基本信息
- 项目名称：
- 太阳能路灯智能控制系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目是基于全球能源紧缺、提倡可持续“绿色照明”的背景下，针对太阳能路灯系统、太阳能供电系统、庭院灯、信号灯及一部分光伏小工程的控制要求，设计一套功能完善、性能良好、设置合理的智能控制型太阳能路灯系统。系统由光伏组件、蓄电池、智能控制器、高亮LED路灯、市电等组成，其性能不仅适合用于太阳光充足日照好的南方地区而且适应东北市场的低温需求等就有广阔的应用前景。
- 详细介绍：
- 太阳能路灯智能控制系统包括五个部分：智能控制器，太阳能电池板，蓄电池，LED路灯，辅助电源市电部分。系统应用在路灯系统中，能够根据需要设置不同的工作模式，白天路灯是熄灭的，充分利用太阳能对蓄电池充电。夜晚用蓄电池对路灯供电，在连续阳光不充足造成蓄电池电量不足的情况下，由市电补充供电，避免蓄电池的“过放”现象发生。 采用低功耗的PIC16F887单片机对太阳能路灯供电进行智能化控制。控制模块包括硬件电路部分及软件电路两大部分：硬件电路部分包括有市电辅助电路、充电电路、放电电路、PWM驱动电路、电压采样电路、电流检测电路、按键电路、负载过流保护电路、数码管显示电路的集成化设计。所述的电压采样电路包括蓄电池电压采样电路和太阳能电池电压采样电路, 所述的电流检测电路包括对太阳能电池板输出电流采集电路,负载过流保护电路及负载放电电路。控制器采集太阳能电池板的工作电压电流，用以实现太阳能电池板最大功率点(MPPT)跟踪；采集蓄电池的端电压，防止蓄电池的过充及过放；电压采集采用电阻分压法实现，电流采集采用分流器实现。负载过流保护我们采用外部中断的方式控制，一旦产生中断，断开负载;软件部分设计采用的是MICROCHIP公司的MPLAB软件平台实现了包括模式记忆、AD测量、MPPT控制、光控开、光控关、LED灯亮的时间、16种模式、按键、数码管的显示设计等。 设计中采用基于MOSFET的理想二级管来替代传统的肖特基二极管与太阳能电池板串联,有效抑制蓄电池与电池板之间的能量泄露问题同时,减少了能量耗散。市电辅助电路中采用光耦隔离,避免了市电与单片机不同电压下的共地连接。对于蓄电池,太阳能电池板和LED路灯进行了精心的选型搭配,在控制电路系统的综合调节下，通过蓄电池、太阳能电池板、市电三者之间的电压值比较，选择16种工作模式中相应的模式进行控制，实现蓄电池、太阳能电池板、市电的合理调配，以达到太阳能的最大利用；蓄电池的优化应用；市电的合理使用的效果。 本作品技术成熟, 功能强大,应用性强, 适用范围广,已经投入生产使用中获得良好的经济效益。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- ★发明目的：在全球能源紧缺、提倡可持续“绿色照明”的背景下，针对太阳能路灯系统、太阳能供电系统、庭院灯、信号灯及一部分光伏小工程的控制要求，设计一款功能、性能、设置均合理的智能型太阳能路灯控制系统。 ★基本思路：系统由光伏组件、蓄电池、智能控制器、高亮LED路灯、市电组成。可自动检测是否有电网市电，既可应用于原先已铺设电网线路的城市道路，也可应用于脱离电网的偏远山村。在有电网市电的路灯系统中，系统会优先使用太阳能，将市电作为备用供电源，以保证路灯在连续阴雨天气里的正常工作。 ★创新点：采用光耦器件进行+13V直流电压电路的检测电压匹配，能够控制系统在太阳能和市电对路灯供电之间的切换。科技查新报告编号：20113600GN010401；采用的PIC16F887单片机控制扩展功能强,成本低;系统集成了16种工作模式,可根据一年四季不同的充电量来自动调节放电时间,可满足不同用户的应用需求。 ★技术关键：本系统的关键部分是太阳能智能控制器模块，用以实现系统的16种工作模式、光控、时控、过充保护、过放保护、反接保护、MPPT以及市电辅助电路等功能。 ★主要技术指标：太阳能电池板：100W/17.2V；蓄电池：12V/100AH；太阳能控制器：额定工作电压12V、额定工作电流5A；系统设置：过放电压10.8V、过放恢复电压点12.3V、过充电压点14.4V、过充恢复电压点13.6V。
科学性、先进性
