CN107112772A - 电池供电的路灯系统的电力优化 - Google Patents

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Abstract

公开了多个户外照明单元的网络。每个照明单元包括灯具，例如LED灯；发电装置，诸如太阳能电池板或风力涡轮机；以及用于电能的存储装置，例如电池。相邻照明单元的能量存储装置由导体连接。发电或功耗的不平衡导致通过导体的平衡电流。平衡电流使系统中的能量存储装置的充电水平相等。在实施例中，导体包括单芯线和地。

Description

电池供电的路灯系统的电力优化
技术领域
本发明总体上涉及一种独立的路灯系统，更具体地说，涉及这样一种系统，在该系统中，各路灯产生的电力在系统中的路灯之间共享。
背景技术
诸如由风力涡轮机或光伏面板产生的可再生能源越来越多地用于提供户外照明，具体而言是在户外照明单元与电网的连接不可能或不方便的区域和应用中。
在一种方法中，户外照明单元的系统由可再生能源的中心源(诸如光伏面板阵列或一个或多个风力涡轮机的系统)供电。在这样的系统中，集中控制发电和存储。户外照明单元的操作可例如通过与中央发电系统相关联的时钟或光传感器集中控制。
在替代方法中，系统的照明单元每个都具有发电装置和能量存储装置，例如小型太阳能电池板和电池。
已经公开了允许户外灯与中央控制器通信的系统。美国专利8,588,830公开了一种用于户外灯的无线和智能监控系统。
美国专利7,976,180B1公开了一种太阳能可再充电路灯，其可联网到系统。该系统可由中央控制器供电，可检测个人的篡改或恶劣的天气条件。
美国专利申请公开2014/0225533公开了一种综合管理多个太阳能电池照明装置的控制系统。它包括主控制单元，用于收集系统中包括的每个二次电池的电荷容量信息。它控制光强度以实现二次电池的电荷容量平衡。
现有技术的基于计算机的控制系统往往在发展中国家实施是非常昂贵的。即使在发达国家，这种系统所节省的成本并不总是证明建立和维护这种系统的成本是正当的。
因此，需要一种用于优化户外照明系统的电力利用的低成本系统。
发明内容
本发明通过提供多个户外照明单元的网络来解决这些问题，每个单元包括：
a.灯具；
b.发电装置；
c.用于电能的存储装置；
其中，相邻照明单元的存储装置由导体连接。
存储装置提供随存储能量的量而变化的工作电压。例如，具有24伏额定工作电压的可再充电电池可以在完全充电时具有约26伏的实际工作电压，并且当其电荷接近其满容量的10％时具有约22伏的实际工作电压。由于相邻的户外照明单元的存储装置由导体连接，所以如果两个相邻的存储装置的充电是不均等的，则电流将从具有较多电荷的存储装置流向具有较少电荷的存储装置，直到两者均等充电。
重要的是，该充电均等利用了存储装置的固有特性，并且不需要任何类型的监控系统或控制器。
附图说明
将参照附图描述本发明，其中：
图1是本发明的系统(一部分)的示意图。
图4是包括调光控制通信的系统的示意图。
图2示出了包括太阳能电池板和LED灯具的示例性照明单元的电路。
图3示出了可以用能量平衡系统获得的节省。
具体实施方式
以下是本发明的详细描述。
在其最广泛的方面，本发明涉及多个户外照明单元的网络，每个单元包括：
a.灯具；
b.发电装置；
c.用于电能的存储装置；
其中，相邻照明单元的存储装置由导体连接。
灯具优选地是节能类型，诸如荧光灯泡或发光二极管(LED)阵列。
发电装置可以是任何类型的发电装置。将可再生能源转换为电能的发电装置是优选的。实例包括小型风力涡轮机和小型太阳能电池阵列。发电装置的发电容量可与灯具的功耗相匹配。应当理解，发电装置的容量理想地被选择为超过灯具的功率消耗，以便在发电低于通常时提供可被存储的额外电力，以供使用(在太阳能电池板的情况的阴天，或在风力发电机的情况下的无风日)。
