太阳能驱动加油站LED照明系统优化设计

董志明, 常继彬, 向李娟

(重庆科技学院电气与信息工程学院，重庆 404100)



太阳能驱动加油站LED照明系统优化设计

董志明, 常继彬, 向李娟

(重庆科技学院电气与信息工程学院，重庆 404100)

遵照加油站照明系统的设计规范，将加油站原有的照明系统整体改造为太阳能LED照明系统。原有的照明光源用同等照度的LED灯具替代；经计算确定了太阳电池组件最佳倾角；根据合理的负载缺电率确定了太阳电池组件和蓄电池容量；采用电导增量算法实现光伏电池最大功率点跟踪；通过双向DC/DC变换器控制蓄电池充电电流。该太阳能LED照明系统与普通市电无缝自动切换，具有优异的防爆性能，优异的防护性能，显著的节电效果。

光伏系统；LED照明系统；MPPT

引言

中石油目前拥有约1.8万座加油站，加油站的照明需要消耗大量的电能，如果按每个加油站照明灯具全开计算，每年耗电达到2.5万千瓦时，则中石油所有的加油站全年耗电将达到4.5亿千瓦时。由此可见，对加油站进行太阳能LED改造，将产生巨大的经济效益和社会效益。

本照明系统改造方案参照《加油站建设标准设计》、《汽车加油加气站设计与施工规范》(GB 50156—2002)(2006年版)、《建筑照明设计标准》(GB 50034—2013)、《公共建筑节能设计标准》(GB 50189—2005)、《中国天然气股份有限公司加油站建设标准》、《中国石化加油站建设标准》，以长边临道式一类Ⅱ级加油站为对象进行设计。用太阳能驱动的LED照明系统替代原有的照明系统。整个系统由光伏电池、铅酸蓄电池、正弦波逆变器、市电互补控制器和LED灯具构成。光伏控制器是对电池组件所发的直流电能进行调节和控制，一方面把调整后的直流电经逆变后给LED灯具供电，另一方面把多余的能量送往蓄电池储存，在蓄电池电量不足的情况下自动切换到市电供电。系统结构如图1所示。

图1 太阳能LED照明系统结构Fig.1 Structure of solar LED lighting system

1 灯具改造

灯具改造的原则是用同等照度的LED灯具代替原有的灯具。加油站照明系统参数汇总于表1。

表1 加油站照明系统Table 1 Gas station lighting system

在前文所述的设计标准中，针对不同的照明场合有两种不同的规定形式：(1)直接给出了灯具的类型、功率、数量和排列方式，如檐面照明；(2)给出照明区域的照度，如加油区照明。对于第一种情形，采用的计算公式为

(1)

其中P1为原灯具功率，P2为LED灯具功率，K1为原灯具的光视效能，K2为LED的光视效能。

对于第二种情形，按工作区与工作临近区面积1∶1进行配光，取各平均照度标准值的中间值，采用的计算公式为：

(2)

其中E为照度标准值的中间值，A为工作区面积。

加油站各照明区域的灯具经计算后用同等照度的LED灯具替代，汇总见表2。

表2 加油站LED照明灯具汇总Table 2 Summary of gas station LED lighting lamp

2 光伏电池和蓄电池容量确定

光伏电池和蓄电池容量要保证总功率为3960W LED灯具，晴天一天可以给蓄电池充满电，并使灯具在全开状态下连续照明时间达36小时以上。

加油站所处的宁夏地区的平均峰值日照时数按照每天5小时考虑。系统的直流电压按照DC220V进行设计，蓄电池的放电深度系数为0.75，逆变效率取93%。

确定太阳电池和蓄电池容量的组合，既是在保证路灯负载可靠性需要的前提下，确定使用最少的太阳电池组件和蓄电池容量，以最优化设计达到可靠性和经济性的最佳结合。对于可靠性国内外大多采用负载缺电率LOLP 来衡量。其定义为系统停电时间与用电时间的比值。LOLP值在0到1，数值越小，可靠性越高。对于可靠性要求应该有一定的限度，在太阳能LED照明系统设计时，在满足负载合理的可靠性的同时，要有最佳的经济性，太阳能LED照明系统设计的可靠性LOLP值为0.1，能够保证3个阴雨天的供电。按照这个可靠性设计，系统配置如表3所示。

