CN1604424A - 分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明创造公开了一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统。目的是在一定路段范围内，对该路段内所有的道钉或路标、警示灯实行集中供电。使LED发光道钉和太阳能电池光伏发电装置剥离。即是在连续阴雨和白天有雾的情况下，也能自动闪烁发光。技术特点是光电转换由封装的太阳能电池为电源，一路给控制柜内的储能器充电，另一路给控制柜包括控制电路和光电接收器IRM、湿敏感元件CG、逆变电路、输出电路、传输线上并联多组带降压恒流器的LED发光道钉提供电源。

Description

分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统

技术领域

本发明公开了一种分段式集中供电的太阳能道钉、路标、路牌、警示灯等光伏发电装置，尤其涉及到在一定路段范围内，对该路段内所有的道钉或路标、路牌、警示灯实行集中供电。真正将太阳能道钉的发光部件LED和太阳能电池剥离开来。

背景技术

随着我国国民经济的发展，交通事业发展十分迅速，高等级公路、高速公路大量增加，对交通安全、交通设施也有了新的要求。过去，公路上的各种标牌、道钉等都使用反光型的方式，但它是被动发光，使用寿命短，更换频繁、费用大。近年来，已逐步开始使用环保绿色节能技术和产品。如主动发光的太阳能道钉、路标等。中国专利《一种太阳能道钉》和ZL专利号02273163，公开的是太阳能电池、开关电路和超级电容器组成超级充电回路和由超级电容器、光敏开关和转换器组成的充放电回路。采用将太阳能电池板和道钉壳体、控制线路板、储能元件、发光二极封装成一整体。目前，世界上韩国米拉克公司的太阳能道钉产品较为领先，行销世界许多国家。但是不管是韩国米拉克公司的产品还是现有专利技术，都还没采用太阳能道路产品集中供电方式。由于单个的太阳能道钉等，电池的受光面积程度有限，造成能源供应不足，因而亮度不高，不能给司机有十分醒目的感觉，同时发光时间短，一般单晶硅和多晶硅太阳能电池只有在光照时才有电能输出，要是碰上阴雨天，道钉发光就很勉强，甚至不发光。一般充满电后发光时间仅20多小时。

寿命短：储能元件(可充电电池，超极大电容等)的充放电次数有限，一般约为500次，目前最好的锂离子电池寿命为1000次。同时，受体积限制，电容器容量也有限，因而储能少。

故障率高：维护困难，更换频繁；由于在公路路面上使用，环境十分恶劣，雨水、灰尘、冲击、振动、刹车时轮胎的强烈磨擦，造成密封失效、进水、电路损坏、脱焊、太阳能电池板透光率降低和损坏，任何一项都足以造成产品失效，只能更换。

无法调节发光方式：目前产品发光是固定的，要么长明、要么闪烁，而且亮度不能变化，在危险路段和弯道上，需要更改发光方式和调节亮度，几乎无法实现。特别是在山区、丘陵地带、浓雾多发地段。尤其在有雾天气里，更需要道钉自动在白天发光，以达到警示的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，在一定的路段范围内对本路段所有道钉(也可以是路标、路牌)不间断的集中统一供电，用以解决现在同类功能的产品逐一单独发电，持续时间短、亮度低、发光方式单一等缺陷。使主体发光部件和太阳能电池、蓄能元件及控制线路等完全剥离，分段集中供电。即使在连续阴雨天和白天有雾的情况下，道钉等也能自动闪烁发光。

本发明对上述存在问题的技术解决方案是：系统包括光电转换、蓄电池、负载和控制部分组成，特点是光电转换由封装的太阳能电池板为主要部件形成的直流电源，一路给电源控制柜内的储能器充电，另一路给控制柜内包括各控制电路、检测电路到振荡电路、脉冲调节整形、逆变电路、输出电路，还包括短路保护和控制柜输出口通过外接数组带LED发光部件，其负载可以是道钉、路标、路牌等发光的交通标识。

