大连地区太阳能LED隧道照明系统设计

2011-08-08刘名芳孙忠伟杨蛟骆英民胡礼中

照明工程学报 2011年6期

刘名芳孙忠伟杨蛟骆英民胡礼中

(大连理工大学物理与光电工程学院，大连 250032)

1 概述

随着第四代照明光源LED光源的兴起和技术上的逐渐成熟，大功率照明LED在生产和生活中的实际应用越来越广泛。太阳能光伏电源是新型节能环保电源，近些年来太阳能利用技术不断取得突破，发展前景非常广阔。太阳能光伏直流特性恰好和LED光源的直流电源特性相匹配，使得太阳能大功率LED发光装置易于得到商业化的应用，特别是太阳能LED路灯已经形成产业化的趋势。本文研讨的太阳能LED隧道灯可以算作路灯的一种形式，但与普通的太阳能LED路灯工作模式还有很大区别。主要在于路灯在夜间工作，由蓄电池供电，白天蓄电池处于充电状态;而隧道灯全天候工作，白天光源在很长时间内由光伏电源直接供电，蓄电池则处于浮充状态，夜间光源由蓄电池供电。另外，给隧道灯供电的太阳能电池板需要更大的功率，并且由于白天光伏电源需要一边给蓄电池充电，一边给LED负载提供直流电源，所以要格外考虑系统参数的匹配性问题。大连市地处丘陵地带，交通隧道较多，本设计的构想就是为大连地区市内穿山隧道提供照明系统模型。需要综合考虑大连地理位置、环境气候因素的影响，设计出成本低廉、可靠性高的基于独立光伏系统的隧道照明系统。

2 系统组件介绍与选型

2.1 太阳能电池

现有的太阳能电池产品主要包括半导体硅太阳能电池和化合物太阳能电池。化合物太阳能电池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害，现阶段未被市场广泛采用。而硅半导体电池由于其原材料的广泛性，较高的转换效率和可靠性而被市场广泛接受。单晶硅和多晶硅电池更是其中的代表。非晶硅电池在民用产品上也有广泛的应用 (如电子手表，计算器等)，但是它的稳定性和转换效率劣于结晶类半导体材料电池，各种电池特点的对比如表1所示。由于本次设计的太阳能电池是独立光伏系统中为全天候工作的隧道灯供电，要求稳定性好、转换效率高，所以采用单晶硅太阳能电池板。我们采用的是深圳市海纳通太阳能有限公司出品的茂迪牌单晶硅太阳能电池板，此款电池以高纯的单晶硅棒为原料，效率高且性能稳定，光电转换效率为16%以上。

2.2 蓄电池

表1 各种电池特点的对比

目前可以考虑用于独立光伏系统的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍铁蓄电池、溴化锌电池等②，根据太阳能隧道灯的特殊工作环境，在选取蓄电池的过程中需要满足以下几点要求:(1)蓄电容量大。与普通路灯不同，通常路灯日照明6～8个小时，但隧道灯全天候工作，耗电量约为同等条件下普通路灯的三倍。 (2)循环寿命长、维护周期长、故障率低。与普通路灯相比，隧道内对照明系统维护作业的困难度更大，且照明系统一旦发生故障，由于完全没有自然光源，发生危险事故的可能性是极大的。(3)成本低廉。由于日耗电量高，蓄电容量大，要求蓄电效率高，单位储能容量的成本相对较低，以降低总的投资成本。基于以上几点考虑，本次设计采用镍镉蓄电池。这是一种碱性蓄电池，它在过充或过放时不易损坏，循环寿命长．工作温度范围可以是－50～60°C，在光状系统中充电效率可大于80%。

2.3 太阳能充放电控制器

太阳能光伏发电是一种供电时间和供电效率都不稳定的供电方式，必须用智能化的太阳能充放电控制器来对蓄电池的充放电进行有效管理，确保蓄电池正常使用，而不会由于过充过放等原因对蓄电池造成损害。根据太阳能隧道灯的工作特性，充放电控制器需要具备以下主要功能:(1)过充保护;(2)过放保护;(3)负载过流或短路保护;(4)过压保护;((5)防反充功能;(6)防雷击功能;(7)太阳能电池反接保护;(8)蓄电池反接保护;(9)蓄电池开路保护;(10)温度补偿功能。太阳能充放电控制器和太阳能电池、蓄电池、负载共同组成太阳能控制系统，系统框图如图1所示。我们采用的是深圳市深腾电子科技有限公司出产的深腾牌充放电控制器，这款控制器采用了基于专家控制系统的专用软件，实现了智能优化SOC控制。

图1 太阳能控制系统框图

2.4 大功率LED驱动器

LED驱动器是一种直接给LED负载供电的特殊电源。小功率的LED可采用恒压或恒流方式驱动，但大功率LED基本上都采用恒流驱动。这是因为大功率LED工作电流较大，若采用恒压方式供电，LED负载在工作电流很大时伏安特性的斜率也很大，轻微的电压变化也会引起电流的较大变化。目前作为恒流源的LED驱动器种类有很多，由于本次设计的负载灯组是功率30W、10串3并需要650mA恒流的LED灯组，综合考虑所需功率、参数精度、造价、实用条件等因素，我们选择了鑫胜杰科技有限公司推出的JN125A30型大功率LED驱动器，如图2所示。这款驱动器具有开路保护、过载保护、反接保护等功能，使用寿命长 (6万小时以上)、可靠性高、并且符合节能环保的要求。

