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一种太阳能供电的节能照明系统

放大字体  缩小字体 发布日期:2014-07-09  来源:中国建筑电气网  作者:朱正菲 沈煜 周士晖 张玉华
1 前言
 
随着社会经济建设的日益增长,我国已成为能源消耗大国,以煤、石油,天然气为主的常规能源消耗,其资源性不可再生,同时这些能源消耗排出二氧化碳和硫的氧化物,导致地球温室效应和酸雨,破坏环境。因此,为了保护生态环境,实现可持续发展,对可再生能源的开发利用就应运而生了。太阳能照明作为可再生能源利用技术近几年来迅速发展,市场对太阳能照明产品的需求日趋增长。太阳能照明是以太阳能为能源,通过太阳能电池实现光电转换。目前的太阳能照明系统大多是白天用蓄电池积蓄、贮存电能,晚上通过控制器对电光源供电。但是随着社会的发展和经济建设的需要,众多的照明场合如大型超市、商场、医院、学校、车站航站候车楼、办公楼地下车库等都需要白天用电,且用电量大,在白天形成用电高峰。我们提出一种新型光伏供电的节能照明系统,拟在能够在白天用太阳能直接对电光源的供电,同时还可将多余的太阳能对蓄电池进行充电为夜间提供照明。供电系统可长期连续使用,不需增加成本,无需专人管理控制,绿色环保,安全可靠,可缓解高峰用电负荷过大的矛盾,也可为国家节约部分电力资源,最大程度实现生态环保和节能低碳的要求。具有广阔的市场应用前景。
 
2 太阳能供电的节能照明系统
 
太阳能供电的照明系统由太阳能电池组件、系统控制器(太阳能充电管理控制模块、照明控制模块)、市电补充备用模块、蓄电池及LED灯具组五大部分组成(如图1所示)。当阳光充足时,太阳电池组件通过系统控制器的供电优先程序,经照明控制模块直接点亮灯具,同时对蓄电池充电;当阴雨天或夜晚,由蓄电池提供电源,点亮LED照明灯具,当太阳电池组件与蓄电池因某种原因都无法供电的情况下,系统启动市电补充备用电源供电,AC/DC24V逆变输出,提供照明用电,保证照明系统能安全可靠的运行。
 
3 供电系统设计
 
根据用户的使用情况及用户当地的太阳能资源,合理地设计所需的太阳电池板功率。根据照明区域的实际情况,合理设计蓄电池容量的大小,其设计原则是既能满足用户的使用要求,又不过分增大蓄电池的容量,以减少成本。
 
3.1 系统配置设计步骤
 
(1)影响设计的因素
 
光照:太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响,其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化,甚至各年之间的每年总辐射量也有比较大的差别。
 
负载:负载的用电情况,也视用途而定,如该系统的计划在600~700m2地内使用100支12WLED照明灯具,则总功率计算约为1200W.
 
(2)蓄电池组容量设计
 
蓄电池的容量对保证连续供电很重要。方阵发电量的不足和过剩值,是确定蓄电池容量的依据之一。蓄电池容量BC计算公式为:
BC=A×QL×NL×TO/CC(Ah)
式中:A为安全系数,取1.1~1.4之间;QL为负载日平均耗电量,为工作电流乘以日工作小时数;NL为最长连续阴雨天数;TO为温度修正系数,一般在0℃以上取1;CC为蓄电池放电深度。
 
(3)太阳能电池方阵设计
 
太阳能电池组件串联数Ns为:
Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc
式中:UR为太阳能电池方阵输出最小电压;Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压;Uf为蓄电池浮充电压;UD为二极管压降;UC为其它因素引起的压降。
太阳能电池组件并联数Np为:
Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)
式中:Bcb为需补充的蓄电池容量;Nw两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数;Qp为太阳能电池组件日发电量。
太阳能电池方阵功率P:
P=Po×Ns×Np(W)
式中:Po为电池组件的额定功率;Ns为串联数,Np为并联数。
 