按照本发明所解决的技术方案是所说控制柜的输出口还包括逆变器的变压器T，在其副边E2和输出口E₁的传输线上并联多组带降压恒流器的LED发光道钉。

按照本发明所解决的技术方案是控制充电由肖特基二极管D₀场效应管VT₁给蓄电池BT充电，由比较放大器F₁和可调电阻VR₁、电阻R₂、R₃、R₆、R₁、R₅、电容C₂₀、C₂组成防过充电路；还包括由放大器F₃和可调电阻VR₂和分压电阻R₁₁、R₁₂、电容C₂₁、C₂₂、二极管D₃、D₄、组成的防过充放电路。

按照本发明所解决的技术方案是控制电路所控制的充电还包括由电阻R₈、R₉、R₁₀、连接电容C₃、嵌位二极管WD₁、二极管D₁₀及开关K₁构成的光电转换电路。

按照本发明所解决的技术方案是控制电路还包括由与非门A₁₁、A₁₂、和R₃₆、R₃₇、C₁₅构成振荡电路，由R₃₈、C₁₆调节脉宽，由与非门A₁₃、A₁₄和电阻R₃₆、R₃₇、电容C₁₅组成的振荡器，振荡频率为38KH。

按照本发明所解决的技术方案是控制电路还包括雾检测装置和亮度检测器。

按照本发明所解决的技术方案是雾检测装置包括光电接收器IRM，其输入端通过电阻R₃₉接与非门A₁₃、A₁₄和电阻R₅₀、R₅₁、电容C₂₃组成的振荡器输出端，IRM输出脉冲信号通过放大器F₄放大，F₄输出端接电阻R₄₃接与非门A₁₅一输入端，另一输出端接湿敏感元件CG。

按照本发明所解决的技术方案是短路保护包括由光耦合器PC₃和电阻R₃₃、R₃₅电容C₇、C₈、电阻R25、R32、R33可调电阻VR₄、二极管D₇、D₈所组成的电流电压限制电路。

按照本发明所解决的技术方案是由光偶PC₁、PC₂和电位器VR₃手组成的动或自动调节振荡器的频率，来达到调节负载功率的电路。

按照本发明所解决的技术方案是由C₇、C₈和R₃₂、R₂₅、R₃₃、PC₃组成的脉宽调节电路。用来调节输出电路的电压。

按照本发明所解决的技术方案是恒流器是由电容器C串联在VD整流桥VD和输出端E1电源之间，LED二极管接在整流桥VD的直流输出端上。来降低负载电压和稳定负载电流的电路。

按照本发明所解决的技术方案是将电阻R₆₀接在太阳能电池正极和振荡电路输入端，来达到根据环境光照情况来自动调节负载发光亮度的电路。

本发明与现有技术相比所产生的积极效果是：

解决了发光亮度低与发光时间短的缺陷。即便在有雾和阴雨天气里发光同样亮、时间长，减少了行车安全存在的隐患；采用集中供电后太阳板可按需要进行设计，亮度增加到原来的2-4倍，发光时间长。即使连续十天以上阴雨天，也能照常发光。解决了储能元件容量、寿命难题，克服了故障率高、无法维修的弊病。本系统主导部件上没有安装太阳能电池板、控制电路、储能元件等，仅装有LED高亮度发光二极管和整流模块，寿命长达十万小时以上，故障率也极低，本身塑料封装，耐冲击；无需维修。可根据需要在大范围内调整亮度，发光转换等。并且可将夜晚发光转换成日夜发光、同步闪烁发光。

安装雾检测装置，特别在南方地区和山区经常有大雾，给行车带来很大的不便，交通事故频繁发生。本系统检测到雾的信号后，即使白天也自动闪烁发光，并且亮度比正常提高1～2倍，给车辆提供一条明亮醒目的行车轮廓线。

低成本、高寿命。和原有太阳能同类产品相比，由于集中供电、统一分配，产品成本大为降低。本系统寿命远高于同类产品，除蓄电池需5～10年更换一次外，其它都能达到其自然寿命。