用于电能的存储装置可以是能够重复存储和释放电能的任何装置。实例包括电容器和可再充电电池。也可以使用电容器和可再充电电池的组合。合适的可再充电电池的实例包括称为LiFePO4的磷酸铁锂，锂离子电池或锂/空气电池。最合适的存储装置的选择通常将基于诸如成本、重量、耐久性、维护要求等的考虑。但是，重要的是，存储装置提供随着存储装置的电荷水平变化的工作电压。优选地，该电压变化保持在相对窄的窗口内，例如在存储装置的额定电压额定值的+10％和-10％之间。例如，额定电压额定值为24伏的电池可在完全充电时提供高达26.4伏的工作电压，并且当电荷水平降低到可接受的最小水平时，例如10％或20％的满存储容量，其工作电压为21.6伏。
将电池消耗至低于临界水平的水平，例如满充电容量的10％或20％，会显著降低特定电池的寿命。照明单元可包含防止将电池消耗超过预定水平的电路，例如响应于工作电压下降到低于预定水平。
将要理解的是，每个照明单元可以以独立的方式起作用，使得即使当将照明单元连接到相邻照明单元的导体被断开时，例如由于篡改、不幸事故或是否条件。每个照明单元可包括附加组件，诸如LED驱动器、时钟、环境光传感器、一个或多个电流PCT保险丝等。
连接两个相邻照明单元的存储装置的导体用于使两个存储装置的电荷电平均等。如果存储装置中的一个具有比其邻居更高的电荷电平，则其工作电压将同样高于其邻居的工作电压。电流将通过导体从具有较高电荷水平的存储装置，流向具有较低电荷水平的存储装置，直到两个电荷水平相等。因为所有照明单元都连接到系统的所有其他照明单元，所以这些过程将在所有的相邻存储装置组之间进行，直到它们都具有相等的电荷。
可参考由太阳能电池板供电并配备有电池作为存储装置的照明单元的系统来说明本发明的优点。在白天的给定时间，系统内的单个太阳能电池板可产生不同的电量，因为一些太阳能电池板可能会接收充分的阳光，而其他太阳能电池板可能在建筑物或树木的阴影处，而其他太阳能电池板可能部分地覆盖着泥土或灰尘。如果所有的照明单元完全独立，则以满容量运行的太阳能电池将对其相关电池充满电。太阳能电池板产生的任何额外的能量将被浪费掉，因为没有进一步的工具来存储。同时，附近的其他照明单元可能会在电池充电不足的情况下结束一天，因为他们的太阳能电池板在一天中的一部分在阴影处。
在夜间，所有单元的电池电力将以相等的速率消耗。未充满电的电池在夜间会更深层次地被消耗，这对这些电池的使用寿命产生不利影响。
在本发明的系统中，更有生产力的太阳能电池板与相邻单元共享其产生的能量的一部分，而相邻单元可能进而与其邻居共享它，等等。结果更好地利用所有的太阳能电池板产生的电力，太阳日结束时所有电池的平均电荷水平较高。电池不太频繁放电到最低可接受水平，这延长了其使用寿命。
连接相邻光单元的存储装置的导体可以是任何可接受的导电体。实例包括导电金属，诸如铝和铜。通常优选铜。
导体可包括双芯线。在替代实施例中，导体可以是单芯线，每个照明单元连接到地。后一个实施例提供了许多优点。系统所需的电线量大大减少。当意外地或由于篡改切断电线时，这消除了产生短路的风险。而接地电阻是一个可靠的电阻，可从小于1欧姆变化到5欧姆或更高。在很大的距离上，这可降低系统的总电阻。能源的非法分接(tapping)变得更加困难，因为小偷只能使用接入合适的地连接的能源。越来越多的全球性问题是铜线作为有价值的金属被盗窃。通过使用地球作为导体之一，铜的使用减少了一半。
导体的成本可以非常低，因为它们在适度的电压下携带相当少量的能量。导体可在地上或掩埋(优选)。
能够将能量损失保持相对适度，如以下实例所示。假设系统导线的电阻为20欧姆。这对应于直径为1mm，长度大于800米的铜线。“第二线”(地)的电阻为5欧姆，使系统的总电阻为25欧姆。如果系统的电压差ΔV为2.5伏，则平衡电流为100mA。欧姆损耗为I2R＝0.25瓦。在24伏时，能量被平衡为24×0.1＝2.4VA＝2.4瓦。欧姆损失为0.25/2.4＝10.4％。由于没有能量平衡，2.4瓦将丢失，净增益为2.15瓦。
可能需要限制系统中的电流，例如通过使用PCT保险丝。系统中的电流可被限制为1A，例如，其足以处理相邻存储装置之间相当极端的电荷水平。1A的电流限制使得系统对于能量分接不具吸引力，因为可以转移的最大功率为24瓦。
可能发生互连线被切割或被损坏。它将不会对系统造成灾难性的影响。在这种情况下，由于与地的线接触电阻非常高，裸线端部不会引起能量的任何泄漏。网络仍然可以平衡剩余集群之间的能量。
如果需要，导体可用于照明单元之间的通信。数字信息可通过导体传输，例如通过脉冲调制。脉冲调制可用于调光或切换，以便于网络的各种集群的电力管理控制。
