用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)法優(yōu)化太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)

　一、引言

　　在光伏應(yīng)用領(lǐng)域，太陽(yáng)能光伏照明具有重要的地位。LED照明與太陽(yáng)能的有機(jī)結(jié)合是從PN結(jié)到PN結(jié)，無須電壓變換，效率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。目前，太陽(yáng)能照明難以大面積推廣的瓶頸不是技術(shù)問題，而是成本太高，前期投入太大，以至于幾年內(nèi)不能用節(jié)約的電費(fèi)補(bǔ)償投入。目前工程設(shè)計(jì)過于依賴數(shù)學(xué)模型和理論數(shù)據(jù)，由于環(huán)境的差異及氣象的千變?nèi)f化，在蓄電池和太陽(yáng)能電池之間易出現(xiàn)小馬拉大車或大馬拉小車現(xiàn)象，造成浪費(fèi)乃至縮短使用壽命。而熱點(diǎn)研究的最大功率輸出跟蹤技術(shù)還處于概念層面，不具實(shí)用價(jià)值。

　　本文結(jié)合在我校設(shè)計(jì)安裝并已成功運(yùn)行近三年的兩盞LED太陽(yáng)能路燈的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析闡述。

　　二、虛擬儀器的開發(fā)

　?。ㄒ唬﹥x器設(shè)計(jì)

　　利用調(diào)理信號(hào)電路對(duì)光電池的輸出電流和蓄電池的放電電流及蓄電池的充放電工作電壓進(jìn)行一定頻率的數(shù)據(jù)采樣，由USB數(shù)據(jù)采集模塊將采集數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)。在LabVIEW軟件平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和統(tǒng)計(jì)分析。原理框圖見圖1。

圖1系統(tǒng)原理框圖

　　（二）軟件開發(fā)

　　LabViEW足美國(guó)國(guó)家儀器（NI）公司開發(fā)的廣泛應(yīng)用于儀器控制、自動(dòng)化測(cè)試、數(shù)據(jù)分析處理等領(lǐng)域圖形化編程語言，是優(yōu)秀的開發(fā)虛擬儀器軟件。在自動(dòng)化測(cè)控領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。開發(fā)本系統(tǒng)采用的足LabVlEW8.2版本，硬件采用NI公司生產(chǎn)的USB接口數(shù)據(jù)采集模塊，型號(hào)為USB一6009,14位8通道輸八。USB接口可方便地即插即用并支持熱插拔。連接筆記本電腑可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)臨測(cè)。

　?。ㄈ┟姘逶O(shè)計(jì)

　　在圖2所示的面板圖中，設(shè)置兩個(gè)開關(guān)以選擇是監(jiān)測(cè)電流、電壓還是同時(shí)監(jiān)測(cè)。分別顯示電流實(shí)時(shí)采集曲線和電壓實(shí)時(shí)采集曲線。并配以數(shù)字顯示。在采集周期設(shè)置窗口，以秒為單付設(shè)置采樣周期。開始采集按鈕同時(shí)具有暫停功能。全部采集結(jié)束后，選擇退出并回放按鈕，在回放波形窗將顯示采集電流波形。并計(jì)算其曲線下面積值作為電流充放電的安時(shí)數(shù)（能量值）。在面扳的右下方同時(shí)顯示帶有日期、時(shí)間信息的全部數(shù)據(jù)列表，并顯示電流、電壓最大最小值。

圖2 虛擬儀器面板圖

　　三、設(shè)計(jì)內(nèi)容及測(cè)試結(jié)果

　?。ㄒ唬?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/LED">LED照明光源的設(shè)計(jì)

　　由于庭院式LED路燈的高度只有3.5m,宜采用小功率LED組成面光源。一盞太陽(yáng)能LED路燈共需要對(duì)稱的兩塊LED面光源。每塊需36只φ5mm的高亮度大角度自光LED.經(jīng)排列測(cè)試，以LED間隔2cm為陣列排布的光源發(fā)光更均勻，無光斑間隙，同時(shí)可使照射面積更大。將36只LED焊接存12cm×12cm的印刷電路扳（MCPCB）上，并進(jìn)行密封防水處理。為美觀裝飾，同時(shí)使燈架底部有一定的亮度，在支架管頭處安裝了兩個(gè)球燈，每個(gè)球燈需要6只LED,整個(gè)系統(tǒng)共需要84只LED。

