用实时监测法优化太阳能LED路灯系统

　一、引言

　　在光伏应用领域，太阳能光伏照明具有重要的地位。LED照明与太阳能的有机结合是从PN结到PN结，无须电压变换，效率高，结构简单，具有独特的优势和良好的应用前景。目前，太阳能照明难以大面积推广的瓶颈不是技术问题，而是成本太高，前期投入太大，以至于几年内不能用节约的电费补偿投入。目前工程设计过于依赖数学模型和理论数据，由于环境的差异及气象的千变万化，在蓄电池和太阳能电池之间易出现"小马拉大车"或"大马拉小车"现象，造成浪费乃至缩短使用寿命。而热点研究的最大功率输出跟踪技术还处于概念层面，不具实用价值。

　　本文结合在我校设计安装并已成功运行近三年的两盏LED太阳能路灯的优化设计方法及测试结果进行分析阐述。

　　二、虚拟仪器的开发

　　（一）仪器设计

　　利用调理信号电路对光电池的输出电流和蓄电池的放电电流及蓄电池的充放电工作电压进行一定频率的数据采样，由USB数据采集模块将采集数据送入计算机。在LabVIEW软件平台上进行实时显示和统计分析。原理框图见图1。

图1系统原理框图

　　（二）软件开发

　　LabViEW足美国国家仪器（NI）公司开发的广泛应用于仪器控制、自动化测试、数据分析处理等领域图形化编程语言，是优秀的开发虚拟仪器软件。在自动化测控领域得到越来越广泛的应用。开发本系统采用的足LabVlEW8.2版本，硬件采用NI公司生产的USB接口数据采集模块，型号为USB一6009,14位8通道输八。USB接口可方便地即插即用并支持热插拔。连接笔记本电腑可实现现场数据临测。

　　（三）面板设计

　　在图2所示的面板图中，设置两个开关以选择是监测电流、电压还是同时监测。分别显示电流实时采集曲线和电压实时采集曲线。并配以数字显示。在采集周期设置窗口，以秒为单付设置采样周期。"开始采集"按钮同时具有暂停功能。全部采集结束后，选择"退出并回放"按钮，在回放波形窗将显示采集电流波形。并计算其曲线下面积值作为电流充放电的安时数（能量值）。在面扳的右下方同时显示带有日期、时间信息的全部数据列表，并显示电流、电压最大最小值。

图2 虚拟仪器面板图

　　三、设计内容及测试结果

　　（一）LED照明光源的设计

　　由于庭院式LED路灯的高度只有3.5m,宜采用小功率LED组成面光源。一盏太阳能LED路灯共需要对称的两块LED面光源。每块需36只φ5mm的高亮度大角度自光LED.经排列测试，以LED间隔2cm为阵列排布的光源发光更均匀，无光斑间隙，同时可使照射面积更大。将36只LED焊接存12cm×12cm的印刷电路扳（MCPCB）上，并进行密封防水处理。为美观装饰，同时使灯架底部有一定的亮度，在支架管头处安装了两个球灯，每个球灯需要6只LED,整个系统共需要84只LED。

　　选择流过单只LED的电流16mA,每盏路灼的总电功率为5.4W.在12V的直流电压下，总电流为450mA。

　　经测试，照射到地面的中心最大照度为121x.符台《城市道路照明设计标准》（GJJ45-1991）中次干公路（81x）的标准。

　　（二）控制器的合理选用

　　无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电状态加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电；当蓄电池充满时，通过旁路使蓄电池防止过充电。当达到规定放电深度电压时，切断蓄电池与负载的连接。我们选择的控制器可进行多种编程选择，通过比较太阳能电池板的开路电压来识别是白天还是黑夜，可白行设定光控的开启点和任意设定开启后的工作时间。

　　（三）蓄电池容量的确定

　　确定蓄电池的容量，首先要了解接入系统的负载每天需要的电量；其次根据气候条件蓄电池需要存储多少天的电量。测算时要注意电池容量会受到诸多因素影响，例如放电深度、放电率、温度、控制器效率、老化和反复充电特性等。并不是容量愈大愈好，过大的电池容量一方面增大系统成本，同时，如果太阳能电池输出功率不足，蓄电池经常处于欠充满状态，将会导致电池硫酸化增加，容量降低，寿命缩短。

　　选用免维护铅酸阈控式蓄电池，容量的确定方法如下：

　　蓄电池容量=（自给天数×日平均负载）/最大放电深度。

　　设计路灯每日工作6小时，工作电流为450mA.由此可得出每日耗电2.7Ah.设计自给天数为3天；能保证连续3.5个阴天仍能维持系统工作。取蓄电池的放电深度为50%.

