太阳能供电室外高亮度LED大屏幕显示系统

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net2007 年 6 月第 18 卷 第 2 期照明工程学报ZHAOMING GONGCHENG XUEBAOJun. 2007Vol118 No12太阳能供电室外高亮度 L ED 大屏幕显示系统 3丁申冬 1 金步平 2 朱萃汉 3 周光明 4 陈哲艮 411 浙江古越龙山电子科技发展有限公司 , 绍兴 312000 ;21 浙江传媒学院 , 杭州 310018 ; 31 杭州能源工程技术有限公司 , 杭州 310003 ;41 浙江省能源研究所 , 杭州 310012摘 要 当今 , 太阳能光伏电源作为新的可再生能源和高光效 LED 作为新一代的照明光源 , 发展很快 。为进一步促进 LED 技术的发展 , 扩大太阳能光伏电源的应用范围 , 研发了一种用太阳能光伏供电的 LED 大屏幕显示系统 。 本文介绍了这种显示系统的设计思路 、 实施结果以及其示范状况 。关键词 LED ; 大屏幕显示 ; 太阳能 ; 光伏电源LE D Large 2Screen Display System Powered by the Solar PV SourceDing Shendong1 Jin Buping 2 Zhu Cuihan3Zhou Guangming4 Chen Zhegen4 11 Zhejiang Gu YueLong Shan ElecctronicTechnologyDevelopmentCo. Ltd , Shaoxing 312000 ;21 Zhejiang University of Media and Communication, Hangzhou 310018 ;31 Hangzhou Energy Engineering 41 Zhejiang Provincial Energy ResearchInstitute , Hangzhou 310012Abstract Nowadays, solar PV power source developsvery fast as a renewableenergyas well as high luninosityLED as a newlighting source . To improvethe developmentof LED technologyand expandthe appliedfieldsof solar PVpower source , weworked out a kind of LED large2screendisplay systempoweredby the solar PVsource. In this paper, the designidea , the situation of implement and demonstration for the systemareintroduced.Key words LED ; large2screendisplay; solar energy; PV power source3 国家十五科技攻关计划课题 编号 2004BA410A14前言当今太阳能光伏电源作为新的可再生能源和高光效 LED 作为新一代的照明光源 , 倍受人们重视 ,发展很快 [1 ,2 ] 。 基于两者都是半导体 PN 结器件为基础 , 性质上有许多相似之处 , 将其结合在一起 , 将会有很好的发展前景 。我们以降低系统能耗和造价为目标 , 研究和开发光伏电源供电的 LED 大屏幕显示系统 , 以进一步促进 LED 技术的发展 , 扩大太阳能光伏电源的应用范围 。该系统分二个部分 太阳能光伏供电电源部分和高亮度 LED 大屏幕显示部分 。1 太阳能光伏供电电源部分大屏幕显示系统和示范点设置在绍兴市城市广场 。 绍兴市处于中 、北亚热带季风气候过渡地带 ,季风气候显著 , 四季分明 , 日照丰富 。年日照时数平均为 189510 小时 ; 年日照百分率为 4215 。