基于太阳能系统和LED灯的自主街道照明系统.doc

基于太阳能系统和LED灯的自主街道照明系统摘要-这项工作提出了一个自主的街道照明系统，其使用太阳能作为主要能源，电池系统作为辅助能源，发光二极管（LED ）作为光源。这个系统被作为一个备选方案应用于偏远的地方，如道路和十字路口等。此外，由于所有的发电厂都使用直流电流，系统同时提出了高效率的方案，并设计出了新的LED灯具以取代70W高压钠灯（HPS），设计也考虑到人眼在暗处对灯光的适应问题。本文还介绍了LED的驱动器和电池充电器的实验结果，电池充电器有三种控制模式：最大功率点跟踪（MPPT）模式，恒流模式和恒压模式。控制方式取决于电池的状态（充电/放电）以及太阳光照强度。在电池充电系统中还详细分析了输入阻抗，以确保获MPPT模式可以在任何光照条件下运行。一、引言如今，在巴西的电厂占主导地位的是水力发电系统。产生这种情况的原因是巴西巨大的水力发电潜力。然而，由于国土面积很大，建立完善的能源利用系统将会是一项非常庞大和昂贵的工程。而且，在这个巨大的发电输电系统覆盖面意外，还有很多地方会没有能源供应。这项工作的目标是在那些偏僻的地方，建立一个使用替代能源的路灯照明系统，使其具有自主、高效、寿命长等诸多优点。此外，该方案也可以替代那些传统的街道照明系统，应用于市中心地区。在过去的20年内，由于成本较低的优势，太阳能的利用以每年2025的速度保持持续增长。成本下降主要是由于1）太阳能电池的效率提高; 2）制造技术的发展与改善；3）制造规模的扩大。就自主的路灯照明系统来说，最好的解决方案是太阳能系统，因为其寿命长、安装方便、模块化。如今主要应用于街道照明的灯具类型是高压气体放电灯，如水银灯，高压钠灯，金属卤化物灯等。高压气体放电灯需要一个镇流器以启动电灯并使之持续发光，这是常用的电磁手段。传统的照明系统正逐步被发光二极管（LED）所取代。在以前，LED主要应用于信号灯系统，而非照明系统。然而，最新的技术已逐步改善了LED灯的效率和色彩质量问题，这让它们开始广泛的应用于照明系统。LED灯应用于照明系统的主要优势为：更长的使用寿命（10万小时），与之相对应的是太阳能电池板的较长寿命（高于25年）；同时在线路中不再使用镇流器，从而提高了电路的效率，并降低了其成本。如今在文献中可以找到许多LED灯在路灯照明系统中应用实例。图1举例给出了光伏太阳能电池板系统，在白天通过DC/DC转换器为电池充电。此转换器被MPPT算法所控制。在夜晚，通过驱动电路由电池为LED灯供电，在必要时提供足够的电流值并调节灯光亮度。可以看出，整个系统的工作方式是直流，避免了能源的浪费和逆变器功率因数损耗。二、LED照明系统在该项目中，LED灯具使用的数量是一个极其重要的需要考虑的变量，因为太阳能光伏面板的规格和电池容量大小都是基于这个变量设计的。系统所需的LED灯数量取决于以下因素：需要替换灯的数量；光照强度和人眼对于光照的反应；LED灯的模型。 图1：系统模型A：需要更换的灯目前，公共照明系统主要采用高压钠灯（HPS），而不是LED灯。因此，一个清晰有效的的基于LED的照明系统设计很难在文献中发现。在此项工作中，提出了一个以LED灯为基础的，与普通照明系统标准等价的设计方案。作为一个特例， 70W高压钠灯被一个有着同样的发光效率的LED灯所取代，其符合Vialox Nav-E标准的欧司朗灯泡模型。图2所示的是一个近似的灯光谱功率分析图。系统中一些其他重要特征参数为：光通量=5600lm 显色指数 25 平均寿命= 28000h 灯具效率= 80% B.亮视觉与暗视觉人眼之中有两种类型的感光细胞，视杆和视锥细胞，都负责将视觉信号发送给大脑。在高强度的光照条件下，例如在日光下，视锥细胞起主要作用，将视觉信号进行转变。在光线强度较低的条件下，视杆细胞起主要作用。在中等的光照条件下，两种细胞都发挥作用，负责处理人眼感受到的视觉信号。图3给出了人眼对各个波长的光的灵敏度。在目前，能检测出光源光照强度大小的测光系统，是由视力条件决定的。换句话说，需要换上的灯泡，必须有5600流明（标称光通量在白昼）视力条件。然而，就像在这项工作中所说的那样，在处理偏远地区的公共照明系统时，人眼的视力条件必须充分要考虑。一个感性的等价无端子（白昼）在一个特定的视觉条件下的光通量被称为有效的助焊剂或有效流明。图2：普通灯具功率分布图图3：人类在不同光照条件下对光线敏感程度曲线C. LED灯型号的选择如今，市场上出售种类繁多的各种高功率LED灯，因此，需要仔细选择一个符合要求的类型。最常见的发出白光的方法是在灯上涂一层蓝色的LED荧光粉，当受到蓝色光的激发时，便会发出广泛的光谱，形生白光。