　　選擇流過單只LED的電流16mA,每盞路灼的總電功率為5.4W.在12V的直流電壓下，總電流為450mA。

　　經(jīng)測(cè)試，照射到地面的中心最大照度為121x.符臺(tái)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GJJ45-1991）中次干公路（81x）的標(biāo)準(zhǔn)。

　　（二）控制器的合理選用

　　無論太陽(yáng)能燈具大小，一個(gè)性能良好的充放電控制器是必不可少的。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，必須對(duì)它的充放電狀態(tài)加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電；當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，通過旁路使蓄電池防止過充電。當(dāng)達(dá)到規(guī)定放電深度電壓時(shí)，切斷蓄電池與負(fù)載的連接。我們選擇的控制器可進(jìn)行多種編程選擇，通過比較太陽(yáng)能電池板的開路電壓來識(shí)別是白天還是黑夜，可白行設(shè)定光控的開啟點(diǎn)和任意設(shè)定開啟后的工作時(shí)間。

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　　確定蓄電池的容量，首先要了解接入系統(tǒng)的負(fù)載每天需要的電量；其次根據(jù)氣候條件蓄電池需要存儲(chǔ)多少天的電量。測(cè)算時(shí)要注意電池容量會(huì)受到諸多因素影響，例如放電深度、放電率、溫度、控制器效率、老化和反復(fù)充電特性等。并不是容量愈大愈好，過大的電池容量一方面增大系統(tǒng)成本，同時(shí)，如果太陽(yáng)能電池輸出功率不足，蓄電池經(jīng)常處于欠充滿狀態(tài)，將會(huì)導(dǎo)致電池硫酸化增加，容量降低，壽命縮短。

　　選用免維護(hù)鉛酸閾控式蓄電池，容量的確定方法如下：

　　蓄電池容量=（自給天數(shù)×日平均負(fù)載）/最大放電深度。

　　設(shè)計(jì)路燈每日工作6小時(shí)，工作電流為450mA.由此可得出每日耗電2.7Ah.設(shè)計(jì)自給天數(shù)為3天；能保證連續(xù)3.5個(gè)陰天仍能維持系統(tǒng)工作。取蓄電池的放電深度為50%.

　　自給天數(shù)是指在深度陰、雨、霧天中，幾乎沒有對(duì)蓄電池的充電能力時(shí)，維持工作的天數(shù)。依據(jù)此天數(shù)算出的容量為：（2.7Ah×3天）/o.5=16.2Ah.選取12V/17Ah蓄電池即可。

　　太陽(yáng)能電池每天充電能力要略大于2.7Ah,才能維持系統(tǒng)正常工作。也就是說，只有每天略有節(jié)余，才能保證蓄電池的容量始終維持飽滿狀態(tài)。事實(shí)上，盡管出現(xiàn)連續(xù)3天陰天，也很少出現(xiàn)充電能力為零的情況。一般陰天日充電雖達(dá)不到日放電2.7Ah的水平，仍會(huì)有不同程度的補(bǔ)充。由此在第4天和第5天仍然有維持負(fù)載工作的極大可能。

　?。ㄋ模┨?yáng)能電池功率確定

　　根據(jù)青島地區(qū)近20年氣象資料得到平面太陽(yáng)輻射月均值，采用實(shí)測(cè)法確定其斜面太陽(yáng)輻射月均值。采用通用的峰值小時(shí)法，折算成日均輻射值后可得各月峰值日照時(shí)數(shù)。再根據(jù)蓄電池每日充電略高2.7Ah,可算出太陽(yáng)能電池板的輸出電流值，取太陽(yáng)能電池板的輸出工作電壓為17.5V,則可確定各月最低電池板的輸出功率，見表1.

