非都會區太陽能路燈系統之設計
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(2) 中文摘要 一般非都會地區具有人口密度低及土地範圍廣等特色，入夜期間大範圍的 公共夜間照明設備電費支出，已經成為各鄉鎮公所龐大的財政壓力。近年來在 產業界與學術界的努力下，陸續提出以再生能源發電為主的獨立型供電路燈， 但一般再生能源系統的額定發電功率皆遠高於額定照明功率，這樣的設計反而 造成硬體設置成本及維護成本太高等缺點，無法達到預期的經濟效益。為了解 決上述之問題，本研究提出可行的路燈能源管理機制，有效降低入夜期間的點 燈時數，推廣路燈改採以度計價取代現行以盞計價的收費方式。此外為了降低 獨立型再生能源供電路燈系統之硬體設置成本，本研究提出集中型的太陽能供 電系統，以 CPLD 設計能源管理控制策略與集中型的太陽能供電系統相互結 合，達到減少非都會地區路燈電費支出，及兼顧非都會地區環境生態之目的。 本文以宜蘭縣壯圍鄉東西一路西段為例，在保有傳統路燈硬體架構及該有的功 能考量下，提出智慧型的路燈管理策略，設計可行的集中型太陽能發電站，透 過本文所提的能源管理策略可有效降低入夜期間的點燈時數、減少對農作物及 地方生態的衝擊，並可有效降低再生能源系統的硬體設置成本。. 關鍵詞: 非都會地區、再生能源、路燈能源管理. I.
(3) Abstract Because of the characteristics of large land and lower population density in rural areas, the huge public street lighting fee has been a serious financial problem for most local governments. A lot of street lighting systems powered by renewable energy have been proposed both in academic papers and commercial products recently, however, most of them have problems such as the rated power of the renewable energy system is much larger than the rated power of the street light. This will increase the cost of the system significantly. In order to reduce the required power and the size of the renewable power system for street lighting systems, a energy control strategy is proposed to control the street lights efficiently, moreover, a stand alone solar power plant is built to supply the electricity for street lights in rural areas. The experimental system is built in Jhuangwei township, I-Lan county, Taiwan. Compared with the conventional designs, the proposed street lighting system can reduce the size of the renewable energy system, the electricity can be used more efficiently, moreover, it is more helpful for plant growing in rural areas.. Keywords: rural areas, renewable energy, street light. II.
(4) 誌 謝 本論文能順利完成，首先要感謝我的指導教授 陳正虎博士與程金保博士的 諄諄教誨以及細心的指導，讓我不論在待人處事或是求學態度方面獲益良多。 同時也要感謝國立宜蘭大學機械與機電工程學系林瑞裕老師、徐偉誠老師、徐 碧生老師與黃寶強老師在實驗室meeting時提出很多建議與意見，並且感謝國立 臺灣師範大學應用電子科技學系曾煥雯老師，在口試過程中對論文內容提供寶 貴的建議及指正，使論文得以更臻完善，在此由衷感謝。 在研究所生活中，要感謝曾經教導過我師長，以及壯圍鄉新社村村長與村 民的協助，讓太陽能發電站可以順利的建立，也要感謝的之前在師大先進動力 實驗室的夥伴徐亦駿、陳偉哲與李國維，大家一起努力與奮鬥，並且感謝在宜 蘭大學先進動力實驗室一起學習與努力的蔡名倫、蘇煜欽、范志宇、黃建瑋、 戚文駿、詹朱聰、鄭宇宏、江琮皓、陳勁維、李淳睿、林品誠、林子堯、李哲 宇、翁郁淨與陳瑋欣，讓我的生活過的非常充實，也要感謝我的室友兼戰友許 昀峰與劉子瑜，感謝他們在平時的協助與砥礪，因為有大家的努力幫忙，才能 使我有這本論文的產生。 最後，我要感謝我的父母，謝謝你們的養育之恩，不畏辛勞的照顧我、養 育我，在他們費心的栽培及經濟上的資助，讓我能心無旁騖的努力研究，我所 有的一切都是你們給我的，願這一切的榮耀都獻給你們。. III.
(5) 目 錄 中文摘要…………………………………………………………..………………... I 英文摘要……………………………………………………………………….....…II 致謝………………………………………………………………………….…..... III 目錄……………………………………………………………………………...…IV 表目錄…………………………………….…………………………………………V 圖目錄…………………………………………………...………………………..VIII 第一章. 緒論. 1.1 研究背景與動機……………………………………………………………1 1.2 文獻回顧……………………………………………………………………2 1.3 內容大綱……………………………………………………………………5 第二章. 路燈管理機制. 2.1 路燈系統簡介………………………………………………………………6 2.2 能源管理的方式……………………………………………………….… 13 2.3 節能點燈機制………………………………………………………..……15 2.4 能源管理系統設計………………………………………………………..17 2.5 感測器的選用…………………………………………………………..…28 2.6 以“度”計費取代以“盞”計費…………………………………………...…31 第三章. 再生能源於路燈系統之設計與應用. 3.1 路燈供電方式………………………………………………………...……33 3.2 環境與氣候之考量…………………………………………………...……37 3.3 發電系統的選擇…………………………………………..……38 3.4 獨立型與集中型太陽能路燈之比較……….………………………..…39 3.5 太陽能光電板…………………………..………………………………..39 第四章 實驗結果與討論. IV.
(6) 4.1 太陽能光電板之特性……………………………………………………..45 4.2 鉛酸蓄電池之選擇……………………………………………..…………48 4.3 充電器…………………………………………………………………..…50 4.4 最大功率追蹤控制器效益評估………………………………..……..……53 4.5 Buck 電路測試………………………………………………………...……59 4.6 太陽能電力轉換系統…………………………………………………..…65 4.7 再生能源供應負載測試………………………………………………..…68 4.8 智慧型電燈電路系統實現……………………………………………..…75 4.9 電源自動切換開關測試………………………………………………..…80 4.10 系統發電量評估…………………………………………………………82 4.11 太陽能板回收與二次污染………………………………………………84 第五章 結論與未來展望 5.1 結論……………………………………………………………..…………86 5.2 未來展望…………………………………………………………………..86 參考文獻……………………………………………………………………….…..89. V.
(7) 表目錄 表 1.1 台灣電力公司電燈電價 …………………………………………...…….....2 表 1.2 都會區台北市與非都會區宜蘭縣電費比較表…………………….....….....2 表 2.1 螢光燈管依直徑分類……………………..………………………....…....…8 表 2.2 常見光源特性比較表……………………………………...………...……..12 表 2.3 三種能源節約機制之比較…………………………………...………...…..15 表 2.4 解碼器的真值表…………....………...……………………..………...……20 表 2.5 NOR 閘 RS 閂鎖的真值表………...……………………..………..…...……21 表 2.6 NAND 閘 RS 閂鎖的真值表………...……………………..………..…...…22 表 2.7 計數器動作變化………………...……………..…………...……..……..…23 表 2.8 能源管理動作關係表……..….………………...…………………….....….27 表 2.9 各種感測器的比較…………...……………...…..…………...……..…...…30 表2.10 紅外線偵測器規格……….......……………..……………......…….…..…30 表 2.11 以度計費與以盞計費之比較……….....…………………......…….…..…32 表 2.12 台電與太陽能之二氧化碳排放量比較……...……..……......….....…..…32 表 3.1 太陽能路燈規格表………..…………...……...……......…......……..…..…35 表 3.2 風力發電型路燈規格表………..…...……………......…..………...........…36 表 3.3 風光互補型路燈規格表………….………………......…..…..……...…......36 表 3.4 LED 路燈規格表………..…..……………......…..…..……….........…….....36 表 3.5 太陽能 LED 燈具規格表…………………………......…..…..…...……....36 表 3.6 各類太陽能光電板的優點、缺點、發展方向……...…………….………....43 表3.7 Kyocera多晶太陽能板規格表……...…………………………..…...……....44 表3.8 大豐非晶太陽能板規格表………....……...……..……..…….....………....44 表3.9 Kaneka非晶太陽能板規格表……….……….......……..…...…..……..……44 表 4.1 充電器基本規格比較…..……...…..………...…….……..……..…….……52. VI.