用这种方法，使用不同的数量的荧光粉，可以让LED灯发出冷白，中性白，暖白三种白光。冷光LED灯被认为是最高效的发光方式，因为它们需要较少磷，而且产生光的波长更接近人类视觉灵敏度的峰值。因此，在这里选择冷光LED灯。同样需要注意的是市场上的LED灯有350，700和1000MA几种规格（额定平均电流） 。通过市场调查可以得知，在高功率的LED灯中，在700MA的LED灯性价比是最高的。因此，系统中选用Luxeon Rebel 冷光灯，其参数为145lm700 mA。图4给出了其近似光谱能量分布。这种灯的一些其他重要参数为：光照强度145lm。显色指数 70 。平均寿命为50000小时。灯具效率= 100 。平均功率= 2.4 W。图4：白光LED灯功率分布图D. LED灯的安装设计光源效率可以由此源的光谱分布来衡量（图2和图4）加权人类视觉的光谱灵敏度功能（图3）。就像在第二节B段所讨论的那样，人眼的视觉感知取决于光照强度和视觉条件（亮或暗），额定光通量通常是一个源（市场标准）明视人类视觉灵敏度的考虑确定。在本节中，LED灯的数量取决于在较暗的条件下，更换上的灯泡的效率，和之前所用灯的效率。在特定的光照条件下，光源的效率可以被由人类视觉灵敏度所决定的光谱来衡量。这种方法产生了图中被称为高效光源的优点：lmefcond,source=Psource,Vcond,d (1)其中cond是照明条件（亮或暗），source表示光源，是波长，P（source，）是功率谱分布函数，v（ cond，）是在特定条件下人类视觉的光谱灵敏度。应当注意到是，当制造商标注功率谱的分布特征时，通常会对应到一系列的光源，通常可以呈现不同的额定功率和光照强度。就像在图2和图4 说明的那样，这些参数是为了符合市场规范化的标准。因此，它是必要的功率谱通过不断的名义，导致加权bution光通量值（在较亮的条件下的照明效率）。对将要替换掉的灯来说，最有效的照明效果是，较亮和较暗淡光照条件之比约为0.73（1）。这个值表示一个符合Vialox Nav-E标准的光源，其效率的73被利用在较暗的使用条件下，有效的光源光照近似值为4088lm。在相同的条件下，一个类似第二节C所表述的LED灯在应用时，这个值约为2.23，这代表了在较暗条件下LED灯的效率为传统灯的2.23倍。这一结果表明，这种LED在较暗条件下的光照有效值约为323lm。在这项工作中，为了取代Vialox灯，通过观察可知，新的灯在较暗条件下照明强度应为4088lm。因此，选择13个LED灯是足够达到所需的光照强度的。考虑到LED灯在其寿命中会有20 的光照强度损失（理论上），LED灯的数量必须提高到15个。最后， LED灯的额定使用温度为25，当温度升高时LED灯会出现损耗，因此，在论文中 LED灯的最终数量被提高到20个（30的安全余量）。三、LED灯驱动器设计LED驱动器的设计，取决于由电池提供的24伏输入电压；LED灯的数量（输出功率）和它们之间的连接线路。第二节中已经确定，系统中采用20个LED灯就能满足要求。 LED灯的连接方式采用简单且成本低串联连接。然后，其他一些设计参数如下：输入电压： 24 V DC 。输出： 68V DC， 700mA，47.6 W。开关频率：50kHz 。输入电流波形： 25 。电源转换器的选择，将基于上述LED灯的参数设计。在众多的电源转换器备选方案中，具有构造简单和较低成本的压转换器被采用。图5给出了转换器的电路图。图5：LED驱动器设计-增压转换（50W50kHz）A实验结果为了证明之前部分的理论分析，在此建立了一个实验模型。图5表一中所示的是此转换器的一些设计公式和驱动程序的参数，这些数据在很多文献中都可以找到。表1：LED驱动器参数图6显示了转换器的输入电压和电流，和与之对应电池的输出电压和电流的波形。图7显示的是LED灯的电压和电流，通过这个图可以发现， LED的瞬间电流小于1A ，1A正是制造商提供的最大的工作电流。图6：电池电压和电流图7：电池电压和电流为了测量功率的大小，使感应电阻短路。然后可以得到，Pin= 47.6 W，Pled = 44.2 W，转换器的效率为93 。四、电池组考虑到每个需要使用的组件，电池成为光伏发电系统中最昂贵的组件，占光伏系统初始安装成本的15，如果考虑到维护成本这一数字甚至高达46。这项巨大的开支主要是由于相对其他系统组件来说，电池的寿命太低。在每天的工作中，电池不断的充电和放电，使其成为系统的使用寿命中消耗的最昂贵的元素。在这里，建议的充电方法，是电流和电压（IU），如图8所示。