太陽能照明一體化設(shè)計與應(yīng)用研究

王業(yè)萍 熊忠

摘 ?要：村道亮化工程是新農(nóng)村建設(shè)的一項重要內(nèi)容。但是在一些尚未通電的偏遠小道上，需要從較遠的地方敷設(shè)電纜，單獨架線成本較高。這種情況下使用太陽能照明一體化技術(shù)，利用太陽能板、蓄電池為LED等提供照明所需電能，從而解決了成本高、施工難的問題。該文分析了太陽能一體化設(shè)計中的核心技術(shù)，從試點應(yīng)用效果來看，達到了穩(wěn)定照明、節(jié)約電能的效果，具有技術(shù)推廣價值。

關(guān)鍵詞：太陽能燈塔 ?自適應(yīng)放電 ?太陽能照明一體化 ?溫度補償

中圖分類號：TM923 ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）10（c）-0000-00

Research on Integrated Design and Application of Solar Lighting

WANG Yeping ? XIONG Zhong

（Jiangxi Electric Vocational and Technical College， Nanchang， Jiangxi Province， 330032 China）

Abstract： The village road lighting project is an important part of the new rural construction. However， on some remote roads that have not been electrified， cables need to be laid from places far away， and the cost of installing cables separately is higher. In this case， the integrated solar lighting technology is used， and solar panels and batteries are used to provide the power required for lighting for LED， etc.， so as to solve the problem of high cost， difficult construction. ?This article analyzes the core technology in the integrated solar energy design. From the point of view of the pilot application effect， it has achieved the effect of stable lighting and energy saving， which has the value of technology promotion.

Key Words： Solar light tower; Adaptive discharge; Integrated solar lighting; Temperature compensation

在傳統(tǒng)化石能源短缺和環(huán)保要求日益嚴(yán)格的背景下，以太陽能、風(fēng)能等為代表的新能源技術(shù)得到了快速發(fā)展。其中，基于太陽能裝置的光電轉(zhuǎn)化技術(shù)是現(xiàn)階段比較成熟的新能源技術(shù)之一，并且在諸多領(lǐng)域得到了廣泛運用。在電力行業(yè)，通過建設(shè)太陽能燈塔可實現(xiàn)就近供電，解決了偏遠地區(qū)施工難度大、架線成本高的問題，應(yīng)用前景廣闊。太陽能照明一體化設(shè)計融合了智能控制技術(shù)，做到了“人來燈亮、人走燈滅”，節(jié)能效益良好。此外還具有自動調(diào)節(jié)亮度、自動進行溫度補償?shù)裙δ?，未來將有望成為偏遠地區(qū)照明的主要形式[1]。

1 ?太陽能照明燈塔的應(yīng)用現(xiàn)狀

在我國一些偏遠山區(qū)，由于人口數(shù)量少、用電需求低，存在電網(wǎng)覆蓋率不高的情況。這種情況下要想在農(nóng)村道路上戶外照明裝置，需要額外敷設(shè)電纜，為路燈提供電源。而太陽能照明燈塔則解決了這一問題，它不需要從外界連接電纜供電，能夠利用太陽能板將光能轉(zhuǎn)化成電能，并利用蓄電池存儲電能，再向路燈供電。但是太陽能照明燈塔在實際應(yīng)用中，也存在一些缺陷，例如：照明效果與日照強弱有密切聯(lián)系，若遇到連續(xù)陰天，會出現(xiàn)路燈不亮的情況，無法滿足照明要求。此外，普通的太陽能照明燈塔，蓄電池是安裝在燈桿底部，并且為了安裝、維護方便，留有帶鎖的門。但是經(jīng)常有不法分子暴力破壞、偷竊電池的情況。因此，在偏遠地區(qū)太陽能照明燈塔有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢，但是也面臨著諸多問題，亟需改進。