(8) 表 4.2 測試點的取樣值............................................................................................64 表 4.3 全系統元件規格表........................................................................................66 表 4.4 純弦波轉換器規格表.....................................................................................74 表 4.5 系統規格比較................................................................................................83 表 4.6 平均 300W 太陽能供電站每天可以產生的電力.........................................83. VII.
(9) 圖目錄 圖1.1 都會區與非都會區道路使用狀況..………………….…………...…………2 圖 1.2 路燈對水稻的影響……………………………….…...………………...……2 圖 1.3 太陽能路燈……………………….…………...…………………………...…4 圖 1.4 風光互補型路燈…...…..…….…...………………..……………………...…4 圖 2.1 路燈燈桿的種類……...………………..………….….………………...……7 圖 2.2 螢光燈照明燈具…..….………………………………….……...……...……8 圖 2.3 螢光燈管圖…..……….…………………………………....…………...……8 圖2.4 鈉燈實體圖………………………………………………...…………….....11 圖 2.5 複合金屬燈實體圖………………………………………...…………..…...12 圖 2.6 高壓水銀燈實體圖………………………………………...…………….....12 圖 2.7 LED 實體圖………………………………………...……………….…...…..12 圖 2.8 Morningstar 能源管理策略…………………………………………..…...…14 圖 2.9 市面上常見的燈源節能方式……………………….………...…….…...…14 圖 2.10 LED 燈源在道路與室內之應用…………………………..……………….14 圖 2.11 路燈設置示意圖…………………………………………...………...……16 圖 2.12 路燈架設道路……………………………….……………………...…..…17 圖 2.13 目前路燈架設……………………………….……………………..…….. 17 圖 2.14 能源管理道路示意圖……………………………….……………..…..… 17 圖 2.15 感測系統單元圖……………………….…………………………..…..… 18 圖 2.16 能源管理方塊流程圖……….……………………………………..….…..18 圖 2.17 解碼器 7415 電路圖…….…...……………………………………...…......19 圖 2.18 解碼器動作時序圖….……...…………………...……..…………...……..20 圖 2.19 NOR 閘 RS 閂鎖電路…………………………………..…………...……...21 圖 2.20 NAND 閘 RS 閂鎖電路…………………………………..………....……...22 VIII.
(10) 圖 2.21 模擬 NOR 閘 RS 閂鎖電路……………..…....…….……....…..……..........22 圖 2.22 模擬 NAND 閘 RS 閂鎖電路……………..…....…....……....…....…….....22 圖 2.23 74192 上下數計數器擴充電路………………..…..…..…………....…......23 圖 2.24 74192 上下數計數時序圖……………………………………….......…... .24 圖 2.25 具有判斷功能的邏輯電路………………….………..…………..….……26 圖 2.26 全系統之邏輯電路………………….……………………………….........26 圖 2.27 右進左出邏輯電路之動作時序…………….…………………………......27 圖 2.28 光感測器應用………..………………………………………….........…...30 圖 2.29 紅外線感測器實體圖………..………………………………….........…...30 圖 2.30 節省金額與點燈時間關係圖……..……...………………….….........…...32 圖 3.1 常見的路燈供電架構…………………………………………….....……...34 圖 3.2 三種路不同路燈實體圖………………………………………….........…...35 圖 3.3 宜蘭地理位置圖………………………………………………….........…...37 圖 3.4 日照時數圖……………………………………………………….........…...37 圖 3.5 獨立運轉型電力轉換系統示意圖……………………………….........…...38 圖3.6 電力網路連結型系統示意圖…………………………………….........…...38 圖3.7 混合型電力能轉換系統示意圖…………………………………......……..39 圖 3.8 太陽能光電板發電原理…………………..........................................……..41 圖 3.9 太陽光譜響應…....……......................................................................…......42 圖 3.10 各種太陽能板光譜響應圖 ……......................................................…......42 圖3.11 太陽能光電板………........................................................................…......43 圖 4.1 太陽能光電板等效電路......................................................................…......46 圖 4.2 固定環境溫度 0ºC 下，當日照強度改變時其電壓與功率之關係.……......47 圖 4.3 固定日照強度下，當溫度變化時太陽能板的電壓與電流之關係圖…......48 圖 4.4 密閉型鉛酸蓄電池(SWL2500FR) .....................................................……..49. IX.
(11) 圖 4.5 鉛酸蓄電池內部構造圖......................................................................……..49 圖 4.6 SWL2500FR 蓄電池測試規格.............................................................……..50 圖 4.7 太陽能充電器(SL-10L-12V) ...............................................................….....52 圖 4.8 太陽能充電器(SS-10L-12V) ...............................................................….....52 圖 4.9 太陽能充電器(PS-15M) .............................................................………......53 圖 4.10 太陽能充電器(SHS-6) .............................................................…...............53 圖 4.11 脈波寬度調變的輸出波形....................................................……..............55 圖 4.12 Buck 降壓轉換器電路架構......................................................…...............56 圖 4.13 連續導通狀況下的輸出波形................................................….................56 圖4.14 降壓電路中場效應電晶體(a)關閉模式與(b)開啟模式之等效電路圖….56 圖 4.15 Buck 電路量測架構示意圖.................................….....….....…...................59 圖 4.16 Buck 電路圖.........................................….....….....…......….........................59 圖 4.17 Buck 電路實體圖.................................….....….....…......….........................60 圖 4.18 輸出波形調變之變化..................…............….....…......….........................61 圖 4.19 Buck 電路架構..................….....….....…......……………..........................61 圖 4.20 Buck 電路調變之波形..….....….....…......……………...............................63 圖 4.21 不同蓄電池電壓對最大功率點之效率…......…..…………......................64 圖 4.22 16W 多晶太陽能板特性曲線……...............................................................64 圖 4.23 集中型供電路燈系統示意圖......................................................................66 圖 4.24 供電系統內部實體圖...................................................................................67 圖 4.25 電力系統配線..............................................................................................67 圖 4.26 電力系統示意圖..........................................................................................68 圖 4.27 太陽能發電站配置圖..................................................................................68 圖 4.28 太陽能發電站實際圖..................................................................................68 圖 4.29 常見轉換器輸出波形...................................................................................71. X.
(12) 圖 4.30 修正型弦波輸出波形..................................................................................72 圖 4.31 修正型弦波輸入日光燈之電壓與電流波形...............................................72 圖 4.32 日光燈所產生的電流突波..........................................................................72 圖 4.33 市電供應日光燈之波形..............................................................................73 圖 4.34 純弦波轉換器輸出波形...............................................................................73 圖 4.35 純弦波轉換器的諧波成份..........................................................................73 圖 4.36 DC-AC 轉換器實體圖(INT-1000W) ..........................................................74 圖 4.37 降低待機電流的控制方式..........................................................................75 圖 4.38 右邊一部車輛進入之時序圖…..................................................................76 圖 4.39 從左邊一部車輛進入之時序圖..................................................................76 圖 4.40 右邊兩部車輛進入之時序圖......................................................................77 圖 4.41 左邊兩部車輛進入之時序圖......................................................................77 圖 4.42 右邊三部車輛進入之時序圖......................................................................77 圖 4.43 左邊三部車輛進入之時序圖......................................................................77 圖 4.44 右邊進入三部車，左邊進入兩部車之時序圖............................................78 圖 4.45 右邊進入三部車，左邊進入三部車之時序圖............................................78 圖 4.46 右邊進入兩部車，右邊離開一台後，左邊進入一部車之模擬.....….........78 圖 4.47 右邊進入三部車，右邊離開一台後，左邊進入兩部車之模擬..................79 圖 4.48 右邊進入三部車，右邊離開三台後，左邊進入兩部車之模擬..................79 圖 4.49 CPLD 電路圖…............................................................................................79 圖 4.50 系統電路實體圖..........................................................................................80 圖 4.51 電源自動切換開關實體圖..........................................................................81 圖 4.52 ATS 電力切換測試....................................................................................82 圖 4.53 平均每天日照時數......................................................................................84. XI.
