智能型太陽能混合式LED路燈系統

科技 03-22

這套系統解決方案提供的是智能型太陽能混合式發光二極體(LED)路燈系統。本系統為一項實驗性項目，對象為意法半導體園區停車場的LED路燈。它是一種獨立的太陽能系統，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驅動器採用准共振(Quasi-Resonant，QR)模式的功率因子修正(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。

LED驅動器的主要電源供應則是來自電池這種能量儲存組件。電池利用白天最大功率點(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的方式加以充電。根據現有文獻，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。

根據文獻數據，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晶體管(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字電源轉換微控制器(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網狀網路相互鏈接，而該網路則是利用一款名叫SPIRIT1的商品化Sub-GHz組件建置而成。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)上面的數據集中器單元交談的照明節點。

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，讓終端用戶可從任何地點，控制單一或成組的照明節點。

圖1為智能太陽能混合式照明管理系統。圖2為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。數據集中器單元(Data Concentrator Unit，DCU)附有機載的泛歐式數字行動通訊系統(GSM)模塊，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序進行通訊。圖3為數據集中單元里的照明控制單元。用戶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，針對數據集中單元所接收到的數據來進行數據分析。圖4為雲端網路應用。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平方公尺的區域里既有的30根電線杆上。每個階段的轉換效率都超過90%，電源質量和運轉可靠度也都表現極佳。

智能型太陽能混合式LED路燈系統