CN110545601A - 一种采用燃料电池作为电源的路灯 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用燃料电池作电源的路灯,其特点是采用太阳能电池组和燃料电池作路灯电源。如图，本发明由燃料电池、太阳能电池板、蓄电池，电源适配与控制装置、光源、系统控制装置组成。工作时，蓄电池电量由太阳能电池维持，蓄电池驱动光源。当蓄电池电量不足时燃料电池工作，为蓄电池充电，也可直接驱动光源。通过动态控制燃料电池的工作，达到延长燃料更换周期，提高燃料利用率的目的。传统路灯维护成本高，故障率高。单纯太阳能路灯天气条件限制，采用燃料电池供电有效填补了太阳能路灯的缺陷，同时燃料电池只产生水和热量，对环境的破坏影响几乎为零。应用此发明既节省日常维护费用又能产生节能环保的社会效果。
Description
所属技术领域
本发明的创新之处是采用燃料电池和太阳能电池作为路灯的电源,其特点是利用燃料电池和太阳能电池代替市电供电为路灯提供能量，既节省路灯使用中的日常维护费用又能产生节能环保的社会效果。
背景技术
目前的路灯普遍采用市电作为电源。这种供电方式由于在供电站和灯之间需要使用大量的导线连接，同时电缆老化、破损的情况无法避免，从而使路灯的后期维护成本居高不下。近年来有部分地区进行了用太阳能电池代替市电供电的试点应用。这种尝试能够解决市电供电的导线问题，但是太阳能电池受到天气条件的制约，经常在需要照明时出现电量不足的情况，使得它的应用没有达到预期的经济和社会效益。
燃料电池(FuelCell)是一种将存在于燃料与氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置。它从外表上看有正负极和电解质等，像一个蓄电池，但实质上它不能“储电”而是一个“发电厂”。燃料电池的一般结构为:燃料(负极)—电解质(液态或固态)—氧化剂(正极)。燃料有气态如氢气、一氧化碳、二氧化碳和碳氢化合物,液态如液氢、甲醇、高价碳氢化合物和液态金属,还有固态如碳等。氧化剂为纯氧、空气和卤素。电解质是离子导电而非电子导电的材料,液态电解质分为碱性和酸性电解液,固态电解质有质子交换膜和氧化锆隔膜等。
在氢氧燃料电池中,氢和氧在各自的电极反应。氧电极进行氧化反应,放出电子,氢电极进行还原反应,吸收电子,总反应为:
O2+2H2→2H2O
反应结果是氢和氧发生电化学燃烧,生成水和产生电能。由热力学变量可得到以下理论电动势和理论热效率公式：
Eo＝－(ΔG/2F)＝1.23V η＝ΔG/ΔH＝83.0％
式中,ΔG和ΔH分别为自由能变化和热焓变化,F是法第常数。
从燃料电池的工作原理可以看出，电池工作时的副产物只有水和热量，没有传统电源发电时释放的一些化学类污染物质和粉尘。燃料电池还有一个很大的好处，就是在使用的时候，噪声很小；发电的效率更好，一般情况下都可以达到百分之五十以上，成功的节约了成本，提高了生产的水平。
发明内容
为了克服传统能源路灯和太阳能路灯使用方面的不足，本发明采用燃料电池和太阳能电池作为路灯的电源，使路灯的使用摆脱地域、气候的限制。降低使用维护成本，减少使用中对环境造成破坏。
本发明实现上述功能所处采用的技术方案是：
一种采用燃料电池和太阳能电池为电源的路灯，由燃料罐、燃料供给装置、氧化剂供给装置、燃料电池、太阳能电池板、蓄电池，电源适配与控制装置、光源、系统控制装置、温度调节装置组成，如图1。燃料通过燃料供给装置进入燃料电池；空气通过氧化剂供给装置进入燃料电池；燃料电池输出接入电源适配与控制装置；太阳能电池板将光能转换为电能，输出同样接入电源适配与控制装置。电源适配与控制装置对由燃料电池和太阳能电池输入的电能进行转换再分配，实现为蓄电池充电，控制光源亮灭。蓄电池为燃料电池启动提供能量，同时作为光源电源。温度调节装置保持燃料电池和蓄电池工作在允许的温度范围内。
具体地，燃料供给装置与燃料罐对接采用可拆卸装置；
进一步地，可拆卸装置采用快速拆装结构。