(13) 第一章 緒論 1.1 研究背景與動機 過去的路燈主要用途為夜間照明、改善道路人車夜間的通行安全及減 少夜間的治安死角等功能。近幾年來隨著經濟的發展及都會地區生活型態的 變化，路燈的功能已不再局限於提供照明的用途，照明設施已成為展示城市 發展、美化市容觀瞻與點綴街區風貌等多重功用。因此各縣市在進行新市鎮 的開發與舊社區的重新規劃時，路燈照景建設已列為公共設施的重要一環。 依據台電收費標準如表 1.1 所示，如果以 400 瓦的水銀燈計算，每盞路 燈每個月必須花費 279.6 元，依台北市公園路燈管理處統計，全市路燈總數 超過 14 萬盞，若以平均每盞 200 瓦計算，每年路燈的電費支出就需要花費 將近 2 億元，每天晚上將產生 200 公噸的二氧化碳（以每度電產生 0.638 公 斤的二氧化碳計算）。因為非都會地區人口密度較低，土地面積相對較大， 如此龐大的電費在都會區夜間道路是必要的，從圖 1.1(a)可以看見都會區夜 晚十點半的時候還有許多人車行駛，如果將這筆龐大的電費支出轉移至非都 會區的市政府支出，將造成地方政府沉重的財政負擔，圖 1.1 可以清楚看出 都會地區與非都會地區夜間道路使用的差異性，在地方民眾的民意驅駛下， 各地方政府近年來建立數量龐大的路燈，以宜蘭縣壯圍鄉為例，壯圍鄉的路 燈總計有 4721 盞路燈，一年電費達 324 萬元，平均一盞路燈造價是 15000 元[1]，以高 雄 縣 岡山鎮公所為例，每年編列的路燈電費與維修超過 1200 萬 元[2]，非都會區的郊區道路在夜間人車通行的比例較低，如圖 1.1(b)可以清 楚了解在非都會區之農村道路到了夜晚 10 點後，道路上行人與車輛的通行 明顯減少許多，這也造成電力的不必要浪費與電力支出，加上非都會區農田 也相對較多，夜間路燈的照射將會嚴重影響農作物生長與地方生態，表 1.2 都會區台北市與非都會區宜蘭縣電費比較表，如圖 1.2 所示。. 1.
(14) 表 1.1 台灣電力公司公用路燈電價 容 量 100 瓦以下. 單 位 每盞每月. 單 價 81.60 元. 超出 100 瓦，每超出 100 瓦. 每盞每月. 加 66.00 元. 註：容量在 60 瓦以下者，按 100 瓦以下電價 40%計收。 表 1.2 都會區台北市與非都會區宜蘭縣電費比較表 地區. 路燈數目(盞). 路燈電費(元). 台北市. 14 萬. 近 2 億(註 1). 宜蘭縣壯圍鄉 4721 註 1:以平均每盞 200 瓦來計算 註 2:宜蘭縣共 12 個鄉鎮市. 三百多萬. (a) 台北市和平東路(10:30 PM). (b) 宜蘭市郊區道路(8:30 PM) 圖1.1 都會區與非都會區道路使用狀況. (b) 水稻受路燈影響造成開花時間 延遲. (a)路燈對水稻影響的測試方式. 圖 1.2 路燈對水稻生長的影響. 2.
(15) 1.2 文獻回顧 近年來，隨著都市化的發展與科技的進步，民眾對於路燈的需求也越來 越高，近年來有許多學者針對路燈相關議題進行研究，研究議題主要可以分 成四個方向，第一個針對路燈燈具與燈源照明的發展，主要是針對燈具與燈 源最佳化設計進行研究[3,4]。第二個針對路燈自動化管理，針對路燈日夜開 與關，如何不需要人工通知，即可立即得知路燈是否有正常工作，即可進行 立即的維修[5,6]。第三個針對路燈能源節約，主要針對新能源與路燈系統如 何互相結合達到不需外加電力之目的，並針對節約能源來進行研究[7,8]。最 後針對路燈對農作物與環境的影響進行研究，以路燈所造成的光害對農產品 與生活環境的影響來做探討[9,10]，本研究有鑑於當代能源的重要性，針對 第三個議題進行路燈的節能研究。 在路燈能源節約發展上，目前許多學者的研究主要針對如何使用再生能 源發電系統取代原本的路燈電力系統，許多學者對太陽能於路燈系統的應用 進行許多研究，以羅馬尼亞來說，因為羅馬尼亞在各地方的經濟發展不一 樣，導致較偏遠的地區無法供應電力，因此在2002年Fara等人[11]為了要解 決這個問題，首先在Scarisoara與Prisacina兩地裝設太陽能家用供電系統供應 18個家庭、兩所學校與一個教堂之用電，並且串聯兩片12伏特53瓦太陽能模 組與兩顆12 V 100 Ah的蓄電池，供應18瓦或26瓦螢光燈管之路燈照明，解決 居民無電可用之苦，雖然獨立型太陽能照明系統在當時已經很普遍使用在偏 遠地區，但是太陽能電力系統並無法有足夠的電力來供應較大負載的照明功 率，因此，在2003年Libo等人[12]使用300瓦的太陽能光電板與串聯3顆100Ah 的鉛酸蓄電池供應250瓦的高壓鈉氣路燈照明。 國內再生能源路燈主要設置於公園造景之用，如圖1.3與圖1.4所示，設 置地點較少用於一般道路照明之用，由於一般獨立供電型再生能源路燈為了 滿足平均夜間照明12小時的基本需求，且再生能源容易受到氣候和季節的影 3.
(16) 響，通常必須採用額定發電功率遠高於額定照明功率的太陽能板及容量龐大 的鉛酸電池進行設計，此舉將造成以再生能源為主的獨立型供電路燈造價遠 高於傳統路燈，系統所使用的照明功率遠小於一般道路的照明功率之需求， 龐大的再生能源路燈的設置成本也將是推行再生能源的重要考量，導致再生 能源路燈難以推廣至產業道路使用，針對以上的種種考量下，本研究將針對 夜間使用頻率較低的非都會區產業道路進行研究，以不改變現有燈源系統為 主，增設能源管理的感測設備，採用能源管理的機制有效管理路燈電力支 出，推廣以度計費的方式取代過去以盞計費的方式，可有效減少非都會區路 燈不必要電力支出，期能進一步將減少的電費用來發展再生能源路燈。本研 究建議以集中型發電系統來取代市面上常見的獨立型路燈系統，由於集中型 發電系統不需要改變原有路燈硬體架構，且可以結合能源管理機制來降低再 生能源硬體購置的成本，又具有推動較大功率的負載，故適合推廣至一般非 都會區產業道路之用。. 圖 1.3 太陽能路燈. 圖 1.4 複合式風力與太陽能路燈. (資料來源：東城科技網站). (資料來源：新高能源網站). 4.
(17) 1.3 內容大綱 本論文共分為五章，以下為各章之內容大網： 第一章 緒論：說明本論文研究背景、動機、過去作法與研究目的，並說明 各章之內容大綱。 第二章 路燈能源管理：說明目前路燈能源管理方式與路燈的種類，針對各 學者有鑑於能源危機與減碳的重要性，提出各種能源管理的方法與再生能源 的利用，針對上述使用上的缺點，提出一種較可行的能源管理策略，並且評 估其可行性。 第三章 再生能源於路燈系統之設計與應用：簡介目前路燈系統的供電方 式，並且說明目前再生能源與LED路燈在現階段推廣所面臨的問題與限制。 提出以集中發電取代現有的獨立型路燈系統，並比較獨立型發電系統與集中 型發電站的優點與缺點，最後說明太陽能板的選用與注意事項。 第四章 實驗結果與討論： 首先量測太陽能特性曲線了解太陽能板的特性， 依據第二章能源管理的方法實現節能路燈管理系統，測試系統電力與相關元 件，並且評估每天系統發電量與用電量之匹配關係，最後利用Buck電路評估 最大功率追蹤控制的使用時機。 第五章 結論與未來研究方向。. 5.
