光雨互補節能路燈的設計

彭蒙 阮寧蘭 方偉 史敬祥 解銳明

摘? 要：針對我國部分地區多雨的情況，結合太陽能這一清潔能源，充分利用多雨地區的雨水資源，實現路燈的節能環保。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。而實現不同狀態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，分析了在各種工作狀態下能量的流動情況。

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電。為解決這些問題，目前國內外對節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域。

為了滿足南方地區路燈的設計需求，針對南方多雨的特點，該文設計了一種光雨互補新型雙節能路燈。為了實現能量的流動，設計了一種雙向變換器。光伏電池和雨水發電產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，光伏電池產生的電能以及雨天雨水發電產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）光伏發電部件;2）雨水發電部件;3）支撐部件。

光伏發電部件：光伏發電部件包括太陽能電池板和追光裝置。

雨水發電部件：雨水發電部件包括雨水收集箱和水輪發電機。

支撐部件：實現對整體裝置的支撐。雨水收集箱和光伏發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，主控芯片根據檢測到的信號，發出控制信號，控制電壓變換裝置的接通與關斷，從而實現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 光伏發電部分原理

光伏發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。關于太陽追蹤，目前，國內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對太陽能的最大捕獲，以提高光伏的發電效率。

1.2.2 雨水發電部分原理

雨水發電即利用水箱中收集到的雨水的勢能來進行發電。通過雨水沖擊水輪發電機，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，其可以使系統在不同狀態下工作。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，主控芯片根據檢測到的信號，判斷出系統的工作狀態，并發出控制信號，對各個變壓模塊進行控制，從而使系統完成在不同狀態下的能量流動。

2 工作狀態分析

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

根據不同的天氣狀況，當太陽光照強度達到閾值時，太陽能發電系統可提供能量輸入;當雨水收集量達到閾值時，水電系統能提供能量輸入;當出現特殊天氣（象太陽雨等）時，二者均可提供能量;陰天時，2個發電系統均失去了能量來源，此時系統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，可以將系統的工作情況劃分為表1所示的14種工作狀態可以看出，在不同的工作狀態下，系統中的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，其控制框圖如圖3所示，以此來協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。該文設計的新型的光雨互補路燈實現了太陽能以及雨水的重力勢能的利用，在南方多雨地區能夠得到有效使用。

參考文獻

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