光雨互补节能路灯的设计

彭蒙 阮宁兰 方伟 史敬祥 解锐明

摘  要：针对我国部分地区多雨的情况，结合太阳能这一清洁能源，充分利用多雨地区的雨水资源，实现路灯的节能环保。该文对路灯外观整体设计以及各工作部分进行了设计，阐述了整体和各部分的工作原理。而实现不同状态下能量的传输流动是设计的核心，为此设计了一种能量管理系统，分析了在各种工作状态下能量的流动情况。

关键词：光雨互补;双向变换;能量管理;控制装置

中图分类号：TM615          文献标志码：A

0 引言

一般的太阳能路灯主要包括光伏组件、灯具、光源、组件支架、灯杆、控制器、光源。在白天通过光伏组件太阳能板对太阳能进行收集，到了晚上用储集的电量进行发电，并提供照明。但其存在2个问题：太阳能的利用效率低、下雨时路灯不能自行发电。为解决这些问题，目前国内外对节能路灯的设计主要集中在光能和风能的结合，但这种设计造价问题尚未解决，且只适用于风力较强的区域。

为了满足南方地区路灯的设计需求，针对南方多雨的特点，该文设计了一种光雨互补新型双节能路灯。为了实现能量的流动，设计了一种双向变换器。光伏电池和雨水发电产生的电能能够与蓄电池的电能进行交换，以达到能量正常流动的目的。在白天，光伏电池产生的电能以及雨天雨水发电产生的电能用于给蓄电池充电。而到了夜间，当达到一定的光照条件以后，蓄电池将给路灯提供电能，而发电部分则停止工作。

1 路灯组成及工作原理

1.1 路灯的组成

路灯包括以下3个部分：1）光伏发电部件;2）雨水发电部件;3）支撑部件。

光伏发电部件：光伏发电部件包括太阳能电池板和追光装置。

雨水发电部件：雨水发电部件包括雨水收集箱和水轮发电机。

支撑部件：实现对整体装置的支撑。雨水收集箱和光伏发电部件整合在一根硬质钢管上，下方采用三角形进行整体的支撑，雨水收集箱下方采用角铁进行加固，以保证收集箱的稳定。

图1为路灯外观设计图。

1.2 工作原理

在图2中，太阳能电池板、水轮机、蓄电池以及路灯之间采用DC/DC变换装置、AC/DC变换装置以及双向DC/DC装置连接，从而实现能量的传输流动;信号检测模块用于收集各部分电压、电流、温度和光照强度信号，并将其传送至主控芯片，主控芯片根据检测到的信号，发出控制信号，控制电压变换装置的接通与关断，从而实现能量流动方向的变换。下面对各部分工作原理进行说明。

1.2.1 光伏发电部分原理

光伏发电是利用太阳能电池板将太阳能转换为电能，并通过控制器控制光伏DC/DC，保证其工作于恒压或MPPT状态。关于太阳追踪，目前，国内外对太阳实时跟踪的方法有很多，但是其跟踪方案的选择大多都是基于光电跟踪模式、视日运动轨迹模式进行设计的。该文采用光电追踪方法可以实现对太阳能的最大捕获，以提高光伏的发电效率。

1.2.2 雨水发电部分原理

雨水发电即利用水箱中收集到的雨水的势能来进行发电。通过雨水冲击水轮发电机，即可将势能转换为电能，并储存于蓄电池中。

1.2.3 控制器原理

控制器由主控芯片、光伏DC/DC、水电AC/DC、DC/DC、双向DC/DC以及信号检测模块组成，其可以使系统在不同状态下工作。信号检测模块用于收集各部分电压、电流、温度和光照强度信号，并将其传送至主控芯片，主控芯片根据检测到的信号，判断出系统的工作状态，并发出控制信号，对各个变压模块进行控制，从而使系统完成在不同状态下的能量流动。

2 工作状态分析

根据不同的气候状况，通过信息采集处理并给系统进行识别，从而判断能量输入来源。根据灯光需求和蓄电池容量等信号来使整个系统在不同状态下工作，即系统以不同的方式工作。

根据不同的天气状况，当太阳光照强度达到阈值时，太阳能发电系统可提供能量输入;当雨水收集量达到阈值时，水电系统能提供能量输入;当出现特殊天气（象太阳雨等）时，二者均可提供能量;阴天时，2个发电系统均失去了能量来源，此时系统只能依靠存储的能量。当2个输入端有能量输入时，如果直接供给负载使用，则工作于恒压模式（记为“CV”），如果将所收集能量供给蓄电池充电，则需要工作在MPPT模式（记为“MPT”），当2个能量输入端均没有输入时，其工作于关机模式（记为“OFF”）。

蓄电池组件，既可以在有能量输入时存储能量，即工作于充电模式（记为“C”），也可以在输入能量不足时供能以满足供电需求，即工作于供电模式（记为“DC”），同样的，蓄电池组件也有关机模式（记为“OFF”）。

路灯用电端，可以直接从2个输入端获得能量，也可以从蓄电池端获取能量。此时对应双向DC/DC变换器也有恒压、MPPT、关机3种模式，其标记与上述类似，不作赘述。

排除一些不合理的工作状态组合后，可以得到该文所设计的路灯的整体工作模式，见表1。

通过对太阳能电池电压、电流、水轮机电压、电流、蓄电池电压、电流和直流母线电压的检测，可以将系统的工作情况划分为表1所示的14种工作状态可以看出，在不同的工作状态下，系统中的3个DC变换器分别对应有OFF、MPT、CV 3种不同的工作模式，并可通过能量管理控制电路实现，其控制框图如图3所示，以此来协调各模块间的能量流动。

4 結论

该文设计了一种新型的路灯，分别从研究意义、各部分组成设计、工作原理等方面进行了讨论，并且分析了各种工作状态。该文设计的新型的光雨互补路灯实现了太阳能以及雨水的重力势能的利用，在南方多雨地区能够得到有效使用。

参考文献

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