(18) 第二章 路燈管理機制 2.1 路燈系統簡介 2.1.1 路燈燈桿的種類 路燈對維護夜間居家安寧、防範宵小及民眾行的安全相當重要，路燈燈 具種類很多，無論都會、鄉間、高速公路、省道、縣道或街頭巷弄，均會配 合民眾的需求，設置高低不同款式的路燈。在燈具的高度與桿高的選擇上， 路燈設置燈桿高度依道路、巷弄之亮度照明需求，分有 10 公尺、8 公尺、5 公尺與 3.5 公尺等數種，路燈燈桿的種類可分三種[13]，圖 2.1 為路燈常用的 燈桿： (1) 水泥桿式：水泥路燈桿高約 7 公尺，此種裝桿方式設置於郊區或非主要 道路較多。 (2) 鐵桿式：鐵質路燈桿高約 7 公尺，上端向路中心彎曲約 90 度。此種裝置 常設置於高速公路或主要道路（包括橋樑）之單側或兩側，每隔 20～30 公尺連續排列設置。 (3) 其它：為了觀瞻或其它特殊需求，常見在公園、運動場所、學校或私人 場所等較大的空間內，使用特殊造型之路燈如景觀燈。在狹隘巷弄內， 或因礙於環境因素而無法栽桿時，亦有將路燈用電設備裝設於住戶牆壁 上照明。. (a) 水泥桿路燈. (b) 鐵桿式路燈 6.
(19) (c) 狹隘巷弄內路燈. (d) 籃球場照明燈. 圖 2.1 路燈燈桿的種類. 2.1.2 路燈燈源的種類 早期路燈燈源大都採白熱燈、日光燈或水銀燈等燈具，照明效率較差。 近年來科技進步，大部份均已改裝為高壓水銀燈或鈉氣燈為主，在路燈燈源 選用上，巷弄多以色澤清涼柔和的水銀燈為主，主次幹道多以高效率、穿透 性強之高壓鈉氣燈為主。在路燈的裝置上，幹道、一般道路採用燈桿高度 8 公尺以上 400 瓦水銀燈或鈉光燈明，桿距約 35 至 45 公尺。巷弄及人行道則 採用燈桿高度 3.5 公尺以上 200 瓦水銀燈或 150 瓦鈉光燈照明，其桿距約 25 至 35 公尺[13]，在人車較少行駛的鄉村道路常使用 40W 日光燈道路照明， 常見的路燈燈源種類如下：. (1) 螢光燈或日光燈 螢光管內充滿了低壓氬氣或氬氖混合氣體及水銀蒸氣，在玻璃螢光管 的內側表面，則塗上一層磷質螢光漆，在燈管的兩端設有由鎢製成的燈絲線 圈。當電源接通後，首先電流通過燈絲加熱並釋放出電子，電子會把管內氣 體變成等離子，並令管內電流加大，當兩組燈絲間的電壓超過一定值之後燈 管開始產生放電, 使水銀蒸氣發放出 253.7nm 及 185nm 波長的紫外線，螢 光管內側表面的磷質螢光漆會吸收紫外線，並釋放出較低波長的可見光。發. 7.
(20) 出的光線顏色由磷質成份的比例控制，而玻璃管則避免有害的紫外線及其他 有害物質如水銀洩漏出來。螢光燈的功率是標準白熾燈的 5 倍，壽命是標準 白熾燈的 10-20 倍。 螢光燈按燈管直徑分類有 T5、 T8、 T10、 T12 四種，T5 是日光燈玻 璃管口徑 5/8 英吋之代號，5/8 英吋約等於 1.6 公分，傳統 T9 日光燈管口徑 9/8 英吋(2.9 公分)，或 T8 日光燈管口徑 8/8 英吋(2.6 公分)，表 2.1 為直徑與 螢光燈的分類。T5 日光燈由於直徑比較小，所使用的玻璃、螢光粉和汞比 傳統的 T8、T9 節省，由於 T5 所使用日光燈管採用三波長螢光粉製造，三 波長螢光粉(Tri-band Phosphor)較一般鹵粉螢光粉可以產生較多的光，發電效 率較傳統 T8 與 T9 佳。省電效果也比現今的傳統燈泡和省電燈泡都省，可 以說是目前最省電也最環保的日光燈管，唯價格偏高和良率還比不上已成熟 的 T8、T9 燈管是其缺點[14]，圖 2.2 與圖 2.3 分別為螢光燈燈具與燈管圖。 表 2.1. 螢光燈管依直徑分類. 燈管名稱. T5. T8. T10. T12. 直徑(mm). 15. 25. 32. 38. 圖 2.2 螢光燈照明燈具. 圖 2.3 螢光燈管圖. (2) 氣體放電燈 高強度氣體放電燈(High-Intensity Discharge Lamp; HID Lamp)是利用氣 體放電發出弧光的燈，利用帶有能量的自由電子去撞擊氣體原子時，會將能 8.
(21) 量傳遞到氣體原子，使氣體原子激發，而當受激原子再度回到基態時，就會 產生幅射而發出可見光，這就是氣體放電的發光過程。將此發光過程套用到 氣體放電燈上，當加在燈管兩電極間的電場足夠大時，燈管內部將會發生放 電現象。依據上述的原理，只要電路持續對氣體放電燈的燈管施加適當電場 與所需的能量，整個放電的過程就會不斷的重複，HID燈依據燈管內填充氣 體與氣壓的不同，可以分為以下幾種[15,16]：. (a) 鈉燈 鈉的放電波長位於589nm 上，極接近人眼視覺靈敏度曲線的峰值，因此 發光效率大為提高。高壓鈉燈為在放電管內加入鈉汞齊，在高溫時經由鈉離 子蒸氣放電。管中滴填充入高純度的氙氣則可幫助起動。 由於高壓鈉燈放電管內不能裝輔助起動電極，必須利用高電壓脈衝觸 發，對不同的高壓鈉燈電壓脈衝約為1.5~5KV，在燈的熱起動時所加20KV 的電壓脈衝，在觸發之後，一開始燈管的電壓很低，此時的管蒸氣壓較低， 等待鈉離子完全游離後便進入穩態弧光放電，在過度到正常工作區之間約需 要數分鐘的時間，由於鈉放電弧光的單一光波長非常接近人類視覺靈敏度曲 線的峰值，所以鈉燈的發光效率都較其他燈種為高，因為它的單一光波長使 得演色性是所有光源中最差的，物體在鈉燈的照射之下幾乎都呈現出深黃色 的單一色澤。 鈉燈又 可分 為低壓 鈉燈與 高壓 鈉燈 (High Pressure Sodium lamp ， HPS lamp)，其中低壓鈉燈為發光效率最高的燈種，發光效率可達 200lm/W，但演. 色性不佳，而高壓鈉燈相較於低壓鈉燈則具有較佳的演色性與稍差的發光效 率，圖 2.4(a)與圖 2.4(b)為低壓鈉燈與高壓鈉燈的實體圖。. (b) 複合金屬燈 複金屬燈又稱為金屬鹵化物燈(Metal Halide lamp，MH lamp)，一般的水銀. 9.