表1 青島地區(qū)各月斜面太陽(yáng)輻射及所需太陽(yáng)能電池輸出功率（針對(duì)每日充電2.7Ah）

　　如果以太陽(yáng)最低輻射的12月為設(shè)計(jì)月，則太陽(yáng)能電池的輸出功率需要27W,同時(shí)其它月份都能保證。

　　如果選擇輻射最強(qiáng)的6月份為設(shè)計(jì)月，則選擇太陽(yáng)能電池容量為llW,但其它月份均無法保證，這是不可取的。我們確定20W的輸出容量，雖然在1月、11月和12月存在風(fēng)險(xiǎn)，但我們通過合理確定電池板的方位及增加反光鏡等措施來彌補(bǔ)自身功率輸出的不足。

　　（五）用跟蹤實(shí)測(cè)法確定太陽(yáng)能電池板方位

　　由于太陽(yáng)赤緯角一年內(nèi)連續(xù)不斷的變化，使太陽(yáng)的高度角和方位角都在不斷變化。只有讓電池板的方位不斷跟隨太陽(yáng)的位置變化才能得到理想化的最大太陽(yáng)輻射輸出，但這很難實(shí)現(xiàn)。一般傾角的確定原則是：傾角=（90-太陽(yáng)高度角）。而方位角的確定一般采用時(shí)區(qū)正午法，中午12點(diǎn)太陽(yáng)所處的方位就是正南，只有電池板處在正南方位才能接收最大的太陽(yáng)輻射。

　　然而，以上都是理論上的傾角和方位角，只有在空曠無遮擋的場(chǎng)地才適用。我們安裝的路燈很難找到這樣的場(chǎng)地，一般都會(huì)在一天中某些時(shí)段有樓宇和樹木的光線遮擋。因此，結(jié)合具體場(chǎng)地，并不能完全采用以上理論值。

　　采用LabVIEW編程開發(fā)的虛擬儀器，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的充電容量來跟蹤太陽(yáng)能電池板的功率輸出。以實(shí)測(cè)法確定最佳傾角和方位角。具體做法：固定某一傾角和方位角，選擇11-12月份某3個(gè)晴天連續(xù)實(shí)測(cè)，取平均值。再換新的傾角和方位角重復(fù)測(cè)試，進(jìn)行對(duì)比，以選擇最佳傾角和方位角。

　　經(jīng)實(shí)測(cè)確定太陽(yáng)能電池板在11-12月份的最佳傾角為500;最佳方位角為正南偏東200.在該月份如獲得最佳方位，其他月份由于太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，盡管方位略差同樣能滿足功率輸出要求。

　?。┹o助反光鏡的運(yùn)用

　　在太陽(yáng)能電池板的兩側(cè)各安裝一塊與電池板平面成135角的平面反光鏡，能明顯提高太陽(yáng)光線的收集能力，提高電池板的功率輸出。這在一定程度上彌補(bǔ)了由于額定功率輸出不足而給3個(gè)低輻射月帶來的風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)用LabVIEW虛擬儀器實(shí)施監(jiān)測(cè)。由于每天太陽(yáng)輻射自身的變化，會(huì)給對(duì)比測(cè)試帶來誤差。我們采取先測(cè)幾天不遮擋反光鏡的充電情況，再測(cè)幾天用黑布遮擋反光鏡的充電情況，之后再測(cè)幾天不遮擋反光鏡的充電情況。對(duì)有無反光鏡進(jìn)行平均值對(duì)比。選擇11.12月份。監(jiān)測(cè)時(shí)間為每天的早8:00至晚上負(fù)載點(diǎn)亮。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表2。

表2反光鏡與蓄電池充電量的關(guān)系

　　從表2可以看出，反光鏡不遮擋時(shí)蓄電池平均每日充電量為2.97Ah;反光鏡遮擋后蓄電池平均每日充電量為2.42Ah.由此可見，加反光鏡后能滿足功率輸出要求，且每日蓄電池充電提高23%.

　　四、結(jié)論

　　從太陽(yáng)能庭院路燈的照度標(biāo)準(zhǔn)（蘭8 Ix）入手，設(shè)計(jì)照明12 k;選用小功率白光LED組成的電功率為5.4W的面光源。在保證連續(xù)3-5個(gè)陰天能正常工作的前提下，路燈每日工作6小時(shí)，選擇12W17Ah免維護(hù)鉛酸蓄電池。確定太陽(yáng)能電池額定輸出功率為20W,通過虛擬儀器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)完成太陽(yáng)能電池板的傾角和方位角及反光鏡系統(tǒng)的合理配置。

　　按照設(shè)計(jì)參數(shù)，組成了兩盞LED太陽(yáng)能路燈，至今運(yùn)行己近三年。通過定期在夜間采用攝像頭自動(dòng)監(jiān)視記錄看，一直處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)構(gòu)件匹配的精打細(xì)算，大大降低了成本，并延長(zhǎng)了使用壽命。