示例性实施例/实例的描述
以下是仅通过实例给出本发明的某些实施例的描述。
图1是本发明的系统10或这种系统的一部分的示意图。该系统包括照明单元11A至11E，每个照明单元包括灯具和容纳在罩12中的电池。每个单元进一步包括太阳能电池板13。相邻的照明单元通过导体14连接。
各个照明单元各自锚定在混凝土块15(仅针对单元11A示出)和钢地面16。
图2示出了示例性照明系统的电路20。电路20包括由太阳能控制器22控制的太阳能电池板21。太阳能电池板21的能量被存储在电池23中。电池23经由LED驱动器24为LED灯25供电。
图3示出了可用本发明的系统获得的节省的实例。图3示出了照明单元31至36的充电阶段。充电阶段从容量的40％变化到100％，平均值为60％。
在连接模式下，如果每个单元的存储容量为完全独立单元的存储容量的60％，则系统可存储所有可用能量。通过连接单元的存储装置，每个单元的存储容量可减少40％，同时保持存储在系统中的总能量。
图4示出了包括多个户外照明单元42的网络40(图4中通过说明示出了三个这样的照明单元)。相邻的照明单元由导体41相互连接。导体41包括表示电线和接地电阻的RL 44。43的电阻使得能够经由导体41分接脉冲调制信号。
户外照明单元42各自经由正温度系数(PTC)保险丝43连接到导体41。
图4的下部示出了照明单元42的示意图。每个照明单元42包括太阳能面板45、太阳能控制器46、LED驱动器46、灯48和电池49。LED驱动器47包括调光控制器。
LED驱动器47经由连接器c连接到导体41。LED驱动器47被配置为接收通过导体41传送的信号，例如通过脉冲调制。在LED驱动器47中接收的信号例如可指示LED驱动器47改变其调光控制器的设置。
因此，已经参照上述某些实施例描述了本发明。将认识到，这些实施例允许本领域的技术人员公知的各种修改和替代形式。
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对本文所描述的结构和技术进行除上述以外的许多修改。因此，虽然已经描述了具体实施例，但这些仅是实施例，并不限制本发明的范围。

Claims (12)

1.一种多个户外照明单元的网络，每个单元包括：
a.灯具；
b.发电装置；
c.用于电能的存储装置；
其中，相邻照明单元的存储装置由导体连接。
2.根据权利要求1所述的网络，其中，所述灯具包括LED光源。
3.根据权利要求1或2所述的网络，其中，所述发电装置包括(i)太阳能电池板；(ii)风力涡轮机；或(iii)其组合。
4.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述用于电能的存储装置包括可再充电电池。
5.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述导体用于将电能从第一照明单元的存储装置传导到第二照明单元的存储装置，以便平衡第一存储装置和第二存储装置的电荷状态。
6.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述导体包括双芯电线。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的网络，其中，所述导体包括单芯线和与地的连接。
8.根据权利要求5所述的网络，其中，由于相邻照明单元的电能存储装置的工作电压的差异，电荷状态是平衡的。
9.根据权利要求8所述的网络，其中，电荷状态平衡不涉及控制器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述导体包括用于检测超过预定阈值的电流的装置。
11.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述户外照明单元是自给自足的。
12.根据前述权利要求中任一项所述的网络，其中，所述发电装置的电力由来自外部源的电力补充。
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