用實時監(jiān)測法優(yōu)化太陽能LED路燈系統(tǒng)

　一、引言

　　在光伏應用領域，太陽能光伏照明具有重要的地位。LED照明與太陽能的有機結合是從PN結到PN結，無須電壓變換，效率高，結構簡單，具有獨特的優(yōu)勢和良好的應用前景。目前，太陽能照明難以大面積推廣的瓶頸不是技術問題，而是成本太高，前期投入太大，以至于幾年內不能用節(jié)約的電費補償投入。目前工程設計過于依賴數(shù)學模型和理論數(shù)據(jù)，由于環(huán)境的差異及氣象的千變萬化，在蓄電池和太陽能電池之間易出現(xiàn)小馬拉大車或大馬拉小車現(xiàn)象，造成浪費乃至縮短使用壽命。而熱點研究的最大功率輸出跟蹤技術還處于概念層面，不具實用價值。

　　本文結合在我校設計安裝并已成功運行近三年的兩盞LED太陽能路燈的優(yōu)化設計方法及測試結果進行分析闡述。

　　二、虛擬儀器的開發(fā)

　　（一）儀器設計

　　利用調理信號電路對光電池的輸出電流和蓄電池的放電電流及蓄電池的充放電工作電壓進行一定頻率的數(shù)據(jù)采樣，由USB數(shù)據(jù)采集模塊將采集數(shù)據(jù)送入計算機。在LabVIEW軟件平臺上進行實時顯示和統(tǒng)計分析。原理框圖見圖1。

圖1系統(tǒng)原理框圖

　　（二）軟件開發(fā)

　　LabViEW足美國國家儀器（NI）公司開發(fā)的廣泛應用于儀器控制、自動化測試、數(shù)據(jù)分析處理等領域圖形化編程語言，是優(yōu)秀的開發(fā)虛擬儀器軟件。在自動化測控領域得到越來越廣泛的應用。開發(fā)本系統(tǒng)采用的足LabVlEW8.2版本，硬件采用NI公司生產的USB接口數(shù)據(jù)采集模塊，型號為USB一6009,14位8通道輸八。USB接口可方便地即插即用并支持熱插拔。連接筆記本電腑可實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)臨測。

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　　在圖2所示的面板圖中，設置兩個開關以選擇是監(jiān)測電流、電壓還是同時監(jiān)測。分別顯示電流實時采集曲線和電壓實時采集曲線。并配以數(shù)字顯示。在采集周期設置窗口，以秒為單付設置采樣周期。開始采集按鈕同時具有暫停功能。全部采集結束后，選擇退出并回放按鈕，在回放波形窗將顯示采集電流波形。并計算其曲線下面積值作為電流充放電的安時數(shù)（能量值）。在面扳的右下方同時顯示帶有日期、時間信息的全部數(shù)據(jù)列表，并顯示電流、電壓最大最小值。

圖2 虛擬儀器面板圖

　　三、設計內容及測試結果

　?。ㄒ唬?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED">LED照明光源的設計

　　由于庭院式LED路燈的高度只有3.5m,宜采用小功率LED組成面光源。一盞太陽能LED路燈共需要對稱的兩塊LED面光源。每塊需36只φ5mm的高亮度大角度自光LED.經排列測試，以LED間隔2cm為陣列排布的光源發(fā)光更均勻，無光斑間隙，同時可使照射面積更大。將36只LED焊接存12cm×12cm的印刷電路扳（MCPCB）上，并進行密封防水處理。為美觀裝飾，同時使燈架底部有一定的亮度，在支架管頭處安裝了兩個球燈，每個球燈需要6只LED,整個系統(tǒng)共需要84只LED。

　　選擇流過單只LED的電流16mA,每盞路灼的總電功率為5.4W.在12V的直流電壓下，總電流為450mA。

　　經測試，照射到地面的中心最大照度為121x.符臺《城市道路照明設計標準》（GJJ45-1991）中次干公路（81x）的標準。

　　（二）控制器的合理選用

　　無論太陽能燈具大小，一個性能良好的充放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電狀態(tài)加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電；當蓄電池充滿時，通過旁路使蓄電池防止過充電。當達到規(guī)定放電深度電壓時，切斷蓄電池與負載的連接。我們選擇的控制器可進行多種編程選擇，通過比較太陽能電池板的開路電壓來識別是白天還是黑夜，可白行設定光控的開啟點和任意設定開啟后的工作時間。

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　　確定蓄電池的容量，首先要了解接入系統(tǒng)的負載每天需要的電量；其次根據(jù)氣候條件蓄電池需要存儲多少天的電量。測算時要注意電池容量會受到諸多因素影響，例如放電深度、放電率、溫度、控制器效率、老化和反復充電特性等。并不是容量愈大愈好，過大的電池容量一方面增大系統(tǒng)成本，同時，如果太陽能電池輸出功率不足，蓄電池經常處于欠充滿狀態(tài)，將會導致電池硫酸化增加，容量降低，壽命縮短。

　　選用免維護鉛酸閾控式蓄電池，容量的確定方法如下：

　　蓄電池容量=（自給天數(shù)×日平均負載）/最大放電深度。

　　設計路燈每日工作6小時，工作電流為450mA.由此可得出每日耗電2.7Ah.設計自給天數(shù)為3天；能保證連續(xù)3.5個陰天仍能維持系統(tǒng)工作。取蓄電池的放電深度為50%.

