太陽能是再生能源系統的主要技術之一，在業界多年的研發下，應用已逐漸浮現，其中路燈是目前較常見的應用，由於路燈設置處均為戶外，且白天沒有開啟用電的需求，因此整合太陽能系統相當合適，在節能趨勢下，現在路燈多採用LED燈泡，搭配太陽能板與蓄電設備，大幅降低了對市電的依賴。
智慧設計 落實節能願景
這次要介紹的案例即為智慧型太陽能混合式LED路燈系統，此系統為一項實驗性專案，對象為意法半導體（ST）園區停車場的LED路燈，其設計是獨立的太陽能系統，有交直流（AC-DC）LED驅動器做為備用電源以防電池不足，在沒有電池或電池電量不足的狀況下，它會自動轉換到恆定電流的交直流LED驅動器，這種交直流LED驅動器採用準共振（Quasi-Resonant, QR）模式的功率因數修正（Power Factor Correction, PFC），使用單級單切換以及原級感測專用控制。用來驅動LED的是HVLED001A，這是已經商品化的LED驅動器。
| 圖2 : 裝設在停車場的照明設備，內有意法半導體所開發的電路板。資料集中器單元（Data Concentrator Unit, DCU）附有機載的泛歐式數位行動通訊系統（GSM）模組，可以和使用通用封包無線電服務／第三代／第四代（GPRS/3G/4G）行動網路技術的雲端應用程式進行通訊。 |
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LED驅動器的主要電源供應則是來自電池這種能量儲存元件，電池利用白天最大功率點（Maximum Power Point Tracking, MPPT）的方式加以充電，根據既有文獻，MPPT在利用太陽輻射為電池充電時相當有效率，MPPT階段功率轉換器所測得的效率超過97%。建議使用2-phase boost直/直流（DC-DC）轉換器做為直流LED驅動器，2-phase交直流轉換器有助於縮小直流電大容量電容器的體積，且為了達到濾波的目的建議放在負載側。
| 圖3 : 資料集中單元裡的照明控制單元。使用者可以控制單一照明節點，或對所有照明節點傳播指令。可根據天文鐘排定照明節點開／關／調節的時程。雲端平台是在微軟的Azure上進行測試，並利用微軟Azure所提供的工具，針對資料集中單元所接收到的資料來進行資料分析。 |
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根據文獻資料，功率轉換器若因老化而故障將成為一個弱點，最後它會增強LED驅動系統的壽命，直/直流LED驅動器階段的效率也高於95%。之所以能提高功率轉換效率，是因為使用了高效率的金屬氧化物半導體場效應電晶體（MOSFET）和閘極驅動IC，LED驅動器在恆定電流下運作，是另一個可以增強LED壽命的參數，目前已利用高效率的數位電源轉換微控制器（STM32F3），成功在電路板上完成測量與決策作業。
所有路燈都透過6LoWPAN網狀網路相互連結，而該網路則是利用SPIRIT1的商品化Sub-GHz元件建置而成，路燈節點會透過6LoWPAN網格技術，利用免費的ISM（Industrial, Scientific and Medical；工業、科學與醫學）無線電頻道（868 MHz）互相溝通。裝設了太陽能板的路燈節點，是一種可以和6LoWPAN技術（網格）上面的資料集中器單元交談的照明節點。
智慧城市節能標的
照明控制單元（Light Conditioning Unit, LCU）是由電力網和太陽能板一起負責供電。只要感測四周光線與環境，就能提供燈光自動開／關／調節功能。這套系統還附有尚未完全發展成熟的指令及控制中心，讓終端使用者可從任何地點，控制單一或成組的照明節點。
| 圖5 : 雲端網路應用。這款LED驅動器的原型已在意法半導體園區進行實驗驗證及與生產，並部署在100x150平方公尺的區域裡既有的30根電線桿上。每個階段的轉換效率都超過90%，電源品質和運轉可靠度也都表現極佳。 |
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此一太陽能與LED整合的路燈設備，結合了智慧用電設計，可視電量多寡自動調節電力輸出方式，未來若再加上通訊模組，則可鏈接成物聯網網路，配合後端的監控中心，成為智慧城市基礎建設的一環。
