集中储能式太阳能LED路灯系统设计

代春燕，袁建华,2，张方虎， 陈 轩，张 皓

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002；2.三峡大学新能源微电网湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002；3.雅砻江流域水电开发有限公司官地水电站，四川成都610000)

集中储能式太阳能LED路灯系统设计

代春燕1，袁建华1,2，张方虎3， 陈 轩1，张 皓1

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北宜昌443002；2.三峡大学新能源微电网湖北省协同创新中心，湖北宜昌443002；3.雅砻江流域水电开发有限公司官地水电站，四川成都610000)

在太阳能LED路灯系统里，蓄电池的使用寿命相对其他组件较短，而传统的单灯独立储能模式和蓄电池的地埋式安装，给后期检修和维护造成了很大的不便。设计一种集中储能式太阳能LED路灯系统来解决这一问题，设计内容有路灯系统的结构设计、参数设计和控制器设计。研究结果表明，这种新型系统不但降低了设计成本，而且提高了系统的能量利用率。

集中储能;蓄电池房;能量分配;集成控制器

太阳能LED路灯要考虑其外形美观、结构合理，同时还要恰当确定太阳电池组件、铅酸蓄电池组的容量及负载功率的大小，以保证系统可靠地工作，达到最好的经济效益。

太阳能路灯工作的关键技术体现在控制器上面，文献[1]中，通过对太阳能路灯控制器硬件和软件的合理设计，来提高控制器对蓄电池的保护能力，从而延长蓄电池的使用寿命；文献[2]设计出了一种新型的节能照明控制器，尽可能地降低了能耗；文献[3-4]中，基于单片机设计了控制系统，以提高控制器的控制性能。这些研究改善了太阳能LED路灯的控制性能，但忽视了对其应用性能的提高。

实际应用中，光伏电池组件的寿命约为20年，LED灯头的平均寿命能达到10年，而铅酸蓄电池组的实际寿命一般只有2～3年，铅酸蓄电池组的寿命相比系统其他部件要短得多。路灯各组件寿命的差异，导致在使用过程中对蓄电池组的替换相对要频繁，目前对于蓄电池组的安装方式主要是地埋式，这在很大程度上给施工带来了不便。设计一种新的储能方式来克服路灯系统中各部件寿命的明显差异和改善蓄电池特殊的安装形式给其运行造成的弊端，具有重要的意义。本文将设计一种集中储能式太阳能LED路灯系统，使其能够降低施工的难度，且提高路灯的工作效率。

1 太阳能LED路灯系统传统储能方式

太阳能路灯主要由太阳电池组件部分(包括支架)、LED灯头、控制器、铅酸蓄电池组和灯杆构成，其控制原理示意图如图1所示。太阳能LED路灯的工作原理是白天太阳能路灯在控制器控制下，太阳电池经过太阳光的照射，吸收太阳光转换成电能，光伏组件向铅酸蓄电池组充电，晚上铅酸蓄电池组提供电力给LED灯供电，实现照明功能。控制器确保铅酸蓄电池组不因过充或过放而被损坏，同时具备光控、时控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。

图1 传统太阳能LED路灯控制原理示意图

太阳能LED路灯在安装过程中，灯杆之间的距离同路的宽度和地理位置等因素有关，大致设为30 m左右。目前道路太阳能LED路灯系统采用单灯独立储能供电模式。铅酸蓄电池组因体积、质量等原因一般采取就近安放在路灯底下，然后使用导线外接控制器。道路路灯系统每隔30 m左右就需要在灯杆下挖砌一个水泥防水槽用来安置铅酸蓄电池组。由于铅酸蓄电池组经常需要维护，寿命相对较短，以及埋于地下的特殊安装形式，都给太阳能LED路灯的基本维护和故障检修造成了较大影响，增加了应用成本。

2 集中储能式太阳能LED路灯系统的设计

2.1 LED路灯系统的结构设计

针对以上问题，本文提出使用太阳能LED路灯系统集中储能供电模式来替代单灯独立储能供电模式的解决方案。集中储能的主要思想是，将一定数量的路灯的储能元件集中起来管理，一方面降低了路灯维护检修的难度，另一方面通过合理的能量管理增大了能源的利用效率。图2为本文设计的集中储能式太阳能LED路灯系统的结构示意图。

图2 集中储能式太阳能LED路灯系统结构示意图

图2中，“1”代表太阳电池板，“2”代表控制器，“3”代表铅酸蓄电池组，“4”代表LED灯，“5”代表单向直流输电线，“6”代表双向直流线路，“7”代表蓄电池房。由图2可知，集中储能式系统将一定数量的路灯进行集中控制和集中储能，并且控制器和储能元件都设置在蓄电池房里。

2.2 LED路灯系统的接线参数设计

本文以“城镇街道太阳能LED路灯系统”为背景，对集中储能式太阳能LED路灯系统参数进行设计。城镇街道主要道路的长度一般为8～12 km，灯杆之间的距离大致在30 m左右，因此一条主要道路大致拥有533～800盏的路灯。若把这些路灯储能装置——铅酸蓄电池组全部进行集中储能，则所需集中储能铅酸蓄电池组的容量非常大。

