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太阳能LED
太阳能LED路灯系统的设计和发展
摘要:
现今,所有的话语都是关于如何提高电网在高峰时刻的可靠性,对于电网直接解决的办法是切断负载保持稳定。
这些负载当中特别是处于暑假期间的路灯照明。
本文提出了一种不需要能量系统的路灯对电网没有电力需求。
一个独立的太阳能路灯LED光源系统。
该系统有光伏面板,存储系统,LED灯,功率调节系统(PCS)和可以管理动力方向和系统操作的控制器。
使用LED在照明应用上相比其他的灯有许多优点。
这是非常高效的(很高的照明效率源)和高性价比的(与其他灯比较使用的时间很长)灯。
此外,它仅需要很低的直流电压源来操作。
存储系统将被控制在能利用阳光的白天。
在另一方面,夜深人静的时候,控制器将发出一个信号使系统连接的LED灯都能使用。
LED需要低直流电压进行操作,一个简单的DC-DC转换器将足以为该系统降低整个系统的成本。
此外,低成本微控制器是用来处理整个操作系统的。
这个想法在埃及的街道将使超过所需的总能量减少50%的霓虹灯,和小型光伏系统使用。
所提出的系统,街道可照明的低功率灯,没有经营成本,没有二氧化碳的排放量,能源的免费环保。
此外,该方案可以解决埃及的高峰负荷需求危机。
关键字:
免费能量系统,LED,单片机,PV面板,路灯照明。
一.介绍
今天的世界由于人均能源消费增长面临着能源短缺。
这导致世界石油储存量和天然气的不断减少。
同时污染问题已凸显,为应在地面上的生命之源。
因此,找到世界能源危机解决方案的可再生能源技术已经引起了全世界的巨大兴趣。
最近光伏系统已经发现了相当广泛的应用。
大型光伏电站累计发电大约达1GWP仅需零点几秒,连网的一个小规模的光伏达到约零点几瓦特的应用如相机,手表,手机等。
其中一个光伏应用是独立的街道照明系统,使用相当有效的和低成本的发光二极管(LED)灯。
本系统由光伏面板,高质量的电池,LED灯,DC-DC转换器和控制器组成。
这个系统不仅是环境友好型(无污染并提供不加电源的输入,而且对地方局部电网都有很好的可用性)。
形成一个环境能源生产点视图来看太阳能发电是公认的清洁能源。
光伏阵列利用太阳辐射产生电。
这些模块不需要燃料来操作。
另一方面,大多数现有的街道照明采用高强度气体放电灯。
近日,寻找新的街灯照明模块已经获得了很多的关注,以减少对这种类型的灯和能源消耗量并减少二氧化碳的排放量。
目前LED的表现已经证明自己是最合适的,对LED路灯照明解决方案来说[1]和[2]。
LED灯具有许多优点:
超长寿命达100000小时,极性坚固没有玻璃组件或灯丝,没有外部反射器,模块化结构,排放物类似HID灯和最重要的是他们的高效率。
发光二极管是很好的光源;其效率为160LM/ W。
因此,使用这种类型的HID灯可以减少以上所使用的总能量的50%;以降低所需的光伏阵列。
因此,应用所提出的系统,可以用较低的街道照明电源灯,无经营成本,不产生二氧化碳和环保[3] - [4]。
由于问题的重要性,有很多世界各地的公司,现在参与开发,建设,以及生产这些街灯的产品。
也有各种广泛的产品功率和灯型且应用范围广。
图1和2显示的太阳能路灯LED系统的基于地面控制技术[5]。
图1:
LED太阳能路灯模型lt-sol10。
图2:
太阳能路灯LED模型lt-solar051-220l
这些是不受沙尘暴和天气影响的太阳能光伏路灯固定装置,配备高功率LED芯片的功率在100W和120W的范围内。
分别通过使用LED灯和单片机系统控制,我们认为其应用程序可以是令人关注的因为它们有一个很长的免维护寿命。
图3显示了另一个太阳能LED灯模型的样子。
它是evergen™太阳能路灯的公司[6]生产的1500系列。
图4显示了一些现有的太阳能路灯的应用实例并确认提出的想法可以变成现实。
展望这个想法和埃及在适用性,我们认为该国的这个应用可以给大家一个有趣的结果。
这背后的主要原因:
埃及整个国家的任何地方对光伏都是可以连接并有高发电量的,在一天的时间里阳光都是可获得的。
今天的埃及有二氧化碳的排放问题和很多污染。
最近,埃及有一个高峰负荷需求问题,迫使企业要断开电力在部分地区保持电网的稳定性。