太阳 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net辐射年总辐射量约为 110 千卡 Π 厘米 2 年 , 常年平均气温 1615 ℃ , 极端最高气温 3915 ℃ , 极端最低气温 - 1011 ℃ 。111 太阳能光伏系统太阳能光伏发电系统自身具有其独特的特点 取之不尽 ; 清洁环保 ; 资源分布不受地域的限制 ;可在用电处就近发电 。 其不足之处 照射的能量分布密度小 ; 获得的光能与四季 、昼夜及阴晴等气象条件有关 ; 造价比较高 。这些特点决定了应用光伏发电系统供电有其独有的优势和一定的制约 。系统设计时出于经济性考虑 , 设定系统日供电时间仅为 9 小时 , 遇到阴雨天需市电提供 。因此所研发的系统实际上是一套太阳能光伏发电与电网市电混合供电系统 。 供电方式框图见图 1 。图 1 太阳能 LE D 显示屏供电方式框图112 太阳能光伏电源 Π 市电电源混合供电系统使用混合供电系统的目的就是为了综合利用两种发电技术的优点 , 克服缺点 使用混合供电系统可以更有效地利用太阳能光伏电源 , 可使光伏系统的利用率接近 100 ; 使用混合系统可基本消除负载缺电率 ; 因为市电可以即时提供较大的功率 , 适用于更加宽广的负载变化 ; 此外混合系统还有利于改善蓄电池使用寿命 。综合利用太阳能光伏电源和市电电源的混合供电系统是采用一体化的控制器和逆变器 , 控制整个系统的运行 , 综合利用两种能源 , 达到最佳的工作状态 。113 光伏系统的容量设计在进行光伏系统的设计时 , 需要了解当地的一些基本数据 ; 如光伏系统现场的地理位置 , 包括地点 、 纬度 、 经度和海拔 ; 该地区的气象资料 , 包括逐月的太阳能总辐射量 、直接辐射量以及散射辐射量 , 年平均气温和最高 、最低气温 , 最长连续阴雨天数 , 最大风速以及冰雹 、 降雪等特殊气象情况等 。系统设计必须满足负载需要 。本系统通常的负载为120WΠ m2～ 200WΠ m2 , 总负载约 840 W - 1400 W , 峰值情况为 500WΠ m2 , 总负载约 3500 W 。光伏系统软件设计的内容包括负载用电量的估算 , 太阳电池组件数量和蓄电池容量的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算 。 1 太阳电池组件容量的设计设计混合系统时 , 太阳电池组件输出的容量要等于全年 LED 屏幕负载需求的平均值 , 不必考虑太阳电池组件容量要满足光照最差季节的需要 。太阳电池组件将通过蓄电池提供负载所需的所有能量 。太阳电池组件方阵设计的修正参数 a. 当太阳电池组件受到外界环境的影响时其功率输出会而降低 。 光伏系统设计时需要考虑 10 的安全系数 。b. 蓄电池的库仑效率 。 在蓄电池的充放电过程中 , 通常可造成 5 ～ 10 的损失 。c. 逆变器 、 控制器等系统损失约为 5 。综合考虑以上因素 , 根据当地年总辐射量为128WhΠ 厘米 2 年 。 LED 屏幕年总耗能量为 4165 106Wh , 计算出 所需的太阳电池组件容量 4480W。采用 24V、 72 片串联的 160W 组件 28 块 , 并以 4 块串联 、 七块并联的方式布成太阳电池方阵 。2 太阳电池组件最佳倾角的确定对于混合光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量 , 可以将太阳电池组件的倾角设置为当地的纬度 , 以得到最大的太阳辐射 。本项目采用固定安装与手动调整相结合的光伏组件跟踪方式 。 全年固定安装时 , 计算可得方阵最佳倾角为 33 ; 按季调整时 , 设定方阵倾角夏季为 25 秋季 、 春季为 30 冬季为 35 。3 蓄电池容量的设计一般将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数再除以蓄电池的允许最大放电深度就可以得到估算的蓄电池容量 。