大連地區太陽能LED隧道照明系統設計

劉名芳 孫忠偉 楊蛟 駱英民 胡禮中

(大連理工大學物理與光電工程學院，大連 250032)

1 概述

隨著第四代照明光源LED光源的興起和技術上的逐漸成熟，大功率照明LED在生產和生活中的實際應用越來越廣泛。太陽能光伏電源是新型節能環保電源，近些年來太陽能利用技術不斷取得突破，發展前景非常廣闊。太陽能光伏直流特性恰好和LED光源的直流電源特性相匹配，使得太陽能大功率LED發光裝置易于得到商業化的應用，特別是太陽能LED路燈已經形成產業化的趨勢。本文研討的太陽能LED隧道燈可以算作路燈的一種形式，但與普通的太陽能LED路燈工作模式還有很大區別。主要在于路燈在夜間工作，由蓄電池供電，白天蓄電池處于充電狀態;而隧道燈全天候工作，白天光源在很長時間內由光伏電源直接供電，蓄電池則處于浮充狀態，夜間光源由蓄電池供電。另外，給隧道燈供電的太陽能電池板需要更大的功率，并且由于白天光伏電源需要一邊給蓄電池充電，一邊給LED負載提供直流電源，所以要格外考慮系統參數的匹配性問題。大連市地處丘陵地帶，交通隧道較多，本設計的構想就是為大連地區市內穿山隧道提供照明系統模型。需要綜合考慮大連地理位置、環境氣候因素的影響，設計出成本低廉、可靠性高的基于獨立光伏系統的隧道照明系統。

2 系統組件介紹與選型

2.1 太陽能電池

現有的太陽能電池產品主要包括半導體硅太陽能電池和化合物太陽能電池。化合物太陽能電池由于其材料的稀有性和部分材料具有公害，現階段未被市場廣泛采用。而硅半導體電池由于其原材料的廣泛性，較高的轉換效率和可靠性而被市場廣泛接受。單晶硅和多晶硅電池更是其中的代表。非晶硅電池在民用產品上也有廣泛的應用 (如電子手表，計算器等)，但是它的穩定性和轉換效率劣于結晶類半導體材料電池，各種電池特點的對比如表1所示。由于本次設計的太陽能電池是獨立光伏系統中為全天候工作的隧道燈供電，要求穩定性好、轉換效率高，所以采用單晶硅太陽能電池板。我們采用的是深圳市海納通太陽能有限公司出品的茂迪牌單晶硅太陽能電池板，此款電池以高純的單晶硅棒為原料，效率高且性能穩定，光電轉換效率為16%以上。

2.2 蓄電池

表1 各種電池特點的對比

目前可以考慮用于獨立光伏系統的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳鐵蓄電池、溴化鋅電池等②，根據太陽能隧道燈的特殊工作環境，在選取蓄電池的過程中需要滿足以下幾點要求:(1)蓄電容量大。與普通路燈不同，通常路燈日照明6～8個小時，但隧道燈全天候工作，耗電量約為同等條件下普通路燈的三倍。 (2)循環壽命長、維護周期長、故障率低。與普通路燈相比，隧道內對照明系統維護作業的困難度更大，且照明系統一旦發生故障，由于完全沒有自然光源，發生危險事故的可能性是極大的。(3)成本低廉。由于日耗電量高，蓄電容量大，要求蓄電效率高，單位儲能容量的成本相對較低，以降低總的投資成本。基于以上幾點考慮，本次設計采用鎳鎘蓄電池。這是一種堿性蓄電池，它在過充或過放時不易損壞，循環壽命長．工作溫度范圍可以是－50～60°C，在光狀系統中充電效率可大于80%。