同时,埃及新的长公路远离其电网连接成本太高。
此外,新的政策在埃及需要使用清洁能源和可再生能源。
所有的这些因素都建议推动使用这个系统。
然而,它应该是本地制造的来降低系统的制造成本。
另一面来说是创建一个本地期待的,便宜的易于维护的系统。
因此,它的设计步骤和方式应理解和采用基于这个国家的要求和资源。
图3:
太阳能LED路灯照明(evergen™1500系列)
A.在北京奥运会摔跤场馆灯太阳能照明工程lsl0733-7325ld30w /24
杆高度:
7米,距离的两极之间:
15米,道路宽度:
10米
太阳能系统:
80W,数量:
10只
B.灵丘县太阳能照明工程位于山西省大同市lsl0733-7325ld30w/24,
杆高度:
7米,两极之间的距离:
20m,道路宽度:
15m,
数量:
150pcs
C.该项目位于石牌湿地公园。
该公园位于规划用地面积280000平方米的东莞西部。
基于Kingsun的太阳能风能LED路灯,位于嵩山湖项目。
东莞政府决定在这个项目中采用太阳能风能LED路灯,它在这个地区的高度是10米,我们建议我们的客户使用太阳能LED路灯系统ks-e108tx在这个项目中。
D.这表明在智利卡拉马城,太阳能LED路灯是一个可持续发展的清洁能源,是一个很好的选择。
图4:
一些存在的太阳路灯的应用实例
二.埃及的负载需求和出现的问题
图5显示了埃及在2008/2009所消耗的能量。
在埃及一般照明消耗占总量的6.2%[7]。
顺便说一句,一般照明所需的能量在埃及今年是6982GWhr。
图5:
埃及在2008年/2009消耗的能量
提出两个简单的想法在这里讨论。
第一就是只使用LED照明。
这使80W的LED灯代替150瓦的高压钠灯来获得低于相同的照明强度的消耗,所以通过照明消耗的能量总功率减少46.67%。
使用LED灯每年只需要有3724GWhr。
因此,节能达到约3258 GWhr。
等效燃油消耗的量是1519000吨。
这个费用是276.3百万L.E.此外,通过更换该系统,该日负荷需求曲线将如图6所示的变化。
照明负荷将约10小时的工作下午7:
00到凌晨4:
00。
最大负荷发生在晚上8点到11点[7]。
最大负荷需求这被认为是21330兆瓦,使用前建议系统将降低为19391毫瓦。
这是一个非常大的一步它在改善埃及的负荷需求情况。
第二步是使用远程光电二极管系统。
将补偿LED所需的光能,它完全通过光伏系统。
这将节约了负荷需求总量的6.2%如图6所示。
图6:
之前的负荷需求和使用该系统后的。
三.该系统的运作模式
图7显示的电路原理图,提出了电脑在运行一天的时间里给电池充电而且提供LED灯在夜间的电力。
所提出的控制回路具有只使用一个微控制器实现这将控制充电和放电过程。
这是值得的注意,在充电过程中,控制应提取的最大功率点(MPPT)从光伏系统中。
这是通过MPPT控制算法的实现在微控制器的。
LED的亮度是依赖于它的电流,因此LED电流控制算法也采用单片机。
图8显示了用于驱动独立的街道系统功率级的LED灯。
该系统是76W的LED街灯。
它包括如前所述,在光伏面板中85W的额定值在17 V和5A的短路电流等级,电压的蓄电池系统为24V,电脑,和LED灯。
图9和图10显示一天该系统夜间运行模式。
在一天的时间,灯是断开,衍生系统如图9所示,光伏电池板连接充电电池。
所以Q4和Q5上的开关关闭状态时,开关Q1在闭合状态。
两开关Q2和Q3的脉冲同步切换脉宽调制(PWM)信号。
开关Q2与线圈开关Q3形成一个简单的升压转换器系统。
这是因为光伏电池板电压设为较小的电池电压。
这一模式切换信号如图11所示。
在晚上的时间操作逆转。
开关Q1应在关闭状态,由于没有阳光,因此开着是不必要的。
但开关Q3打开,开关Q4和Q5同步操作PWM。
开关Q2和Q3的线圈和电容器共同形成一个简单的升压转换器系统。
这是由于负载电压(LED灯)大于电池电压。
图7:
该系统电路原理图
图8:
提出的功率级组件LED街灯系统
四.构件的设计与选择
研究了驱动程序的可行性,原型已被设计为一个80W的LED街道照明灯具。
与高压钠灯相比,LED路灯可节省约50%-70%的能源。
