CN102510600B

CN102510600B - 具有自动组合功能的pv-led隧道直接照明系统及控制方法

Info

Publication number: CN102510600B
Application number: CN201110297798.7A
Authority: CN
Inventors: 宁铎; 张婷; 张磊; 王进军; 姚君霞
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2011-09-30
Filing date: 2011-09-30
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2031-09-30
Also published as: CN102510600A

Abstract

具有自动组合功能的PV-LED隧道直接照明系统及控制方法，本发明针对隧道照明中过渡区间的具体亮度要求取决于隧道外太阳光亮度与PV电池板产生电力也正变于隧道外太阳光亮度的相同趋势，充分利用PV电池板在阴雨天情况下虽然不能够给蓄电池充电，但是散射太阳光所产生的电力仍然能够直接驱动LED灯(可能是非额定功率工作)照明的特点。通过把全部光源分成基本照明组和辅助照明组二部分，在现有硬件资源的基础上提供一种最佳组合的具有自适应功能的PV-LED补充直接照明系统，以有效降低整个照明系统成本，实现隧道照明方面的节能降耗。

Description

具有自动组合功能的PV-LED隧道直接照明系统及控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能光伏照明系统，特别涉及一种具有自动组合功能的PV-LED隧道直接照明系统及控制方法。

背景技术

开发利用以太阳能为代表的新能源已经作为我国可持续发展战略的能源基本决策，目前其具体应用以太阳能热水器和太阳能光伏发电二种方法为主。而对于位置偏僻的公路隧道，利用太阳能光伏发电系统作为照明电源当然是最佳方案之一，这就是通常所说的光-电-光利用方式，即利用PV(光伏电池)板把太阳光能转换成电能贮存在蓄电池中，然后再提供发光器件LED(发光二极管)实现隧道照明。

在这个系统中，只有在晴天有太阳光的情况下，光伏电池板发出的电力才能补充进蓄电池存储，以便在夜晚等需要时候再利用储存在蓄电池中的电力驱动负载LED发光照明；一旦天气变化成阴雨天，则由于散射太阳光的能量相对变小，以致于所转换的电力因为达不到充电的基本要求（如阈值电压）而无法充入蓄电池,所以被白白的浪费掉。而且对于公路隧道来说，除了必须安装昼夜照明系统保证基本照明亮度要求外，还有一个很大的特点，就是汽车驾驶员要求隧道进出口一段距离内（简称亮度过渡区间）的亮度梯度（亮度变化率）必须限制在一定范围内，即在这个重要的也是最危险的区段内亮度相比于外面环境亮度是一个相对值而非绝对值；一旦经过这个亮度过渡区间后驾驶员已经适应灯光亮度的变化，驾驶员眼睛的视力恢复正常也就不存在上述问题了。例如汽车驾驶员一旦从中午太阳光很强（如60000Lx）的公路上以较高速度进入光线较弱（200Lx）的隧道的很短时间内，由于亮度变化梯度太大，往往会引起驾驶员眩晕感甚至在短时间内失去视力而发生事故。而在阴雨天，即隧道外面光线比较弱（如5000Lx）的时候，驾驶员则不存在上述问题。特别是这种情况的极端现象-----夜晚，对于驾驶员来说，隧道外公路上的亮度相对隧道内部照明，甚至是从光线暗处进入亮处，就根本不存在不适应问题。根据目前隧道照明系统中过渡区间的亮度设计要求，必须小于夏天中午最强太阳光照射下的亮度梯度极限，这个极限数据显然对光照较弱的（于夏天以外的三个季节，特别是）冬天、阴雨天以及晚上来说，在亮度过渡区间照明光源就存在着能源浪费现象。所以如果在最重要的亮度过渡区间（入口处80米左右）能够根据隧道外面的亮度自动调整部分光源功率，那么在仍然满足亮度梯度要求情况下将节省可观的能源。

而PV电池板的输出电力大小正好正变于太阳光的强弱，即隧道外面的亮度；另外，试验证明：LED灯型光源在较大的电压及电流参数的变化范围内都能够发光。

发明内容

本发明的目的在于利用现有的PV电池板和LED灯硬件进行最佳组合，提供一种能够有效降低整个照明系统成本，实现隧道照明方面节能降耗的具有自动组合功能的PV-LED隧道直接照明系统及控制方法。

