大連地區(qū)太陽(yáng)能LED隧道照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉名芳 孫忠偉 楊蛟 駱英民 胡禮中

(大連理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，大連 250032)

1 概述

隨著第四代照明光源LED光源的興起和技術(shù)上的逐漸成熟，大功率照明LED在生產(chǎn)和生活中的實(shí)際應(yīng)用越來(lái)越廣泛。太陽(yáng)能光伏電源是新型節(jié)能環(huán)保電源，近些年來(lái)太陽(yáng)能利用技術(shù)不斷取得突破，發(fā)展前景非常廣闊。太陽(yáng)能光伏直流特性恰好和LED光源的直流電源特性相匹配，使得太陽(yáng)能大功率LED發(fā)光裝置易于得到商業(yè)化的應(yīng)用，特別是太陽(yáng)能LED路燈已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)化的趨勢(shì)。本文研討的太陽(yáng)能LED隧道燈可以算作路燈的一種形式，但與普通的太陽(yáng)能LED路燈工作模式還有很大區(qū)別。主要在于路燈在夜間工作，由蓄電池供電，白天蓄電池處于充電狀態(tài);而隧道燈全天候工作，白天光源在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)由光伏電源直接供電，蓄電池則處于浮充狀態(tài)，夜間光源由蓄電池供電。另外，給隧道燈供電的太陽(yáng)能電池板需要更大的功率，并且由于白天光伏電源需要一邊給蓄電池充電，一邊給LED負(fù)載提供直流電源，所以要格外考慮系統(tǒng)參數(shù)的匹配性問(wèn)題。大連市地處丘陵地帶，交通隧道較多，本設(shè)計(jì)的構(gòu)想就是為大連地區(qū)市內(nèi)穿山隧道提供照明系統(tǒng)模型。需要綜合考慮大連地理位置、環(huán)境氣候因素的影響，設(shè)計(jì)出成本低廉、可靠性高的基于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的隧道照明系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組件介紹與選型

2.1 太陽(yáng)能電池

現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池產(chǎn)品主要包括半導(dǎo)體硅太陽(yáng)能電池和化合物太陽(yáng)能電池。化合物太陽(yáng)能電池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害，現(xiàn)階段未被市場(chǎng)廣泛采用。而硅半導(dǎo)體電池由于其原材料的廣泛性，較高的轉(zhuǎn)換效率和可靠性而被市場(chǎng)廣泛接受。單晶硅和多晶硅電池更是其中的代表。非晶硅電池在民用產(chǎn)品上也有廣泛的應(yīng)用 (如電子手表，計(jì)算器等)，但是它的穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)換效率劣于結(jié)晶類半導(dǎo)體材料電池，各種電池特點(diǎn)的對(duì)比如表1所示。由于本次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池是獨(dú)立光伏系統(tǒng)中為全天候工作的隧道燈供電，要求穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)換效率高，所以采用單晶硅太陽(yáng)能電池板。我們采用的是深圳市海納通太陽(yáng)能有限公司出品的茂迪牌單晶硅太陽(yáng)能電池板，此款電池以高純的單晶硅棒為原料，效率高且性能穩(wěn)定，光電轉(zhuǎn)換效率為16%以上。

2.2 蓄電池

表1 各種電池特點(diǎn)的對(duì)比

目前可以考慮用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳鐵蓄電池、溴化鋅電池等②，根據(jù)太陽(yáng)能隧道燈的特殊工作環(huán)境，在選取蓄電池的過(guò)程中需要滿足以下幾點(diǎn)要求:(1)蓄電容量大。與普通路燈不同，通常路燈日照明6～8個(gè)小時(shí)，但隧道燈全天候工作，耗電量約為同等條件下普通路燈的三倍。 (2)循環(huán)壽命長(zhǎng)、維護(hù)周期長(zhǎng)、故障率低。與普通路燈相比，隧道內(nèi)對(duì)照明系統(tǒng)維護(hù)作業(yè)的困難度更大，且照明系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，由于完全沒(méi)有自然光源，發(fā)生危險(xiǎn)事故的可能性是極大的。(3)成本低廉。由于日耗電量高，蓄電容量大，要求蓄電效率高，單位儲(chǔ)能容量的成本相對(duì)較低，以降低總的投資成本?；谝陨蠋c(diǎn)考慮，本次設(shè)計(jì)采用鎳鎘蓄電池。這是一種堿性蓄電池，它在過(guò)充或過(guò)放時(shí)不易損壞，循環(huán)壽命長(zhǎng)．工作溫度范圍可以是－50～60°C，在光狀系統(tǒng)中充電效率可大于80%。