2 ?一體化太陽能燈塔的結(jié)構(gòu)組成和應(yīng)用優(yōu)勢

一體化太陽燈燈塔是在常規(guī)太陽能照明路燈的基礎(chǔ)上，經(jīng)過設(shè)計改良和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后得到的，具有結(jié)構(gòu)更加簡單、安裝更加方便、使用壽命更長、性價比更高等諸多優(yōu)勢。從結(jié)構(gòu)組成上來看，一體化太陽能燈塔的主要構(gòu)件有太陽能板、蓄電池、光伏控制器等，這些構(gòu)件采用一體化設(shè)計，全部安裝在燈桿頂端，這樣就解決了蓄電池被偷竊的問題。另外，一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計在安裝時，不需要現(xiàn)場組裝，直接將燈桿底座固定即可完成安裝，因此施工十分簡便，后期維護難度也大幅度降低。另外，在太陽能板下方增加了一個可活動的扣件，支持在垂直方向上進行10°～60°的調(diào)節(jié)，以及在水平方向上360°旋轉(zhuǎn)。通過PLC控制器靈活調(diào)節(jié)太陽能板的方向、角度，始終保持最佳采光，提高太陽能的利用率?；赑LC的智能控制單元，還能自動調(diào)節(jié)路燈亮度，以及利用傳感器自動控制路燈的亮滅，相比普通路燈節(jié)能效果可提升60%～80%。蓄電池充滿電的情況下，即便是無外部光照，也可保證7天（每天8 h）的照明需求[2-3]。

3 太陽能照明一體化設(shè)計

3.1 ?燈具配光設(shè)計

燈桿總高度為5.5 m，燈具安裝高度有5.0 m、4.5 m和4.0 m這3種選項。具體可根據(jù)路面寬度、行人密度等來決定。路面寬度在5 m左右，行人較多的鄉(xiāng)村主道路，可以將燈具安裝在燈桿5 m處，設(shè)置燈具仰角30°，則蓄電池正常供電情況下，以燈桿為中心，周圍5 m直徑范圍內(nèi)的平均照度不低于3 lx。路面寬度在3 m左右，行人較少的鄉(xiāng)村小徑，可以將燈具安裝在燈桿4 m處，設(shè)置燈具仰角為25°，在蓄電池正常供電情況下，燈桿周圍3 m直徑范圍內(nèi)的平均照度不低于2lx。

3.2 ?燈具智能控制設(shè)計

以PLC為核心的智能控制器，可支持溫度采樣、充/放電驅(qū)動、蓄電池電壓采樣、自適應(yīng)燈光調(diào)節(jié)等功能的實現(xiàn)。

3.2.1 ?充電設(shè)計

充電設(shè)計采用PWM脈寬調(diào)制充電方式。對于12 V的系統(tǒng)，當(dāng)蓄電池處于欠壓狀態(tài)時，控制器控制太陽能板以0.25 C的電流恒流充電，當(dāng)蓄電池電壓大于12 V后轉(zhuǎn)而采用直充方式直到蓄電池電壓直充電壓上限設(shè)定值，之后進入浮充狀態(tài)，脈寬逐漸減小，降低充電電流。當(dāng)蓄電池達到14.4 V，保持低于0.1 C的電流以補償蓄電池因自放電產(chǎn)生的能量損失。

3.2.2自適應(yīng)照明設(shè)計

利用光敏傳感器收集外界光照強度參數(shù)，當(dāng)光照強度低于設(shè)定值時，即判斷為入夜。此時太陽能控制器首先檢測蓄電池電池電量，若電量在1/2以上，則根據(jù)當(dāng)前光照強度設(shè)定燈具亮度參數(shù)，并在30 min以內(nèi)，將燈具亮度從0勻速升高至設(shè)定好的亮度。同時，光敏傳感器每隔10 min采集并上傳一次光照強度參數(shù)，控制器根據(jù)實時反饋參數(shù)，重新調(diào)整燈具亮度，這樣就保證了隨著天氣逐漸從亮到暗，燈具的亮度也會實現(xiàn)從暗到亮的自適應(yīng)調(diào)整[4]?；谧赃m應(yīng)照明設(shè)計，一方面是滿足了路燈照明的功能需要，另一方面又最大程度上節(jié)約了電能效果。除此之外，由于蓄電池放電時間延長，相當(dāng)于減少了蓄電池頻繁充放電的次數(shù)，對延長蓄電池使用壽命也有一定幫助。當(dāng)太陽能控制器檢測到蓄電池剩余電量不足20%后，會將燈具自動關(guān)閉，防止電能完全耗盡降低蓄電池壽命。

