專利名稱：具有自動組合功能的pv-led隧道直接照明系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及太陽能光伏照明系統(tǒng)，特別涉及一種具有自動組合功能的PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)及控制方法。
背景技術(shù)：
開發(fā)利用以太陽能為代表的新能源已經(jīng)作為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的能源基本決策，目前其具體應(yīng)用以太陽能熱水器和太陽能光伏發(fā)電二種方法為主。而對于位置偏僻的公路隧道，利用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為照明電源當(dāng)然是最佳方案之一，這就是通常所說的光-電-光利用方式，即利用PV(光伏電池)板把太陽光能轉(zhuǎn)換成電能貯存在蓄電池中， 然后再提供發(fā)光器件LED(發(fā)光二極管)實(shí)現(xiàn)隧道照明。在這個系統(tǒng)中，只有在晴天有太陽光的情況下，光伏電池板發(fā)出的電力才能補(bǔ)充進(jìn)蓄電池存儲，以便在夜晚等需要時候再利用儲存在蓄電池中的電力驅(qū)動負(fù)載LED發(fā)光照明；一旦天氣變化成陰雨天，則由于散射太陽光的能量相對變小，以致于所轉(zhuǎn)換的電力因?yàn)檫_(dá)不到充電的基本要求(如閾值電壓)而無法充入蓄電池，所以被白白的浪費(fèi)掉。而且對于公路隧道來說，除了必須安裝晝夜照明系統(tǒng)保證基本照明亮度要求外，還有一個很大的特點(diǎn)，就是汽車駕駛員要求隧道進(jìn)出口一段距離內(nèi)(簡稱亮度過渡區(qū)間)的亮度梯度(亮度變化率)必須限制在一定范圍內(nèi)，即在這個重要的也是最危險的區(qū)段內(nèi)亮度相比于外面環(huán)境亮度是一個相對值而非絕對值；一旦經(jīng)過這個亮度過渡區(qū)間后駕駛員已經(jīng)適應(yīng)燈光亮度的變化，駕駛員眼睛的視力恢復(fù)正常也就不存在上述問題了。例如汽車駕駛員一旦從中午太陽光很強(qiáng)(如60000LX)的公路上以較高速度進(jìn)入光線較弱(200Lx)的隧道的很短時間內(nèi)，由于亮度變化梯度太大，往往會引起駕駛員眩暈感甚至在短時間內(nèi)失去視力而發(fā)生事故。而在陰雨天，即隧道外面光線比較弱(如5000Lx)的時候，駕駛員則不存在上述問題。特別是這種情況的極端現(xiàn)象——夜晚，對于駕駛員來說，隧道外公路上的亮度相對隧道內(nèi)部照明，甚至是從光線暗處進(jìn)入亮處，就根本不存在不適應(yīng)問題。根據(jù)目前隧道照明系統(tǒng)中過渡區(qū)間的亮度設(shè)計(jì)要求，必須小于夏天中午最強(qiáng)太陽光照射下的亮度梯度極限，這個極限數(shù)據(jù)顯然對光照較弱的(于夏天以外的三個季節(jié)，特別是)冬天、陰雨天以及晚上來說，在亮度過渡區(qū)間照明光源就存在著能源浪費(fèi)現(xiàn)象。所以如果在最重要的亮度過渡區(qū)間 (入口處80米左右)能夠根據(jù)隧道外面的亮度自動調(diào)整部分光源功率，那么在仍然滿足亮度梯度要求情況下將節(jié)省可觀的能源。而PV電池板的輸出電力大小正好正變于太陽光的強(qiáng)弱，即隧道外面的亮度；另外，試驗(yàn)證明LED燈型光源在較大的電壓及電流參數(shù)的變化范圍內(nèi)都能夠發(fā)光。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于利用現(xiàn)有的PV電池板和LED燈硬件進(jìn)行最佳組合，提供一種能夠有效降低整個照明系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)隧道照明方面節(jié)能降耗的具有自動組合功能的PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)及控制方法。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的照明系統(tǒng)包括包括PV電池板、控制器、蓄電池和安裝于隧道內(nèi)的被分成主照明組和輔助照明組的若干個LED燈；所述的控制器包括太陽光信號采集器以及與該太陽光信號采集器相連接的控制電路；其中太陽光信號采集器并聯(lián)在PV電池板上，控制電路包括與PV電池板相連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab，轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab的一端B通過輔助照明組轉(zhuǎn)換開關(guān)Kb2與輔助照明組相連，轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab的另一端A分別與蓄電池及照明組導(dǎo)線相連，蓄電池的輸出端通過蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi與主照明組相連，所述的照明組導(dǎo)線分別通過主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2與主照明組和輔助照明組開頭相連。