为达到上述目的，本发明的照明系统包括：PV电池板、控制器、蓄电池和安装于隧道内的被分成主照明组和辅助照明组的若干个LED灯；

所述的控制器包括太阳光信号采集器以及与该太阳光信号采集器相连接的控制电路；

其中太阳光信号采集器并联在PV电池板上，控制电路包括与PV电池板相连接的转换开关K_AB，转换开关K_AB的一端B通过辅助照明组转换开关K_B2与辅助照明组相连，转换开关K_AB的另一端A分别与蓄电池及照明组导线相连，蓄电池的输出端通过蓄电池输出转换开关K_B1与主照明组相连，所述的照明组导线分别通过主照明转换开关K_A1与主照明组相连、辅助照明转换开关K_A2与辅助照明组相连；

在晴天有太阳光的情况下，控制器中的太阳光信号采集器采集PV电池板的相应光伏电压信号提供给控制电路，由控制电路控制安装于蓄电池输出端的蓄电池输出转换开关K_B1断开，同时使转换开关K_AB闭合到A端，并控制主照明转换开关K_A1、辅助照明转换开关K_A2闭合，这期间全部PV电池板作为电源，不但为全部LED灯作为负载提供能量（电力）消耗，同时也为负载蓄电池充电，将多余的电力能量储存起来；

当阴雨天或夜晚没有太阳光情况下，控制电路根据接收到太阳光信号采集器发出没有太阳光的电信号，直接控制安装于蓄电池输出端的蓄电池输出转换开关K_B1导通，同时使转换开关K_AB闭合到B端，并且辅助照明转换开关K_B2闭合，主照明转换开关K_A1、辅助照明转换开关K_A2断开，此期间由蓄电池提供的电力驱动主照明组的LED灯照明，而由散射太阳光（白天）在PV电池板上产生的电力直接利用起来驱动辅助照明组的LED灯照明。

所述的在主照明组和辅助照明组位于控制器内的线路上还安装有稳压保护装置。

所述的PV电池板的额定功率为LED辅助灯组额定功率的8倍以上。

所述的辅助照明组仅为整个LED灯中的一小部分；而且辅助照明组中的LED灯被分散安装在隧道入、出口一定区段内的主照明组之间。

本发明的控制方法如下：

1）在晴天有太阳光的情况下，控制器中的太阳光信号采集器采集PV电池板的相应光伏电压信号提供给控制电路，由控制电路控制安装于蓄电池输出端的蓄电池输出转换开关K_B1断开，同时使转换开关K_AB闭合到A端，并控制主照明转换开关K_A1、辅助照明转换开关K_A2闭合，这期间全部PV电池板作为电源，不但为全部LED灯作为负载提供能量（电力）消耗，同时也为负载蓄电池充电，将多余的电力能量储存起来；

2）当阴雨天或夜晚没有太阳光情况下，控制电路根据接收到太阳光信号采集器发出没有太阳光的电信号，直接控制安装于蓄电池输出端的蓄电池输出转换开关K_B1导通，同时使转换开关K_AB闭合到B端，并且辅助照明转换开关K_B2闭合，主照明转换开关K_A1、辅助照明转换开关K_A2断开，此期间由蓄电池提供的电力驱动主照明组的LED灯照明，而由散射太阳光（白天）在PV电池板上产生的电力直接利用起来驱动辅助照明组的LED灯照明。

本发明针对隧道照明中过渡区间的具体亮度要求取决于隧道外太阳光亮度与PV电池板产生电力也正变于隧道外太阳光亮度的相同趋势，充分利用PV电池板在阴雨天情况下虽然不能够给蓄电池充电，但是散射太阳光所产生的电力仍然能够直接驱动LED灯（可能是非额定功率工作）照明的特点。通过把全部光源分成基本照明组和辅助照明组二部分，在现有硬件资源的基础上提供一种最佳组合的具有自适应功能的PV-LED补充直接照明系统，以有效降低整个照明系统成本，实现隧道照明方面的节能降耗。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明控制装置2的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，2，本发明包括PV电池板1、控制器2、蓄电池3和安装于隧道内的被分成主照明组4-1和辅助照明组4-2的若干个LED灯4；控制器2包括太阳光信号采集器2-1以及与该太阳光信号采集器2-1相连接的控制电路2-2；其中太阳光信号采集器2-1并联在PV电池板1上，控制电路2-2包括与PV电池板1相连接的转换开关K_AB，转换开关K_AB的一端B通过辅助照明组转换开关K_B2与辅助照明组4-2相连，转换开关K_AB的另一端A分别与蓄电池3及照明组导线相连，蓄电池3的输出端通过蓄电池输出转换开关K_B1与主照明组4-1相连，所述的照明组导线分别通过主照明转换开关K_A1与主照明组4-1相连、辅助照明转换开关K_A2与辅助照明组4-2相连；在主照明组4-1和辅助照明组4-2位于控制器2内的线路上还安装有稳压保护装置6，其中PV电池板1的额定功率为LED辅助灯组额定功率的7—10倍。