实际太阳能LED路灯产品设计中，为确保储能和供电的可靠性，一般每盏太阳能LED路灯所需储能元件的容量为12 V，38～150 Ah。铅酸蓄电池组产品都按一定标称容量来进行批量生产，在太阳能LED路灯系统中常用阀控式密封铅酸蓄电池容量的规格为12 V，100 Ah，而负载电压一般为24 V，所以对于采用单灯独立储能供电模式时通常使用两台12 V，100 Ah的铅酸蓄电池串联使用给负载供电。不同厂家生产的蓄电池在外观设计和尺寸大小上有所不同，但尺寸差异不大，以“奥特多”阀控密封式铅酸电池为例，对于12 V，100 Ah型号的蓄电池其尺寸为335 mm×172 mm×214 mm。

在对集中储能的太阳能LED路灯数量进行确定时，需要考虑以下几个因素：

(1)铅酸蓄电池组的并联数目。参与集中储能的太阳能LED路灯数量越多，所需的储能铅酸蓄电池组的容量越大，而铅酸蓄电池组的并联数目不宜太多，是为了尽量减少铅酸蓄电池组之间的不平衡造成的影响。

(2)输电距离。太阳能LED路灯系统工作条件为低压直流电，加之LED光源节能高效，供电电流不大，采用普通的输电线便能可靠实现能量传递，线路造价较低，有利于太阳能LED路灯的集中储能设计。但当输电距离过大时，用于集中储能设计的蓄电线路的传输成本是不能被忽略的，因此不宜将相距很远的太阳能LED路灯进行集中储能。

(3)蓄电池安装空间。对铅酸蓄电池进行集中设计时，为了安装与维护的方便可以建设蓄电池房来安放蓄电池从而代替将蓄电池埋于地下的方式。受地理环境限制，蓄电池房的体积不宜过大。

综合考虑上述三方面因素，并结合集中储能式太阳能LED路灯系统连接示意图，得到的设计参数如表1所示。

表1 集中储能式太阳能LED路灯系统设计参数

对于表1中的参数设计依据，具体分析如下：

每一个集中储能式太阳能LED路灯系统中，采用12 V，200 Ah规格的铅酸蓄电池进行储能，一个12 V，200 Ah规格的铅酸蓄电池尺寸大概为522 mm×240 mm×218 mm。当铅酸蓄电池组容量相同时，12 V，200 Ah蓄电池比12 V，100 Ah蓄电池所占总体积要小，且采用大容量蓄电池可以减小蓄电池并联数量。蓄电池的并联组数一般不超过4组，因此本文中，将2个12 V，200 Ah的铅酸蓄电池串联起来，以满足负载输入电压为24 V的要求，再将串联起来的铅酸蓄电池取4组并联起来，构成一个铅酸蓄电池组，一起供8盏LED路灯的储能供电，总有144个LED路灯。并联能使铅酸蓄电池组在工作中互为备用，增加太阳能LED路灯的供电可靠性。为了减小输电线路总距离，选择将蓄电池房安装在参与集中储能的太阳能路灯的中间位置。

权衡以上因素，本文每个蓄电池房允许安放不超过144个12 V，200 Ah的铅酸蓄电池，即：18组铅酸蓄电池组。故长为8～12 km的主要道路，道路两侧分别需建设2～3个体积为3.2 m×2.0 m×2.0 m的蓄电池房。对于蓄电池房，考虑到蓄电池安放时中间留有一定间隙，以及预留部分体积安放其他配套设备。

3 集中储能式太阳能LED路灯系统的控制器研究

集中储能式太阳能LED路灯系统，除了在对蓄电池的连接形式和集中储能的LED路灯的数量要进行设计之外，对其控制器的设计同样非常重要。集中储能式太阳能LED系统的控制器相比传统的独立式储能太阳能LED路灯系统的控制器[5-8]要复杂得多。它既要实现同时对多个路灯充放电和保护的协调控制，还要实现能量的统一分配，以提高LED路灯的能源利用效率。图3为本文基于集中储能式太阳能LED路灯系统设计的集成控制器电路原理图。

图3 集成控制器电路原理图

集成控制器的工作原理如下：

每个路灯单元里面的开关器件Ti和Si、二极管VD和VDi'、保险丝BX，以及控制器附近设置的温度、光敏和电压传感器测量检测电路共同组成控制器辅助电路。控制器辅助电路满足以下功能：(1)通过电压传感器对蓄电池组电压u进行监测；(2)通过光敏传感器测量光照强度R，来协助判断路灯单元中太阳电池板和LED灯的工作状态；(3)通过温度传感器来测量实时温度T，实现温度补偿功能。该控制器核心芯片采用DSP28335，为多输入多输出控制器，可以同时并行控制多个蓄电池组的充放电，实现其能量的合理分配。根据本文的设计要求，此控制器设计至少能实现对18个蓄电池组的控制。