所述的在控制器內(nèi)的主照明組和輔助照明組的線路上還安裝有穩(wěn)壓保護(hù)裝置。所述的PV電池板的功率為LED輔助燈組額定功率的8倍以上。所述的輔助照明組僅為整個LED燈中的一小部分；而且輔助照明組中的LED燈被分散安裝在隧道入、出口一定區(qū)段內(nèi)的主照明組之間。本發(fā)明的控制方法如下1)在晴天有太陽光的情況下，控制器中的太陽光信號采集器采集PV電池板的相應(yīng)光伏電壓信號提供給控制電路，由控制電路控制安裝于蓄電池輸出端的蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi斷開，同時使轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab閉合到A端，并控制主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2閉合，這期間全部PV電池板作為電源，不但為全部LED燈作為負(fù)載提供能量(電力) 消耗，同時也為負(fù)載蓄電池充電，將多余的電力能量儲存起來；2)當(dāng)陰雨天或夜晚沒有太陽光情況下，控制電路根據(jù)接收到太陽光信號采集器發(fā)出沒有太陽光的電信號，直接控制安裝于蓄電池輸出端的蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi導(dǎo)通，同時使轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab閉合到B端，并且輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2閉合，主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2斷開，此期間由蓄電池提供的電力驅(qū)動主照明組的LED燈照明，而由散射太陽光(白天)在PV電池板上產(chǎn)生的電力直接利用起來驅(qū)動輔助照明組的LED燈照明。本發(fā)明針對隧道照明中過渡區(qū)間的具體亮度要求取決于隧道外太陽光亮度與PV 電池板產(chǎn)生電力也正變于隧道外太陽光亮度的相同趨勢，充分利用PV電池板在陰雨天情況下雖然不能夠給蓄電池充電，但是散射太陽光所產(chǎn)生的電力仍然能夠直接驅(qū)動LED燈 (可能是非額定功率工作)照明的特點(diǎn)。通過把全部光源分成基本照明組和輔助照明組二部分，在現(xiàn)有硬件資源的基礎(chǔ)上提供一種最佳組合的具有自適應(yīng)功能的PV-LED補(bǔ)充直接照明系統(tǒng)，以有效降低整個照明系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)隧道照明方面的節(jié)能降耗。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明控制裝置2的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參見圖1，2，本發(fā)明包括PV電池板1、控制器2、蓄電池3和安裝于隧道內(nèi)的被分成主照明組4-1和輔助照明組4-2的若干個LED燈4 ；控制器2包括太陽光信號采集器2_1 以及與該太陽光信號采集器2-1相連接的控制電路2-2 ；其中太陽光信號采集器2-1并聯(lián)在PV電池板1上，控制電路2-2包括與PV電池板1相連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab，轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab的一端B通過輔助照明組轉(zhuǎn)換開關(guān)Kb2與輔助照明組4-2相連，轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab的另一端A分別與蓄電池3及照明組導(dǎo)線相連，蓄電池3的輸出端通過蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi與主照明組 4-1相連，所述的照明組導(dǎo)線分別通過主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2與主照明組4-1和輔助照明組開頭4-2相連；在控制器2內(nèi)的主照明組4-1和輔助照明組4-2的線路上還安裝有控制器2內(nèi)還安裝有穩(wěn)壓保護(hù)裝置6，其中PV電池板1的功率為LED輔助燈組額定功率的7-10倍。在晴天有太陽光的情況下，控制器2的太陽光信號采集器2-1采集PV電池板1的光伏電壓信號提供給控制電路2-2，由控制電路2-2控制安裝于蓄電池3輸出端的蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi斷開，同時使轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab閉合到A端，并控制主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2閉合，這期間全部PV電池板1都作為電源提供能量，全部LED燈都作為負(fù)載消耗能量，同時蓄電池也作為負(fù)載將多余的電力能量儲存起來；以備陰雨天和夜晚間為主體照明組負(fù)載燈提供電力。