2.5 LED照明灯组

图2

LED路灯作为新型高效清洁能源，比常规高压钠灯有很多重要优势。LED发光的单向性决定了发光没有漫射，保证了光有较高的利用效率。LED光源采用低压直流供电，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，并且耐高温达135度，耐低温达－45度，所以非常适合应用于道路照明。同时LED还有一些缺点有待于逐步改进，比如由于白光LED本身制造工艺上缺陷加上与反射杯或透镜的配合误差，容易造成“黄圈”问题。LED照射还涉及到均匀度问题，如果不进行二次光学设计，LED的照射会比较集中，降低实用性，所以一定要进行二次光学设计，使其光强分布图呈蝙蝠形。而LED隧道灯较之于普通的LED路灯又有其自身的特点，由于隧道灯设置高度较低，要求光强分布的蝙蝠形辐射角度更开阔，并且要求具有防震结构设计，确保其在桥梁隧道等高频震动中能够长期安全工作，我们选用的是深圳永欣光电子有限公司出产的XL-002225FL30WS-B型LED照明灯，这款灯组功率36W，功率因素大于0.9，光效为 70～80lm/W，初始光通量为 2100～2400lm，完全可以满足单个隧道灯的要求。

3 系统设计思路及组件容量计算

3.1 系统设计思路

太阳能隧道灯的工作方式如下:太阳能电池板、蓄电池、负载灯组三者之间经由太阳能控制器并联在一起。设置24伏为临界电压，白天光线较好的时候，太阳能电池板端电压略高于24伏，充电电路导通，电压在蓄电池端稳定于24伏，此时太阳能电池板为蓄电池充电，同时也在为负载供电。夜间太阳能电池板端电压不足24伏，充电电路关闭防止蓄电池反向充电，负载由蓄电池单独供电直到天亮。本隧道灯照明系统在太阳能驱动器的合理调配下，可以实现功率较平稳、效能较高的光能输出。而且由于白天负载直接由太阳能电池供电，所以在每日同等的耗电量下，隧道灯的蓄电池蓄电量要比路灯的蓄电池节省很多。关键问题在于计算好太阳能电池板、蓄电池等组件的容量参数。

3.2 隧道照明的数量与质量要求

隧道内照明系统有中线布置、交错布置、对称布置三种形式。如图3所示。

图3 隧道内灯组布置方式

本文考量的隧道环境是丘陵地貌条件下的短隧道，取交错布置方式。隧道长度取100米，路面宽度取8.5米。根据《公路隧道通风照明设计规范》提供的参考实例，隧道内平均照度应该达到40(lx)以上。路面平均水平照度可按下式计算:

式中，Φ——单个灯组光通量，本设计采用的灯组光通量为4000(lm);

η——灯具利用系数取0.4;

M——维护系数取0.7;

N——布局方式系数，本设计采取交错布局方式，系数N取1;

W——路宽取8.5米;

S——灯组间距取3米。

带入计算，E=4000×0.7×0.4/8.5/3=43.9(lx)，能够满足隧道内照明的一般需求。由于灯组间距3米，故100米的隧道需LED灯组34个。

3.3 单个灯组耗电量和蓄电池容量的计算

LED灯组采用36个1W的LED小灯珠通过6串6并的组合方式组合而成。额定功率36W，灯组额定电流1.8A，由额定输出电压24伏的蓄电池为其供电。

负载日耗电量

式中 a——灯组额定电流;

t——为日工作时间。

蓄电池容量

因此蓄电池容量选160(AH)。

式中 A——安全系数通常取1.2;

Q——负载日耗电量;

T——温度修正系数通常取1;

C——蓄电池放电深度取0.75;

N——最长连续阴雨天数取3天;

n——两组连续阴雨天间的最短间隔天数取4个月。

3.4 单组太阳能电池板容量计算

大连市区的地理坐标是东经 121°44'～121°49'，北纬39°01'～39°04'，通过查询美国宇航局地面气象和太阳能RETScreen数据库网站得知，大连地区日平均太阳辐射水平为4.42kWh/m2/d，最低日平均辐射水平的月份是12月为2.28 k Wh/m2/d。由于照明系统需要一年四季昼夜循环使用，我们在计算太阳能电池功率的时候，需要以日平均辐射水平最小的月份为基准，所以我们选取12月2.28 kWh/m2/d为基准。根据《我国主要城市的辐射参数表》，太阳能电池板的最佳倾角取44.1°。修正系数kop值为1.07。本设计采用的太阳能电池板的标准功率是38W，工作电压为17.1V，工作电流为2.22A。

电池组件日平均发电量

式中 I——工作电流;

H——最低月平均日辐射量;

Kop——斜面修正系数;

C——组合、衰减、灰尘、充电效率等损失的修正系数，一般取0.85。

则Q2=2.22×2.28×1.07×0.85=4.6(AH)

需补充的蓄电池容量

计算太阳能组件并联数

计算太阳能组件串联数

其中 U1——浮充电压;

U2——二极管压降通常取0.7V;

U3——其他因素引起的压降通常取1V;

U4——太阳能电池组件的最佳工作电压。

则

因此工作电压为17.1V，工作电流为2.22A太阳能组件采取10个并联、1.5个串联的组合方式就可以为单个灯组提供足够的电能。

3.5 系统总的LED灯组数量、蓄电池数量、太阳能电池板数量计算

隧道外的单个太阳能电池组可以通过串联的方式为隧道内的蓄电池和LED灯组统一供电。每一照明单元由太阳能控制器独立对其蓄电池进行充放电调节。依据本文计算数据，100米长、8.5米宽的短隧道，需要LED灯组34个，蓄电池34个。由于单个太阳能组件采取1.5个串联的组合方式，则总的太阳能电池板需采取的串联个数为1.5×34=51个。即太阳能电池板方阵需采取10个并联、51个串联的方式，总共需要510个。