3.2.3 ?溫度補償與保護設(shè)計

溫度變化通過影響蓄電池的性能，進而決定著太陽能路燈的照明效果。在冬季氣溫較低的情況下，鋰電池內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)速度變慢，放電電流明顯減小，使得電池電量快速下降。而蓄電池由于暴露在外，受到溫度變化的影響十分明顯。太陽能照明一體化中的控制器，能夠提供溫度補償來保證蓄電池正常放電，滿足冬季路燈照明用電需求。太陽能控制器通過AD采樣，獲取負溫度系數(shù)熱敏電阻的阻值。當(dāng)熱敏電阻反饋的參數(shù)顯示溫度低于0 ℃時，給予溫度補償，補償系數(shù)為-18 mV/℃。需要注意的是，為了避免出現(xiàn)系統(tǒng)過載的現(xiàn)象，還需要將進行溫度補償后的放電電流與設(shè)定的保護閾值進行比較。如果實際放電電流超過閾值，則關(guān)閉負載。在負載關(guān)閉的時間里，繼續(xù)進行電流數(shù)據(jù)采集和對比，直到重新檢測到放電電流在閾值以內(nèi)，則太陽能控制器重新開通電路。此外，在蓄電池充電過程中，也提供了過充電壓、欠壓保護等功能，從而保證蓄電池正常充放電，延長蓄電池的使用壽命[5]。

3.2.4 ?蓄電池穩(wěn)壓設(shè)計

太陽能板將光能轉(zhuǎn)化成電能的過程中，由于光照強度發(fā)生變化，產(chǎn)生的電能不連續(xù)、電壓不穩(wěn)定。這種情況下如果有蓄電池直接向燈具供電，也會導(dǎo)致燈具的亮度忽高忽低，不僅影響正常的照明，而且長此以往也會加速燈具的損壞。因此，在太陽能照明一體化裝置設(shè)計中，還應(yīng)增加穩(wěn)壓設(shè)計。在太陽能電池板與蓄電池之間連接一個穩(wěn)壓器。對于有光能轉(zhuǎn)化而來的電能，在穩(wěn)壓器的作用下進行調(diào)節(jié)，使波動的輸入電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的輸出電壓。從而保證蓄電池向LED等提供穩(wěn)定電壓，滿足照明需要[6]。

4 ?太陽能照明一體化的應(yīng)用

為驗證太陽能照明一體化裝置的實際應(yīng)用效果，選擇位于偏遠山區(qū)的某村進行實驗。根據(jù)實地調(diào)查，該村常住人口2 260人，位于兩山之間，除了進村的一條主干道路為水泥路外，其他均為山間小徑，沒有路燈。如果要在山間小路兩側(cè)安裝路燈，需要從3 km以外敷設(shè)電纜。由于山區(qū)地形復(fù)雜，架線施工難度大、成本高?；诖耍瑳Q定采用太陽能照明一體化裝置。整個裝置可分為三大部分，各部分參數(shù)如下：（1）系統(tǒng)部分，工作電壓為DC12V，燈桿高度5.5 m，燈具每天照明時間6～10 h，連續(xù)陰天下最大續(xù)航為5 d;（2）組件部分，太陽能板采用單晶18 V/40 V，蓄電池輸出電壓12 V;重量15 kg;（3）燈具部分，使用由10個功率為14.8 W的LED組成光板，色溫4 000 K，重量1.8 kg。

太陽能照明一體化裝置主要安裝在道路交叉口，以及附近有居民的地方。白天通過太陽能板為蓄電池充滿電后，在傍晚光照強度降低到一定值后，LED等自動亮起。30 min后達到設(shè)定的亮度，照射范圍最大為8 m。在PLC控制器的作用下，能夠做到分時段照明。在夜晚連續(xù)照明8 h的情況下，使用太陽能照明一體化裝置，耗電量僅為普通路燈的45%，節(jié)能效益明顯。

5 ?結(jié)語

村道亮化是國家出臺的又一項惠民工程。在地理位置偏遠的農(nóng)村，使用太陽能照明一體化裝置代替普通路燈，具有施工方便、成本較低、亮度可自動調(diào)節(jié)、節(jié)約電能等一系列優(yōu)勢，具有推廣應(yīng)用價值。

參考文獻

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[3] 劉娟.鋼結(jié)構(gòu)住宅太陽能光伏一體化融合技術(shù)的研究[J].江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2018，18（1）：28-32.

[4] 曾思勝.基于無線傳輸技術(shù)的智能校園照明控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].廣州：華南理工大學(xué)，2020.

[5] 艾凱旋.基于薄膜晶體管的透明觸摸屏驅(qū)動電路研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2020.

[6] 高飛.基于改進型遺傳算法的風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)儲能優(yōu)化研究[D].北京：華北電力大學(xué)（北京），2020.

作者簡介：王業(yè)萍（1979—），女，碩士，高級講師，研究方向為計算機控制技術(shù)。