(22) 燈因為效率及演色性不盡理想，因而發展出複合金屬燈，複合金屬燈除了沒 有輔助啟動電極之外，大致上的結構和高壓水銀燈相同，燈管內填充的物質 除了水銀另外還加入了多種的金屬鹵化物，這是因為絕大多數金屬的蒸氣壓 較低，在相同的燈管工作溫度之下，管內蒸氣的金屬原子濃度甚低，以至於 不能產生較多的可見光幅射，發光效率較低。而金屬鹵化物的蒸氣壓一般都 比金屬的蒸氣壓高的多，這使得管內蒸氣中含有更高濃度的金屬原子，也就 可以更有效率的幅射出可見光。另外，金屬鹵化物也不和燈管管壁的石英玻 璃或兩端電極發生較為強烈的化學變化，以避免燈管造成損壞，其具有高演 色性、良好的發效率及受命長等優點，在光源應用上逐漸增加。 由於複金屬燈有碘的存在，並且沒有輔助起動電極，起動時需要利用高 壓脈衝觸發。複金屬燈之啟動電壓約1~2KV 左右，啟動時間約需數分鐘。 但當燈管剛熄滅時無法以正常點燈之條件再啟動燈管，因為燈管的溫度仍然 很高，管內的蒸氣壓也很高，使得電子的平均自由程(Mean Free Length)過 短，因此需要約冷啟動十倍的電壓才可以熱啟動燈管，圖2.5為複合金屬燈 的實體圖。. (c) 高壓水銀燈 高壓水銀燈(Mercury Vapor lamp，MV lamp)在燈管中填充水銀與其他惰 性氣體，在點亮燈管的初期，水銀主要存在為液態，所以在點亮初期就類似 螢光燈管，僅能看到非常微弱的燈光，當持續的通以電流之後，燈管內的水 銀會逐漸蒸發成水銀蒸氣，使得燈管內氣壓會逐漸的上昇，等到水銀完全蒸 發時，燈管完全點亮，燈管內的氣壓大約為一到四個大氣壓力。水銀燈的發 光效率會隨著燈管內水銀蒸氣氣壓的上升而大幅提高，圖2.6為高壓水銀燈 的實體圖。 大多數的水銀燈有兩個燈泡球管，在外部的電燈用避免溫度對於內部的 影響，在外部的燈泡也加入一些氣體防止內部氧化與用來維持高的崩潰電 10.
(23) 壓，內部填充水銀蒸氣與少量氬氣，當啟動放電製造組構的氬離子並散佈在 整個弧光管後，主要的放電採開始在兩操作電極間展開，當主要弧光點燃 後，啟動放電因電壓下降而熄滅，電流便只通過操作電擊，使溫度上升至操 作溫度。工作中的高壓水銀燈在熄滅後不能立刻再起動，其原因為溫度仍然 很高，以致很高的水銀蒸氣壓使電子的平均自由徑過短，在電源電子無法累 積足夠能量以使氣體電離，必須要等放電管冷卻或加更高的電壓才能再啟 動。. (3) LED 燈 LED（Lighting Emitting Diode）燈又稱為發光二極體，為特殊材質製成 之 p-n 二極體，也可以稱為半導體固體發光元件。在某些半導體材料的 PN 結中，注入的少數載流子與多數載流子複合時會把多餘的能量以光的形式釋 放出來，從而把電能直接轉換為光能。利用電致發光原理製作的二極體叫發 光二極體，其具有體積小、發光效率高，近年來發展迅速，適用場合已推廣 到交通信號燈、指示燈，甚至也適用於一些特殊場合之照明用途。LED 被稱 為第四代照明光源或綠色光源，具有節能、環保、壽命長、體積小等特點， 可以廣泛應用於各種指示、顯示、裝飾、背光源、普通照明和城市夜景等領 域，如圖 2.7 所示。最後從其發光效率與壽命比較各種路燈光源，如表 2.2 所示。. (a) 低壓鈉燈[17] (b) 高壓鈉燈[18] 圖2.4 鈉燈實體圖 11.
(24) 圖2.5 複合金屬燈實體圖[19]. 圖2.6 高壓水銀燈實體圖[20]. 圖 2.7 LED 實體圖[21] 表 2.2 常見光源特性比較表[15, 16, 41- 43] 發光效率 壽命 暖燈時間 重新啟動 光源種類 (分鐘, 註) (分鐘) (Lm/W) (kHrs) 白熾燈 6～16 0.5～1 No No 鹵素燈泡 18～30 1～3 0.33 No 省電燈泡 38～60 3～10 20 No 利用啟動器啟動燈管，傳 50～95 5～10 T9 螢 統 啟 動 器 點 燈 時 間 2~3 光 80～95 8～15 T8 秒，電子式啟動器點燈時間 燈 90～105 10～20 0.6~1.2 秒 T5 高壓鈉燈 45～125 16～24 3~4 15 低壓鈉燈 80~150 14~18 7~15 No 複金屬燈 45～115 7.5～20 2~5 10 水銀燈 25～65 16～24 5~7 5 白光 LED 燈 20～65 20～50 No No 註：達到 100%穩定光源操作時間 12.
(25) 2.2 能源管理的方式 一般在鄉間路燈所提供能源管理的方式為裝設自動點滅器單獨控制，每 一自動點滅器僅可控制一至三盞路燈。郊區或工業區連續整排之路燈，裝置 「自動點滅器」或「時控開關（time switch） 」配合電磁開關控制。市、街連 續整排之路燈，時控開關係設置於台電服務中心或服務所，並以時控開關控 制第一具電磁開關，其後，同一路燈線所裝設之各電磁開關均為連動，並配 合各專用變壓器連鎖控制路燈的點和滅。若時控開關故障則需派工作人員赴 變電所以閘刀開關點滅路燈，上述方法可以有效在固定時間與夜間來臨點亮 路燈，但是卻沒有能源節約的功效。 因此，有些學者為了有效利用能源，使用特別的能源管理機制控制能源 的使用，在數位式高性能太陽能路燈系統研究[8]，依據不同的季節來決定點 燈及熄燈的時間，針對黃昏、上半夜、下半夜與清晨四個時間區段調配不同 光源的輸出，可以有效地節約蓄電池能量並延長 LED 發光模組點亮的時 間。太陽能充電器製作產商 Morningstar，在充電器系列產品 Sunlight 充電器 [22]，控制不同的點燈時間，分別在太陽落下後點亮路燈兩小時、四小時、 八小時或十小時之後將路燈熄滅，另外的工作模式為太陽落下後，路燈開始 點亮一段時間後路燈熄滅，一直到太陽升起前點亮路燈ㄧ小時或兩小時才將 路燈熄滅，如圖 2.8 所示。市面上一般使用定時器或光感測器控制光源的輸 出，或是利用 LED 燈取代現有光源來降低能源的使用，以達到有效的利用 能源與節約能源，如圖 2.9 與圖 2.10 所示。 上述幾種作法確實可以達到節約能源，但是不能真正的有效利用能源， 第一種方法提供半暗不明的照度，反而會降低人車通行的安全性，第二種方 法未必能夠在必要時間內提供使用者道路照明，反而失去降低路燈照明的功 能，第三種方法使用定時器的方式管理車輛，當計時時間到，未再次觸 發感測器，則將會 關閉所有的路燈， 反而增加在此道路 車輛通行的危 13.
(26) 險性。為了兼顧照明需求與節約能源目的，本研究提出一種智慧型點燈機 制，自動監控人車通行的情況進行能源管理，當人車使用道路時，路燈可立 即提供照明，在無人車使用道路時，則自動進行節能狀態，表 2.3 為三種能 源節約機制之比較。. 圖 2.8 Morningstar 能源管理策略. (a) 紅外線自動照明控制燈. (b) 時間延遲開關. (c) 定時器. 圖 2.9 市面上常見的燈源節能方式. (a)LED 室內照明[23]. (b) LED 路燈燈具[24]. 圖 2.10 LED 燈源在道路與室內之應用 14.
(27) 表 2.3 三種能源節約機制之比較 控制方式. 控制不同時段 調整路燈亮度. 控制不同 供電時間. 感測器結合 定時器. 優點. 設計容易 方便實現. 設計容易 方便實現. 設計容易 方便實現. 缺點. 半暗不明的路燈照 明增加通行危險。. 未必能在必要時間 時間設置太長造成浪 內供給電力照明。 費，時間太短造成危險。. 2.3 節能點燈機制 經由以上的探討，了解目前使用的能源管理方式與種類，為了改善上述 方法的缺點，本研究選擇以夜間使用頻率較低的產業道路為例，實驗地點位 於宜蘭縣壯圍鄉新社村東西一路西段，此道路路寬為4.6公尺，全長共計600 公尺，由於此段道路缺乏路燈照明，對於人車在夜間通行將會造成通行的危 險，為了增加當地民眾行車安全，以每隔50公尺設置一盞路燈，共安裝12 盞 40W的螢光燈，如圖2.11至圖2.13所示，最後再加入智慧型點燈的觀念與路 燈系統結合。 系統設計必須符合下列條件：(1) 只要有車輛進入，立即打開路燈；(2) 只 要車輛離開，立即關閉路燈；(3)必須能夠同時允許雙向通車；(4)允許多部 車進入再離開。為了滿足上述四個條件，需要判別車輛是進入還是離開，才 可正確判斷車輛的方向，於是在此系統安裝四個感測器，分別在入口與出口 處放置兩個感測器，只要進入的車輛先觸發此段道路的感測器 D0 或感測器 D3，就可以判別車輛是進入的狀況，如果離開的車輛先觸碰到感測器 D1 或 感測器 D2，就可以判別車輛目前是要離開的狀況，感測器的安裝位置如圖 2.14 所示，因此系統動作的狀態可以有三種變化。 第一種狀態只有一部車輛進入道路，從右邊進入的車輛將會先觸發感測 器 D0 再觸發感測器 D1，系統將會判定車輛進入道路，計數器將會上數一次 並點亮路燈，待車輛要離開時，離開的車輛將先觸發感測器 D2 再觸發感測 15.