我们使用的是深循环型蓄电池 , 选用放电深度DOD 80 计算 。对于混合系统 , 因为有市电备用 , 蓄电池的容量设计通常会比较小些 , 不能使容量小到在太阳辐射较强的夏季不足以储存太阳电池组件产生的电能 ,以致造成系统的能源利用效率降低 , 影响系统的经37第 18 卷第 2 期 丁申冬等 太阳能供电室外高亮度 LED 大屏幕显示系统 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net济性 。 混合系统设计必须在经济性和系统供电可靠性方面综合平衡 。考虑自给天数为 3 天 , 日平均负载 12744Wh,则所需蓄电池容量为 47790Wh。 若采用 12V150Ah蓄电池 , 则所需蓄电池总数为 27 只 。 蓄电池总容量为48600Wh。系统中蓄电池的总线电压会对系统的成本和效率产生很大的影响 。 本系统选用 120V 为系统蓄电池总线电压 。 取 10个蓄电池串联 , 则并联的组数为 3组 。 因此最后实际采用的 12V150Ah 的密封式胶体蓄电池总数为 30 只 。 蓄电池总容量为 54000Wh。4 逆变器 、 控制器和配电柜的配置由于是混合系统 , LED 显示屏又是交流负载 ,所以系统采用交流总线结构 。太阳能光伏组件阵列输出的直流电能 , 经过智能控制器对蓄电池充电 ,在蓄电池未充满时 , 控制器的作用是最大限度地对蓄电池充电 , 当蓄电池被充满时 , 控制光伏组件输出的电能 , 对蓄电池浮充 。直流电经逆变器 , 输出稳定的正弦波交流电 。系统的逆变 、控制器必须可靠性高 , 波形失真小 , 保护功能全等 。114 光伏系统的硬件设计光伏系统设计中除了蓄电池容量和太阳电池组件大小设计之外 , 还要考虑如何选择合适的系统设备 , 即选择合乎系统需要的太阳电池组件 、 蓄电池 、逆变器 、 控制器 、电缆 、汇线盒 、组件支架 、避雷器 、 负荷开关 、空气断路器 、交流配电柜 , 以及系统的基础建设 、 控制机房的建设和输配电建设等问题 。1 太阳电池组件 选用绍兴向日葵公司生产的 160W 电池组件 。 产品效率较高 , 参数一致性好 。2 太阳电池组件支架 由不锈钢制成 , 并设计了可调倾角结构 。钢结构设计载荷 1、恒载荷 0150kNΠ m2 ; 2 、活载荷 015kNΠ m2 ; 3、雪载荷 0145kNΠ m2 ; 4、基本风压 0145kNΠ m2 。工程构件均采用 Q235B。钢材表面须采用喷丸处理 , 底漆采用环氧云铁防锈漆和红丹酚醛防锈漆 。主结构外包 018 厚亚光不锈钢装饰板 。3 蓄电池 选用密封阀控铅酸蓄电池 ;蓄电池性能 额定容量 20 小时率 150Ah;开路电压 ≥ 12190 V ; 内阻 ≤ 315 mΩ ; 3C 放电终止电压 ≥ 10150 V 。4 逆变器和控制器 选用合肥阳光公司生产的 SD11050 逆变器 、 控制器一体化机 ,5 配电柜 选用合肥阳光公司生产的产品SD11050 。6 电缆 系统中所用的电缆从绝缘 、耐热阻燃 、 防潮 、 防酸碱和其它化学物质的腐蚀等方面性能进行选择 , 电缆额定电流为通过电缆的最大电流的 1125 倍 。 由于连线较短 , 电压降不超过 2 。7 供电系统的基础建设 基础建设包括太阳电池组件机架 , 小型控制机房和蓄电池柜的建设 。太阳电池组件不锈钢机架安装在 LED 显示屏幕上方 。 小型控制机房位于 LED 显示屏幕后方 , 与屏幕非常靠近 , 外壳由不锈钢制成 ,内设风扇 , 顶部增设防雨罩 , 底部设置漏水沟 。蓄电池柜和小型控制机房相邻 , 外壳也由不锈钢制成 。8 接地和防雷设施 太阳能光伏系统为三级防雷建筑物 。防止雷电感应措施 控制机房内的全部金属物包括设备 、机架 、金属管道 、电缆的金属外皮可靠接地 , 每件金属物品都要单独接地干线 。整个光伏系统的接地包括 防雷接地 、工作接地 、 保护接地 、屏蔽接地 ; 所有接地都连接在一个接地体上 , 接地电阻满足其中的最小值 , 设备直接连到接地干线上 。 