2.3 太陽(yáng)能充放電控制器

太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種供電時(shí)間和供電效率都不穩(wěn)定的供電方式，必須用智能化的太陽(yáng)能充放電控制器來(lái)對(duì)蓄電池的充放電進(jìn)行有效管理，確保蓄電池正常使用，而不會(huì)由于過(guò)充過(guò)放等原因?qū)π铍姵卦斐蓳p害。根據(jù)太陽(yáng)能隧道燈的工作特性，充放電控制器需要具備以下主要功能:(1)過(guò)充保護(hù);(2)過(guò)放保護(hù);(3)負(fù)載過(guò)流或短路保護(hù);(4)過(guò)壓保護(hù);((5)防反充功能;(6)防雷擊功能;(7)太陽(yáng)能電池反接保護(hù);(8)蓄電池反接保護(hù);(9)蓄電池開(kāi)路保護(hù);(10)溫度補(bǔ)償功能。太陽(yáng)能充放電控制器和太陽(yáng)能電池、蓄電池、負(fù)載共同組成太陽(yáng)能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖1所示。我們采用的是深圳市深騰電子科技有限公司出產(chǎn)的深騰牌充放電控制器，這款控制器采用了基于專家控制系統(tǒng)的專用軟件，實(shí)現(xiàn)了智能優(yōu)化SOC控制。

圖1 太陽(yáng)能控制系統(tǒng)框圖

2.4 大功率LED驅(qū)動(dòng)器

LED驅(qū)動(dòng)器是一種直接給LED負(fù)載供電的特殊電源。小功率的LED可采用恒壓或恒流方式驅(qū)動(dòng)，但大功率LED基本上都采用恒流驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)榇蠊β蔐ED工作電流較大，若采用恒壓方式供電，LED負(fù)載在工作電流很大時(shí)伏安特性的斜率也很大，輕微的電壓變化也會(huì)引起電流的較大變化。目前作為恒流源的LED驅(qū)動(dòng)器種類有很多，由于本次設(shè)計(jì)的負(fù)載燈組是功率30W、10串3并需要650mA恒流的LED燈組，綜合考慮所需功率、參數(shù)精度、造價(jià)、實(shí)用條件等因素，我們選擇了鑫勝杰科技有限公司推出的JN125A30型大功率LED驅(qū)動(dòng)器，如圖2所示。這款驅(qū)動(dòng)器具有開(kāi)路保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、反接保護(hù)等功能，使用壽命長(zhǎng) (6萬(wàn)小時(shí)以上)、可靠性高、并且符合節(jié)能環(huán)保的要求。

2.5 LED照明燈組

圖2

LED路燈作為新型高效清潔能源，比常規(guī)高壓鈉燈有很多重要優(yōu)勢(shì)。LED發(fā)光的單向性決定了發(fā)光沒(méi)有漫射，保證了光有較高的利用效率。LED光源采用低壓直流供電，具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，并且耐高溫達(dá)135度，耐低溫達(dá)－45度，所以非常適合應(yīng)用于道路照明。同時(shí)LED還有一些缺點(diǎn)有待于逐步改進(jìn)，比如由于白光LED本身制造工藝上缺陷加上與反射杯或透鏡的配合誤差，容易造成“黃圈”問(wèn)題。LED照射還涉及到均勻度問(wèn)題，如果不進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，LED的照射會(huì)比較集中，降低實(shí)用性，所以一定要進(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)，使其光強(qiáng)分布圖呈蝙蝠形。而LED隧道燈較之于普通的LED路燈又有其自身的特點(diǎn)，由于隧道燈設(shè)置高度較低，要求光強(qiáng)分布的蝙蝠形輻射角度更開(kāi)闊，并且要求具有防震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確保其在橋梁隧道等高頻震動(dòng)中能夠長(zhǎng)期安全工作，我們選用的是深圳永欣光電子有限公司出產(chǎn)的XL-002225FL30WS-B型LED照明燈，這款燈組功率36W，功率因素大于0.9，光效為 70～80lm/W，初始光通量為 2100～2400lm，完全可以滿足單個(gè)隧道燈的要求。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及組件容量計(jì)算

