光雨互補(bǔ)節(jié)能路燈的設(shè)計(jì)

彭蒙 阮寧蘭 方偉 史敬祥 解銳明

摘? 要：針對(duì)我國(guó)部分地區(qū)多雨的情況，結(jié)合太陽(yáng)能這一清潔能源，充分利用多雨地區(qū)的雨水資源，實(shí)現(xiàn)路燈的節(jié)能環(huán)保。該文對(duì)路燈外觀整體設(shè)計(jì)以及各工作部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)，闡述了整體和各部分的工作原理。而實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)下能量的傳輸流動(dòng)是設(shè)計(jì)的核心，為此設(shè)計(jì)了一種能量管理系統(tǒng)，分析了在各種工作狀態(tài)下能量的流動(dòng)情況。

關(guān)鍵詞：光雨互補(bǔ);雙向變換;能量管理;控制裝置

中圖分類號(hào)：TM615? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

一般的太陽(yáng)能路燈主要包括光伏組件、燈具、光源、組件支架、燈桿、控制器、光源。在白天通過(guò)光伏組件太陽(yáng)能板對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行收集，到了晚上用儲(chǔ)集的電量進(jìn)行發(fā)電，并提供照明。但其存在2個(gè)問(wèn)題：太陽(yáng)能的利用效率低、下雨時(shí)路燈不能自行發(fā)電。為解決這些問(wèn)題，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)節(jié)能路燈的設(shè)計(jì)主要集中在光能和風(fēng)能的結(jié)合，但這種設(shè)計(jì)造價(jià)問(wèn)題尚未解決，且只適用于風(fēng)力較強(qiáng)的區(qū)域。

為了滿足南方地區(qū)路燈的設(shè)計(jì)需求，針對(duì)南方多雨的特點(diǎn)，該文設(shè)計(jì)了一種光雨互補(bǔ)新型雙節(jié)能路燈。為了實(shí)現(xiàn)能量的流動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種雙向變換器。光伏電池和雨水發(fā)電產(chǎn)生的電能能夠與蓄電池的電能進(jìn)行交換，以達(dá)到能量正常流動(dòng)的目的。在白天，光伏電池產(chǎn)生的電能以及雨天雨水發(fā)電產(chǎn)生的電能用于給蓄電池充電。而到了夜間，當(dāng)達(dá)到一定的光照條件以后，蓄電池將給路燈提供電能，而發(fā)電部分則停止工作。

1 路燈組成及工作原理

1.1 路燈的組成

路燈包括以下3個(gè)部分：1）光伏發(fā)電部件;2）雨水發(fā)電部件;3）支撐部件。

光伏發(fā)電部件：光伏發(fā)電部件包括太陽(yáng)能電池板和追光裝置。

雨水發(fā)電部件：雨水發(fā)電部件包括雨水收集箱和水輪發(fā)電機(jī)。

支撐部件：實(shí)現(xiàn)對(duì)整體裝置的支撐。雨水收集箱和光伏發(fā)電部件整合在一根硬質(zhì)鋼管上，下方采用三角形進(jìn)行整體的支撐，雨水收集箱下方采用角鐵進(jìn)行加固，以保證收集箱的穩(wěn)定。

圖1為路燈外觀設(shè)計(jì)圖。

1.2 工作原理

在圖2中，太陽(yáng)能電池板、水輪機(jī)、蓄電池以及路燈之間采用DC/DC變換裝置、AC/DC變換裝置以及雙向DC/DC裝置連接，從而實(shí)現(xiàn)能量的傳輸流動(dòng);信號(hào)檢測(cè)模塊用于收集各部分電壓、電流、溫度和光照強(qiáng)度信號(hào)，并將其傳送至主控芯片，主控芯片根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)，發(fā)出控制信號(hào)，控制電壓變換裝置的接通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)方向的變換。下面對(duì)各部分工作原理進(jìn)行說(shuō)明。

1.2.1 光伏發(fā)電部分原理

光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，并通過(guò)控制器控制光伏DC/DC，保證其工作于恒壓或MPPT狀態(tài)。關(guān)于太陽(yáng)追蹤，目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)太陽(yáng)實(shí)時(shí)跟蹤的方法有很多，但是其跟蹤方案的選擇大多都是基于光電跟蹤模式、視日運(yùn)動(dòng)軌跡模式進(jìn)行設(shè)計(jì)的。該文采用光電追蹤方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的最大捕獲，以提高光伏的發(fā)電效率。