　　自給天數(shù)是指在深度陰、雨、霧天中，幾乎沒有對蓄電池的充電能力時，維持工作的天數(shù)。依據(jù)此天數(shù)算出的容量為：（2.7Ah×3天）/o.5=16.2Ah.選取12V/17Ah蓄電池即可。

　　太陽能電池每天充電能力要略大于2.7Ah,才能維持系統(tǒng)正常工作。也就是說，只有每天略有節(jié)余，才能保證蓄電池的容量始終維持飽滿狀態(tài)。事實上，盡管出現(xiàn)連續(xù)3天陰天，也很少出現(xiàn)充電能力為零的情況。一般陰天日充電雖達不到日放電2.7Ah的水平，仍會有不同程度的補充。由此在第4天和第5天仍然有維持負載工作的極大可能。

　　（四）太陽能電池功率確定

　　根據(jù)青島地區(qū)近20年氣象資料得到平面太陽輻射月均值，采用實測法確定其斜面太陽輻射月均值。采用通用的峰值小時法，折算成日均輻射值后可得各月峰值日照時數(shù)。再根據(jù)蓄電池每日充電略高2.7Ah,可算出太陽能電池板的輸出電流值，取太陽能電池板的輸出工作電壓為17.5V,則可確定各月最低電池板的輸出功率，見表1.

表1 青島地區(qū)各月斜面太陽輻射及所需太陽能電池輸出功率（針對每日充電2.7Ah）

　　如果以太陽最低輻射的12月為設計月，則太陽能電池的輸出功率需要27W,同時其它月份都能保證。

　　如果選擇輻射最強的6月份為設計月，則選擇太陽能電池容量為llW,但其它月份均無法保證，這是不可取的。我們確定20W的輸出容量，雖然在1月、11月和12月存在風險，但我們通過合理確定電池板的方位及增加反光鏡等措施來彌補自身功率輸出的不足。

　?。ㄎ澹┯酶檶崪y法確定太陽能電池板方位

　　由于太陽赤緯角一年內連續(xù)不斷的變化，使太陽的高度角和方位角都在不斷變化。只有讓電池板的方位不斷跟隨太陽的位置變化才能得到理想化的最大太陽輻射輸出，但這很難實現(xiàn)。一般傾角的確定原則是：傾角=（90-太陽高度角）。而方位角的確定一般采用時區(qū)正午法，中午12點太陽所處的方位就是正南，只有電池板處在正南方位才能接收最大的太陽輻射。

　　然而，以上都是理論上的傾角和方位角，只有在空曠無遮擋的場地才適用。我們安裝的路燈很難找到這樣的場地，一般都會在一天中某些時段有樓宇和樹木的光線遮擋。因此，結合具體場地，并不能完全采用以上理論值。

　　采用LabVIEW編程開發(fā)的虛擬儀器，通過實時監(jiān)測蓄電池的充電容量來跟蹤太陽能電池板的功率輸出。以實測法確定最佳傾角和方位角。具體做法：固定某一傾角和方位角，選擇11-12月份某3個晴天連續(xù)實測，取平均值。再換新的傾角和方位角重復測試，進行對比，以選擇最佳傾角和方位角。

　　經實測確定太陽能電池板在11-12月份的最佳傾角為500;最佳方位角為正南偏東200.在該月份如獲得最佳方位，其他月份由于太陽輻射的增強，盡管方位略差同樣能滿足功率輸出要求。

　　（六）輔助反光鏡的運用

　　在太陽能電池板的兩側各安裝一塊與電池板平面成135角的平面反光鏡，能明顯提高太陽光線的收集能力，提高電池板的功率輸出。這在一定程度上彌補了由于額定功率輸出不足而給3個低輻射月帶來的風險。運用LabVIEW虛擬儀器實施監(jiān)測。由于每天太陽輻射自身的變化，會給對比測試帶來誤差。我們采取先測幾天不遮擋反光鏡的充電情況，再測幾天用黑布遮擋反光鏡的充電情況，之后再測幾天不遮擋反光鏡的充電情況。對有無反光鏡進行平均值對比。選擇11.12月份。監(jiān)測時間為每天的早8:00至晚上負載點亮。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2反光鏡與蓄電池充電量的關系

　　從表2可以看出，反光鏡不遮擋時蓄電池平均每日充電量為2.97Ah;反光鏡遮擋后蓄電池平均每日充電量為2.42Ah.由此可見，加反光鏡后能滿足功率輸出要求，且每日蓄電池充電提高23%.

　　四、結論

　　從太陽能庭院路燈的照度標準（蘭8 Ix）入手，設計照明12 k;選用小功率白光LED組成的電功率為5.4W的面光源。在保證連續(xù)3-5個陰天能正常工作的前提下，路燈每日工作6小時，選擇12W17Ah免維護鉛酸蓄電池。確定太陽能電池額定輸出功率為20W,通過虛擬儀器的實時監(jiān)測完成太陽能電池板的傾角和方位角及反光鏡系統(tǒng)的合理配置。

　　按照設計參數(shù)，組成了兩盞LED太陽能路燈，至今運行己近三年。通過定期在夜間采用攝像頭自動監(jiān)視記錄看，一直處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。實現(xiàn)了系統(tǒng)構件匹配的精打細算，大大降低了成本，并延長了使用壽命。