(28) 器 D3，此時系統將判定車輛是離開道路，計數器將會減一並熄滅路燈，如 果車輛由左方進入，將會先觸發感測器 D3 再觸發感測器 D2，計數器上數一 次並點亮路燈，等到車輛離開時，將先觸發感測器 D1 再觸發感測器 D0，計 數器將會減一並熄滅路燈。 第二種狀況是同方向進入兩部以上的車輛，以右邊進入的車輛為例，右 邊進入兩部車輛時，將會觸發 D0→D1、D0→D1，此時將會啟動計數器，計 數器上數兩次後點亮路燈，等到車輛要離開後，將會觸發感測器 D2→D3、 D2→D3，此時計數器下數兩次後歸零才將路燈熄滅，如果計數器不為零， 表示只有一部車離開，另一部車還在車道裏，所以路燈還會繼續點亮，直到 車輛離開後，才將路燈熄滅。 第三種狀況是同時有兩部車從不同方向進入，車輛若從右邊進入，感測 器觸發順序為 D0→D1，計數器上數一次並點亮路燈，如果此時左方車輛進 入，感測器觸發順序為 D3→D2，此時計數器上數至二，繼續讓路燈點亮， 等到右邊進入的車輛離開後，感測器觸發順序為 D2→D3，此時計數器下數 至一，由於計數器的值還未歸零，故無法將路燈關閉，一直到左邊進入的車 輛離開後，計數器內部的值將會歸零，才會將路燈熄滅。反方向也是一樣的 動作方式，如果有多部車雙方向進入，其控制方式也是相同的動作邏輯，此 系統的能源管理方式是利用此種邏輯進行控制，利用此種能源管理的方式 提升能源的使用效率。 50m 4.6m. D3 D2. D1 D0. 600m 圖2.11 路燈設置示意圖. 16.
(29) 圖 2.12 路燈架設道路. (a) 夜間無車通行之路燈狀態. 圖 2.13 目前路燈架設. (b) 左方車輛觸發感測器後點亮路燈. (c) 左方車輛觸發後段感測器後將關閉路燈 圖 2.14 能源管理道路示意圖. 2.4 能源管理系統設計 2.4.1 控制系統架構 本研究所設計的能源管理控制裝置位於電壓轉換模組與路燈之間，透過 人車實際用路狀況的判斷，決定路燈是否提供道路照明，兼顧照明與有效管 理用電的需求。一般感測器難以判斷車輛目前是進入或離開狀態，有鑑於 此，分別在出口與入口加裝兩只感測器，如圖 2.14 所示，不論車輛是從左 方或右方進入此道路，只要觸發感測器 D3 或感測器 D0，系統就會判斷車輛 是進入，當車輛要離開此車道時，觸碰到感測器 D1 或感測器 D2，系統就會 判斷車輛目前是離開，能源管理控制裝置主要由三個單元所組成，第一單元 為感測單元，主要依據感測器的觸發順序傳達車輛行駛狀況；第二單元為判 17.
(30) 斷單元，主要負責接收感測單元的訊號，控制是否開關或關閉路燈的決策； 第三單元為開關單元，依據判斷單元的最後決策訊號控制電力的輸出，圖 2.15 為系統單元圖。 圖 2.16 為利用邏輯閘組成判斷單元系統的細部流程圖，感測單元感測外 界訊號，透過解碼器分配將數位訊號轉換成位址訊號分配至判斷單元的邏輯 電路，最後的判斷決策將會送出上數或下數訊號至計數器，透過開關單元的 電力轉換器供應電力給路燈，當最後一台出輛離開時，計數器將會歸零，將 會送入停止供應電力給路燈的訊號。. 圖 2.15 感測系統單元圖. 圖 2.16 能源管理方塊流程圖 18.
(31) 2.4.2 解碼器 每組路燈管理系統設有四個感測器，當感測訊號動作將會傳送訊號至系 統，可以使用 74154 解碼 IC，具有 4 個輸入通道與 16 輸出通道，利用感測 器的輸入變化選擇不同的輸出腳位，圖 2.17 為 7415 解碼器電路圖，經由 CPLD 的系統模擬了解動作關係，當圖 2.18 沒有訊號進入，74154 的輸出訊 號為高態 High 的變化，等到有訊號動作將會呈現低態 Low 的變化，輸出變 化與輸入的對應關係為下列： A0 D3D 2 D1D0. A1 D3D 2 D1D0. A2 D3D 2D1D0. A3 D3D 2D1D0. A4 D3D 2 D1D0. A5 D3D 2 D1D0. A6 D3D 2 D1D0. A7 D3D 2 D1D0. A8 D3D 2 D1D0. A9 D3D 2 D1D0. A10 D3D 2D1D0. A11 D3D 2D1D0. A12 D3D 2 D1D0. A13 D3D 2 D1D0. A14 D3D 2 D1D0. A15 D3D 2 D1D0. ，表 2.4 為解碼器對應的關係式，當輸入訊號 D0 至 D3 的不同輸入，將會產 生對應的輸出關係，利用模擬來瞭解解碼器的動作情形，如圖 2.18 所示， 當 D0 為 1，其於 D1 至 D3 為零，A1 輸出端將會有 0 訊號輸出，當 D1 為 1， 其於 D0 至 D3 為零，A2 輸出端將會有 0 訊號輸出。. 圖 2.17 解碼器 7415 電路圖 19.
(32) 圖 2.18 解碼器動作時序圖. D3 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1. 輸入 D2 D1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1. D0 A15 A14 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1. A13 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1. 表 2.4 解碼器的真值表 輸出 A12 A11 A10 A9 A8 A7 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. A6 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1. A5 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. A4 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. A3 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. A2 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. A1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1. 2.4.3 正反器 閂鎖(latch)與正反器(flip-flop)具有儲存位元狀態數位電路，可以將邏輯 狀態” 0 ” 或” 1 ” 的狀態存放在裝置內，直到需要改變或電源被切除才會改變本 身的狀態，正反器可由分成 NOR 閘或 NAND 閘所組成，圖 2.19 為 NOR 閘 RS 閂鎖電路，由兩個 NOR 閘連接而成，R 表示重置端，S 表示設定端，Q 為電路的輸出端，表 2.5 為此電路的真值表，此電路可經由 R 與 S 的動作決 20. A0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1.
(33) 定 Q 的輸出，一旦 R、S 均等於 0 時，就可將 Q 的狀態保存下來，直到 R、 S 有不同的輸入，或是電源被移除，才可改變 Q 的狀態，系統可以利用閂鎖 電路記憶訊號狀態，而 NAND 閘與 NOR 閘 RS 閂鎖電路具有相同的電路結 構，也具有相同的記憶功能，圖 2.20 為正反器架構圖，動作原理是當需要 保持原有之輸出狀態時，S 與 R 均必須為 1，另一個不同是 S 及 R 均為 0 的 狀態會造成 Q=Q'=1 未定義的輸出。至於 S=1，R=0 時可將 Q 設定成 1，S=0， R=1 時可將 Q 重置成 0 卻是一樣的，表 2.6 為 NAND 閘 RS 閂鎖的真值表， 圖 2.21 與圖 2.22 利用 MAX+plus II 模擬 NOR 閘 RS 閂鎖與 NAND 閘 RS 閂 鎖之變化，圖 2.19 與圖 2.20 的邏輯閘輸出入的關係式為 Q S RNQ. （2-1）. Q S R NQ. （2-2）. 圖 2.19 NOR 閘 RS 閂鎖電路 表 2.5 NOR 閘 RS 閂鎖的真值表 S 1 0 0 0 1. R 0 0 1 0 1. Q 1 1 0 0 0. 註解 NQ 0 設定狀態 不變 0 1 重設狀態 不變 1 未定義 0. 21.
