太阳能交通信号控制系统方案.docx

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太阳能交通信号控制系统方案

太阳能交通信号控制系统方案

一、项目概述

太阳能交通信号控制系统利用阳光转换来的能源，具有省电、环保、安装不需要铺设电源和通讯线缆等优点。

其蓄电功能，可保证阴雨天连续7日以上正常工作。

能任意安装在太阳能够照射到的路段，摆脱电网的束缚，适用于无法铺设电缆，或者电缆铺设造价太高的地段，以及新建成的路口和车流量大、急需新增交通信号指挥的路口。

可满足交警应对紧急停电、限电、无供电以及其他突发情况的需要。

在保证交通安全设施安装快捷的同时除去了没有铺线的烦恼。

目前，中国、西欧等国家的一些地区已经开始使用这种产品。

随着该产品制造成本的降低，这种信号灯完全可以将传统信号灯取而代之。

为顺应国家鼓励开发应用绿色能源——太阳能的政策趋势，提高正直公司市场产品竞争力，拟由正直公司和天津大学已成立的研发小组于2007年6月开展太阳能交通信号控制系统的研制。

二、项目设计原则

本着“实用、可靠、先进、经济、环保”的原则，系统既要保留原有LED信号灯的使用优点，又要采用可靠的太阳能源技术和控制、通讯新产品技术，结合天津市的具体情况和试验路口的实际交通需求进行设计。

通过周密分析试验路口实际交通量，制定完备的交通控制方案，开发实现集能源、控制、通讯多种技术相结合的新产品。

三、系统设计及功能

1、系统组成

以一处十字交叉口作为试验路口，拟安装四套信号灯具，其中还包括：

太阳能单晶硅电池组板、充放电控制器、免维护铅酸蓄电池、DC-DC电源、信号灯控制器、信号机控制模块、GPS信号接收机模块和无线通讯模块。

如下图所示。

2、LED交通信号灯具的选定

LED信号灯具的选定应该由如下几方面考虑：

灯具日平均功耗、当地连续阴雨天气情况、蓄电池容量及成本、太阳能电池组发电功率、重量及面积。

经测试，整屏分段LED渐变式信号灯在直流18V稳压源下，红色LED功耗最大，全屏点亮时达29.7W，黄色LED功耗居中，全屏点亮时达28.26W，绿色LED功耗最小，全屏点亮时达19.49W。

考虑到为了电池节能，延长电池放电时间，必须采用根据天气亮度调整控制LED电流，从而达到调节信号灯亮度的目的。

根据经验，将一天24小时分成三段，其中白天12小时，LED信号灯可以最大亮度工作，早晨和黄昏4小时中以最大亮度工作的三分之二电流工作，夜间8小时以最大亮度工作的二分之一电流工作，完全能满足正常交通指挥和人们视觉的需要。

由此可知，整屏分段LED渐变式信号灯日平均功耗（以红灯为例）：

W=30×12+20×4+15×8=560Wh

再加上控制器、通讯和蓄电池本身的损耗，整个系统日功耗接近700Wh。

考虑天津地区日照数据和连续阴雨天气概率为7天，由此数据计算蓄电池容量达到约600Ah，这是不可接受的，因此必须选择低功耗的信号灯具。

对于横式竖式大型多相位LED信号灯，其三个箭头全点亮的功率为：

P=3×69×1.202×18=4.41W

加上控制器、通讯模块的损耗，最大瞬时功率应小于10W。

基本可以满足本市地区连续七天阴雨天气的单点交通信号控制运行的需要。

所以，目前只能选择横式或竖式大型多相位LED信号灯作为太阳能实验灯具。

3、免维护铅酸蓄电池的选定

能够和太阳能电池配套使用的蓄电池，国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池，因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点，很适合用于性能可靠的太阳能电源系统，特别是无人值守的工作站。

蓄电池的容量计算对保证连续供电很重要。

在一年内，方阵发电量各月份有很大差别。

方阵的发电量在不能满足用电需要的月份，要靠蓄电池的电能给以补足；在超过用电需要的月份，是靠蓄电池将多余的电能储存起来。

所以方阵发电量的不足和过剩值，是确定蓄电池容量的依据之一。

同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。

所以，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。

因此，蓄电池的容量BC计算公式为：

BC=A×QL×NL×TO／CCAh，式中：

A为安全系数，取1.1～1.4之间；QL为负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数；NL为最长连续阴雨天数；TO为温度修正系数，一般在0℃以上取1，－10℃以上取1.1，－10℃以下取1.2；CC为蓄电池放电深度，一般铅酸蓄电池取0.75，

经测试，横式或竖式大型多相位LED信号灯直流18V稳压源下，红色LED功耗最大，三个箭头全点亮时达到4.41W，再加上控制器、通讯模块和蓄电池本身的损耗，整个系统最大瞬时功率小于10W。

