適用高寒環境的一體化太陽能路燈的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及適用高寒環境一體化太陽能路燈模塊主要解決高煒度高寒地區的道 路照明技術，當然在傳統太陽能路燈使用的區域更沒有問題。
【背景技術】
[0002] 由于目前市場上所銷售的太陽能路燈產品都是針對光照充足和溫度適宜的南方 以及華北地區，把相關太陽能產品引進到東北地區以后，發現市場上的所有太陽能路燈產 品都存在不能正常工作的情況，究其原因是市場上的太陽能路燈產品主要存在兩個主要的 問題。首先，東北地區由于煒度比較高，冬季的日照時間比較短，太陽能電池板有效的光電 轉換時間較短。其次，東北地區在冬季時最寒冷的月份白天最低溫度能達到_20°C -30°C， 夜間溫度更低，在如此低的溫度下，普通鋰電池的活性非常低，甚至失效，普通鋰電池不能 進行正常的充放電，最終導致太陽能路燈不能正常工作。

【發明內容】

[0003] 本設計充分考慮到地區差異，尤其是東北地區個別地方冬天的室外溫度會達到零 下40°C甚至更低，市場上在售的太陽能路燈產品在該環境下不能工作。本設計很好的解決 了太陽能路燈耐低溫的問題。
[0004] 本專利的工作原理： (1)在光照、環境溫度一定的條件下，太陽能電池板的輸出功率隨著輸出電壓電流的變 化而變化，為了使太陽能電池板對電池的充電功率最大，需要尋找太陽能電池板的MPP (最 大功率）點。在采集太陽能電池板輸出電壓電流時，系統存在噪音較大，采樣得到的電壓電 流存在較大的噪聲，不能直接使用。在這里假設系統的噪聲服從高斯分布，使用卡爾曼濾波 器對采集的數據進行處理，卡爾曼濾波效果如圖1、圖2所示。
[0005] (2)使用的鋰電池在沈陽室外零下15°C就不能正常的充電、放電。究其原因是在低 溫的環境下鋰電池的化學反應緩慢，當到達一個臨界溫度時，鋰電池的化學反應接近停止， 不能進行充電、放電。所以要想太陽能路燈在東北地區正常使用必須保證零下四十度的環 境下還能進行正常的充放電。在這里我們選用一款特種低溫鋰電池，經過實驗測試，該種低 溫鋰電池在-40°C時，充電能達到容量的80%左右如圖5曲線1，放電能達到95%，如圖5曲 線2。能夠比較好的解決太陽能路燈在高寒環境下不能正常工作的問題。
[0006] 本發明的市場作用是有效的克服了目前市場上所有太陽能路燈不能在高寒地區 使用的缺點。
【附圖說明】
[0007] 下面結合【附圖說明】書對本專利進行說明： 圖1為Kalman最優估計值隨時間變化， 圖2為Kalman后驗估計誤差隨時間變化， 圖3太陽能電池板輸出特性曲線， 圖4 MPPT程序流程圖， 圖5特種低溫鋰電池低溫性能曲線， 圖6 MPPT充電效率對比。
[0008] 曲線1為使用本MPPT算法的充電曲線，曲線2為采用傳統恒壓充電的充電曲線 圖。
[0009] 圖7太陽能路燈電池板圖，圖中1為太陽能電池板 圖8太陽能路燈電池板圖， 圖中1為人體紅外感應傳感器，2為LED燈安裝位置，3為安裝筋板。
【具體實施方式】
[0010] 如圖1所示為應用卡爾曼濾波器的效果圖，在此處假設太陽能電池板的真實電壓 值為14V，給后驗估計初值設為13. 5V，過程方差根據大量數據測量設為0. 004,測量方差根 據大量測量數據計算，設為〇. 25,考慮減少單片機計算量的因素，AD采樣頻率為IKhz (通過 單片機定時器實現，不占用系統時鐘)，對每個點連續采集50次，經過卡爾曼濾波器得到最 有估計值X (50) =13. 997V，與真實值之間的誤差e=0. 003v，從圖可以看出后驗估計誤差隨 時間越來越小，50次迭代以后誤差達到10 3數量級，有效的對噪聲進行去除，盡量還原真實 的電壓數據。
[0011] MPPT算法的核心是快速準確的找到太陽能電池板的最大功率點，由于本文設計的 產品需要量產所以必須充分考慮到產品的經濟型、實用性。在設計中我們選擇的是電導增 量法確定最大功率點。電導增量法確定最大功率點，既對功率曲線進行實時求導，當功率曲 線的導數為零的時候既為最大功率點。
[0012] 如圖3所示，功率曲線進行求導，即
上式為0時，就是最大功率點，即
通過恒流驅動技術為LED路燈進行供電，有效的延長LED路燈的工作壽命。
[0013] 通過采用特種低溫鋰電池，有效的解決了鋰電池在高寒環境下的工作性能，特種 低溫鋰電池的低溫充、放電曲線如圖5所示，曲線1為充電曲線，曲線2為放電曲線。在溫 度-40°C時，特種低溫鋰電池的能充到電池標稱電量的85%，放電能放到電池電量的95%。
[0014] 本設計的太陽能一體化路燈具有安裝維護、方便的優點。
【主權項】
1. 本發明中使用特種低溫鋰電池，提高太陽能路燈在高寒地區性能，采用基于卡爾曼 濾波的電導增量MPPT技術，明顯的提高了太陽能電池板的充電效率，LED照明燈采用恒流 驅動技術，提高了太陽能路燈的可靠性和系統的短日照生存能力。2. 根據權利要求1所述的本設計的太陽能路燈能夠在東北(主要指遼寧、吉林、黑龍 江）高寒、冬天短日照地區采用特種低溫鋰電池，有效的解決太陽能路燈在高寒地區的充 電、放電問題。3. 根據權利要求1所述的太陽能路燈充電系統采用目前最先進的基于卡爾曼濾波的 電導增量MPPT充電技術，本太陽能充電系統相對于其他的充電模塊能夠有效的提高太陽 能與電能的轉換效率。4. 根據權利要求1所述的一種集太陽能電池板、控制器、路燈、支撐結構與一體的路 燈，安裝使用便捷，即裝即用。
【專利摘要】針對市場上太陽能路燈不能在高寒地區使用，以及太陽能路燈充電效率低的問題，在這里我們通過使用基于卡爾曼濾波的電導增量式MPPT智能充電技術，有效地提高了太陽能電池板在短日照下的充電效率，使得在短日照地區也能應用該路燈。現在市場上存在的太陽能路燈不能在高寒地區正常工作的主要問題是由于環境溫度過低，鋰電池活性非常低，當溫度低于一定值時鋰電池不能進行正常的充放電，在本發明中通過使用改性的低溫鋰電池，解決了太陽能路燈在高寒環境下電池的充、放電問題。同時設計出一款太陽能電池板、控制器、路燈、電池一體化結構，安裝使用非常方便。大大促進太陽能路燈在高寒地區的規模化應用。
【IPC分類】F21Y101/02, F21V23/00, F21W131/103, F21S9/03
【公開號】CN105156972
【申請號】CN201510234621
【發明人】郝麗娜, 陳文林, 董利平, 安震, 張穎
【申請人】東北大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年5月8日