电流的大小直接影响到电池的充电时间，所以在电池充电时电流应提高到百分之二十。在这种特定情况下，并考虑到白天太阳光照强度的变化和可利用率，因此，电池组充电应该有三种不同的模式：如果当前电流比0.1CAh低，为了向电池组提供最大电流，转换器将寻找最大功率点（MPPT）（在电流水平下的部分，见图8）。如果当前电流比0.1CAh高 ，转换器将会把电流限制到0.1CAh ，并停止寻找最大功率点。如果电池已充满电，算法便将电压水平控制在一个恒定的数值，以保持电池的充电状态。图8：建议的充电方式MPPT算法的也不断被改进。图9显示了一个使用中的电池充电控制算法。该算法包括由三个控制回路：- 电流回路： PI调节器的电流标准为0.1CAh（5A）;- 电压回路： PI调节器的电压标准为2.2V/cell（26.4V）;- MPPT回路。此外，在电压回路内，系统同时检测回路内的电流，以便发现回路中出现的问题（例如：电池的损坏）。如果当前电流值高于0.1CAh ，保护子程序将被激活。图9：电池充电流程图五、光伏电池板和电池组的设计表二所示的是面板系统设计和电池系统设计的主要参数。表2：系统主要参数首先，应当规定每天消耗的功率，在这个系统中被确定为450W，由于调光系统节省了功率消耗的一半。之所以提出调光系统，是由于人的活动在晚上11点到凌晨5点期间会减少。提出的方法已被验证，205Wp对这个系统来说是足够的。表3：最大功率点的系统参数电池的容量是由方程（3）确定的，由计算可知电池的最小容量为23.62Ah。然而，由于电池的放电容量不应该超过30 ，所以最小容量被增至59.05Ah。因此，在这里选用两个串联的63Ah Moura清洁电池（12MF63）。CAh=EVbat=56724=23.62Ah （2）六、电池充电器设计充电电池的银行和发现的最大功率点（MPPT），转换器的设计基本上依赖于由太阳能光伏板，这大约是26.6V最大功率点（VMP）所提供的电压。这也取决于对当前和电压的电池组充电，最大充电电流为5A （0.1CAh）及本申请银行额定电压为24V 。设计参数如下：输入：26.6 VDC 。输出：24 VDC，5A ，120 W。转换频率： fsw = 20千赫。输出电压纹波： 0.5 。由于输出电压和输入电压很接近，电池充电器拓扑结构应该是一个阶跃的电压上升/下降转换器。此外，随着面板的温度的增加输出电压会降低。所以，为了保证系统能在允许的温度内运行，所以选择非隔离式的Cuk转换电路，（见图11 ）此电路有以下几个特点：输出电压可能低于或高于输入电压（降压 - 升压特性）；输入电流和输出电流是连续的。图11：电池充电电路-Cuk电路此转换器的设计公式可以由得出，表四给出了转换元件值。A. Cuk变换器的输入阻抗分析当光伏模块（PV）和Cuk转换电路之间的阻抗匹配正确时，可以得到系统的最大功率点。因为当太阳的光照条件和温度水平变化时，光伏组件的输出阻抗将会发生一系列变化，所以转换器的输入阻抗将随之进行调整。 Cuk转换器的输入阻抗可以修改占空比（d），如下：Zind,m=2Lc1fswd21+1m d11+1m rbat1-d2d211-1-ddm d11+1m (3)fsw是转换频率， rbat是电池内阻，M = VBAT / VPV （电压/光伏电池板上的电压） 。图10给出了光伏电池（表II和III）在各种极端条件下工作时Cuk转换电路的输入阻抗。可以看出，输入阻抗在任何工作点都可以在从0到欧姆之间进行调整。因此，图8给出了建议的充电方法，以确保在所有负载条件下都可以实现最大功率点的跟踪。图10给出了电池和光伏太阳能板额定电压（M = 0.902），最低的电池电压和最高的光伏太阳能板电压（ Mmin = 0.767），最高的电池电压和最低的光伏太阳能板电压（ Mmax= 1.2 ）之间的关系。图10：在DCM和CCM模式下Cuk电路的输入曲线B.实验结果为了证明前部分中提出的理论分析，在这里建立了一个闭环的实验室模型。表4：电池充电器部件的电压图12给出了MC 电压（下降部分）电流（上升部分），图13给出了光伏电池板电压（上升部分）和电流（下降部分，图14给出的电池电压（上升部分）和电流（下降部分）。在电流回路中可以得到所有的波形（VPV = 26.6V和VBAT = 28V ），其中小低频纹波电压和电流波形可以表示所有波形，例如足够的充电电流值。图12：漏极到源极的电压和电流图13：PV板的电压和电流图14：电池的电压和电流为了测量系统功率，让电流感应电路短路。然后可以测得，Pin= 139.5 W和Pout = 120W，可以得出