太陽能是再生能源系統(tǒng)的主要技術(shù)之一，在業(yè)界多年的研發(fā)下，應(yīng)用已逐漸浮現(xiàn)，其中路燈是目前較常見的應(yīng)用，由於路燈設(shè)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(tǒng)相當(dāng)合適，在節(jié)能趨勢下，現(xiàn)在路燈多採用LED燈泡，搭配太陽能板與蓄電設(shè)備，大幅降低了對市電的依賴。
智慧設(shè)計 落實節(jié)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(tǒng)，此系統(tǒng)為一項實驗性專案，對象為意法半導(dǎo)體（ST）園區(qū)停車場的LED路燈，其設(shè)計是獨(dú)立的太陽能系統(tǒng)，有交直流（AC-DC）LED驅(qū)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(zhuǎn)換到恆定電流的交直流LED驅(qū)動器，這種交直流LED驅(qū)動器採用準(zhǔn)共振（Quasi-Resonant, QR）模式的功率因數(shù)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(qū)動LED的是HVLED001A，這是已經(jīng)商品化的LED驅(qū)動器。
| 圖1 : 智慧太陽能混合式照明管理系統(tǒng) |
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| 圖2 : 裝設(shè)在停車場的照明設(shè)備，內(nèi)有意法半導(dǎo)體所開發(fā)的電路板。資料集中器單元（Data Concentrator Unit, DCU）附有機(jī)載的泛歐式數(shù)位行動通訊系統(tǒng)（GSM）模組，可以和使用通用封包無線電服務(wù)／第三代／第四代（GPRS/3G/4G）行動網(wǎng)路技術(shù)的雲(yún)端應(yīng)用程式進(jìn)行通訊。 |
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LED驅(qū)動器的主要電源供應(yīng)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(jù)既有文獻(xiàn)，MPPT在利用太陽輻射為電池充電時相當(dāng)有效率，MPPT階段功率轉(zhuǎn)換器所測得的效率超過97%。建議使用2-phase boost直/直流（DC-DC）轉(zhuǎn)換器做為直流LED驅(qū)動器，2-phase交直流轉(zhuǎn)換器有助於縮小直流電大容量電容器的體積，且為了達(dá)到濾波的目的建議放在負(fù)載側(cè)。
| 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(jié)點，或?qū)λ姓彰鞴?jié)點傳播指令。可根據(jù)天文鐘排定照明節(jié)點開／關(guān)／調(diào)節(jié)的時程。雲(yún)端平臺是在微軟的Azure上進(jìn)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(jìn)行資料分析。 |
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根據(jù)文獻(xiàn)資料，功率轉(zhuǎn)換器若因老化而故障將成為一個弱點，最後它會增強(qiáng)LED驅(qū)動系統(tǒng)的壽命，直/直流LED驅(qū)動器階段的效率也高於95%。之所以能提高功率轉(zhuǎn)換效率，是因為使用了高效率的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)電晶體（MOSFET）和閘極驅(qū)動IC，LED驅(qū)動器在恆定電流下運(yùn)作，是另一個可以增強(qiáng)LED壽命的參數(shù)，目前已利用高效率的數(shù)位電源轉(zhuǎn)換微控制器（STM32F3），成功在電路板上完成測量與決策作業(yè)。
所有路燈都透過6LoWPAN網(wǎng)狀網(wǎng)路相互連結(jié)，而該網(wǎng)路則是利用SPIRIT1的商品化Sub-GHz元件建置而成，路燈節(jié)點會透過6LoWPAN網(wǎng)格技術(shù)，利用免費(fèi)的ISM（Industrial, Scientific and Medical；工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)學(xué)）無線電頻道（868 MHz）互相溝通。裝設(shè)了太陽能板的路燈節(jié)點，是一種可以和6LoWPAN技術(shù)（網(wǎng)格）上面的資料集中器單元交談的照明節(jié)點。
智慧城市節(jié)能標(biāo)的
照明控制單元（Light Conditioning Unit, LCU）是由電力網(wǎng)和太陽能板一起負(fù)責(zé)供電。只要感測四周光線與環(huán)境，就能提供燈光自動開／關(guān)／調(diào)節(jié)功能。這套系統(tǒng)還附有尚未完全發(fā)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(jié)點。
| 圖5 : 雲(yún)端網(wǎng)路應(yīng)用。這款LED驅(qū)動器的原型已在意法半導(dǎo)體園區(qū)進(jìn)行實驗驗證及與生產(chǎn)，並部署在100x150平方公尺的區(qū)域裡既有的30根電線桿上。每個階段的轉(zhuǎn)換效率都超過90%，電源品質(zhì)和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠度也都表現(xiàn)極佳。 |
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此一太陽能與LED整合的路燈設(shè)備，結(jié)合了智慧用電設(shè)計，可視電量多寡自動調(diào)節(jié)電力輸出方式，未來若再加上通訊模組，則可鏈接成物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)路，配合後端的監(jiān)控中心，成為智慧城市基礎(chǔ)建設(shè)的一環(huán)。
