太陽(yáng)能照明原理組成與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

...wd......wd......wd...太陽(yáng)能照明原理組成及控制系統(tǒng)摘要：本文闡述了太陽(yáng)能路燈的基本原理。其組成主要有太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。此外，本文從系統(tǒng)構(gòu)造和功能控制兩個(gè)方面介紹了太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能路燈基本原理控制系統(tǒng)隨著全球能源的日益緊張，太陽(yáng)能光伏照明得到了迅速開展。在太陽(yáng)能照明燈的設(shè)計(jì)中涉及多個(gè)環(huán)節(jié)，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會(huì)造成產(chǎn)品缺陷。為了提高照明系統(tǒng)發(fā)電量的利用率，抑制系統(tǒng)缺電帶來(lái)的缺乏，在太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的開展中，人們不斷的對(duì)照明系統(tǒng)常用的控制模式進(jìn)展分析，設(shè)計(jì)各種實(shí)際可行的工作模式，同時(shí)光源技術(shù)也在不斷的更新?lián)Q代中，蓄電池的充電模式也在不斷的研究探索中有效利用率越來(lái)越高。在太陽(yáng)能各個(gè)組成局部的開展和協(xié)調(diào)中，太陽(yáng)能照明系統(tǒng)正在不斷開展完善。一、太陽(yáng)能燈的原理及組成太陽(yáng)能燈具系統(tǒng)為直流型獨(dú)立光伏系統(tǒng)，其工作原理。太陽(yáng)能電池組件將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，通過(guò)控制器進(jìn)展控制及保護(hù)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存在蓄電池中。當(dāng)用電時(shí)，蓄電池再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供直流負(fù)載使用，或者通過(guò)逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┙涣髫?fù)載使用。只有當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)光照以致電池中的電能用完時(shí)，這個(gè)裝置才停頓工作。太陽(yáng)能樓道燈包括有—個(gè)安裝在建筑物樓頂?shù)奶?yáng)能電池和安裝在各個(gè)樓層的照明燈，以及統(tǒng)一安放的蓄電池，充放電控制器。蓄電池與各樓層的照明燈通過(guò)導(dǎo)線連接。負(fù)載采用LED燈具，并配合聲光控開關(guān)工作。白天，太陽(yáng)能電池組件在一定強(qiáng)度的太陽(yáng)光照射下產(chǎn)生電能，通過(guò)太陽(yáng)能充放電控制器存儲(chǔ)到蓄電池內(nèi)；夜晚，蓄電池通過(guò)充放電控制器為負(fù)載提供電能。通常，太陽(yáng)能系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)際情況增大蓄電池的容量，隊(duì)保證陰雨天的照明。

太陽(yáng)能路燈由以下幾個(gè)局部組成：太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。1、太陽(yáng)能電池板太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能路燈中的核心局部，也是太陽(yáng)能路燈中價(jià)值最高的局部。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。太陽(yáng)能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的P-N結(jié)。工作原理和二極管類似。只不過(guò)在二極管中，推動(dòng)P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是外部電場(chǎng)，而在太陽(yáng)能電池中推動(dòng)和影響P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是太陽(yáng)光子和光輻射熱。也就是通常所說(shuō)的光生伏特效應(yīng)原理。目前光電轉(zhuǎn)換的效率，大約是光伏電池效率大約是單晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池。2、太陽(yáng)能控制器

太陽(yáng)能燈具系統(tǒng)中最重要的一環(huán)是控制器，其性能直接影響到系統(tǒng)壽命，特別是蓄電池的壽命?？刂破饔霉I(yè)級(jí)MCU做主控制器，通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度的測(cè)量，對(duì)蓄電池和太陽(yáng)能電池組件電壓、電流等參數(shù)的檢測(cè)判斷，控制MOSFET器件的開通和關(guān)斷，到達(dá)各種控制和保護(hù)功能?；拭髦悄苄吞?yáng)能燈具控制器能為蓄電池提供全面保護(hù)，使蓄電池更能可靠地長(zhǎng)久工作。3、蓄電池