同時避免了 PV板發(fā)出的電力因?yàn)檫M(jìn)出蓄電池而造成的接近30% 的損耗，但是這種由PV電池板直接帶LED燈負(fù)載的時候，為了保證負(fù)載正常工作還安裝了穩(wěn)壓保護(hù)裝置6。當(dāng)陰雨天或夜晚沒有太陽光情況下，控制電路2-2根據(jù)接收到太陽光信號采集器 2-1發(fā)出沒有太陽光信號，直接控制安裝于蓄電池3輸出端的蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi導(dǎo)通， 同時使轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab閉合到B端，并且輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2閉合，主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2斷開，此期間由蓄電池提供的電力驅(qū)動主照明組，而由散射太陽光在PV電池板上產(chǎn)生的電力直接利用起來驅(qū)動輔助照明組照明。對于已經(jīng)采用市電供電的隧道基本照明系統(tǒng)來說，在減小隧道整體照明功率設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，直接把隧道進(jìn)出口一定距離范圍內(nèi)的部分照明光源更換成由光伏電池板直接驅(qū)動LED燈照明的輔助照明，本發(fā)明相比目前的光伏電池板LED照明系統(tǒng)，增加部分就是用來判斷晴天還是陰雨天或者晚上的太陽光信號采集器和自動控制功能即控制器和轉(zhuǎn)換開關(guān)， 即根據(jù)需要分別自動連接相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)二種工作狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換；另外，PV電池板所帶負(fù)載是隨著太陽光強(qiáng)弱而自動調(diào)整變化；全部負(fù)載LED燈光源被分為主照明組4-1和輔助照明組4-2，并且輔助照明組只是其中一小部分，而且間隔安裝在隧道出入口一定距離范圍內(nèi)；而蓄電池則根據(jù)太陽光強(qiáng)弱，其角色在電源和負(fù)載二者之間自動變換，即強(qiáng)太陽光下作為PV板的負(fù)載，儲存(吸收)電力；但是在陰雨天以及夜晚時分又成為電源，承擔(dān)起給主體照明組中的L ED燈提供電力，這時候PV板利用太陽散射光作為電源直接帶輔助照明組中的負(fù)載4-2，而蓄電池作為電源則直接帶主體照明組中的負(fù)載4-1。本發(fā)明根據(jù)需要間隔安裝于基本的LED照明燈之間，這樣以來既有效的利用了陰雨天散射太陽光在全部光伏電池板上產(chǎn)生的電力(原來白白浪費(fèi))有效驅(qū)動出入口一定距離范圍輔助照明組LED燈直接照明，節(jié)省了蓄電池中電力；并且由于在此期間雖然太陽散射光強(qiáng)弱隨機(jī)的變化，但是因?yàn)槔矛F(xiàn)有整個系統(tǒng)的光伏電池板(一般為其負(fù)載額定功率的5倍以上)為其提供電力，理論計(jì)算和試驗(yàn)證明當(dāng)光伏電池板額定功率為LED燈額定功率的8倍時，即使在雨天GOOOLx)也能夠發(fā)出額定功率的60%以上(相當(dāng)于我們常用太陽能電池板作為電源的計(jì)算器并非在室外太陽光直接照射時才正常工作，而是在室內(nèi)利用散射太陽光或者燈光的能量轉(zhuǎn)換的電力提供計(jì)算器也能夠正常工作一樣)，而且此時由于隧道外面的亮度也比晴天太陽光下低一個數(shù)量級左右，因而仍然滿足了過渡區(qū)間亮度梯度保持在一定范圍內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。從而實(shí)現(xiàn)了節(jié)省系統(tǒng)資源的情況下，利用PV板發(fā)出的廢棄電力提供給補(bǔ)充光源組，仍然保證了隧道照明系統(tǒng)的正常工作。前面僅討論了白天系統(tǒng)工作狀態(tài)，對于夜晚時分，系統(tǒng)將仍然工作于陰雨天模式， 盡管這段時間內(nèi)沒有散射太陽光導(dǎo)致補(bǔ)充光源組不發(fā)光，但是因?yàn)檫@個時間里隧道外面亮度一般情況下比隧道內(nèi)的亮度還低，所以對于汽車駕駛員來說，就根本不存在過渡區(qū)間亮度梯度問題。綜上所述，這種在現(xiàn)有資源基礎(chǔ)上巧妙利用系統(tǒng)中PV板、蓄電池、LED燈等的各自特點(diǎn)，結(jié)合隧道外亮度變化對過渡區(qū)間亮度參數(shù)影響因素，形成幾種最佳組合工作模式并實(shí)現(xiàn)了相互之間的自動切換。其中充分利用陰雨天全部PV板發(fā)出的被廢棄電力直接驅(qū)動輔助照明光源組工作，實(shí)現(xiàn)了隧道過渡區(qū)間亮度的自適應(yīng)功能，成為這個系統(tǒng)的特點(diǎn)，具有很大的實(shí)用價值，為PV-LED隧道照明系統(tǒng)的推廣應(yīng)用鋪平了道路。
權(quán)利要求