(34) 圖 2.20 NAND 閘 RS 閂鎖電路 表 2.6 NAND 閘 RS 閂鎖的真值表 S 0 1 1 1 0. R 1 1 0 1 0. Q 1 1 0 0 1. NQ 0 0 1 1 1. 註解 設定狀態 不變 重設狀態 不變 未定義. 圖 2.21 模擬 NOR 閘 RS 閂鎖電路. 圖 2.22 模擬 NAND 閘 RS 閂鎖電路. 2.4.4 計數器 計數器可以記錄時脈的變化次數的變遷，並且做固定狀態的循環，選用 型號 74192IC 具有上數與下數的功能當作系統記數之用，74192 是一個正緣 觸發的非同步計數器，同時具有上數與下數的訊號控制腳位，如果 74192 的 四個輸出腳位已經用完，可以使用 CON 與 BON 腳位，當計數器數到 10， 22.
(35) 同時在 UP 腳位上數計數輸入端為 LOW 時，會使 CON 輸出變為 LOW，產 生進位功能，當計數器數到 0，同時下數計數端輸入為 LOW 時，將會使 BON 借位腳位輸出變為 LOW，圖 2.23 為上下數計數器擴充電路，圖 2.24 為時序 變化圖，表 2.7 為計數器動作變化。 表 2.7 計數器動作變化 輸入. Clear. Load. L. H. L. H. L. X X. H H L. H. X X X. 輸入 Carry Borrow Count up Count down QAQBQCQD out out. 動作. -. -. -. 上數. -. -. -. 下數. X. X. QA QB QC QD. -. -. 資料設定. X. X X. LLLL HLHL LLLL. -. H. 清除 -. L X. 圖 2.23. L. L H. 74192 上下數計數器擴充電路. 23. L.
(36) 圖 2.24 74192 上下數計數時序圖. 2.4.5 能源管理系統邏輯 當感測單元進入系統後將會由判斷單元決定動作的方式，感測器的訊號 D0 至 D3 透過 74154 解碼器規劃輸出位置的腳位，假設 D0 訊號先觸發，解 碼器將會在 A0 腳位送出低態訊號至正反器 A1，正反器是利用 NAND 閘所 組成，可以紀錄目前的輸入訊號變化，當車輛由右方進入，感測器會先觸發 D0，再同時觸發 D0 與 D1，解碼器將會送出 A1 與 A3 訊號至正反器 A1 與 正反器 A3，當 AND1-1 兩支輸入腳位都為高態訊號時，AND1-1 將會送出 高態訊號給 AND1-2 的其中一腳，當感測器的觸發只剩下 D1，解碼器將會 送入 A2 訊號至 AND1-2 的另一腳位，AND1-2 將送出高態訊號，此高態訊 號將會讓計數器呈現上數的動作，判斷單元以 CPLD 晶片實現，使用 MAX+plus II 軟體進行系統規劃與模擬，設計的方式主要是依據表 2.8 的動 作方式進行，利用正反器的數學表示式(2-1)，即可由下列數學式來表示其輸 出入關係. y1 A1 A3 A2 S1 S3 A2. (2-3). Q1 Q3 A2 ，圖 2.25 以邏輯電路表示輸出入關係，Q1 與 Q3 分別為正反器 A1 與正反器 A3 的輸出端，其具有記憶前一次動作的功能，但是 A2 訊號的輸出不經由正 24.
(37) 反器，不具有記憶功能，即可達到 Q1 與 Q3 需要先動作，才允許 A2 訊號輸 出，其他動作方式如車輛從右邊進入後，從左方離開的數學表示式為. y2 A4 A12 A8 S 4 S12 A8. (2-4). Q4 Q12 A8 ，車輛從左方進入的數學表示式為表示式為 y3 A8 A12 A4 S8 S12 A4. (2-5). Q8 Q12 A4. ，車輛從左方進入後，從右方離開的數學表示式為表示式為. y4 A2 A3 A1 S2 S3 A1. (2-6). Q2 Q3 A1 ，圖 2.2 6 與圖 2.27 分別為腳位連接架構與動作時序模擬圖，如果車輛從右 邊進入左邊離開，先觸發 D0 感測器，再同時觸發 D0 與 D1，此時將會送出 A1 與 A3 訊號給正反器 A1 與 A3，正反器 A1 與 A3 將會送入高態訊號致能 訊號給及閘 AND1-2，當 D0 停止觸發的瞬間，D1 的腳位還再觸發，此時解 碼器將可以把 A2 訊號直接至正反器 A1A3 將資料保持，經由正反器 A1A3 的輸出腳來啟動計數器上數加一與點亮路燈，如果後續還有車輛進入將會繼 續點亮路燈，計數器也會繼續增加，等到有車輛要離開，車輛將會觸發感測 器 D1 與 D2，車輛會先觸發 D1 感測器，再同時觸發 D1 與 D2，最後再觸發 D2 感測器，這樣的動作方式將可以送入高態訊號給及閘 AND3-1 致能，讓 D2 的訊號可以透過解碼器將 A8 經由正反器 A4A12 送出下數訊號，此時路 燈還不會熄滅，因為計數器未歸零，表示道路上還有車輛，故路燈會繼續點 25.
(38) 亮，等到確認計數器的輸出訊號合為零時，將會送出清楚所有正反器內部資 料，等待下一次的訊號動作，並且熄滅所有路燈，由左進右出的車輛也是依 相同的設計方法來規劃，目前的系統針對一般家用轎車設計，對於機車、腳 踏車與行人將會利用其他的感測器增加系統的感測功能，表 2.8 所列的動作 邏輯表只有針對表中的四種狀況設計，未來可以再增加與設計更多可能的動 作狀況，系統也會有一個異常動作判斷，當點燈時間超過最大點燈時間，表 示系統出現異常動作，將會自動清出系統的所有變化，以防止能源不必要的 浪費，最後全系統邏輯電路圖如圖 2.26 所示。. 圖 2.25. 具有判斷功能的邏輯電路. 圖 2.26 全系統之邏輯電路 26.
(39) 圖 2.27 右進左出邏輯電路之動作時序 表 2.8. 能源管理動作關係表. 解碼器的輸入 D3. D2. D1. D0. 解碼器 輸出. 0 0 0. 0 0 0. 0 1 1. 1 1 0. A1 A3 A2. 車輛由右方 進入. 0 1 1. 1 1 0. 0 0 0. 0 0 0. A4 A12 A8. 車輛由左方 離開. 1 1 0. 0 1 1. 0 0 0. 0 0 0. A8 A12 A4. 車輛由左方 進入. 0 0 0. 0 0 0. 1 1 0. 0 1 1. A2 A3 A1. 車輛由右方 離開. 備註. 2.5 感測器的選用 人類或動物想要檢測外界環境的訊息時，必須要借助感覺器官才能夠感 受外界變化，感測器如同人類的感覺器官，可將外面環境物理量(如、位置、 速度及壓力等) 的改變轉換成電氣訊號，感測器分為接觸式及非接觸式兩種 型態。接觸式感測器需要與感測物體接觸才能啟動感測器；非接觸式感測器. 27.