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

太陽(yáng)能隧道燈的工作方式如下:太陽(yáng)能電池板、蓄電池、負(fù)載燈組三者之間經(jīng)由太陽(yáng)能控制器并聯(lián)在一起。設(shè)置24伏為臨界電壓，白天光線較好的時(shí)候，太陽(yáng)能電池板端電壓略高于24伏，充電電路導(dǎo)通，電壓在蓄電池端穩(wěn)定于24伏，此時(shí)太陽(yáng)能電池板為蓄電池充電，同時(shí)也在為負(fù)載供電。夜間太陽(yáng)能電池板端電壓不足24伏，充電電路關(guān)閉防止蓄電池反向充電，負(fù)載由蓄電池單獨(dú)供電直到天亮。本隧道燈照明系統(tǒng)在太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)器的合理調(diào)配下，可以實(shí)現(xiàn)功率較平穩(wěn)、效能較高的光能輸出。而且由于白天負(fù)載直接由太陽(yáng)能電池供電，所以在每日同等的耗電量下，隧道燈的蓄電池蓄電量要比路燈的蓄電池節(jié)省很多。關(guān)鍵問(wèn)題在于計(jì)算好太陽(yáng)能電池板、蓄電池等組件的容量參數(shù)。

3.2 隧道照明的數(shù)量與質(zhì)量要求

隧道內(nèi)照明系統(tǒng)有中線布置、交錯(cuò)布置、對(duì)稱布置三種形式。如圖3所示。

圖3 隧道內(nèi)燈組布置方式

本文考量的隧道環(huán)境是丘陵地貌條件下的短隧道，取交錯(cuò)布置方式。隧道長(zhǎng)度取100米，路面寬度取8.5米。根據(jù)《公路隧道通風(fēng)照明設(shè)計(jì)規(guī)范》提供的參考實(shí)例，隧道內(nèi)平均照度應(yīng)該達(dá)到40(lx)以上。路面平均水平照度可按下式計(jì)算:

式中，Φ——單個(gè)燈組光通量，本設(shè)計(jì)采用的燈組光通量為4000(lm);

η——燈具利用系數(shù)取0.4;

M——維護(hù)系數(shù)取0.7;

N——布局方式系數(shù)，本設(shè)計(jì)采取交錯(cuò)布局方式，系數(shù)N取1;

W——路寬取8.5米;

S——燈組間距取3米。

帶入計(jì)算，E=4000×0.7×0.4/8.5/3=43.9(lx)，能夠滿足隧道內(nèi)照明的一般需求。由于燈組間距3米，故100米的隧道需LED燈組34個(gè)。

3.3 單個(gè)燈組耗電量和蓄電池容量的計(jì)算

LED燈組采用36個(gè)1W的LED小燈珠通過(guò)6串6并的組合方式組合而成。額定功率36W，燈組額定電流1.8A，由額定輸出電壓24伏的蓄電池為其供電。

負(fù)載日耗電量

式中 a——燈組額定電流;

t——為日工作時(shí)間。

蓄電池容量

因此蓄電池容量選160(AH)。

式中 A——安全系數(shù)通常取1.2;

Q——負(fù)載日耗電量;

T——溫度修正系數(shù)通常取1;

C——蓄電池放電深度取0.75;