由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽(yáng)能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過(guò)小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池過(guò)大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費(fèi)。蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)能電池、用電負(fù)荷〔路燈〕相匹配?？捎靡环N簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽(yáng)能電池功率必須比負(fù)載功率高出4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽(yáng)能電池的電壓要超過(guò)蓄電池的工作電壓20~30%，才能保證給蓄電池正常負(fù)電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜。4、光源

太陽(yáng)能路燈采用何種光源是太陽(yáng)能燈具是否能正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽(yáng)能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無(wú)極燈、LED光源。LED燈光源，壽命長(zhǎng)，可達(dá)1000000小時(shí)，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國(guó)產(chǎn)50Lm/w，進(jìn)口80Lm/w。隨著技術(shù)進(jìn)步，LED的性能將進(jìn)一步提高。筆者認(rèn)為L(zhǎng)ED作為太陽(yáng)能路燈的光源將是一種趨勢(shì)。

目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源，主要利用太陽(yáng)能電池的能源來(lái)進(jìn)展工作。當(dāng)白天太陽(yáng)光照射在太陽(yáng)能電池上，把光能轉(zhuǎn)變成電能存貯在蓄電池中，再由蓄電池在晚間為草坪燈的LED(發(fā)光二極體)提供電源。LED節(jié)能、安全、壽命長(zhǎng)，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽(yáng)能草坪燈上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了其關(guān)鍵的突破，并且其特性在過(guò)去5年中有很大提高，其性能價(jià)格比也有較大的提高。5、燈桿及燈具外殼

燈桿的高度應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標(biāo)準(zhǔn)確定。燈具外殼根據(jù)我們收集了許多國(guó)外太陽(yáng)燈資料，在美觀和節(jié)能之間，大多數(shù)都選擇節(jié)能，燈具外觀要求不高，相對(duì)實(shí)用就行。二、太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)1.系統(tǒng)構(gòu)造

太陽(yáng)能路燈微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由微機(jī)主控線路、太陽(yáng)能電池板、蓄電池充放電器、蓄電池組、LED光源驅(qū)動(dòng)和LED燈等幾局部組成。系統(tǒng)組成構(gòu)造如圖1所示：

圖1太陽(yáng)能路燈微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成構(gòu)造

(1)微機(jī)主控線路

微機(jī)主控線路是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，控制整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的正常運(yùn)行。微機(jī)主控線路具有測(cè)量功能，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓、蓄電池電壓等參數(shù)的檢測(cè)判斷，控制相應(yīng)線路的開通或關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)各種控制和保護(hù)功能。(2)充電驅(qū)動(dòng)線路

充電驅(qū)動(dòng)線路由MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊及MOSFET組成。MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊采用高速光藕隔離，發(fā)射極輸出，有短路保護(hù)和慢速關(guān)斷功能。選用的MOSFET為隔離式、節(jié)能型單片機(jī)開關(guān)電源專用IC，驅(qū)動(dòng)LED的全電壓輸入范圍為150V～200V，輸出電流為8A～9A。輸入電壓范圍寬，具有良好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，抗干擾能力強(qiáng)，低功耗。

本系統(tǒng)通過(guò)充電驅(qū)動(dòng)線路完成太陽(yáng)能電池組向蓄電池的充電，電路中還提供了相應(yīng)的保護(hù)措施。(3)LED驅(qū)動(dòng)線路

由IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及MOSFET組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈亮度的調(diào)節(jié)及路燈的開關(guān)。(4)太陽(yáng)能電池組

太陽(yáng)能電池組由太陽(yáng)能電池單體(工作電壓約為0.5V,工作電流約為20～25mA/cm2,面積為10cm×10cm)以串、并方式連接成組件，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件包括36片單體，使一個(gè)太陽(yáng)能電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，成為一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池池組。當(dāng)應(yīng)用系統(tǒng)需要更高的電壓和電流組件時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽(yáng)能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。太陽(yáng)能電池在整個(gè)系統(tǒng)中的作用有兩個(gè)：其一是把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，即白天時(shí)，太陽(yáng)能電池給蓄電池充電；其二是太陽(yáng)能電池作為系統(tǒng)的光控元件，從太陽(yáng)能電池兩端電壓的大小，即可檢測(cè)戶外的光亮程度，也就是從太陽(yáng)能電池電壓的大小來(lái)判斷天黑和天亮及LED照明光源的亮度。(5)蓄電池組

