用實(shí)時(shí)監測法優(yōu)化LED太陽(yáng)能路燈系統

　　一、引言

　　在光伏應用領(lǐng)域，太陽(yáng)能光伏照明具有重要的地位。LED照明與太陽(yáng)能的有機結合是從PN結到PN結，無(wú)須電壓變換，效率高，結構簡(jiǎn)單，具有獨特的優(yōu)勢和良好的應用前景。目前，太陽(yáng)能照明難以大面積推廣的瓶頸不是技術(shù)問(wèn)題，而是成本太高，前期投入太大，以至于幾年內不能用節約的電費補償投入。目前工程設計過(guò)于依賴(lài)數學(xué)模型和理論數據，由于環(huán)境的差異及氣象的千變萬(wàn)化，在蓄電池和太陽(yáng)能電池之間易出現"小馬拉大車(chē)"或"大馬拉小車(chē)"現象，造成浪費乃至縮短使用壽命。而熱點(diǎn)研究的最大功率輸出跟蹤技術(shù)還處于概念層面，不具實(shí)用價(jià)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(yáng)能路燈的優(yōu)化設計方法及測試結果進(jìn)行分析闡述。

　　二、虛擬儀器的開(kāi)發(fā)

　?。ㄒ唬﹥x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(jìn)行一定頻率的數據采樣，由USB數據采集模塊將采集數據送入計算機。在LabVIEW軟件平臺上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和統計分析。原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1系統原理框圖

　?。ǘ┸浖_(kāi)發(fā)

　　LabViEW足美國國家儀器（NI）公司開(kāi)發(fā)的廣泛應用于儀器控制、自動(dòng)化測試、數據分析處理等領(lǐng)域圖形化編程語(yǔ)言，是優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)虛擬儀器軟件。在自動(dòng)化測控領(lǐng)域得到越來(lái)越廣泛的應用。開(kāi)發(fā)本系統采用的足LabVlEW8.2版本，硬件采用NI公司生產(chǎn)的USB接口數據采集模塊，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(shí)現現場(chǎng)數據臨測。

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　　在圖2所示的面板圖中，設置兩個(gè)開(kāi)關(guān)以選擇是監測電流、電壓還是同時(shí)監測。分別顯示電流實(shí)時(shí)采集曲線(xiàn)和電壓實(shí)時(shí)采集曲線(xiàn)。并配以數字顯示。在采集周期設置窗口，以秒為單付設置采樣周期。"開(kāi)始采集"按鈕同時(shí)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(xiàn)下面積值作為電流充放電的安時(shí)數（能量值）。在面扳的右下方同時(shí)顯示帶有日期、時(shí)間信息的全部數據列表，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://dyxdggzs.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(yáng)能LED路燈共需要對稱(chēng)的兩塊LED面光源。每塊需36只φ5mm的高亮度大角度自光LED.經(jīng)排列測試，以L(fǎng)ED間隔2cm為陣列排布的光源發(fā)光更均勻，無(wú)光斑間隙，同時(shí)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(jìn)行密封防水處理。為美觀(guān)裝飾，同時(shí)使燈架底部有一定的亮度，在支架管頭處安裝了兩個(gè)球燈，每個(gè)球燈需要6只LED,整個(gè)系統共需要84只LED。

　　選擇流過(guò)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(jīng)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。

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　　無(wú)論太陽(yáng)能燈具大小，一個(gè)性能良好的充放電控制器是必不可少的。為了延長(cháng)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(guò)充電及深度放電；當蓄電池充滿(mǎn)時(shí)，通過(guò)旁路使蓄電池防止過(guò)充電。當達到規定放電深度電壓時(shí)，切斷蓄電池與負載的連接。我們選擇的控制器可進(jìn)行多種編程選擇，通過(guò)比較太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓來(lái)識別是白天還是黑夜，可白行設定光控的開(kāi)啟點(diǎn)和任意設定開(kāi)啟后的工作時(shí)間。

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　　確定蓄電池的容量，首先要了解接入系統的負載每天需要的電量；其次根據氣候條件蓄電池需要存儲多少天的電量。測算時(shí)要注意電池容量會(huì )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(guò)大的電池容量一方面增大系統成本，同時(shí)，如果太陽(yáng)能電池輸出功率不足，蓄電池經(jīng)常處于欠充滿(mǎn)狀態(tài)，將會(huì )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×日平均負載）/最大放電深度。

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

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

　　太陽(yáng)能電池每天充電能力要略大于2.7Ah,才能維持系統正常工作。也就是說(shuō)，只有每天略有節余，才能保證蓄電池的容量始終維持飽滿(mǎn)狀態(tài)。事實(shí)上，盡管出現連續3天陰天，也很少出現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(huì )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。

　?。ㄋ模┨?yáng)能電池功率確定

　　根據青島地區近20年氣象資料得到平面太陽(yáng)輻射月均值，采用實(shí)測法確定其斜面太陽(yáng)輻射月均值。采用通用的峰值小時(shí)法，折算成日均輻射值后可得各月峰值日照時(shí)數。再根據蓄電池每日充電略高2.7Ah,可算出太陽(yáng)能電池板的輸出電流值，取太陽(yáng)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(jiàn)表1.

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

　　如果以太陽(yáng)最低輻射的12月為設計月，則太陽(yáng)能電池的輸出功率需要27W,同時(shí)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(yáng)能電池容量為llW,但其它月份均無(wú)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(fēng)險，但我們通過(guò)合理確定電池板的方位及增加反光鏡等措施來(lái)彌補自身功率輸出的不足。

　?。ㄎ澹┯酶檶?shí)測法確定太陽(yáng)能電池板方位

　　由于太陽(yáng)赤緯角一年內連續不斷的變化，使太陽(yáng)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(yáng)的位置變化才能得到理想化的最大太陽(yáng)輻射輸出，但這很難實(shí)現。一般傾角的確定原則是：傾角=（90-太陽(yáng)高度角）。而方位角的確定一般采用時(shí)區正午法，中午12點(diǎn)太陽(yáng)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(yáng)輻射。

　　然而，以上都是理論上的傾角和方位角，只有在空曠無(wú)遮擋的場(chǎng)地才適用。我們安裝的路燈很難找到這樣的場(chǎng)地，一般都會(huì )在一天中