǒng)抽取兩個樣品，如果有一個系統(tǒng)在任何一種試驗中不合格，那么另一滿足標準要求的系統(tǒng)將重新接受整個相關(guān)試驗。如果這一系統(tǒng)也不合格那么該設(shè)計將被認為達不到驗證要求。 系統(tǒng)性能試驗系統(tǒng)性能試驗共分為三個階段：預處理、性能試驗、最大電壓時負載運行的適用性。 1.預處理預處理試驗的目的是為了確定系統(tǒng)正常運行時的HVD(蓄電池充滿斷開時的電壓)、LVD(蓄電池欠壓斷開時的電壓)。試驗前應按照制造商的說明對蓄電池進行預處理(如果在系統(tǒng)文件中說明蓄電池不需要預處理，則不進行此項工作)。如果光伏組件為非晶硅，則應進行光致衰降試驗。 2.性能試驗有6個步驟 (1)初始容量試驗(UBCO)：按照標準要求安裝好系統(tǒng)后，對蓄電池進行充電和放電，測量蓄電池容量，由此得到蓄電池的初始可用容量(UBCO) (2)蓄電池充電循環(huán)試驗(BC)：給蓄電池再充電; (3)系統(tǒng)功能試驗(FT)：主要驗證系統(tǒng)和負載運行是否正常; (4)第二次容量試驗(UBCl)：通過對蓄電池的充放電，測量蓄電池的第一次可用容量(UBCl)和系統(tǒng)的獨立運行天數(shù); (5)恢復試驗(RT)：確定光伏系統(tǒng)對已經(jīng)放電的蓄電池的再充電能力; (6)最終容量試驗(UBC2)：通過對蓄電池進行充電和放電，測量蓄電池的第二次可用容量(UBC2)。性能試驗6個步驟完成后，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制系統(tǒng)特性曲線，從而確定系統(tǒng)平衡點，并得出使系統(tǒng)正常運行的安裝地點的最小平均輻照量。 3.最大電壓時負載運行試驗驗證負載運行在高輻照度和高充電狀態(tài)下最大電壓值時的適應性。在這些條件下負載將運行1小時。負載應不會損壞。系統(tǒng)性能試驗從功能性、獨立運行性和電池經(jīng)過過放狀態(tài)后的恢復能力等方面進行了全面測試，從而給出系統(tǒng)不會過早失效的合理確認。性能試驗的合格依據(jù): (1)整個試驗中負載必須保持運行狀態(tài)，除非充電控制器在蓄電池過放電狀態(tài)下與負載分離(如果發(fā)生了LVD，應注明這個數(shù)據(jù)); (2)蓄電池容量的下降在整個測試期間不能超過10％; (3)恢復：系統(tǒng)電壓在“恢復試驗”中應表現(xiàn)為上升趨勢。、在整個恢復試驗中，充入蓄電池的總安時數(shù)(Ah)應大于或等于UBCl的50％; (4)在UBCl容量測試后，負載再次在第3個“恢復試驗”循環(huán)時或之前開始運行; (5)系統(tǒng)平衡點應和被定義的最小輻照量等級或低于此等級相匹配; (6)測量的獨立運行天數(shù)應和制造廠定義的最小獨立運行天數(shù)或更多天數(shù)相匹配; (7)根據(jù)制造商的技術(shù)指標，在高輻照度期間和高荷電狀態(tài)下，負載運行不會因電池產(chǎn)生的最大電壓而損壞; (8)在試驗期間不應有樣品發(fā)生任何不正常的開路或短路現(xiàn)象。