由于從光伏陣列得到的能量不總是與電子負(fù)載的需求相符，當(dāng)光伏陣列本身不能提供足夠的功率時(shí)，蓄電池仍能使負(fù)載工作。如果電子負(fù)載需要在夜間或在多云或陰天時(shí)工作，就需要能量的存儲(chǔ)。蓄電池存儲(chǔ)能量的大小設(shè)計(jì)為自主運(yùn)行期間滿足平均每日電子負(fù)載的需求。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)能儲(chǔ)藏5～7天的夜間照明用電量。蓄電池是整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵局部，它是整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)藏能源設(shè)備，白天時(shí)太陽(yáng)電池給蓄電池充電，晚上，系統(tǒng)和負(fù)載所用電全部由蓄電池來(lái)提供，其次，陰雨天的供電也要靠蓄電池來(lái)完成。在獨(dú)立光伏系統(tǒng)中，由光伏陣列產(chǎn)生的電能不總是在電能產(chǎn)生的同時(shí)加以使用，所以在多數(shù)獨(dú)立光伏系統(tǒng)中需要蓄電池。(6)通信裝置

由無(wú)線數(shù)傳模塊組成。無(wú)線數(shù)傳模塊支持GPRS,帶有RS-232接口，通信距離達(dá)100米，抗干擾性強(qiáng)，不受播送電視，移動(dòng)通信干擾，實(shí)現(xiàn)相鄰路燈終端之間的通信。2.功能控制(1)太陽(yáng)能路燈控制器的基本要求

太陽(yáng)能路燈由多個(gè)LED燈串聯(lián)而成，路燈照明系統(tǒng)不但消耗大量的電能，而且還需要投入巨額的日常維護(hù)費(fèi)用，給城市帶來(lái)電力供給和財(cái)政支出的雙重壓力。制定“按需照明〞的供電策略可以緩解這一矛盾。通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在城市繁華路段的路燈機(jī)動(dòng)靈活的控制，可在任意時(shí)間段內(nèi)通過(guò)PWM方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，以到達(dá)既襯托城市燈光氣氛的目的?？刂苹疽笕缦拢?/p>

1)對(duì)前半夜與后半夜的亮度進(jìn)展控制，控制比例依情況而定；

2)開啟單邊路燈策略，即蓄電池現(xiàn)有電量只供一路路燈照明，另一路路燈關(guān)閉；

3)半夜燈策略，即前半夜開燈，后半夜關(guān)燈，蓄電池現(xiàn)有電量只供前半夜照明使用。太陽(yáng)能路燈都是以自然光線的強(qiáng)弱來(lái)控制照明燈具的開關(guān)，這些光控太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的前提。系統(tǒng)容量可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢谩庀髼l件和負(fù)載狀況做出最優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是由于季節(jié)因素，冬天太陽(yáng)輻射要比夏天少，太陽(yáng)電池陣冬天產(chǎn)生的電量比夏天少，可是冬天需要照明的電量卻比夏天多，從而使照明系統(tǒng)的發(fā)電量與需電量形成反差，依然難以平衡月發(fā)電量盈余和耗電量虧損。為了提高照明系統(tǒng)發(fā)電量的利用率，抑制系統(tǒng)缺電帶來(lái)的缺乏，在太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的開展中，人們不斷的對(duì)照明系統(tǒng)常用的控制模式進(jìn)展分析，設(shè)計(jì)各種實(shí)際可行的工作模式，同時(shí)光源技術(shù)也在不斷的更新?lián)Q代中，蓄電池的充電模式也在不斷的研究探索中有效利用率越來(lái)越高，因此在太陽(yáng)能各個(gè)組成局部的開展和協(xié)調(diào)中，太陽(yáng)能照明系統(tǒng)正在不斷地趨于完善。根據(jù)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的特點(diǎn)，路燈運(yùn)行要兼顧蓄電池剩余容量的影響。當(dāng)路燈正常開啟時(shí)，根據(jù)蓄電池剩余容量檢測(cè)法得到當(dāng)前蓄電池容量，通過(guò)查詢后得到蓄電池將要維持的供電時(shí)間，平均使用蓄電池現(xiàn)有電量，同時(shí)根據(jù)當(dāng)晚可使用的蓄電池電量對(duì)路燈照明方式靈活控制，合理使用蓄電池現(xiàn)有電量。(2)蓄電池充放電控制功能