2.3 太陽能充放電控制器

太陽能光伏發電是一種供電時間和供電效率都不穩定的供電方式，必須用智能化的太陽能充放電控制器來對蓄電池的充放電進行有效管理，確保蓄電池正常使用，而不會由于過充過放等原因對蓄電池造成損害。根據太陽能隧道燈的工作特性，充放電控制器需要具備以下主要功能:(1)過充保護;(2)過放保護;(3)負載過流或短路保護;(4)過壓保護;((5)防反充功能;(6)防雷擊功能;(7)太陽能電池反接保護;(8)蓄電池反接保護;(9)蓄電池開路保護;(10)溫度補償功能。太陽能充放電控制器和太陽能電池、蓄電池、負載共同組成太陽能控制系統，系統框圖如圖1所示。我們采用的是深圳市深騰電子科技有限公司出產的深騰牌充放電控制器，這款控制器采用了基于專家控制系統的專用軟件，實現了智能優化SOC控制。

圖1 太陽能控制系統框圖

2.4 大功率LED驅動器

LED驅動器是一種直接給LED負載供電的特殊電源。小功率的LED可采用恒壓或恒流方式驅動，但大功率LED基本上都采用恒流驅動。這是因為大功率LED工作電流較大，若采用恒壓方式供電，LED負載在工作電流很大時伏安特性的斜率也很大，輕微的電壓變化也會引起電流的較大變化。目前作為恒流源的LED驅動器種類有很多，由于本次設計的負載燈組是功率30W、10串3并需要650mA恒流的LED燈組，綜合考慮所需功率、參數精度、造價、實用條件等因素，我們選擇了鑫勝杰科技有限公司推出的JN125A30型大功率LED驅動器，如圖2所示。這款驅動器具有開路保護、過載保護、反接保護等功能，使用壽命長 (6萬小時以上)、可靠性高、并且符合節能環保的要求。

2.5 LED照明燈組

圖2

LED路燈作為新型高效清潔能源，比常規高壓鈉燈有很多重要優勢。LED發光的單向性決定了發光沒有漫射，保證了光有較高的利用效率。LED光源采用低壓直流供電，具有高效、安全、節能、環保、壽命長、響應速度快、顯色指數高等獨特優點，并且耐高溫達135度，耐低溫達－45度，所以非常適合應用于道路照明。同時LED還有一些缺點有待于逐步改進，比如由于白光LED本身制造工藝上缺陷加上與反射杯或透鏡的配合誤差，容易造成“黃圈”問題。LED照射還涉及到均勻度問題，如果不進行二次光學設計，LED的照射會比較集中，降低實用性，所以一定要進行二次光學設計，使其光強分布圖呈蝙蝠形。而LED隧道燈較之于普通的LED路燈又有其自身的特點，由于隧道燈設置高度較低，要求光強分布的蝙蝠形輻射角度更開闊，并且要求具有防震結構設計，確保其在橋梁隧道等高頻震動中能夠長期安全工作，我們選用的是深圳永欣光電子有限公司出產的XL-002225FL30WS-B型LED照明燈，這款燈組功率36W，功率因素大于0.9，光效為 70～80lm/W，初始光通量為 2100～2400lm，完全可以滿足單個隧道燈的要求。

3 系統設計思路及組件容量計算

3.1 系統設計思路

太陽能隧道燈的工作方式如下:太陽能電池板、蓄電池、負載燈組三者之間經由太陽能控制器并聯在一起。設置24伏為臨界電壓，白天光線較好的時候，太陽能電池板端電壓略高于24伏，充電電路導通，電壓在蓄電池端穩定于24伏，此時太陽能電池板為蓄電池充電，同時也在為負載供電。夜間太陽能電池板端電壓不足24伏，充電電路關閉防止蓄電池反向充電，負載由蓄電池單獨供電直到天亮。本隧道燈照明系統在太陽能驅動器的合理調配下，可以實現功率較平穩、效能較高的光能輸出。而且由于白天負載直接由太陽能電池供電，所以在每日同等的耗電量下，隧道燈的蓄電池蓄電量要比路燈的蓄電池節省很多。關鍵問題在于計算好太陽能電池板、蓄電池等組件的容量參數。

3.2 隧道照明的數量與質量要求

隧道內照明系統有中線布置、交錯布置、對稱布置三種形式。如圖3所示。

圖3 隧道內燈組布置方式

本文考量的隧道環境是丘陵地貌條件下的短隧道，取交錯布置方式。隧道長度取100米，路面寬度取8.5米。根據《公路隧道通風照明設計規范》提供的參考實例，隧道內平均照度應該達到40(lx)以上。路面平均水平照度可按下式計算:

式中，Φ——單個燈組光通量，本設計采用的燈組光通量為4000(lm);

η——燈具利用系數取0.4;

M——維護系數取0.7;

N——布局方式系數，本設計采取交錯布局方式，系數N取1;

W——路寬取8.5米;

S——燈組間距取3米。

帶入計算，E=4000×0.7×0.4/8.5/3=43.9(lx)，能夠滿足隧道內照明的一般需求。由于燈組間距3米，故100米的隧道需LED燈組34個。

3.3 單個燈組耗電量和蓄電池容量的計算

LED燈組采用36個1W的LED小燈珠通過6串6并的組合方式組合而成。額定功率36W，燈組額定電流1.8A，由額定輸出電壓24伏的蓄電池為其供電。

負載日耗電量

式中 a——燈組額定電流;

t——為日工作時間。

蓄電池容量

因此蓄電池容量選160(AH)。

式中 A——安全系數通常取1.2;

Q——負載日耗電量;

T——溫度修正系數通常取1;

C——蓄電池放電深度取0.75;

N——最長連續陰雨天數取3天;

n——兩組連續陰雨天間的最短間隔天數取4個月。

3.4 單組太陽能電池板容量計算

大連市區的地理坐標是東經 121°44'～121°49'，北緯39°01'～39°04'，通過查詢美國宇航局地面氣象和太陽能RETScreen數據庫網站得知，大連地區日平均太陽輻射水平為4.42kWh/m2/d，最低日平均輻射水平的月份是12月為2.28 k Wh/m2/d。由于照明系統需要一年四季晝夜循環使用，我們在計算太陽能電池功率的時候，需要以日平均輻射水平最小的月份為基準，所以我們選取12月2.28 kWh/m2/d為基準。根據《我國主要城市的輻射參數表》，太陽能電池板的最佳傾角取44.1°。修正系數kop值為1.07。本設計采用的太陽能電池板的標準功率是38W，工作電壓為17.1V，工作電流為2.22A。

電池組件日平均發電量

式中 I——工作電流;

H——最低月平均日輻射量;

Kop——斜面修正系數;

C——組合、衰減、灰塵、充電效率等損失的修正系數，一般取0.85。

則Q2=2.22×2.28×1.07×0.85=4.6(AH)

需補充的蓄電池容量

計算太陽能組件并聯數

計算太陽能組件串聯數

其中 U1——浮充電壓;

U2——二極管壓降通常取0.7V;

U3——其他因素引起的壓降通常取1V;

U4——太陽能電池組件的最佳工作電壓。

則

因此工作電壓為17.1V，工作電流為2.22A太陽能組件采取10個并聯、1.5個串聯的組合方式就可以為單個燈組提供足夠的電能。

3.5 系統總的LED燈組數量、蓄電池數量、太陽能電池板數量計算

隧道外的單個太陽能電池組可以通過串聯的方式為隧道內的蓄電池和LED燈組統一供電。每一照明單元由太陽能控制器獨立對其蓄電池進行充放電調節。依據本文計算數據，100米長、8.5米寬的短隧道，需要LED燈組34個，蓄電池34個。由于單個太陽能組件采取1.5個串聯的組合方式，則總的太陽能電池板需采取的串聯個數為1.5×34=51個。即太陽能電池板方陣需采取10個并聯、51個串聯的方式，總共需要510個。

4 結論

能源問題促使各國都在大規模的研發和應用光伏發電技術，獨立光伏系統的應用是商業化、工業化的必然趨勢。本文介紹的太陽能隧道照明系統可靠性高、成本適中，具有較強的典型性和較好的實用前景。

［1］張艷紅，張崇巍，張興．新型太陽能控制器的研制，節能，2008，2．

［2］楊金煥，陸鈞，黃曉櫓．獨立光伏系統中蓄電池的作用及選擇，新能源，1995，7．

［3］湯葉華，謝建，劉祖明．光伏發電系統優化分析，太陽能，2008，8．