如果根据天气亮度调整控制LED电流，并且保证7天的供电容量，所以蓄电池容量

BC=A×QL×NL×TO/CC=1.2×（4.5×12+3×4+1.5×8+3×24）/12×7×1/0.75=140Ah

据此，应选用150安时、12V的免维护铅酸蓄电池可完全满足需要。

初步查询结果如下：

电池型号

额定电压（V）

额定容量（Ah）

外型尺寸（mm）

重量（Kg）

L

W

h

DFS12-150

12

150

494

205

213

49.2

4、太阳能单晶硅电池组的选定

天津市地区的纬度为39.10 ，日辐射量Ht=14356，最佳倾角为Φ＋5，斜面日辐射量=16722，修正系数Kop=1.0692，计算数据如下。

太阳能电池组件串联数：

Ns=（Uf＋UD＋UC）/Uoc=（14＋0.7＋0）/17.1=0.92≈1

太阳能电池组件日发电量：

Qp=Ioc×H×Kop×Cz=2.22×14359×（2.778/10000）×1.0692×0.8≈7.57Ah

Bcb=A×QL×NL=1.2×（4.5×12+3×4+1.5×8+3×24）/12×7=105Ah

QL=（4.5×12+3×4+1.5×8+3×24）/12=12.5Ah

Np=（Bcb＋Nw×QL）/（Qp×Nw）=（105+7×12.5）/（7.57×7）=3.63≈4

故太阳能电池方阵功率为：

P=Po×Ns×Np=38×1×4=152W

计算结果该站需太阳能电池方阵功率为152W，蓄电池容量为150Ah。

经有关太阳能专业人员初步测算，可选择如下型号太阳能光电池组：

型号

Pdc110-12S

开路电压Voc（V）

21.0

最佳工作电压Vmp（V）

17.0

短路电流lsc（A）

7.48

最佳工作电流lmp（A）

6.47

最大功率Wp（w）

110

外形尺寸

1482×676×50mm

重量

12.0Kg

5、信号灯LED灯板线路改造

由于铅酸免维护蓄电池输出标准大多是12V，所以应将原来的LED连接组合方式改成适合于蓄电池12V输出形式，并在灯板上采用在保证最大亮度的同时限制最大工作电流的措施。

6、信号灯控制器、信号机控制模块的改造设计

以十字交叉路口实行两相位或四相位控制，安装四套多相位信号灯为例，每套灯具中安装的控制器，均是将LED信号灯控制器与交通信号机控制功能合二为一的控制设备。

其中四个控制器中，一个作为主控制器，负责向其他三个副控制器发布时钟校准、改变配时方案、强制控制命令以及实时监视副控制器运行状况。

（1）主控制器采用单点多时段变周期控制方案。

主控制器在不同时段，根据交通流特点选用不同的交通控制配时方案，以适应高峰和低峰时段的交通需求；

（2）主副控制器均采用51系列或PIC系列单片机芯片，主副控制器之间具有同步相位协调通讯功能；

（3）主控制器系统能够监视副控制器故障功能并做好故障记录；

（4）四个控制器任意之一出现故障，主控制器强制关断或启动黄闪功能；

（5）手动强制信号功能；

（6）避雷及漏电保护功能；

（6）定周期无线时钟校准功能，保证各信号灯之间实现无线同步协调运行；

（7）绿信号冲突监测功能。

7、GPS信号接收机模块的选定

GPS信号接收机模块主要用于时钟校准，以此来保证主副各控制器的时钟完全同步，GPS定时模块技术目前比较成熟，选择空间较大，初步选定美国瑟孚公司产品HOLUXGR-88卫星定位接收晶片，此款为高效能、低耗电的智慧型卫星接收组合模块。

具备完整接收全方位功能，能满足专业定位定时的严格要求。

8、无线通讯模块的选定

无线通讯模块技术目前比较成熟，选择范围较大，初步选定北京捷麦通信器材有限公司F21系列无线数传模块，其特点：

1、透明式数据传输，无需改变原有通信程序及连接方法；

2、具有TTL、RS232、RS485多种电平接口；

3、内装E²ROM及看门狗电路，可掉电记忆设置频率；

4、频率源采用VCO／PLL频率合成器，可通过测试软件设置频点；

5、采用温补频率基准，频率的瞬时及长期稳定度高；

6、支持总线式的被动传输数据方式；

7、通信距离：

300-400M

9、系统的安装

设计计算立杆承重和太阳能电源箱安装结构位置。

铅酸蓄电池应安放在电柜下方，以免电解液泄露损害其他器件。

蓄电池充电控制器和手动强制开关板安放在上方。

四、项目经费及研制周期

（一）研制工作经费包括如下（本预算未计算立杆、灯具、电源箱及施工费用）：

1、设备材料费：

购买太阳能单晶硅电池组、无线通讯模块、GPS信号接收模块、电子原器件和研制开发设备等，此部分预计为：

约5万元；

2、车马费、差旅费：

约2万元；

3、劳务费：

约8万元；

4、资料费：

约1万元；

5、鉴定费：

约1万元；

项目经费预计总和：

约17万元。

（二）研制周期如下：

1、2007.6.20—2007.6.31.确定总体设计方案和技术实现路径；

2、2007.7.1—2007.8.31完成交通信号控制控制模块设计；

3、2007.9.1—2007.9.31完成无线通讯模块和程序设计；

4、2007.10.1—2007.10.31共同测试、验收和提交验收报告。

五、项目结果及测试

研制工作的所有成果和知识产权完全由正直公司拥有，必要时申请部分单位进行成果鉴定，为实现市场产品化做基础准备工作。

六、设备清单及采购价格

名称

型号

数量

价格

名称

型号

数量

价格

太阳能单晶硅电池组板

4

4×3900

DC-DC模块

4

4×100

充放电控制器

4

4×1000

免维护铅酸蓄电池

4

4×1500

信号灯控制器

4

4×5000

信号机控制模块

4

4×5000

GPS信号接收模块

4

4×300

无线数传电台

4

4×300

GPS信号接收模块相关网站：

www.u-