(40) 不需要與被測物接觸，即可量測物體外界的變化[38]。 非接觸式感測器有分成位移感測器、視覺感測器與光感測器三種，其中 光感測器(Photoelectric Switch)是利用光偵測外界的變化，光感測器種類很 多，可分為量子偵測器(或光子偵側器)及熱偵測器兩種，其中量子偵測器為 入射光子與感光材料中的電子相互作用產生訊號，有光伏特、光傳導及光發 射三種轉換方式，第一種光伏特轉換為兩種材料介面受照度的強弱不同而產 生不同電壓；第二種光傳導轉換為半導體材料因入射光子產生電阻變化；第 三種光發射轉換則為受到一定光子能量時，電子可脫離感光材料而射出。 量子偵測器的工作方式是透過光線的發射與接收，量測物體移動狀態不 需經由接觸產生，所以量測的可靠性較高、反應數度快及使用壽命長，比起 近接開關，它可以感測幾mm 到幾十公尺的長距離，光發射端、光接收端甚 至可裝上光纖，用以偵測為小物件，有些光電開關還可以感測出物件距離的 遠近、顏色與明暗亮度，外部接線方式，共有三種，晶體輸出型（NPN、PNP） 、 SSR和有接點電驛輸出型，ㄧ般小型的感測器幾乎都是晶體輸出型，而需要 直接驅動較大負載的話，就要選擇Relay輸出型的，光電開關依受光器接收 光束的方式共分成透過型、擴散反射型及限定反射型等三種。 第一種透過 型(分離式)，受光器直接接收至投光器傳送的光束，檢測距離最長，如圖2.28(a) 所示；第二種限定反射型(後反射式)，受光器間接接收至反射板的光束，檢 測距離中等，如圖2.28(b)所示；第三種擴散反射型(反射式)，受光器間接接 收至物件表面反射的光束，檢測距離最短，如圖2.28(c)所示。 總而言之，量子型感測器的特徵是感度高、光照射響應快、波長依存性 很大。熱型感測器則是感度低、反應特性不佳，但與波長無關，是寬帶域的 感知元件，表2.9為各種常用感測器的比較表。由於本研究感測系統需考慮 防水與雜光干擾等問題，故系統選用室外用感測器，檢測距離為15公尺，對 於防水的措施必須做適當的防護，也必須阻隔室外一切可見光源才不會感測 28.
(41) 錯誤，圖2.29與表2.10為實體圖與紅外線偵測器的規格表。. (a) 分離式光感測器. (b) 後反射式光感測器. (c) 反射式光感測器 圖 2.28 光感測器應用. 圖 2.29 紅外線感測器實體圖. 29.
(42) 表 2.9 各種感測器的比較 種類 微動開關 近接開關(高頻震盪型) 近接開關(電容型) 光電開關(透過型) 光電開關(直接反射型) 光電開關(後反射式) 光電開關(遮斷型) 位移感測器. 特 性 利用微動開關測量 物體需為金屬材質 電容增大引起震盪 投光器和受光器分立 投光器受光器為一體 加設反射板 光遮斷器 利用電阻之變化. 評 估 適合近距離檢測 感測金屬材料 適合接觸型的感測 檢測距離最長 檢測距離最短 檢測距離中等 適合近距離檢測 量測距離受限於電阻. 表2.10 紅外線偵測器規格 機型. LK-15H. 警報信號. 1a.1b. 繼電器乾接點 (1A/120VAC ，2A/24VDC). 警戒距離(室外). 15m. 使用電源. DC11~24V，AC10~20V. 光源. LED (紅外線二極體). 消耗電流. 30mA. 光束處理. 主波 9400A°調變頻 率 500HZ. 使用溫度. -20℃ ~ 50℃. 反應時間. 50~100m sec. 設置場所. 室內、室外. 光軸調整. 水平±90°、垂直±7°. 重量. 400g (投光、受光合計). 2.6 以“ 度” 計費取代以“ 盞” 計費 以往路燈收費的方式是以盞計費，本研究所提之能源管理策略為車輛進 入道路才會點亮路燈，車輛離開則立即點滅路燈，當需要路燈照明時才供應 電力，因此建議以度計費的方式取代以盞計費，進而減少電費的支出，假設 道路經由能源管理的控制，夜間車輛通過道路的平均車速為每小時 20 公里 直線前進，每公尺需要花費 0.18 秒，前段七盞路燈通行時間需要 63 秒，後 五盞路燈通行時間需要 45 秒，因此通行此道路共需要花費 108 秒，所需耗 費電力為 0.0144 度，如果平均每小時有十部車進入，一個晚上將會有 120 輛車進入此道路，每晚所耗費的電力共 1.728 度，如果以台電的電力直接供. 30.
(43) 應路燈夜間照明 12 小時，則需要 5.76 度的電力，每晚所需的電力將比傳統 點燈方式少了 4.032 度，亦即節省約 70%的電力，未來將會透過常時間的實 驗與測試來進行驗證此評估是否為相符。表 2.11 為以度計費取代以盞計費 的電費比較表，如果以控制 12 盞路燈為例，一個晚上點亮四小時，將可以 省下 3000 元，一個晚上點亮的時間越短，控制的盞數越多將可以省下更多 的電費，我們也預計將省下來的費用來發展再生能源。而且在二氧化碳排放 方面，每天使用台電的電力供應 12 盞 40W 的路燈，每一個晚上將會排放 3.67488 kg 二氧化碳，由於太陽能發電並不會產生二氧化碳，使用太陽能發 電站明顯能有效減少二氧化碳排放的問題，如表 2.12 所示。 因此，欲實現此能源管理系統需要在入口與出口各裝兩對紅外線感測 器，分別用來感測進入與離開的車輛，利用一個控制核心來應對外界訊號的 變化，再利用此訊號來控制電力的輸出，依據台電收費標準，容量在 60 瓦 以下者，按 100 瓦以下電價 40%計收，所以 40W 日光燈每盞每個月需要支 付 32.64 元，每年需要支付 4700 元，以台電家庭用電每個月用電 110 度以 下每度 2.1 元，經由能源管理的控制下每年所需的電費為 1325 元，每年可 以節省 3375 元，能源管理的感測系統建置費用為 6,000 元，故以 12 盞路燈 的能源管理路燈數，經由能源管理每晚點燈 4 小時，則只需要 2 年的時間即 可回收硬體設置的成本，圖 2.30 為節省金額與時間關係圖。 系統的運用可以減少能源的使用，也可以減少夜間路燈照射對農作物生 長的影響，等到地方政府對於電費支出的問題改善後，建議以每年運作所節 省下來的金額再來發展再生能源，這樣的作法才會增加地方政府對於再生能 源的發展有較高的推廣意願，第三章將會介紹目前市面上對於再生能源路燈 的作法，本研究也提出一些在再生能源路燈系統的發展的建議與設置範例。. 31.
(44) 時間與節約金額比較 1盞. 8000. 2盞. 節省金額(元). 7000. 4盞. 6000. 6盞. 5000. 8盞 10盞. 4000. 11盞. 3000. 12盞. 2000. 14盞 16盞. 1000. 18盞. 0. 20盞. 0. 0.17 0.33 0.5 0.67 0.83. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 點燈時間(小時). 圖 2.30 節省金額與點燈時間關係圖 表 2.11 以度計費與以盞計費之比較(控制 12 盞 40 瓦日光燈為例) 計價方式. 以盞計費. 以度計費. 一個晚上使用時間(小時). 12. 3.6(註 2). 每晚總用電(度). 5.76. 1.728. 每年總用電(度). 2102.4. 630.72. 電費計價. 32.64 元(註 1). 2.1 元/度. 每年電費(元). 4700. 1325. 表 2.12 台電與太陽能之二氧化碳排放量比較 供電系統 台電 太陽能板 40 瓦路燈(盞) 12 12 總功率(瓦) 480 480 一個晚上使用(小時) 3.6（註 2） 12 總電力(度) 5.76 2.4 排放二氧化碳量 幾乎沒有 3.675(註 3) (公斤 CO2/度) 註 1：容量在 60 瓦以下者，按 100 瓦以下電價 81.6 元的 40%計收 註 2：以入夜後每小時平均 10 部車通行計算，車速平均 20 公里/小時 註 3：以台電的網站最新公告「我國 CO2 電力排放係數」中 96 年度電力排 放係數為 0.638 kg CO2/度. 32.
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