电气设备的接地电阻 R ≤ 4Ω , 满足屏蔽接地和工作接地的要求 。 防雷接地独立设置 ,R ≤ 30Ω 。 接地装置可靠 。2 LED 大屏幕显示系统部分211 户外双基色 LED 显示屏LED 显示屏设计为点间距 12mm, 2 红 1 纯绿户外显 示 屏 , 分 辨 率 为 256 192 点 , 显 示 面 积 为7108m2 。整个 LED 显示系统主要是由屏控计算机 、屏体控制器和显示屏体组成 , 具有亮度高 , 显示内容多样 , 显示方式丰富 , 能耗低 , 使用寿命长等特点 。显示屏以计算机为处理中心 , 屏幕的显示内容与计算机屏幕演播窗口的内容实时同步 。该系统完全能够完成指定的播放流程 ; 可访问指定位置的信息发布文件 , 视频图像等信息 。显示屏系统配置专用软件 , 可针对不同的信息47 照明工程学报 2007 年 6 月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net内容 , 完成显示节目编辑 、管理和播放 。系统设计采用模块化结构 ; 配置高亮度的 LED 显示屏和可实时传送的高速通信数据接口和视频接口 ; 在实时信息发布系统中 , 通过计算机实现信息的实时同步显示 。212 显示屏的主要性能指标 屏幕 尺 寸 7108 m2 ; 解 析 度 256 192; 亮度 〉 5000cdΠ η , 具有 自 动 亮 度 调 节 功 能 ; 视 角 左 右 , 110 ; 上 , 15 , 下 , 35 ; 灰 度 等 级 红 、绿 、 蓝各 256 级灰度 。像素 组 成 2 红 、 1 纯 绿 红 色 LED 波 长620nm, 超高亮 500mcd, 绿色 LED 波长 520nm,超高 亮 1500mcd ; 间 距 12mm; 亮 度 6000cdΠm2 ; 寿命 100000h。系统观看距离 10～ 300m; 校正显示模式 显示屏技术指标 32 位真彩色 1024 768 模式 ; MTBF 5000h; 平均功率消耗 200WΠ m2 , 峰值功率消耗 450WΠ m2 , 共 3200 瓦 ; 环境要求 温度 - 20 ℃ ～ 60℃ , 湿度 10 ～ 90 。太阳能 LED 大屏幕显示系统实际显示情况如图2 所示 。3 结论由于本项目采用太阳电池供电 , 发电成本较高 ,必须充分重视系统的性价比和系统的节能问题 , 尽可能降低发电系统造价和显示系统的功耗 。对此我们做了多方面的考虑 , 例如 对太阳能光发电系统设计 , 研究了高效率太阳能光电和电网市电混合供电方式 , 用以显著降低系统制造成本 。确保以太阳能供电为主 , 市电供电为辅的计算机不间断供电模式的实现 , 不影响显示连续性 ; 将太阳电池组件安装于显示屏幕上方 , 使显示屏幕不直接暴露于室外日光之下 , 降低显示屏幕的驱动功率 ; 同时将太阳电池组件安装于不锈钢架上 , 组件安装倾角为 30 ,夏季调整为 25 冬季调整为 35 , 既可比较充分地利用太阳能 , 操作也比较方便 。对显示屏幕设计 , 要求屏幕亮度具有可调节功能 , 由于白天和夜晚 , 晴天和阴雨天等 , 室外环境的亮度差异巨大 , 采用显示屏从全黑至全亮 256 级自动调节就会有显著的节能效 果 。系 统 正 常 工 作 时 显 示 屏 视 频 显 示 功 耗图 2 太阳能 LED 显示屏实际显示情况照片300 WΠ m2 至 400 WΠ m2 , 字符显示功耗 80WΠ m2 至120WΠ m2 。现在系统已经过十个月的运行 , 工作稳定 , 示范效果相当好 。参 考 文 献[1 ] 赵玉文等 . 我国光伏产业和市场的发展概况 . 太阳能 , 2007 , No. 3. 7 - 10[2 ] 中国光伏产业发展研究报告 . 中国可再生能源发展项目办公室 , 2006 年 8 月[3 ] 刘乃涛等 . 半导体照明 新世纪绿色光源革命 ,中国长三角照明科技论坛论文集 , 2006 年 , 杭州 , p. 72 - 7357第 18 卷第 2 期 丁申冬等 太阳能供电室外高亮度 LED 大屏幕显示系统