N——最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)取3天;

n——兩組連續(xù)陰雨天間的最短間隔天數(shù)取4個(gè)月。

3.4 單組太陽(yáng)能電池板容量計(jì)算

大連市區(qū)的地理坐標(biāo)是東經(jīng) 121°44'～121°49'，北緯39°01'～39°04'，通過(guò)查詢美國(guó)宇航局地面氣象和太陽(yáng)能RETScreen數(shù)據(jù)庫(kù)網(wǎng)站得知，大連地區(qū)日平均太陽(yáng)輻射水平為4.42kWh/m2/d，最低日平均輻射水平的月份是12月為2.28 k Wh/m2/d。由于照明系統(tǒng)需要一年四季晝夜循環(huán)使用，我們?cè)谟?jì)算太陽(yáng)能電池功率的時(shí)候，需要以日平均輻射水平最小的月份為基準(zhǔn)，所以我們選取12月2.28 kWh/m2/d為基準(zhǔn)。根據(jù)《我國(guó)主要城市的輻射參數(shù)表》，太陽(yáng)能電池板的最佳傾角取44.1°。修正系數(shù)kop值為1.07。本設(shè)計(jì)采用的太陽(yáng)能電池板的標(biāo)準(zhǔn)功率是38W，工作電壓為17.1V，工作電流為2.22A。

電池組件日平均發(fā)電量

式中 I——工作電流;

H——最低月平均日輻射量;

Kop——斜面修正系數(shù);

C——組合、衰減、灰塵、充電效率等損失的修正系數(shù)，一般取0.85。

則Q2=2.22×2.28×1.07×0.85=4.6(AH)

需補(bǔ)充的蓄電池容量

計(jì)算太陽(yáng)能組件并聯(lián)數(shù)

計(jì)算太陽(yáng)能組件串聯(lián)數(shù)

其中 U1——浮充電壓;

U2——二極管壓降通常取0.7V;

U3——其他因素引起的壓降通常取1V;

U4——太陽(yáng)能電池組件的最佳工作電壓。

則

因此工作電壓為17.1V，工作電流為2.22A太陽(yáng)能組件采取10個(gè)并聯(lián)、1.5個(gè)串聯(lián)的組合方式就可以為單個(gè)燈組提供足夠的電能。

3.5 系統(tǒng)總的LED燈組數(shù)量、蓄電池?cái)?shù)量、太陽(yáng)能電池板數(shù)量計(jì)算

隧道外的單個(gè)太陽(yáng)能電池組可以通過(guò)串聯(lián)的方式為隧道內(nèi)的蓄電池和LED燈組統(tǒng)一供電。每一照明單元由太陽(yáng)能控制器獨(dú)立對(duì)其蓄電池進(jìn)行充放電調(diào)節(jié)。依據(jù)本文計(jì)算數(shù)據(jù)，100米長(zhǎng)、8.5米寬的短隧道，需要LED燈組34個(gè)，蓄電池34個(gè)。由于單個(gè)太陽(yáng)能組件采取1.5個(gè)串聯(lián)的組合方式，則總的太陽(yáng)能電池板需采取的串聯(lián)個(gè)數(shù)為1.5×34=51個(gè)。即太陽(yáng)能電池板方陣需采取10個(gè)并聯(lián)、51個(gè)串聯(lián)的方式，總共需要510個(gè)。

4 結(jié)論

能源問(wèn)題促使各國(guó)都在大規(guī)模的研發(fā)和應(yīng)用光伏發(fā)電技術(shù)，獨(dú)立光伏系統(tǒng)的應(yīng)用是商業(yè)化、工業(yè)化的必然趨勢(shì)。本文介紹的太陽(yáng)能隧道照明系統(tǒng)可靠性高、成本適中，具有較強(qiáng)的典型性和較好的實(shí)用前景。

［1］張艷紅，張崇巍，張興．新型太陽(yáng)能控制器的研制，節(jié)能，2008，2．

［2］楊金煥，陸鈞，黃曉櫓．獨(dú)立光伏系統(tǒng)中蓄電池的作用及選擇，新能源，1995，7．

［3］湯葉華，謝建，劉祖明．光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化分析，太陽(yáng)能，2008，8．