此外,寿命LED路灯是钠灯3-5倍。
例如,30 W,60W,100 W和180W的 LED路灯是来取代传统的80W,150W,250W,160W高压钠的好解决方案[8]。
由于低功率消耗,它是太阳能路灯的最佳候选光源灯。
这可以通过LED灯驱动,保证了提出了在[9]和[10]街道照明系统通用AC输入。
用许多发光二极管是因为由一个单一的LED灯产生的光照相对薄弱。
因此,有必要增加流量通过将串联和并联LED组合为一个模块阵列来使用他们如图12所示[11]。
那样LED灯将使用由19个LED串联4支组成。
发光二极管的类型为coolwhiteCreeXMLED驱动400毫安。
这种类型的LED灯可以发光132LM/W[12]。
电池的光伏系统积累能量在一天的时间,并将其存储在夜里来使用。
电池可迅速放电,可以由自己产生更多的电流。
电池容量与电流电压有关。
例如76瓦的灯使用锂电池需要50安培一小时。
这可以承受阴天里的微弱阳光,用来充电。
利用PSIM软件模拟系统的bp485 85W光伏组件进行这一系统[13]。
所使用的光伏电特性模块如表1所示。
表1:
BP 485太阳能电池模块的电气特性
五.遮光和灰尘的影响
在埃及最好的特性之一是干燥的天气提高了光伏系统的广泛使用和发电。
如前所述,这选择了50安培。
HR锂电池可以承受阴天只要有微弱的阳光就能充电。
而且,先前提出的特殊的MPPT算法[14]可用于阴天和阴影部分的地方。
它代表了一个简单的最大功率点跟踪(MPPT)技术,这项技术的光伏使用两阶段的技术常规的扰动观察法(P&O)。
第一阶段搜索光伏阵列的I-V特性扫描整个范围内使用检测实际的最大功率点。
第二阶段之后了解实际的最大功率点,适用于传统的P&O附近非常小的振荡但这种方法提供了非常小的振荡具有较高的效率。
图13显示的功率特性曲线是太阳能电池模拟在给定的温度和辐照度下的。
MPPT控制从光伏电池的最大功率中提取已经应用和实施。
经典的P&O算法是很简单的[15]-[16]。
图14描述了一个流程图说明。
它通过扰动光伏阵列电压(即递增或递减)和比较与以前的扰动周期的光伏输出功率。
如果扰动导致增加(减少)阵列电力,随后的扰动是相同的(相反的)方向。
在这种方式中,峰值功率跟踪是持续的。
图13:
模拟PV电压图的功率
图14:
P&O算法流程图
六、仿真结果
该系统是使用PSIM软件的性能模拟用所设计的元件值进行验证所提出的想法。
图15显示的流程图就是通过单片机控制算法。
LED电流被与单片机设定值比较。
开关工作周期可以增加或减少这都基于LED电流,从而达到恒定不变的持续照明。
图16显示了PV模块在白天有阳光时的电流。
光伏电流约为5 A。
这个电流产生的功率是用来给电池充电通过升压转换器。
当前的充电电池如图17所示,在恒定电流技术的使用下,在这个例子中给它充电。
电池电流约为2.5 A.在夜间,电池放电通过升压转换器的LED灯模块。
电池的放电电流显示如图18。
LED灯的发光强度强烈地依赖于其电流控制器且必须用来控制LED电流。
图19显示的LED电流波形。
在图20中仿真结果表明光伏电池充电。
光伏输出为17 V与扰动的发生由MPPT算法如图所示的顶部图。
然后电脑组成的促进使用转换器对电池充电。
电池电压在充电阶段,如图的底部显示。
图15微控制器的控制算法流程图
图16:
光伏电流对电池的充电
图17:
在一天的时间里电池的充电电流
图18:
该电池在夜间的放电电流
图19:
该LED灯电流
图20:
在一天的时间里光伏输出电压和电池充电电压
七、实验结果
对该系统的实验室原型已经建造和进行实验测试。
图21显示了实验装置。
MPPT算法的实现与低成本的微控制器。
采用MPPT算法对图14所示的流程图进行描述。
图22显示了光伏电池的最大输出电流电压和最大功率。
分别是最大功率Pmax,发现约为80W的产品vpvmaxipvmax的和。
此值表示算法在实际的MPP振荡。
图21:
实验装置
图22:
光伏电池的最大输出电压,电流及相应最大功率
八、初步可行性研究
在这一部分中,提出了初步的可行性研究系统。
一般照明每年吸收6982 GWhr于实用。
一个千瓦小时相当于成本0.412L E(使用电力公司网站)。