具体地，电源适配与控制装置，在系统控制装置的驱动下实现电能的转换和光源的驱动；
进一步地，电源适配与控制装置如图2，包括燃料电池输入模块，太阳能电池板输入模块，蓄电池输入模块端，充电电源选择开关，蓄电池充电模块，光源电源选择开关，光源驱动模块主回路和来自系统控制装置的控制信号输入模块。
进一步地，在控制信号的驱动下，电源适配与控制装置具有充电状态、驱动发光状态和待机状态。处于充电状态时，太阳能电池板输入或燃料电池输入与蓄电池充电模块连通，装置蓄电池充电。处于驱动发光状态时，蓄电池输入或燃料电池输入与光源驱动模块连通，装置驱动光源发光。处于待机状态时，太阳能电池板输入、燃料电池输入、蓄电池输入、光源驱动输出都不连通。
进一步地，电源适配与控制装置处在燃料电池向蓄电池充电状态，同时接收到驱动发光信号时，自动选择燃料电池输入与光源驱动模块连通。
进一步地，太阳能电池板输入模块、燃料电池输入模块设有防反电路，所述防反电路阻止蓄电池为太阳能电池组和燃料电池充电，从而避免太阳能电池组和燃料电池的损坏。
进一步地，蓄电池充电模块采用充电涓流保护，避免蓄电池失水或失控。
进一步地，太阳能电池板和燃料电池作为蓄电池充电的两路电源，采用互斥连接关系。
具体地，系统控制装置采集环境光线强度、环境温度和蓄电池电压，通过设定的算法控制所述电源适配与控制装置工作在不同的状态，控制燃料电池的启动与停止。系统异常时发生时，发出警告信息。
进一步地，系统控制装置如图3包括光线亮度采集模块、温度采集模块、蓄电池电压采集模块、时间模块、燃料电池控制模块、电源适配与控制装置控制模块。
进一步地，系统控制装置检测光照亮度低于亮灯设定值时，发送亮灯信号；系统切换为照明工作状态；系统控制装置检测当光照度高于灭灯值时，发送灭灯信号，系统切换为燃料电池工作状态。
进一步地，系统控制装置检测太阳能电池板有电压输入时，系统切换为太阳能工作状态，在此状态下燃料电池停止工作，蓄电池充电电源为太阳能电池板。
进一步地，蓄电池电压状态根据电压值由低到高的顺序定义为蓄电池工作电压、燃料电池启动电压、燃料电池停止电压，充电停止电压。
进一步地，蓄电池电压低于蓄电池工作电压时，系统切换为太阳能工作状态。
进一步地，在燃料电池工作状态下，系统控制装置检测到蓄电池电压低于燃料电池启动电压时，燃料电池控制模块启动燃料电池工作，电源适配与控制装置控制模块发出燃料电池向蓄电池充电信号，系统控制装置检测到蓄电池电压高于燃料电池停止电压时，燃料电池控制模块停止燃料电池工作。
进一步地，燃料电池启动电压，燃料电池停止电压数值根据环境温度、需要照明时长、光线亮度三个要素动态调整，达到充分燃料电池利用自身发电优势，延长燃料的更换周期。
进一步地，温度调节装置对于燃料电池和蓄电池的环境温度采用分区的结构分布，两个分区之间设有热量交换通道。采用两个分区热量交换和外部热交换相结合的控制策略。
进一步地，燃料电池工作环境温度调节分为燃料电池启动时和燃料电池工作时两个阶段。燃料电池启动阶段采取升温措施，使环境温度高于燃料电池的最低启动温度；燃料电池工作阶段采取降温措施，使环境温度处于燃料电池最佳的工作温度范围内。
进一步地，蓄电池工作环境温度调节保持蓄电池环境温度处于正常工作温度范围内，达到延长蓄电池寿命的目的。
本发明的有益效果是：传统能源路灯安装维护成本高，故障率高，受地域限制；传统太阳能、风能路灯等新能源受地理环境、气候条件影响较大。采用燃料电池结合太阳能电池组作为路灯的电源会有效的避免了上述电源应用中的不足和先天缺陷，降低了使用成本。同时燃料电池使用中只产生水和热量，对环境的破坏影响几乎为零，具有很好的社会效益。
附图说明
图1为该发明的系统框图。
图2为该发明的电源适配与控制装置框图。
图3为该发明的系统控制装置框图。
具体实施方式
为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，下述仅是示例性的不限定本发明的保护范围。