表3 太阳能LED照明系统配置Table 3 Solar LED lighting system configuration

3 确定光伏阵列的最佳倾角

由于成本限制，非聚光光伏组件不采用双轴跟踪机构保证发电量的最大化，所以在安装时必须确定光伏阵列的最佳倾角。综合考虑倾斜方阵面上全年辐射量的连续性、均匀性和极大性，使用天空散射辐射各向异性模型计算倾斜面上的辐射量，即

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

式中，H和Hb分别为水平面上太阳总辐射量和直接辐射量，Rb为倾斜面上直接辐射量与水平面上直接辐射量的比值，Ho为大气层外水平面上太阳辐射量，β为方阵倾角，ρ为地面反射率，θi为入射角，θz为太阳天顶角，α太阳高度角，γ为表面方位角，γs为太阳方位角。

通过以上Hay模型的计算，宁夏银川地区加油站光伏阵列的倾角设置为42°，这样可以获得全年不变角支架的最多光照量。

4 控制器设计

太阳能照明系统的控制器由充电电路、放电电路和控制电路3部分组成。系统不同工作状态的转换和蓄电池能量管理由基于单片机89C51的控制电路实现。其控制信号为太阳能电池输出电压及蓄电池电压。白天光照条件下, 控制电路检测到太阳能电池有正常输出, 则开启充电电路,系统工作在充电状态下。天黑后, 能量管理模块通过监测系统工作状态和统计蓄电池电量选择系统的工作方式, 防止对蓄电池深度放电, 同时尽可能满足照明需求。照明方式包括蓄电池供电和市电供电2种方式, 采用方式根据充电结束时蓄电池电量进行选取。状态控制电路通过状态互锁避免误动作, 保证照明系统工作的稳定性。控制电路具有定时功能。

4.1 最大功率点跟踪

光伏电池的输出特性受光照和温度的影响，系统工作点的迁移会导致系统效率的降低。为此，太阳能电池阵列必须实现最大功率点跟踪控制，以使光伏阵列在任何光照度和环境温度下均能获得最大功率输出。

考虑到加油站所处的宁夏地区日照条件，采用电导增量法实现最大功率点跟踪。当太阳电池上的光照强度不变时，光伏系统输出可以稳定在最大功率点；而光照强度产生变化时，光伏系统输出能平稳地追随其变化，电压扰动的范围小。而且这种控制方法的响应速度比较快，能够适应快速的光照强度变化。

如图2所示，光伏电池P-V特性曲线上功率最大的点处的斜率为零，则有

(13)

(14)

图2 光伏电池P-V特性曲线Fig.2 PV cell characteristic curves of P-V

从式(14)可知，达到最大功率点的条件为输出电导的变化量等于输出电导的负值。

4.2 蓄电池的充电策略

光伏系统对蓄电池充电考虑的因素是：(1)尽量应用MPPT充分利用光伏电池；(2)充电特性曲线要满足蓄电池的要求，从而延长蓄电池的使用寿命。传统的充电方法有恒流充电、恒压充电等。恒流充电的缺点是充电后期电流相对蓄电池来说比较大。恒压充电虽然电流随着蓄电池端电压的增大而减小，但充电初期充电电流相对来说还是很大的。制约着这两种控制方法的最主要因素就是充电电流，所以，可以从控制电流的角度来对蓄电池充电进行有效地控制(见图3)。