因此,一般照明每年消耗的能量的成本等于总吸收GWhr次成本千瓦小时/1000。
它是2880000000 L.E。
另一方面,安装LED–光伏系统要求的太阳能光伏板,LED,逆变器和控制器。
该光电二极管需要3742GWhr。
然后,总功率在瞬间的光电二极管系统所需的总能量等于所需操作时间=(3742×109 /(12×30×10))=1.04兆瓦。
LED的寿命(100000小时),等于27.8年。
光伏的寿命是20年。
电池使用寿命10年,在20年使用2套。
然后,该近似led-pv成本= 3美元/ W(1美元= 5.5埃镑)所需的总系统成本为:
1.04×109×3×5.5=17.16×109 L.E.成本除以的寿命系统这是大约20年。
然后,人均费用一年等于17.16×109 /20= 860000000 L.E.这个成本是常规照明成本的30%。
本次计算结果获得了所提出的系统的优点。
九、结论
本文提出了一种低成本高效率的街道独立太阳能的LED灯系统。
所提出的系统可节省电力的方式有两种,能源和负载。
能源是一个光伏阵列,是一种清洁的可再生能源。
同时,一个单片机系统已经提出了系统的电源管理。
负荷是另一个,LED街灯能源照明节能系统照明模块用寿命长,超过目前用灯的7倍。
80瓦LED灯的使用,相当于高压钠灯钠灯150W。
该系统引入了一个对埃及电力系统调峰问题的解决方案。
另外,可行性成本只有常规系统的30%。
总之,提出的想法被认为是来解决未来世界能源危机重要的解决方案。
十、确认
作者非常感谢埃及科学部和埃及的科学与技术发展基金(STDF)和西班牙Ministeriodeciencia E innovació格兰特dpi2010-16481支持这个项目。
参考文献:
[1]I.L.Azevedo,M.G.Morgan,F.Morgan,“固态照明的过渡”在2009年IEEE的会议上,第97卷,第3期,481——510页。
[2]X.Long,R.Liao,J.Zhou,“街道照明系统的开发基于新型高亮度LED模块”,在IET,2009年的光电子学,4——40页。
[3]Shur,M.S.,Zukauskas,R.,“上位固态照明”。
在2005年IEEE的会议上,1691——1703页。
[4]Ackermann,B.,Schulz,V.,Martiny,C.,Hilgers,A.,Zhu,X.,“控制发光二极管”,在2006年的工业应用会议程序上。
[5]http:
//www.dimmer.de/shopping/artikelueber.php?
sprachnrs=2&wgrupp
eid=296.
[6]
[7]
[8]
[9]MokhtarAli,M.Orabi,MahrousE.Ahmed,AbdelaliElAroudi,“基于单片机驱动LED灯改良校正SEPIC转换器功率因数,”IEEE电力能源国际会议皮康2010,2010年11月。
[10]MokhtarAli,M.Orabi,MahrousE.Ahmed,AbdelaliElAroudi,“设计LED灯驱动器改为SEPIC转换器的考虑,”在第二届国际电力电子会议皮康2010,2010年6月。
[11]Y.Aoyama,T.Yachi,“一个路灯的LED模块阵列系统设计使用”,2009年的能源会议上,1 –5页。
[12]
[13]
[14]HamdyRadwan,OmarAbdelRahim,MahrousE.AhmedandMohamedOrabi;“在局部阴影条件下操作两阶段的最大功率点跟踪算法系统,”第十四届中东国际电力系统会议,mepcon 2010。
[15]HuaC.,LinJ.,ChenC.,“控制的DSP实现峰值功率跟踪光伏系统,”IEEE跨工业电子,第45卷,第1号,99–107页,1998年2月。
[16]FerniaN.,PetroneG.,SpagnuoloG.,VitelliM.,“优化扰动观察最大功率点跟踪的方法,”IEEE电力电子。
第20卷,第4章,963–973页,2005年7月。
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