蓄電池充放電控制是整個(gè)系統(tǒng)的重要功能，它影響整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還能防止蓄電池組的過(guò)充電和過(guò)放電。蓄電池的過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)其性能和壽命有嚴(yán)重影響。充放電控制功能，按控制方式可分為開關(guān)控制(含單路和多路開關(guān)控制)型和脈寬調(diào)制(PWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。開關(guān)控制型中的開關(guān)器件，可以是繼電器，也可以是MOS晶體管。脈寬調(diào)制(PWM)控制型只能選用MOS晶體管作為其開關(guān)器件。本系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制控制器方式，并選用MOS晶體管作為開關(guān)器件。當(dāng)白天晴天的情況下，根據(jù)蓄電池的剩余容量，選擇相應(yīng)的占空比方式向蓄電池充電，力求高效充電；夜間根據(jù)蓄電池的剩余容量及未來(lái)的天氣情況，通過(guò)調(diào)整占空比方式進(jìn)而調(diào)節(jié)LED燈亮度，以保證均衡合理使用蓄電池。此外系統(tǒng)還具有對(duì)蓄電池過(guò)充的保護(hù)功能，即充電電壓高于保護(hù)電壓(15V)時(shí)，自動(dòng)調(diào)低蓄電池的充電電壓；此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓(13.2V)時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓(13.2V)后浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓(11V)時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過(guò)PWM方式充電，既可使太陽(yáng)能電池板發(fā)揮最大成效，又提高了系統(tǒng)的充電效率。本設(shè)計(jì)對(duì)蓄電池的反接、過(guò)充，過(guò)放具有相應(yīng)保護(hù)措施。(3)太陽(yáng)能路燈運(yùn)行方式控制功能

高亮度大電流LED燈，由于一樣亮度的情況下，比白熾燈省電約90%，得到了廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)已有逐漸替代常規(guī)照明燈的趨勢(shì)。太陽(yáng)能路燈由多個(gè)LED燈串聯(lián)而成，亮度通過(guò)PWM方式可調(diào)，即通過(guò)EN端改變流經(jīng)LED的電流，從而調(diào)節(jié)LED燈亮度，電流強(qiáng)度可以從幾毫安到1安培，最終使LED燈到達(dá)預(yù)期的亮度。PWM信號(hào)可由微控制器產(chǎn)生，也可由其它脈沖信號(hào)產(chǎn)生，PWM信號(hào)可使通過(guò)LED燈的電流從0變到額定電流，即可使LED燈從暗變?yōu)檎Ａ炼?。PWM占空比越小(高電平時(shí)間長(zhǎng))，亮度越高。利用PWM控制LED的亮度，非常方便和靈活，是最常用的調(diào)光方法，PWM的頻率可從幾十Hz到幾千KHz。PWM調(diào)光是通過(guò)控制MOSFET晶體管實(shí)現(xiàn)的。由于本系統(tǒng)路燈單元采用的電壓是由幾個(gè)蓄電池串聯(lián)產(chǎn)生的，所以選用MOSFET晶體管時(shí)，首先要考慮MOSFET的耐壓，本系統(tǒng)要求MOSFET的耐壓要高于40V；其次，根據(jù)驅(qū)動(dòng)LED燈電流的大小，選擇MOSFET的IDS的最大電流。在直流供電情況下，首先考慮的是IDS最大電流值和RDS值。一般情況下，應(yīng)選用MOSFET的IDS最大電流是LED燈驅(qū)動(dòng)電流的5倍以上；另外還要選擇MOSFET的內(nèi)阻要??；LED驅(qū)動(dòng)電流越大，RDS應(yīng)越小，RDS越小