在晴天有太阳光的情况下，控制器2的太阳光信号采集器2-1采集PV电池板1的光伏电压信号提供给控制电路2-2，由控制电路2-2控制安装于蓄电池3输出端的蓄电池输出转换开关K_B1断开，同时使转换开关K_AB闭合到A端，并控制主照明转换开关K_A1、辅助照明转换开关K_A2闭合，这期间全部PV电池板1都作为电源提供能量，全部LED灯都作为负载消耗能量，同时蓄电池也作为负载将多余的电力能量储存起来；以备阴雨天和夜晚间为主体照明组负载灯提供电力。同时避免了PV板发出的电力因为进出蓄电池而造成的接近30%的损耗，但是这种由PV电池板直接带LED灯负载的时候，为了保证负载正常工作还安装了稳压保护装置6。

当阴雨天或夜晚没有太阳光情况下，控制电路2-2根据接收到太阳光信号采集器2-1发出没有太阳光信号，直接控制安装于蓄电池3输出端的蓄电池输出转换开关K_B1导通，同时使转换开关K_AB闭合到B端，并且辅助照明转换开关K_B2闭合，主照明转换开关K_A1、辅助照明转换开关K_A2断开，此期间由蓄电池提供的电力驱动主照明组，而由散射太阳光在PV电池板上产生的电力直接利用起来驱动辅助照明组照明。

对于已经采用市电供电的隧道基本照明系统来说，在减小隧道整体照明功率设计的基础上，直接把隧道进出口一定距离范围内的部分照明光源更换成由光伏电池板直接驱动LED灯照明的辅助照明，本发明相比目前的光伏电池板LED照明系统，增加部分就是用来判断晴天还是阴雨天或者晚上的太阳光信号采集器和自动控制功能即控制器和转换开关，即根据需要分别自动连接相关电路实现二种工作状态的自动转换；另外，PV电池板所带负载是随着太阳光强弱而自动调整变化；全部负载LED灯光源被分为主照明组4-1和辅助照明组4-2，并且辅助照明组只是其中一小部分，而且间隔安装在隧道出入口一定距离范围内；而蓄电池则根据太阳光强弱，其角色在电源和负载二者之间自动变换，即强太阳光下作为ＰＶ板的负载，储存（吸收）电力；但是在阴雨天以及夜晚时分又成为电源，承担起给主体照明组中的ＬＥＤ灯提供电力，这时候PV板利用太阳散射光作为电源直接带辅助照明组中的负载4-2，而蓄电池作为电源则直接带主体照明组中的负载4-1。

本发明根据需要间隔安装于基本的LED照明灯之间，这样以来既有效的利用了阴雨天散射太阳光在全部光伏电池板上产生的电力（原来白白浪费）有效驱动出入口一定距离范围辅助照明组LED灯直接照明，节省了蓄电池中电力；并且由于在此期间虽然太阳散射光强弱随机的变化，但是因为利用现有整个系统的光伏电池板（一般为其负载额定功率的5倍以上）为其提供电力，理论计算和试验证明：当光伏电池板额定功率为LED灯额定功率的8倍时，即使在雨天（4000Lx）也能够发出额定功率的60%以上（相当于我们常用太阳能电池板作为电源的计算器并非在室外太阳光直接照射时才正常工作，而是在室内利用散射太阳光或者灯光的能量转换的电力提供计算器也能够正常工作一样），而且此时由于隧道外面的亮度也比晴天太阳光下低一个数量级左右，因而仍然满足了过渡区间亮度梯度保持在一定范围内的设计要求。从而实现了节省系统资源的情况下，利用PV板发出的废弃电力提供给补充光源组，仍然保证了隧道照明系统的正常工作。

前面仅讨论了白天系统工作状态，对于夜晚时分，系统将仍然工作于阴雨天模式，尽管这段时间内没有散射太阳光导致补充光源组不发光，但是因为这个时间里隧道外面亮度一般情况下比隧道内的亮度还低，所以对于汽车驾驶员来说，就根本不存在过渡区间亮度梯度问题。

综上所述，这种在现有资源基础上巧妙利用系统中PV板、蓄电池、LED灯等的各自特点，结合隧道外亮度变化对过渡区间亮度参数影响因素，形成几种最佳组合工作模式并实现了相互之间的自动切换。其中充分利用阴雨天全部PV板发出的被废弃电力直接驱动辅助照明光源组工作，实现了隧道过渡区间亮度的自适应功能，成为这个系统的特点，具有很大的实用价值，为PV-LED隧道照明系统的推广应用铺平了道路。