图3 电导增量法程序流程图Fig.3 The incremental conductance method program flow chart

充电初期，给蓄电池设定一个比较大的充电限制电流，只要充电电流不超过这个限定值，都可以应用MPPT。同时，不断检测蓄电池的端电压，以判断蓄电池所处的充电状态，当端电压达到过充电压时，减小充电限制电流。重复上述过程，直到充电电流达到浮充电流，说明蓄电池已充满。此后，以浮充电流对蓄电池充电，来弥补蓄电池反相自放电造成的能量损失。在此充电过程中，只要充电电流在所设定的范围内均可采用MPPT控制方法，从而大大提高了太阳能电池的利用率。

蓄电池充放电的控制是通过双向DC/DC变换器来执行的，如图4所示，此电路通过调节开关管导通和关断的占空比，可以实现升降压。所以不用考虑输入输出端的电压匹配问题，就可以使高低压端相互隔离，效率高控制灵活。当太阳光充足时开关Q2断开，通过控制开关Q1，来给蓄电池充电。当太阳能提供的能量不够LED照明系统用时，开关Q1断开，通过控制开关Q2，来给照明系统提供能量。

图4 双向DC-DC变换器Fig.4 Bi-directional DC-DC converter

5 运行效果

经过对太阳能LED照明系统实际近1年的测试观察，结果基本符合设计要求，在经过3天的连阴天后，照明系统仍然可以不依赖市电正常工作，实景照片见图5，实测照度见表4。

图5 夜间照明效果Fig.5 The night lighting effect

平均照度/lx最小照度/lx最大照度/lx照度均匀度工作区域163722300.45整个区域126412280.35

6 总结

根据宁夏当地的气候情况，将加油站原有的照明系统整体改造为太阳能LED照明系统。设计中严格遵守加油站照明系统的设计规范，结合太阳能光伏发电的特点，对整个系统进行了优化。实现了光伏电池的最大功率点跟踪，提高了太阳能电池板的利用率。该系统与普通市电无缝自动切换，具有优异的防爆性能，优异的防护性能，显著的节电效果。运行结果基本符合设计要求。

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GB/T 31275-2014《照明设备对人体电磁辐射的评价》标准发布

国家质检总局、国家标准委批准发布的《照明设备对人体电磁辐射的评价》于2015年4月1日正式实施。

该标准对评价照明设备的电磁辐射是否安全，做出了明确规定，并提供了严格的参考限值，确保照明设备的各项技术指标与国际标准保持一致，体现了以辐射安全为重要考量的产品要求。

标准规定，包括工业照明、住宅照明、公共场所照明以及街道照明等等涵盖室内、室外的一切照明设备，必须符合标准要求;照明设备周边空间的电磁场的辐射强度测量，必须采用适当的评价方法、标准化工作条件和测量距离，并对不同照明产品的测量距离，做出了明确规定。

检验检疫部门提醒，该标准的出台对相关灯具生产企业提出了新的要求，相关企业要将产品按照新标准要求送有资质的实验室进行测试认证，保证产品满足电磁辐射标准要求，建议企业对使用的关键电子元器件进行评估，配置相关检测设备，并加强自身质量体系管控。

Optimization Design of Gas Station LED Lighting System with Solar Powered

Dong Zhiming, Chang Jibin, Xiang Lijuan

(CollegeofElectricandInformationEngineeringofChongqingUniversityofScienceandTechnology,Chongqing404100,China)

The gas station lighting system was rebuilt into solar driven LED lighting system following the gas station specific design standards. The original light source was replaced with same illuminance LED. The solar cell components’ best tilt angle was determined through careful calculation. The solar cell module and battery capacity was calculated based on the reasonable load loss probability. The maximum photovoltaic power point tracking was realized using the incremental conductance algorithm. The charging current of the battery was controlled by the bidirectional DC/DC converter. This solar LED lighting system could be automatically switched seamlessly with the general city electricity. It has excellent explosion-proof and protective performance, as well as outstanding power saving.

photovoltaic; LED lighting system; MPPT system

重庆市科技攻关计划项目(编号： CSTC2009AC6090)

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2015.02.021