1.一種具有自動組合功能PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)，其特征在于包括PV電池板 (1)、控制器O)、蓄電池(3)和安裝于隧道內(nèi)的被分成主照明組(4-1)和輔助照明組(4-2) 的若干個LED燈(4)；所述的控制器( 包括太陽光信號采集器以及與該太陽光信號采集器(2-1)相連接的控制電路0-2)；其中太陽光信號采集器并聯(lián)在PV電池板(1)上，控制電路(2- 包括與PV電池板(1)相連接的轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab，轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab的一端B通過輔助照明組轉(zhuǎn)換開關(guān)Kb2與輔助照明組G-2)相連，轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab的另一端A分別與蓄電池(3)及照明組導(dǎo)線相連，蓄電池 (3)的輸出端通過蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi與主照明組相連，所述的照明組導(dǎo)線分別通過主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2與主照明組(4-1)和輔助照明組開頭(4-2) 相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自動組合功能PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)，其特征在于 所述的在控制器O)內(nèi)的主照明組(4-1)和輔助照明組(4-2)的線路上還安裝有穩(wěn)壓保護(hù)裝置(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自動組合功能PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)，其特征在于 所述的PV電池板(1)的功率為LED輔助燈組額定功率的8倍以上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有自動組合功能PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)，其特征在于 所述的輔助照明組(4-2)僅為整個LED燈中的一小部分；而且輔助照明組G-2)中的 LED燈被分散安裝在隧道入、出口一定區(qū)段內(nèi)的主照明組之間。
5.一種如權(quán)利要求1所述的具有自動組合功能PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)的控制方法， 其特征在于1)在晴天有太陽光的情況下，控制器O)中的太陽光信號采集器(2-1)采集PV電池板⑴的相應(yīng)光伏電壓信號提供給控制電路0-2)，由控制電路0-2)控制安裝于蓄電池 (3)輸出端的蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi斷開，同時使轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab閉合到A端，并控制主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2閉合，這期間全部PV電池板⑴作為電源，不但為全部 LED燈作為負(fù)載提供能量(電力)消耗，同時也為負(fù)載蓄電池充電，將多余的電力能量儲存起來；2)當(dāng)陰雨天或夜晚沒有太陽光情況下，控制電路(2- 根據(jù)接收到太陽光信號采集器 (2-1)發(fā)出沒有太陽光的電信號，直接控制安裝于蓄電池(3)輸出端的蓄電池輸出轉(zhuǎn)換開關(guān)Kbi導(dǎo)通，同時使轉(zhuǎn)換開關(guān)Kab閉合到B端，并且輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2閉合，主照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Kai、輔助照明轉(zhuǎn)換開關(guān)Ka2斷開，此期間由蓄電池提供的電力驅(qū)動主照明組的LED燈照明，而由散射太陽光(白天)在PV電池板上產(chǎn)生的電力直接利用起來驅(qū)動輔助照明組的 LED燈照明。
全文摘要
具有自動組合功能的PV-LED隧道直接照明系統(tǒng)及控制方法，本發(fā)明針對隧道照明中過渡區(qū)間的具體亮度要求取決于隧道外太陽光亮度與PV電池板產(chǎn)生電力也正變于隧道外太陽光亮度的相同趨勢，充分利用PV電池板在陰雨天情況下雖然不能夠給蓄電池充電，但是散射太陽光所產(chǎn)生的電力仍然能夠直接驅(qū)動LED燈(可能是非額定功率工作)照明的特點(diǎn)。通過把全部光源分成基本照明組和輔助照明組二部分，在現(xiàn)有硬件資源的基礎(chǔ)上提供一種最佳組合的具有自適應(yīng)功能的PV-LED補(bǔ)充直接照明系統(tǒng)，以有效降低整個照明系統(tǒng)成本，實(shí)現(xiàn)隧道照明方面的節(jié)能降耗。
文檔編號H05B37/02GK102510600SQ201110297798
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月30日
發(fā)明者姚君霞, 寧鐸, 張婷, 張磊, 王進(jìn)軍 申請人:陜西科技大學(xué)