Claims

1.一种具有自动组合功能PV-LED隧道直接照明系统，其特征在于：包括PV电池板（1）、控制器（2）、蓄电池（3）和安装于隧道内的被分成主照明组（4-1）和辅助照明组（4-2）的若干个LED灯（4）；

所述的控制器（2）包括太阳光信号采集器（2-1）以及与该太阳光信号采集器（2-1）相连接的控制电路（2-2）；

其中太阳光信号采集器（2-1）并联在PV电池板（1）上，控制电路（2-2）包括与PV电池板（1）相连接的转换开关（K_AB），转换开关（K_AB）的一端B通过第二辅助照明转换开关（K_B2）与辅助照明组（4-2）相连，转换开关（K_AB）的另一端A分别与蓄电池（3）及照明组导线相连，蓄电池（3）的输出端通过蓄电池输出转换开关（K_B1）与主照明组（4-1）相连，所述的照明组导线分别通过主照明转换开关（K_A1）与主照明组（4-1）相连、第一辅助照明转换开关（K_A2）与辅助照明组（4-2）相连；

在晴天有太阳光的情况下，控制器（2）中的太阳光信号采集器（2-1）采集PV电池板（1）的相应光伏电压信号提供给控制电路（2-2），由控制电路（2-2）控制安装于蓄电池（3）输出端的蓄电池输出转换开关（K_B1）断开，同时使转换开关（K_AB）闭合到A端，并控制主照明转换开关（K_A1）、第一辅助照明转换开关（K_A2）闭合，这期间全部PV电池板（1）作为电源，不但为全部LED灯作为负载提供能量（电力）消耗，同时也为负载蓄电池充电，将多余的电力能量储存起来；

当阴雨天或夜晚没有太阳光情况下，控制电路（2-2）根据接收到太阳光信号采集器（2-1）发出没有太阳光的电信号，直接控制安装于蓄电池（3）输出端的蓄电池输出转换开关（K_B1）导通，同时使转换开关（K_AB）闭合到B端，并且第二辅助照明转换开关（K_B2）闭合，主照明转换开关（K_A1）、第一辅助照明转换开关（K_A2）断开，此期间由蓄电池提供的电力驱动主照明组的LED灯照明，而由散射太阳光（白天）在PV电池板上产生的电力直接利用起来驱动辅助照明组的LED灯照明。

2.根据权利要求1所述的具有自动组合功能PV-LED隧道直接照明系统，其特征在于：其中在主照明组（4-1）和辅助照明组（4-2）位于控制器（2）内的线路上还安装有稳压保护装置（6）。

3.根据权利要求1所述的具有自动组合功能PV-LED隧道直接照明系统，其特征在于：所述的PV电池板（1）的额定功率为LED辅助灯组额定功率的8倍以上。

4.根据权利要求1所述的具有自动组合功能PV-LED隧道直接照明系统，其特征在于：所述的辅助照明组（4-2）仅为整个LED灯（4）中的一小部分；而且辅助照明组（4-2）中的LED灯被分散安装在隧道入、出口一定区段内的主照明组（4-1）之间。

5.一种如权利要求1所述的具有自动组合功能PV-LED隧道直接照明系统的控制方法，其特征在于：

1）在晴天有太阳光的情况下，控制器（2）中的太阳光信号采集器（2-1）采集PV电池板（1）的相应光伏电压信号提供给控制电路（2-2），由控制电路（2-2）控制安装于蓄电池（3）输出端的蓄电池输出转换开关（K_B1）断开，同时使转换开关（K_AB）闭合到A端，并控制主照明转换开关（K_A1）、第一辅助照明转换开关（K_A2）闭合，这期间全部PV电池板（1）作为电源，不但为全部LED灯作为负载提供能量（电力）消耗，同时也为负载蓄电池充电，将多余的电力能量储存起来；

2）当阴雨天或夜晚没有太阳光情况下，控制电路（2-2）根据接收到太阳光信号采集器（2-1）发出没有太阳光的电信号，直接控制安装于蓄电池（3）输出端的蓄电池输出转换开关（K_B1）导通，同时使转换开关（K_AB）闭合到B端，并且第二辅助照明转换开关（K_B2）闭合，主照明转换开关（K_A1）、第一辅助照明转换开关（K_A2）断开，此期间由蓄电池提供的电力驱动主照明组的LED灯照明，而由散射太阳光（白天）在PV电池板上产生的电力直接利用起来驱动辅助照明组的LED灯照明。