彭蒙 阮寧蘭 方偉 史敬祥 解銳明

摘? 要：針對我國部分地區(qū)多雨的情況，結合太陽能這一清潔能源，充分利用多雨地區(qū)的雨水資源，實現(xiàn)路燈的節(jié)能環(huán)保。該文對路燈外觀整體設計以及各工作部分進行了設計，闡述了整體和各部分的工作原理。而實現(xiàn)不同狀態(tài)下能量的傳輸流動是設計的核心，為此設計了一種能量管理系統(tǒng)，分析了在各種工作狀態(tài)下能量的流動情況。

關鍵詞：光雨互補;雙向變換;能量管理;控制裝置

中圖分類號：TM615? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

一般的太陽能路燈主要包括光伏組件、燈具、光源、組件支架、燈桿、控制器、光源。在白天通過光伏組件太陽能板對太陽能進行收集，到了晚上用儲集的電量進行發(fā)電，并提供照明。但其存在2個問題：太陽能的利用效率低、下雨時路燈不能自行發(fā)電。為解決這些問題，目前國內(nèi)外對節(jié)能路燈的設計主要集中在光能和風能的結合，但這種設計造價問題尚未解決，且只適用于風力較強的區(qū)域。

為了滿足南方地區(qū)路燈的設計需求，針對南方多雨的特點，該文設計了一種光雨互補新型雙節(jié)能路燈。為了實現(xiàn)能量的流動，設計了一種雙向變換器。光伏電池和雨水發(fā)電產(chǎn)生的電能能夠與蓄電池的電能進行交換，以達到能量正常流動的目的。在白天，光伏電池產(chǎn)生的電能以及雨天雨水發(fā)電產(chǎn)生的電能用于給蓄電池充電。而到了夜間，當達到一定的光照條件以后，蓄電池將給路燈提供電能，而發(fā)電部分則停止工作。

1 路燈組成及工作原理

1.1 路燈的組成

路燈包括以下3個部分：1）光伏發(fā)電部件;2）雨水發(fā)電部件;3）支撐部件。

光伏發(fā)電部件：光伏發(fā)電部件包括太陽能電池板和追光裝置。

雨水發(fā)電部件：雨水發(fā)電部件包括雨水收集箱和水輪發(fā)電機。

支撐部件：實現(xiàn)對整體裝置的支撐。雨水收集箱和光伏發(fā)電部件整合在一根硬質鋼管上，下方采用三角形進行整體的支撐，雨水收集箱下方采用角鐵進行加固，以保證收集箱的穩(wěn)定。

圖1為路燈外觀設計圖。

1.2 工作原理

在圖2中，太陽能電池板、水輪機、蓄電池以及路燈之間采用DC/DC變換裝置、AC/DC變換裝置以及雙向DC/DC裝置連接，從而實現(xiàn)能量的傳輸流動;信號檢測模塊用于收集各部分電壓、電流、溫度和光照強度信號，并將其傳送至主控芯片，主控芯片根據(jù)檢測到的信號，發(fā)出控制信號，控制電壓變換裝置的接通與關斷，從而實現(xiàn)能量流動方向的變換。下面對各部分工作原理進行說明。

1.2.1 光伏發(fā)電部分原理

光伏發(fā)電是利用太陽能電池板將太陽能轉換為電能，并通過控制器控制光伏DC/DC，保證其工作于恒壓或MPPT狀態(tài)。關于太陽追蹤，目前，國內(nèi)外對太陽實時跟蹤的方法有很多，但是其跟蹤方案的選擇大多都是基于光電跟蹤模式、視日運動軌跡模式進行設計的。該文采用光電追蹤方法可以實現(xiàn)對太陽能的最大捕獲，以提高光伏的發(fā)電效率。

1.2.2 雨水發(fā)電部分原理

雨水發(fā)電即利用水箱中收集到的雨水的勢能來進行發(fā)電。通過雨水沖擊水輪發(fā)電機，即可將勢能轉換為電能，并儲存于蓄電池中。

1.2.3 控制器原理

控制器由主控芯片、光伏DC/DC、水電AC/DC、DC/DC、雙向DC/DC以及信號檢測模塊組成，其可以使系統(tǒng)在不同狀態(tài)下工作。信號檢測模塊用于收集各部分電壓、電流、溫度和光照強度信號，并將其傳送至主控芯片，主控芯片根據(jù)檢測到的信號，判斷出系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并發(fā)出控制信號，對各個變壓模塊進行控制，從而使系統(tǒng)完成在不同狀態(tài)下的能量流動。

2 工作狀態(tài)分析

根據(jù)不同的氣候狀況，通過信息采集處理并給系統(tǒng)進行識別，從而判斷能量輸入來源。根據(jù)燈光需求和蓄電池容量等信號來使整個系統(tǒng)在不同狀態(tài)下工作，即系統(tǒng)以不同的方式工作。

根據(jù)不同的天氣狀況，當太陽光照強度達到閾值時，太陽能發(fā)電系統(tǒng)可提供能量輸入;當雨水收集量達到閾值時，水電系統(tǒng)能提供能量輸入;當出現(xiàn)特殊天氣（象太陽雨等）時，二者均可提供能量;陰天時，2個發(fā)電系統(tǒng)均失去了能量來源，此時系統(tǒng)只能依靠存儲的能量。當2個輸入端有能量輸入時，如果直接供給負載使用，則工作于恒壓模式（記為“CV”），如果將所收集能量供給蓄電池充電，則需要工作在MPPT模式（記為“MPT”），當2個能量輸入端均沒有輸入時，其工作于關機模式（記為“OFF”）。

蓄電池組件，既可以在有能量輸入時存儲能量，即工作于充電模式（記為“C”），也可以在輸入能量不足時供能以滿足供電需求，即工作于供電模式（記為“DC”），同樣的，蓄電池組件也有關機模式（記為“OFF”）。

路燈用電端，可以直接從2個輸入端獲得能量，也可以從蓄電池端獲取能量。此時對應雙向DC/DC變換器也有恒壓、MPPT、關機3種模式，其標記與上述類似，不作贅述。

排除一些不合理的工作狀態(tài)組合后，可以得到該文所設計的路燈的整體工作模式，見表1。

通過對太陽能電池電壓、電流、水輪機電壓、電流、蓄電池電壓、電流和直流母線電壓的檢測，可以將系統(tǒng)的工作情況劃分為表1所示的14種工作狀態(tài)可以看出，在不同的工作狀態(tài)下，系統(tǒng)中的3個DC變換器分別對應有OFF、MPT、CV 3種不同的工作模式，并可通過能量管理控制電路實現(xiàn)，其控制框圖如圖3所示，以此來協(xié)調各模塊間的能量流動。

4 結論

該文設計了一種新型的路燈，分別從研究意義、各部分組成設計、工作原理等方面進行了討論，并且分析了各種工作狀態(tài)。該文設計的新型的光雨互補路燈實現(xiàn)了太陽能以及雨水的重力勢能的利用，在南方多雨地區(qū)能夠得到有效使用。

參考文獻

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