　　自给天数是指在深度阴、雨、雾天中，几乎没有对蓄电池的充电能力时，维持工作的天数。依据此天数算出的容量为：（2.7Ah×3天）/o.5=16.2Ah.选取12V/17Ah蓄电池即可。

　　太阳能电池每天充电能力要略大于2.7Ah,才能维持系统正常工作。也就是说，只有每天略有节余，才能保证蓄电池的容量始终维持饱满状态。事实上，尽管出现连续3天阴天，也很少出现充电能力为零的情况。一般阴天日充电虽达不到日放电2.7Ah的水平，仍会有不同程度的补充。由此在第4天和第5天仍然有维持负载工作的极大可能。

　　（四）太阳能电池功率确定

　　根据青岛地区近20年气象资料得到平面太阳辐射月均值，采用实测法确定其斜面太阳辐射月均值。采用通用的峰值小时法，折算成日均辐射值后可得各月峰值日照时数。再根据蓄电池每日充电略高2.7Ah,可算出太阳能电池板的输出电流值，取太阳能电池板的输出工作电压为17.5V,则可确定各月最低电池板的输出功率，见表1.

表1 青岛地区各月斜面太阳辐射及所需太阳能电池输出功率（针对每日充电2.7Ah）

　　如果以太阳最低辐射的12月为设计月，则太阳能电池的输出功率需要27W,同时其它月份都能保证。

　　如果选择辐射最强的6月份为设计月，则选择太阳能电池容量为llW,但其它月份均无法保证，这是不可取的。我们确定20W的输出容量，虽然在1月、11月和12月存在风险，但我们通过合理确定电池板的方位及增加反光镜等措施来弥补自身功率输出的不足。

　　（五）用跟踪实测法确定太阳能电池板方位

　　由于太阳赤纬角一年内连续不断的变化，使太阳的高度角和方位角都在不断变化。只有让电池板的方位不断跟随太阳的位置变化才能得到理想化的最大太阳辐射输出，但这很难实现。一般倾角的确定原则是：倾角=（90-太阳高度角）。而方位角的确定一般采用时区正午法，中午12点太阳所处的方位就是正南，只有电池板处在正南方位才能接收最大的太阳辐射。

　　然而，以上都是理论上的倾角和方位角，只有在空旷无遮挡的场地才适用。我们安装的路灯很难找到这样的场地，一般都会在一天中某些时段有楼宇和树木的光线遮挡。因此，结合具体场地，并不能完全采用以上理论值。

　　采用LabVIEW编程开发的虚拟仪器，通过实时监测蓄电池的充电容量来跟踪太阳能电池板的功率输出。以实测法确定最佳倾角和方位角。具体做法：固定某一倾角和方位角，选择11-12月份某3个晴天连续实测，取平均值。再换新的倾角和方位角重复测试，进行对比，以选择最佳倾角和方位角。

　　经实测确定太阳能电池板在11-12月份的最佳倾角为500;最佳方位角为正南偏东200.在该月份如获得最佳方位，其他月份由于太阳辐射的增强，尽管方位略差同样能满足功率输出要求。

　　（六）辅助反光镜的运用

　　在太阳能电池板的两侧各安装一块与电池板平面成135角的平面反光镜，能明显提高太阳光线的收集能力，提高电池板的功率输出。这在一定程度上弥补了由于额定功率输出不足而给3个低辐射月带来的风险。运用LabVIEW虚拟仪器实施监测。由于每天太阳辐射自身的变化，会给对比测试带来误差。我们采取先测几天不遮挡反光镜的充电情况，再测几天用黑布遮挡反光镜的充电情况，之后再测几天不遮挡反光镜的充电情况。对有无反光镜进行平均值对比。选择11.12月份。监测时间为每天的早8:00至晚上负载点亮。监测数据见表2。

表2反光镜与蓄电池充电量的关系

　　从表2可以看出，反光镜不遮挡时蓄电池平均每日充电量为2.97Ah;反光镜遮挡后蓄电池平均每日充电量为2.42Ah.由此可见，加反光镜后能满足功率输出要求，且每日蓄电池充电提高23%.

　　四、结论

　　从太阳能庭院路灯的照度标准（兰8 Ix）入手，设计照明12 k;选用小功率白光LED组成的电功率为5.4W的面光源。在保证连续3-5个阴天能正常工作的前提下，路灯每日工作6小时，选择12W17Ah免维护铅酸蓄电池。确定太阳能电池额定输出功率为20W,通过虚拟仪器的实时监测完成太阳能电池板的倾角和方位角及反光镜系统的合理配置。

　　按照设计参数，组成了两盏LED太阳能路灯，至今运行己近三年。通过定期在夜间采用摄像头自动监视记录看，一直处于正常稳定的工作状态。实现了系统构件匹配的精打细算，大大降低了成本，并延长了使用寿命。