附图说明

图1、是本发明的结构方框图。

图2、是本发明系统安装示意图。

图3、是本发明的电路原理图。

见图1中功能块1为光电转换电源，2为稳压电路，将蓄电池输出的电压稳定在15V，供各功能块。振荡电路3有两种不同的振荡周期，其工作情况由控制电路控制，输出占空比可调的方波信号。此信号送给整形电路4整形、倒相，调节占空比后送给逆变器5逆变升压成交流方波，送给输出电路6变为极为近似的正弦交流电压，输送到降压恒流器11转换成低压直流电源供负载12使用；照度检测7和雾检测装置8，分别输出亮度信号和雾信号，输送给控制电路9，由控制电路来控制振荡电路3的振荡情况。输出电路的负载电流信号送到保护电路10，如电流超过规定值，保护电路10输出信号给整形电路4控制方波占空比，从而控制输出电压，使输出电流限定在一定范围内。同时由保护电路10输出一个信号给警示器13发出声光警示信号。

见图2，硅光电池板21，立柱22、电控柜23、予埋传输线24、发光部件25。

具体实施方式

下面结合附图对本系统的原理进一步说明。图3也是本发明的最佳实施例，其工作原理如下：

白天在太阳光照射下，太阳能电池S(SOLAR)产生直流电，在控制电路控制下通过肖特基二极管D₀、场效应管VT₁给蓄电池BT充电。由R₁、R₂、R₃、R₅、R₆、VR₁、C₂、C₂₀及比较放大器F₁组成防过充电路。当蓄电池电压未到上限值时，F₁输出高电平使场效应管VT₁导通，蓄电池充电。当蓄电池电压上升到上限值时由VR₁、R₅分压后送给比较放大器F₁的反相端，此电压大于同相端的电压(该电压是由三端稳压器7815送来的稳定电压由电阻R₂、R₆分压得到的)F₁输出低电平，VT₁截止，从而防止蓄电池过充电；反之，当蓄电池电压降低时，F₁输出高电平，VT₁导通继续给蓄电池充电。电阻R₇发光管VD₁组成充电指示电路。

VR₂、R₁₁、R₁₂、C₂₁、C₂₂、D₃、D₄组成防过放电路。蓄电池电压通过VR₂、R₁₁、R₁₂分压C₂₁滤波送到比较放大器F₃的同相端，当蓄电池BT电压低于下限值时，F₃输出低电平，D₃、D₄将振荡电路3的控制端钳位于低电平而停振，输出电路不工作。蓄电池BT停止放电。R₁₃、FD₂作过放信号指示。

R₈、R₉、R₁₀、C₃、WD₁、D₁₀及K₁组成12～24小时工作转换电路。当K₁断开时，白天太阳能电池输出电压由R₈、R₉分压后送到F₂的反相端，此电压高于由R₉、WD₁分压后送到F₂同相端的电压，F₂输出低电平，通过D₁₀、D₁₄将振荡器控制端钳位于低电平，因而停振，输出电路不工作：道钉、路标不发光。而到傍晚时，太阳能电池电压降低而使F₂的反相端电压低于同相端，F₂输出高电平，D₁₁、D₁₄截止，振荡器3起振。输出电路有电压，道钉、路标发光。当K₁合上时，F₂始终输出高电平，不影响振荡电路，因而不管白天晚上都能发光。