本发明的新型照明灯系统包括由燃料罐、燃料供给装置、氧化剂供给装置、燃料电池、太阳能电池板、蓄电池、电源适配与控制装置、光源、系统控制装置。
燃料罐采用液化氢气罐，燃料供给装置配备减压装置和比例调节阀控制氢气的供给压力；
氧化剂供给装置中设有空气过滤器和风扇，空气经过过滤后，通过风扇加压进入燃料电池。系统控制装置通过调节风扇的转速控制空气的流量。
燃料电池采用氢氧燃料电池，输出电压24-32VDC,输出功率200W。发光体采用LED路灯功率120W，电压24V；
太阳能电池板采用晶体硅15-80WP；
蓄电池采用全封闭免维护铅酸蓄电池24V 20Ah—100Ah；
电源适配与控制装置中燃料电池输入端通过DC/DC转化模块产生稳定的24VDC电压，分为两路，一路接入光源驱动模块，另一路通过充电选择开关接入蓄电池充电模块。太阳能电池板输入端通过DC/DC转化模块接入充电选择开关接入蓄电池充电模块。光源驱动模块采用两级继电器结构实现光源亮灭控制和电源的选择，当燃料电池工作时，继电器K1闭合，光源驱动电源切换到燃料电池侧，此时K2闭合，光源由燃料电池提供电源。当燃料电池不工作时，继电器K1断开，光源驱动电源切换到蓄电池侧，此时K2闭合，光源由蓄电池提供电源。
系统控制装置采用低功耗的STM32F系列ARM芯片作为主控制芯片，光线采集模块采用光敏电阻检测光线的亮度，温度采集模块采用PT100热电阻检测燃料电池、蓄电池工作温度，电压采集模块采用标准电阻分压电路检测蓄电池电池。时间模块采用ARM芯片内部的日历时钟电路，为系统提供日期和时间信息。电源适配与控制装置控制模块采用电子开关，输出电平信号。燃料电池控制模块采用继电器，输出空接点信号。
系统工作开始进入燃料电池工作状态，此时系统采用蓄电池作为照明电源，当蓄电池电压低于燃料电池工作电压(初始值是22.5V)时，系统启动燃料电池，此时系统利用燃料电池作为蓄电池充电和照明电源；当蓄电池电压达到燃料电池停止工作电压(初始值是23.5V)时，燃料电池停止工作，此时系统恢复利用蓄电池作为照明电源。
系统控制装置检测太阳能电池板有电压输入时，系统切换为太阳能工作状态，在此状态下燃料电池停止工作，采用太阳能电池板作为蓄电池充电电源，采用蓄电池作为照明电源。太阳能电池板无电压输入时，系统切换为燃料电池工作状态。
系统工作中采集并记录燃料电池工作时的工作时长、蓄电池状态信息，并结合环境温度、需要照明时长、光线亮度通过模糊运算，动态调整燃料电池工作电压和燃料电池停止工作电压的数值。
Claims (8)
1.一种采用燃料电池作为电源的路灯，由燃料罐、燃料供给装置、氧化剂供给装置、燃料电池、太阳能电池板、蓄电池、温度调节装置、电源适配与控制装置、光源、系统控制装置组成，其特征在于：采用太阳能电池和燃料电池作为光源的电源,各部分采用模块化设计。
2.根据权利要求1所述采用新能源作为电源的路灯，其特征在于：采用蓄电池用于燃料电池启动能源。
3.根据权利要求1所述采用燃料电池作为电源的路灯，其特征在于：由可编程控制器、微控制器构建成系统控制装置。
4.根据权利要求3所述系统控制装置，其特征在于：根据蓄电池状态，控制燃料电池的启停。
5.根据权利要求3所述系统控制装置，其特征在于：根据蓄电池状态、环境温度、光线亮度结合时间信息控制燃料电池的启停。
6.根据权利要求1所述采用燃料电池作为电源的路灯，其特征在于：电源适配与控制装置具有蓄电池充电模块和光源驱动模块。
7.根据权利要求6所述电源适配与控制装置的光源驱动模块，其特征在于：燃料电池工作时，光源驱动电源自动切换为燃料电池侧。
8.根据权利要求1所述采用燃料电池作为电源的路灯，其特征在于：温度调节装置调节燃料电池和蓄电池工作温度采取分区控制，两个分区之间设有热量交换通道，采用分区内热量交换和外部热量交换相结合的控制策略。
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