适用高寒环境的一体化太阳能路灯的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及适用高寒环境一体化太阳能路灯模块主要解决高炜度高寒地区的道 路照明技术，当然在传统太阳能路灯使用的区域更没有问题。
【背景技术】
[0002] 由于目前市场上所销售的太阳能路灯产品都是针对光照充足和温度适宜的南方 以及华北地区，把相关太阳能产品引进到东北地区以后，发现市场上的所有太阳能路灯产 品都存在不能正常工作的情况，究其原因是市场上的太阳能路灯产品主要存在两个主要的 问题。首先，东北地区由于炜度比较高，冬季的日照时间比较短，太阳能电池板有效的光电 转换时间较短。其次，东北地区在冬季时最寒冷的月份白天最低温度能达到_20°C -30°C， 夜间温度更低，在如此低的温度下，普通锂电池的活性非常低，甚至失效，普通锂电池不能 进行正常的充放电，最终导致太阳能路灯不能正常工作。
【发明内容】
[0003] 本设计充分考虑到地区差异，尤其是东北地区个别地方冬天的室外温度会达到零 下40°C甚至更低，市场上在售的太阳能路灯产品在该环境下不能工作。本设计很好的解决 了太阳能路灯耐低温的问题。
[0004] 本专利的工作原理： (1)在光照、环境温度一定的条件下，太阳能电池板的输出功率随着输出电压电流的变 化而变化，为了使太阳能电池板对电池的充电功率最大，需要寻找太阳能电池板的MPP (最 大功率）点。在采集太阳能电池板输出电压电流时，系统存在噪音较大，采样得到的电压电 流存在较大的噪声，不能直接使用。在这里假设系统的噪声服从高斯分布，使用卡尔曼滤波 器对采集的数据进行处理，卡尔曼滤波效果如图1、图2所示。
[0005] (2)使用的锂电池在沈阳室外零下15°C就不能正常的充电、放电。究其原因是在低 温的环境下锂电池的化学反应缓慢，当到达一个临界温度时，锂电池的化学反应接近停止， 不能进行充电、放电。所以要想太阳能路灯在东北地区正常使用必须保证零下四十度的环 境下还能进行正常的充放电。在这里我们选用一款特种低温锂电池，经过实验测试，该种低 温锂电池在-40°C时，充电能达到容量的80%左右如图5曲线1，放电能达到95%，如图5曲 线2。能够比较好的解决太阳能路灯在高寒环境下不能正常工作的问题。
[0006] 本发明的市场作用是有效的克服了目前市场上所有太阳能路灯不能在高寒地区 使用的缺点。
【附图说明】
[0007] 下面结合【附图说明】书对本专利进行说明： 图1为Kalman最优估计值随时间变化， 图2为Kalman后验估计误差随时间变化， 图3太阳能电池板输出特性曲线， 图4 MPPT程序流程图， 图5特种低温锂电池低温性能曲线， 图6 MPPT充电效率对比。
[0008] 曲线1为使用本MPPT算法的充电曲线，曲线2为采用传统恒压充电的充电曲线 图。
[0009] 图7太阳能路灯电池板图，图中1为太阳能电池板 图8太阳能路灯电池板图， 图中1为人体红外感应传感器，2为LED灯安装位置，3为安装筋板。
【具体实施方式】
[0010] 如图1所示为应用卡尔曼滤波器的效果图，在此处假设太阳能电池板的真实电压 值为14V，给后验估计初值设为13. 5V，过程方差根据大量数据测量设为0. 004,测量方差根 据大量测量数据计算，设为〇. 25,考虑减少单片机计算量的因素，AD采样频率为IKhz (通过 单片机定时器实现，不占用系统时钟)，对每个点连续采集50次，经过卡尔曼滤波器得到最 有估计值X (50) =13. 997V，与真实值之间的误差e=0. 003v，从图可以看出后验估计误差随 时间越来越小，50次迭代以后误差达到10 3数量级，有效的对噪声进行去除，尽量还原真实 的电压数据。
[0011] MPPT算法的核心是快速准确的找到太阳能电池板的最大功率点，由于本文设计的 产品需要量产所以必须充分考虑到产品的经济型、实用性。在设计中我们选择的是电导增 量法确定最大功率点。电导增量法确定最大功率点，既对功率曲线进行实时求导，当功率曲 线的导数为零的时候既为最大功率点。
[0012] 如图3所示，功率曲线进行求导，即
上式为0时，就是最大功率点，即
通过恒流驱动技术为LED路灯进行供电，有效的延长LED路灯的工作寿命。
[0013] 通过采用特种低温锂电池，有效的解决了锂电池在高寒环境下的工作性能，特种 低温锂电池的低温充、放电曲线如图5所示，曲线1为充电曲线，曲线2为放电曲线。在温 度-40°C时，特种低温锂电池的能充到电池标称电量的85%，放电能放到电池电量的95%。
[0014] 本设计的太阳能一体化路灯具有安装维护、方便的优点。
【主权项】
1. 本发明中使用特种低温锂电池，提高太阳能路灯在高寒地区性能，采用基于卡尔曼 滤波的电导增量MPPT技术，明显的提高了太阳能电池板的充电效率，LED照明灯采用恒流 驱动技术，提高了太阳能路灯的可靠性和系统的短日照生存能力。2. 根据权利要求1所述的本设计的太阳能路灯能够在东北(主要指辽宁、吉林、黑龙 江）高寒、冬天短日照地区采用特种低温锂电池，有效的解决太阳能路灯在高寒地区的充 电、放电问题。3. 根据权利要求1所述的太阳能路灯充电系统采用目前最先进的基于卡尔曼滤波的 电导增量MPPT充电技术，本太阳能充电系统相对于其他的充电模块能够有效的提高太阳 能与电能的转换效率。4. 根据权利要求1所述的一种集太阳能电池板、控制器、路灯、支撑结构与一体的路 灯，安装使用便捷，即装即用。
【专利摘要】针对市场上太阳能路灯不能在高寒地区使用，以及太阳能路灯充电效率低的问题，在这里我们通过使用基于卡尔曼滤波的电导增量式MPPT智能充电技术，有效地提高了太阳能电池板在短日照下的充电效率，使得在短日照地区也能应用该路灯。现在市场上存在的太阳能路灯不能在高寒地区正常工作的主要问题是由于环境温度过低，锂电池活性非常低，当温度低于一定值时锂电池不能进行正常的充放电，在本发明中通过使用改性的低温锂电池，解决了太阳能路灯在高寒环境下电池的充、放电问题。同时设计出一款太阳能电池板、控制器、路灯、电池一体化结构，安装使用非常方便。大大促进太阳能路灯在高寒地区的规模化应用。
【IPC分类】F21Y101/02, F21V23/00, F21W131/103, F21S9/03
【公开号】CN105156972
【申请号】CN201510234621
【发明人】郝丽娜, 陈文林, 董利平, 安震, 张颖
【申请人】东北大学
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年5月8日