原理图中虚线框内是雾检测装置。

与非门A₁₁、A₁₂、R₃₆、R₃₇、C₁₅构成振荡电路，周期约为1～1.5秒。R₃₈、C₁₆调节脉宽，通过A₁₃反相后输出占空比约为0.1、周期1～1.5秒的正脉冲，送给A₁₃、A₁₄、R₅₀、R₅₁、C₂₃组成的38KH振荡器控制端，控制其每1～1.5秒振荡一次，由A₁₄输出端输出38KH信号通过R₃₉送给雾检测装置WG。当无雾时，光线不产生散射，光电接收器IRM收到脉冲信号，IRM输出低电平脉冲信号经过约10～20秒使放大器F₄同相端电压低于反相端，输出低电平送给与非门A₁₅的一个输入端；同时，无雾时空气湿度较小，湿敏感元件CG电阻较大。A₁₅的另一输入端也为低电平，因而与非门A₁₅输出高电平，经R₁₅使VT₃截止，对其他电路无影响；当雾增大到一定的浓度时，IRM收不到信号。经10～20秒F₄同相端电压高于反相端，F₄输出高电平；同时有雾时，空气湿度很大，湿度敏感元件CG电阻变为很小，这样与非门A₁₅的两个输入端皆为高电平，因而输出低电平。经过R₄₅使V_T3导通，通过二极管D₁₁、D₁₂将低频和高频振荡器控制端拉为高电平，振荡器起振输出电路工作，使负载闪烁发光。同时VT₃导通后经过电阻R₂₂使VT₂也导通，雾指示灯FD₆发光，光偶PC₁、PC₂导通，使高频振荡器频率加高，经过后续电路，负载亮度增加。D为微型风机，使雾检测器内空气流动，VR₅调节雾的起控浓度。

原理图中与非门A₅、A₆、R₁₉、R₂₀、C₅组成低频振荡器，周期0.8～1秒，当A₅的控制端有雾信号输入或长明—闪烁开关K₂闭合时，变为高电平，振荡器起振。从A₆的输出端输出1秒左右的方波信号。经R₂₁、C₆进行脉宽调节，变为占空比为0.15左右的正脉冲，经A₄、A₃反相，在正脉冲期间A₄输出高电平，D₅截止。不影响与非门A₁的控制端，高频振荡器振荡，线路有输出，负载发光；在负脉冲期间D₅导通，A₁控制端为低电平，高频振荡停振，线路无输出，负载不发光。从而负载按0.8～1秒的周期闪烁发光，发光时间为150ms左右。

当无雾或长明—闪烁开关K₂断开时，低频振荡器停振，A₆无输出；A₄输入端为高电平，经过A₃、A₄反相，D₅截止，不影响A₁的控制端，负载按长明方式发光。

与非门A₁、A₂、R₁₅、R₁₆、PC₁、VR₃、C₄组成高频振荡器，频率约为0.8KH-1.6KH，通过VR₃、PC₁、PC₂进行手动或自动调节。当D₅、D₃、D₁₀截止时，振荡器振荡，A₂输出的方波脉冲，经R₁₇、A₇整形A₈倒相，从A₇、A₈输出正、负方波信号，经C₇、C₈、R₂₅、R₃₂、R₃₃、C₁₂及PC₂进行脉宽调节。正常情况下从A₉、A₁₀输出占空比为0.4左右的方波信号，经由R₂₆、R₂₇、R₃₀、R₃₁控制绝缘栅场效应管VT₄、VT₅轮流导通，而在变压器T的副边产生交流电压，占空比为0.4是为了在VT₅、VT₄截止时，变压器中的磁场能量不与电源迭加产生高压尖脉冲而损坏输出管。R₂₈、R₂₉及VT₁、VT₂组成互锁电路，防止输出管误导通，C₂₀、C₉为防干扰电容。

R₆₀接在太阳能电池正极和振荡电路A₁的输入端上，是用来根据光照强度弱来自动调节振荡频率控制负载亮度大小。

变压器副边输出交流电压，频率为高频振荡器的频率，容性负载，波形接近正弦波，由E₁、E₂点输送到传输线上。

电容C起降压恒流作用(I₀＝2ΠFC(V₀-V₁)，而V₁＝VD_降+V_LEDX3为定值，V₀即为定值，所以I₀为定值。即使负载短路，I₀的值也基本恒定，对电路和其他负载不产生影响。