- ★主控制芯片采用PIC16F887，控制功能强，功耗低，采用MOSFET有效抑制蓄电池与电池板之间的能量泄露问题同时,减少了能量耗散，使整个控制器部分耗能更低。 ★集成了包括直流输出和1HZ闪频输出下的16种工作模式,可应用在多种工作场合中，并实现PWM技术对蓄电池进行高效充电和根据太阳能电池板的最大功率输出特性应用MPPT技术，提高太阳能的利用率。 ★根据使用要求和太阳能电池板的输出特性，配置蓄电池。结合太阳能路灯系统的经济和生态因素寻找能达到最佳使用效果的蓄电池充放点。 ★所设计的太阳能路灯智能控制系统通过光耦器件自动检测电网市电，既可应用于原先已铺设电网线路的城市道路，也可应用于脱离电网的偏远山村。应用在具有电网市电的路灯系统中，考虑了在连续没有太阳的天气里可以控制开启后备电源，与市电连接，提供路灯供电以及蓄电池充电。
获奖情况及鉴定结果
- ★作品曾在2010年瑞安新能源展示会上展示。 ★在2010中国（温州）新能源与节能技术交易会上展示成果，并被选为特邀签约单位。 ★作品在2011年**省“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛中获特等奖。 ★作品在****大学“运河杯”课外科技立项竞赛活动中获特等奖。 ★该项目已通过中华人民共和国科学技术部科技查新，查新报告编号：20113600GN010401，查新结论为：相关内容未见公开报道，见附件3。
作品所处阶段
- 生产使用阶段。
技术转让方式
- 技术成果转让给厂家，已和厂家签约。
作品可展示的形式
- 实物，产品，现场展示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- ★作品的技术特点和优势：采用PWM和MPPT技术对蓄电池进行高效充电，有效延长蓄电池使用寿命。市电接入功能实现太阳能和市电的综合利用，可有效保证在连续阴雨天气里系统正常工作，防止蓄电池出现冬天“欠压”或夏天“过充”的发生，提高了系统的适用性。具有包括直流和1Hz闪频两类输出方式下的16种工作模式，LED指示系统工作状态，数码管和按键显示调整当前工作模式，操作简单方便，具有负载短路保护、过载保护和防反接保护功能保证系统安全可靠运行。通过对太阳能路灯，蓄电池，负载进行选型搭配，实现系统最优化。 ★作品的适用范围：作品除了可以用作城市街道路灯外，还可以应用于太阳能家庭供电系统、庭院灯、海陆交通信号灯、草坪灯、景观灯等。 ★市场分析和经济效益预测：在光伏发电迅速崛起势头的带动下，该产品将会产生很好的经济、生态、社会效益，整套智能型太阳能路灯控制系统成本费约为4160元，出厂单价在5200元左右。批量投产后，年产值估计为100万元，年利润约为20万元。
同类课题研究水平概述
- 由于太阳能相比于其他传统的能量来源,具有环保,节能,储量丰富的优点,近年来越来越受到各国的重视,从2010年我国国家能源局公布的相关数据来看,2010年欧洲新增发电设备容量中,新增光伏发电设备的比重仅次于天然气发电设备已达22.4%,而我国新增光伏发电设备的比重却只有0.4%,处于主导低位的还是煤电和水电,从这个角度来看我国太阳能产业与发达国家比仍具有较大差距。 太阳能路灯是光伏发电产业中的一个部分,其应用性强，是目前所有光伏应用系统相对具有优势的产品。在各国政府的大力支持下，太阳能路灯产业得到迅速发展，现在已经有许多产品应用在了道路交通照明中，但在实际应用中，太阳能路灯仍存在价格昂贵、稳定性差、技术不完善的缺点，这是制约太阳能路灯完全替代传统路灯照明的主要因素。 为提高太阳能路灯的竞争力，最根本的解决方法是技术上寻求突破。现在对太阳能路灯系统的研究多是将系统中的四个主要部分（太阳能电池，蓄电池，路灯，控制部分）独立开来分别进行研究的。近年来太阳能电池转换效率已经得到很大提升，2010年10月6日，美国Spire半导体公司研发的三结砷化镓（GaAs）太阳电池峰值效率达到了42.3%，聚光条件相当于406个太阳。 2010年11月22日，Spectrolab宣布其开发的最新型地面用太阳电池C3MJ已经开始批量生产，该系列太阳电池的平均光电转换效率可达39.2%，这是目前已量产的太阳能电池中转换效率最高的。铅酸蓄电池广泛用于光伏系统中，主要有固定式铅酸蓄电池、工业型阀控密封铅酸蓄电池及小型阀控密封铅酸蓄电池。制约铅酸蓄电池的是其寿命，影响其寿命的因素有：放电深度、长期欠充电、小电流放电、过充电和温度影响。为解决这一问题，常采用太阳能光伏系统中专用的胶体铅酸蓄电池，它具有更好的深放电恢复特性，在较高的环境温度下也有很长的使用寿命。对LED路灯的研究主要集中在：LED散热问题，二次光学元件设计以及LED横流驱动源设计上。国产太阳能光伏控制器价格低廉，相比国外产品仍存在质量不够稳定，性能不高，产品少，知名度低等问题，因此在竞争中国内产品仍然处于劣势。如国外控制器产品可实现对蓄电池的恒流型PWM智能三阶段充电管理，而国内多数控制器仍采用电压型2阶段充电管理模式甚至采用直充的充电方式对蓄电池进行充电,因此国产太阳能光伏控制器的发展还具有很多的空间。