1.2.2 雨水發(fā)電部分原理

雨水發(fā)電即利用水箱中收集到的雨水的勢(shì)能來(lái)進(jìn)行發(fā)電。通過(guò)雨水沖擊水輪發(fā)電機(jī)，即可將勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能，并儲(chǔ)存于蓄電池中。

1.2.3 控制器原理

控制器由主控芯片、光伏DC/DC、水電AC/DC、DC/DC、雙向DC/DC以及信號(hào)檢測(cè)模塊組成，其可以使系統(tǒng)在不同狀態(tài)下工作。信號(hào)檢測(cè)模塊用于收集各部分電壓、電流、溫度和光照強(qiáng)度信號(hào)，并將其傳送至主控芯片，主控芯片根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)，判斷出系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并發(fā)出控制信號(hào)，對(duì)各個(gè)變壓模塊進(jìn)行控制，從而使系統(tǒng)完成在不同狀態(tài)下的能量流動(dòng)。

2 工作狀態(tài)分析

根據(jù)不同的氣候狀況，通過(guò)信息采集處理并給系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，從而判斷能量輸入來(lái)源。根據(jù)燈光需求和蓄電池容量等信號(hào)來(lái)使整個(gè)系統(tǒng)在不同狀態(tài)下工作，即系統(tǒng)以不同的方式工作。

根據(jù)不同的天氣狀況，當(dāng)太陽(yáng)光照強(qiáng)度達(dá)到閾值時(shí)，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)可提供能量輸入;當(dāng)雨水收集量達(dá)到閾值時(shí)，水電系統(tǒng)能提供能量輸入;當(dāng)出現(xiàn)特殊天氣（象太陽(yáng)雨等）時(shí)，二者均可提供能量;陰天時(shí)，2個(gè)發(fā)電系統(tǒng)均失去了能量來(lái)源，此時(shí)系統(tǒng)只能依靠存儲(chǔ)的能量。當(dāng)2個(gè)輸入端有能量輸入時(shí)，如果直接供給負(fù)載使用，則工作于恒壓模式（記為“CV”），如果將所收集能量供給蓄電池充電，則需要工作在MPPT模式（記為“MPT”），當(dāng)2個(gè)能量輸入端均沒(méi)有輸入時(shí)，其工作于關(guān)機(jī)模式（記為“OFF”）。

蓄電池組件，既可以在有能量輸入時(shí)存儲(chǔ)能量，即工作于充電模式（記為“C”），也可以在輸入能量不足時(shí)供能以滿足供電需求，即工作于供電模式（記為“DC”），同樣的，蓄電池組件也有關(guān)機(jī)模式（記為“OFF”）。

路燈用電端，可以直接從2個(gè)輸入端獲得能量，也可以從蓄電池端獲取能量。此時(shí)對(duì)應(yīng)雙向DC/DC變換器也有恒壓、MPPT、關(guān)機(jī)3種模式，其標(biāo)記與上述類似，不作贅述。

排除一些不合理的工作狀態(tài)組合后，可以得到該文所設(shè)計(jì)的路燈的整體工作模式，見(jiàn)表1。

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池電壓、電流、水輪機(jī)電壓、電流、蓄電池電壓、電流和直流母線電壓的檢測(cè)，可以將系統(tǒng)的工作情況劃分為表1所示的14種工作狀態(tài)可以看出，在不同的工作狀態(tài)下，系統(tǒng)中的3個(gè)DC變換器分別對(duì)應(yīng)有OFF、MPT、CV 3種不同的工作模式，并可通過(guò)能量管理控制電路實(shí)現(xiàn)，其控制框圖如圖3所示，以此來(lái)協(xié)調(diào)各模塊間的能量流動(dòng)。

4 結(jié)論

該文設(shè)計(jì)了一種新型的路燈，分別從研究意義、各部分組成設(shè)計(jì)、工作原理等方面進(jìn)行了討論，并且分析了各種工作狀態(tài)。該文設(shè)計(jì)的新型的光雨互補(bǔ)路燈實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能以及雨水的重力勢(shì)能的利用，在南方多雨地區(qū)能夠得到有效使用。

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