原理图中R₃₃、C₁₂、PC₃、C₁₄、VR₄、D₇、D₈、P₃₅组成电流电压限制电路，当负载因某种原因电流增大时，R₃₅电压降增加，到一定数值光偶PC₃开始导通，从而使电阻R₂₅、R₃₂下端B点电位升高，与非门A₉A₁₀输入端电位升高，使A₉A₁₀输出脉宽变窄，占空比减小，从而使变压器输出电压下降，限制了电流进步增大。

当输出电流增得很大时，B点电位降得很低，经过电阻R₄₆使比较放大器F5反相端的电平低于同相端，F5输出高电平，TV₆导通，发光管FD₁₃发光，蜂鸣器W发出警报。

实施例2

图2是本发明另一实施例图。封装的太阳能电池板21(硅光电池板)安装在立柱22上，由传输输送电能到电控柜23，安装在高速公路隔离带上或公路边的其他位置。硅光电池板21发出的电能给23内的蓄电池充电，通过23内的一系列的控制和转换，由予埋传输线24输送到发光部件25完成系统功能，分段控制距离可在半径1000米以上范围内分布。

本发明创造不限于以上实施例，正如以上所说的负载，可以是道钉，也可以是路牌、路标等多种形态，而负载分布和太阳能电池供电集中控制的技术解决方案是权力要求保护的核心。

Claims (10)

1、一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，包括光电转换、蓄电池、负载和控制部分组成，其特征在于光电转换由封装的太阳能电池板形成一直流电源，一路给电源控制柜内的储能器充电，另一路给控制柜内包括各种控制电路、检测电路到振荡电路、脉冲调节整形、逆变电路、输出电路，还包括短路保护和控制柜输出口外接数组带LED发光部件的负载。

2、根据权利要求1所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说的控制柜输出口还包括逆变器的变压器T，在其变压器副边E₂和输出口E₁的传输线上并联多组带降压恒流器的LED发光道钉/路牌/路标。

3、根据权利要求1所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说控制充电由肖特基二极管D₀、场效应管VT₁给蓄电池BT充电，由比较放大器F₁和可调电阻VR₁、电阻R₂、R₃、R₆、R₁、R₅、电容C₂₀，C₂组成防过充电路；还包括由放大器F₃和可调电阻VR₂和分压电阻R₁₁、R₁₂、电容C₂₁、C₂₂、二极管D₃、D₄组成的防过放电路。

4、根据权利要求1或2所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说控制电路所控制的充放电还包括由电阻R₈、R₉、R₁₀、连接电容C₃、嵌位二极管WD₁、二极管D₁₀及开关K₁构成的光电转换电路。

5、根据权利要求1所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说控制电路还包括由与非门A₁₁、A₁₂、和R₃₆、R₃₇、C₁₅构成振荡电路，由R₃₈、C₁₆调节脉宽送给由与非门A₁₃、A₁₄和电阻R₅₀、R₅₁、C₂₃组成的振荡器控制端。

6、根据权利要求1所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说控制电路还包括雾检测系统和亮度检测器。

7、根据权利要求1或6所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说雾检测系统包括光电接收器IRM，其输入端通过电阻R₃₉接与非门A₁₃、A₁₄和电阻R₅₀、R₅₁、电容C₂₃组成的振荡器输出端，IRM输出脉冲信号，通过放大器F₄放大后接与非门A15一输入端，另一端接湿敏感元件CG。

8、根据权利要求1所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说控制电路还包括调节负载输出的由电位调节器VR3、光偶PC₁、PC₂的电路振荡电路，和由电容C₇、C₈和电阻R₂₅、R₃₂、R₃₃、光偶PC₃组成的脉冲调节整形电路。

9、根据权利要求1所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说的短路保护还包括由光耦合器PC₃和电阻R₃₃、R₃₅电容C₁₂、C₁₄、可调电阻VR₄、二极管D₇、D₈所组成的电流电压限制电路。

10、根据权利要求4所述的一种分段式集中供电的太阳能道钉光伏发电系统，其特征在于所说的降压恒流器是由电容器C串联在整流桥VD和电源输出端E1之间，LED二极管接在VD整流桥的直流输出端。