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太阳能路灯系统
节能新设计
[作者 王明德]   2018年01月03日 星期三 浏览人次: [7802]

太阳能是再生能源系统的主要技术之一,在业界多年的研发下,应用已逐渐浮现,其中路灯是目前较常见的应用,由於路灯设置处均为户外,且白天没有开启用电的需求,因此整合太阳能系统相当合适,在节能趋势下,现在路灯多采用LED灯泡,搭配太阳能板与蓄电设备,大幅降低了对市电的依赖。


智慧设计 落实节能愿景

这次要介绍的案例即为智慧型太阳能混合式LED路灯系统,此系统为一项实验性专案,对象为意法半导体(ST)园区停车场的LED路灯,其设计是独立的太阳能系统,有交直流(AC-DC)LED驱动器做为备用电源以防电池不足,在没有电池或电池电量不足的状况下,它会自动转换到恒定电流的交直流LED驱动器,这种交直流LED驱动器采用准共振(Quasi-Resonant, QR)模式的功率因数修正(Power Factor Correction, PFC),使用单级单切换以及原级感测专用控制。用来驱动LED的是HVLED001A,这是已经商品化的LED驱动器。



图1 : 智慧太阳能混合式照明管理系统
图1 : 智慧太阳能混合式照明管理系统

图2 : 装设在停车场的照明设备,内有意法半导体所开发的电路板。资料集中器单元(Data Concentrator Unit, DCU)附有机载的泛欧式数位行动通讯系统(GSM)模组,可以和使用通用封包无线电服务/第三代/第四代(GPRS/3G/4G)行动网路技术的云端应用程式进行通讯。
图2 : 装设在停车场的照明设备,内有意法半导体所开发的电路板。资料集中器单元(Data Concentrator Unit, DCU)附有机载的泛欧式数位行动通讯系统(GSM)模组,可以和使用通用封包无线电服务/第三代/第四代(GPRS/3G/4G)行动网路技术的云端应用程式进行通讯。

LED驱动器的主要电源供应则是来自电池这种能量储存元件,电池利用白天最大功率点(Maximum Power Point Tracking, MPPT)的方式加以充电,根据既有文献,MPPT在利用太阳辐射为电池充电时相当有效率,MPPT阶段功率转换器所测得的效率超过97%。建议使用2-phase boost直/直流(DC-DC)转换器做为直流LED驱动器,2-phase交直流转换器有助於缩小直流电大容量电容器的体积,且为了达到滤波的目的建议放在负载侧。



图3 : 资料集中单元里的照明控制单元。使用者可以控制单一照明节点,或对所有照明节点传播指令。可根据天文钟排定照明节点开/关/调节的时程。云端平台是在微软的Azure上进行测试,并利用微软Azure所提供的工具,针对资料集中单元所接收到的资料来进行资料分析。
图3 : 资料集中单元里的照明控制单元。使用者可以控制单一照明节点,或对所有照明节点传播指令。可根据天文钟排定照明节点开/关/调节的时程。云端平台是在微软的Azure上进行测试,并利用微软Azure所提供的工具,针对资料集中单元所接收到的资料来进行资料分析。

图4 : DOU之间的距离
图4 : DOU之间的距离

根据文献资料,功率转换器若因老化而故障将成为一个弱点,最後它会增强LED驱动系统的寿命,直/直流LED驱动器阶段的效率也高於95%。之所以能提高功率转换效率,是因为使用了高效率的金属氧化物半导体场效应电晶体(MOSFET)和闸极驱动IC,LED驱动器在恒定电流下运作,是另一个可以增强LED寿命的叁数,目前已利用高效率的数位电源转换微控制器(STM32F3),成功在电路板上完成测量与决策作业。


所有路灯都透过6LoWPAN网状网路相互连结,而该网路则是利用SPIRIT1的商品化Sub-GHz元件建置而成,路灯节点会透过6LoWPAN网格技术,利用免费的ISM(Industrial, Scientific and Medical;工业、科学与医学)无线电频道(868 MHz)互相沟通。装设了太阳能板的路灯节点,是一种可以和6LoWPAN技术(网格)上面的资料集中器单元交谈的照明节点。


智慧城市节能标的

照明控制单元(Light Conditioning Unit, LCU)是由电力网和太阳能板一起负责供电。只要感测四周光线与环境,就能提供灯光自动开/关/调节功能。这套系统还附有尚未完全发展成熟的指令及控制中心,让终端使用者可从任何地点,控制单一或成组的照明节点。



图5 : 云端网路应用。这款LED驱动器的原型已在意法半导体园区进行实验验证及与生产,并部署在100x150平方公尺的区域里既有的30根电线杆上。每个阶段的转换效率都超过90%,电源品质和运转可靠度也都表现极隹。
图5 : 云端网路应用。这款LED驱动器的原型已在意法半导体园区进行实验验证及与生产,并部署在100x150平方公尺的区域里既有的30根电线杆上。每个阶段的转换效率都超过90%,电源品质和运转可靠度也都表现极隹。

此一太阳能与LED整合的路灯设备,结合了智慧用电设计,可视电量多寡自动调节电力输出方式,未来若再加上通讯模组,则可链接成物联网网路,配合後端的监控中心,成为智慧城市基础建设的一环。


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