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太陽能路燈系統
節能新設計

【作者: 王明德】   2018年01月03日 星期三

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太陽能是再生能源系統的主要技術之一,在業界多年的研發下,應用已逐漸浮現,其中路燈是目前較常見的應用,由於路燈設置處均為戶外,且白天沒有開啟用電的需求,因此整合太陽能系統相當合適,在節能趨勢下,現在路燈多採用LED燈泡,搭配太陽能板與蓄電設備,大幅降低了對市電的依賴。


智慧設計 落實節能願景

這次要介紹的案例即為智慧型太陽能混合式LED路燈系統,此系統為一項實驗性專案,對象為意法半導體(ST)園區停車場的LED路燈,其設計是獨立的太陽能系統,有交直流(AC-DC)LED驅動器做為備用電源以防電池不足,在沒有電池或電池電量不足的狀況下,它會自動轉換到恆定電流的交直流LED驅動器,這種交直流LED驅動器採用準共振(Quasi-Resonant, QR)模式的功率因數修正(Power Factor Correction, PFC),使用單級單切換以及原級感測專用控制。用來驅動LED的是HVLED001A,這是已經商品化的LED驅動器。



圖1 : 智慧太陽能混合式照明管理系統
圖1 : 智慧太陽能混合式照明管理系統

圖2 : 裝設在停車場的照明設備,內有意法半導體所開發的電路板。資料集中器單元(Data Concentrator Unit, DCU)附有機載的泛歐式數位行動通訊系統(GSM)模組,可以和使用通用封包無線電服務/第三代/第四代(GPRS/3G/4G)行動網路技術的雲端應用程式進行通訊。
圖2 : 裝設在停車場的照明設備,內有意法半導體所開發的電路板。資料集中器單元(Data Concentrator Unit, DCU)附有機載的泛歐式數位行動通訊系統(GSM)模組,可以和使用通用封包無線電服務/第三代/第四代(GPRS/3G/4G)行動網路技術的雲端應用程式進行通訊。

LED驅動器的主要電源供應則是來自電池這種能量儲存元件,電池利用白天最大功率點(Maximum Power Point Tracking, MPPT)的方式加以充電,根據既有文獻,MPPT在利用太陽輻射為電池充電時相當有效率,MPPT階段功率轉換器所測得的效率超過97%。建議使用2-phase boost直/直流(DC-DC)轉換器做為直流LED驅動器,2-phase交直流轉換器有助於縮小直流電大容量電容器的體積,且為了達到濾波的目的建議放在負載側。



圖3 : 資料集中單元裡的照明控制單元。使用者可以控制單一照明節點,或對所有照明節點傳播指令。可根據天文鐘排定照明節點開/關/調節的時程。雲端平台是在微軟的Azure上進行測試,並利用微軟Azure所提供的工具,針對資料集中單元所接收到的資料來進行資料分析。
圖3 : 資料集中單元裡的照明控制單元。使用者可以控制單一照明節點,或對所有照明節點傳播指令。可根據天文鐘排定照明節點開/關/調節的時程。雲端平台是在微軟的Azure上進行測試,並利用微軟Azure所提供的工具,針對資料集中單元所接收到的資料來進行資料分析。

圖4 : DOU之間的距離
圖4 : DOU之間的距離

根據文獻資料,功率轉換器若因老化而故障將成為一個弱點,最後它會增強LED驅動系統的壽命,直/直流LED驅動器階段的效率也高於95%。之所以能提高功率轉換效率,是因為使用了高效率的金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)和閘極驅動IC,LED驅動器在恆定電流下運作,是另一個可以增強LED壽命的參數,目前已利用高效率的數位電源轉換微控制器(STM32F3),成功在電路板上完成測量與決策作業。


所有路燈都透過6LoWPAN網狀網路相互連結,而該網路則是利用SPIRIT1的商品化Sub-GHz元件建置而成,路燈節點會透過6LoWPAN網格技術,利用免費的ISM(Industrial, Scientific and Medical;工業、科學與醫學)無線電頻道(868 MHz)互相溝通。裝設了太陽能板的路燈節點,是一種可以和6LoWPAN技術(網格)上面的資料集中器單元交談的照明節點。


智慧城市節能標的

照明控制單元(Light Conditioning Unit, LCU)是由電力網和太陽能板一起負責供電。只要感測四周光線與環境,就能提供燈光自動開/關/調節功能。這套系統還附有尚未完全發展成熟的指令及控制中心,讓終端使用者可從任何地點,控制單一或成組的照明節點。



圖5 : 雲端網路應用。這款LED驅動器的原型已在意法半導體園區進行實驗驗證及與生產,並部署在100x150平方公尺的區域裡既有的30根電線桿上。每個階段的轉換效率都超過90%,電源品質和運轉可靠度也都表現極佳。
圖5 : 雲端網路應用。這款LED驅動器的原型已在意法半導體園區進行實驗驗證及與生產,並部署在100x150平方公尺的區域裡既有的30根電線桿上。每個階段的轉換效率都超過90%,電源品質和運轉可靠度也都表現極佳。

此一太陽能與LED整合的路燈設備,結合了智慧用電設計,可視電量多寡自動調節電力輸出方式,未來若再加上通訊模組,則可鏈接成物聯網網路,配合後端的監控中心,成為智慧城市基礎建設的一環。


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