3.2 系统控制器的设计
 
系统控制器是该系统的核心部件,下面着重介绍控制器的设计与研制。
 
系统控制器的主要作用是将太阳电池板、蓄电池、照明负载有机地结合起来,通过设置太阳能充电管理、供电优选程序、照明控制管理、市电补充切换,及各种保护电路,延长太阳电池板、蓄电池和照明灯具的使用寿命,尽可能地使系统达到省电节能的效果。系统控制器主要具有以下功能:
 
(1)将来自太阳电池板的阳光电力经供电优先选择程序,对负载LED灯具供电,同时将多余的电能储存到蓄电池中,以备夜间对照明供电。
(2)进行太阳能电池MPPT(最大功率点跟踪技术)跟踪,用以在变化的外界环境条件下保证太阳电池实现最大功率输出,提高太阳电池发电系统的效率。
(3)为保护蓄电池的循环充放电性能,对蓄电池进行各种充放电保护控制。
(4)对LED灯具进行照明控制管理,根据实际照明需要调整用电量大小。
(5)备用补充供电电路切换,确保系统输出的可靠稳定性。
(6)当照明系统发生故障时,具有保护系统安全控制。
 
图2为系统控制器的电路框图,系统控制器的设计分充电控制部分与照明控制部分,以自动检测太阳电池优先供电原则,当太阳电池电力足够产生有效电能输出,照明控制部分将供电通路切换到太阳能电池板直接供电端口,由太阳电池组件优先供电。当太阳电池因下雨、夜间等原因不能有效供电时,控制器检测到信号后,进行供电端口切换,由蓄电池对LED灯具照明进行输出供电。在太阳能电池不能有效供电及蓄电池储能不足的情况下,系统控制器经检测信号后启用AC/DC24V备用电源模块,切换供电端口控制照明输出。
 
图3为电源输入控制管理流程图,太阳能电池供电优先,其次由蓄电池供电,两者都无法有效供电时,启动由市电提供的AC/DC24V逆变直流的补充电源供电。
 
3.3 最大功率跟踪(MPPT)
 
所谓最大功率点跟踪即是指控制器能够实时检测太阳能板的发电电压,并追踪最高电压电流值(VI),使系统以最高的效率对蓄电池充电。由于光伏电池的最大功率输出点是随光强和温度变化的。最大功率点的跟踪实际上是一个自寻优过程。通过对光伏电池当前输出电压与电流的检测,得到当前光伏电池输出功率,再与已存储的前一时刻光伏电池功率相比较,舍小存大,再检测、再比较。如此不停地周而复始,便可使光伏电池动态地工作在最大功率点上。MPPT的跟踪很多,比较常有的有登山法和导纳微分法。
 
登山法的主要思想是通过周期性地给太阳能电池的输出电压加扰动,比较其输出功率与前一周期的输出功率的大小。如果功率增加,在下一个周期以同样方向加扰动,否则改变扰动的方向。其具体的控制算法为:寄存器a(k)存放每一周期Vref调整值。首先计算控制器输出功率P(k),并与上一周期的输出功率P(k-1)比较。然后判断a(k-1)的符号。若P(k)>P(k-1)则a(k)与a(k-1)同号处理,否则a(k)与a(k-1)异号处理,从而调整Vref的大小,这种方法适用于光强变化小的环境。
 
导纳微分法。登山法输出功率的变化被简单的认为是太阳能电池的输出电压变化造成的。这种方法不能将太阳能电池的输出功率与实际的最大功率点电压做比较,从而偏离了实际的最大功率点。导纳微分法根据最大功率的电压来调节太阳能电池的输出电压,从而避免了这种现象的出现。dP/dV的是与输出电压值一一对应的。
 