PVi(i=1、2、…、n)是每个路灯的太阳电池板；VDi(i=1、2、…、n)是防反充二极管；VDi'(i=1、2、…、n)是防反接二极管；Ti(i=1、2、…、n)是控制充电回路的开关，Si(i=1、2、…、n)是控制蓄电池放电开关；BX是保险丝；检测控制电路监控蓄电池的端电压u，以控制Ti和Si的开合；蓄电池表示的是整个蓄电池房里所设置的蓄电池，按照2串4并的形式进行组合后安置；Li是LED灯。

控制器利用并联在蓄电池充电回路中的开关器件Ti控制充电电流i的大小变化过程。控制器检测电路监控蓄电池的端电压u，当充电电压超过蓄电池设定的充满断开电压时，控制器控制 Ti按照(T1、T9、T17、…)→(T2、T10、T18、…)→…→(T8、T16、T24、…)的顺序分8组逐渐关断开关Ti，实现对每组蓄电池的充电电压u和电流i调节，这种连续调节的形式，可以避免电参量突变，有利于设备的保护。通过控制开关Ti起到防止蓄电池过充电的保护作用。

Si(i=1、2、…、n)为蓄电池放电控制开关，当检测控制电路通过监测到蓄电池的电压u，判别出蓄电池的持续供电时间低于所需供电时间时，控制开关 S2、S4、S6、S8、…关断；而开关 S1、S3、S5、S7、…保持接通，为 LED 路灯供电，提供照明。当蓄电池的供电电压低于蓄电池的过放电保护电压时，控制器继续控制开关 Si，使余下的 S1、S3、S5、S7、…也关断。从而，通过控制开关Si，既能起到对蓄电池的过放保护，而且以分段控制形式实现能量的分配，又能尽可能地增长照明时间。

电路中的VDi'为蓄电池接反保护二极管，当某一蓄电池极性接反时，对应VDi'导通，蓄电池将通过VDi'短路放电，对应单元的保险丝BX将被短路电流熔断，起到防蓄电池反接保护作用。

4 结论

对于负载工作电压为24 V，道路长度为8～12 km的城镇街道太阳能LED路灯系统，在道路两侧分别建立2～3个蓄电池房安置蓄电池组，来代替传统的蓄电池安装模式。这种集中储能式系统能降低建设成本和后期的维护费用；集成型的控制系统，对能量进行统一管理，在保证太阳能LED路灯系统的正常工作的基础上，提高了太阳能LED路灯工作效率。

[1]张涛.改进型太阳能路灯控制器的研制[J].自动化与仪器仪表,2011(4):78-79,82.

[2]姚宏,冯卫东,邱望标.太阳能LED路灯控制器设计[J].现代机械,2009(2):22-25.

[3]黎云汉.太阳能LED路灯控制系统的设计[J].软件工程师，2013(5)：33-36.

[4]张秀梅.基于单片机的太阳能路灯智能控制系统设计[J].微计算机信息,2012(6):100-101,135.

[5]刘鑫.太阳能路灯系统控制器研究及设计[D].青岛：中国海洋大学,2011.

[6]程来星,卢丽娟,江超.太阳能LED路灯控制器的设计[J].电子设计工程,2013(2):154-157,161.

[7]李海霞.太阳能LED路灯控制器的设计[D].郑州:郑州大学,2011.[8]王金生.太阳能路灯系统优化设计探讨[J].蓄电池,2011(1):20-25.

Design of centralized energy storing type solar LED street lamp system

DAI Chun-yan1,YUAN Jian-hua1,2,ZHANG Fang-hu3,CHEN Xuan1,ZHANG Hao1
(1.Electrical Engineering&Renewable Energy School,Three Gorges University，Yichang Hubei 443002,China;2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for New Energy Microgrid,Yichang Hubei 443002,China;3.Guandi Hydroelectric Power Station,Yalong River Hydropower Development Company,Ltd.，Chengdu Sichuan 610000,China)

In solar LED street lamp system,the service life of the battery is relatively short,while the traditional single lamp independent storage mode and battery buried installation cause great inconvenience to the later repair and maintenance.A centralized energy storing type solar LED street lamp system was designed to solve this problem,and the design content of street lamp system included the structural design,parameters design and controller design.The research results show that,this new system can not only reduce the design cost,but also enhance the energy utilization rate.

centralized storage;battery room;energy distribution;integrated controller

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1042-03

2016-12-04

湖北省自然科学基金(2012FFB03703);湖北省教育厅青年人才基金 (Q20131301);湖北省宜昌市科技局科技基金(A13-302a-09);三峡大学硕士学位论文培优基金(2015PY037);梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室基金资助项目(2015KJX07)

代春燕(1990—)，女，湖北省人，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电技术。

袁建华(1978—)，男，湖南省人，博士，硕士生导师，主要研究方向为太阳能光伏并网技术、新型逆变器和微电网，以及智能电网。