(1)当dP/dV=0在最大功率点处;
(2)当dP/dV>0在最大功率点左边;
(3)当dP/dV<0在最大功率点右边。
 
并且dP/dV=d(IV)/dV=I+dI/dV.因此,通过判断I+dI/dV即G+dG的符号,就可以确定工作点的位置。
 
该系统中将根据导纳微分法的控制方法完成太阳电池组件最大功率点跟踪的功能。通过测量Iout(输出电流的有效值)和太阳能电池输出Vdc和Idc的值,根据导纳微分法得到Vref.Vref与Vdc的差经PI调节作为控制充电器产生PWM波的指令电流幅值I0.从而调节PWM占空比,最终实现光伏电池的最大功率输出。
 
4 LED照明控制
 
LED照明控制电路对照明灯具进行各种控制、防反接,故障检测等控制操作。
 
LED照明灯具的寿命比其它任何光源都长,约超过十年。与典型的传统光源不同的是,LED不会因突然故障或烧掉而停止工作,亮度衰减缓慢,大多数LED在运行5万个小时后的平均亮度仍有最初亮度的70%.楼宇照明系统中采用的LED要比与其它光源每小时消耗的能源更少。系统采用LED灯具作为照明输出,由微处理控制单元MCU来实现功率输出控制,图4为照明控制原理框图。MCU可根据照明环境的需要来调整输出功率,当夜间少有人活动,照明可进入节能状态,降低输出功率,系统采取功率减半输出,进入某个时段,由MCU发给输出功率减半指令并在输出端口得到控制,并维持此半功率输出直到下一恢复时段,输出控制管理调整为全功率输出状态,这样能有效的延长蓄电池的供电时间,且达到节能低碳的效果。
 
5 太阳能供电照明系统的节能效果
 
由于系统通过多环节设计,照明系统的节能效果明显,以系统1200W照明为例,600~700m2场地照明场地,使用太阳能供电12WLED灯具与常规电力供电普通荧光灯具相比,12WLED的亮度相当于40W功率的荧光灯管。下表为太阳能供电照明节能效益测算表(按100根LED管,总功率约为1200W)。
 
通过表中计算,该系统使用太阳能供电节电效果显著,同时也积极推进环境保护的影响,减少二氧化碳排放,根据2008年国家发改委指定的电煤耗标准:每度电煤耗350g标准煤。每1吨标准煤折算排放二氧化碳约为2.66~2.72吨。经换算,每度电换算可排放二氧化碳应为931~952g.项目节约用电(40-12)×(1+1/4)×100×25000/1000=87500度,换算减少的二氧化碳排放量为:87500×0.94kg=82.3吨。
 
6 结束语
 
公共照明在我国照明耗电中占30%的比例,约439亿kWh.照明用电虽然单位时间耗电比动力用电相对较少,但是它具有使用频繁,范围宽扩,连续性强等特点。我们研发的太阳能供电的LED节能照明系统,采用MPPT最大功率点跟踪技术,使太阳电池组件发挥最大效率,使用供电优选技术更能符合目前可再生能源利用的实际情况,同时也能使照明电路稳定可靠运行,可长期连续使用,不需增加成本,绿色环保,可缓解高峰用电负荷过大的矛盾,也可为国家节约部分电力资源。方便地应用在各种照明场合,如大型超市、商场、医院、学校、车站航站候车楼、住宅楼群、地下停车库等公共区域,具有广阔的市场应用前景。
 
参考文献
1 杨金焕.于化丛.葛亮编.太阳能光伏发电应用技术.北京.电子工业出版社,2009
2 田力文.太阳能光伏照明手册.北京.化学工业出版社,2011
3 黄汉云.太阳能光伏照明技术与应用.北京.化学工业出版社,2009
4 金步平.陈哲艮.用PV供电的照明系统.《浙江省照明协会2002年学术年会论文集》,2002
5 李文华.室内照明设计.北京.中国水利水电出版社,2007
 
 
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