太陽能照明原理、組成及控制系統(tǒng)的設(shè)計 - 全文

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　　隨著全球能源的日益緊張，太陽能光伏照明得到了迅速發(fā)展。在太陽能照明系統(tǒng)的發(fā)展中，人們不斷的對照明系統(tǒng)常用的控制模式進(jìn)行分析，設(shè)計各種實際可行的工作模式，同時光源技術(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，有效利用率越來越高。在太陽能各個組成部分的發(fā)展和協(xié)調(diào)中，太陽能照明系統(tǒng)正在不斷發(fā)展完善。

　　1 太陽能燈的原理及組成

　　太陽能燈具系統(tǒng)為直流型獨立光伏系統(tǒng)。太陽能電池組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過控制器進(jìn)行控制及保護(hù)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池中。當(dāng)用電時，蓄電池再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供直流負(fù)載使用，或者通過逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┙涣髫?fù)載使用。只有當(dāng)長時間無光照以致電池中的電能用完時，這個裝置才停止工作。

　　太陽能路燈由以下幾個部分組成：太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。

　　1)太陽能電池板

　　太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。太陽能電池主要用單晶硅、多晶硅為材料。單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率為13%～15%，多晶硅為11%～13%。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池。

　　2)太陽能控制器

　　太陽能燈具系統(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。控制器用工業(yè)級MCU做主控制器，通過對環(huán)境溫度的測量，對蓄電池和太陽能電池組件電壓、電流等參數(shù)的檢測判斷，控制MOSFET器件的開通和關(guān)斷，達(dá)到各種控制和保護(hù)功能。

　　3)蓄電池

　　由于太陽能光伏發(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，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、用電負(fù)荷(路燈)相匹配?？捎靡环N簡單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽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。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓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

　　太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、LED光源。

　　LED燈光源壽命長，可達(dá)1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產(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。

　　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)我們收集了許多國外太陽燈資料，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，相對實用就行。

　　2太陽能路燈照明控制系統(tǒng)

　　1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　太陽能路燈微機監(jiān)控系統(tǒng)由微機主控線路、太陽能電池板、蓄電池充放電器、蓄電池組、LED光源驅(qū)動和LED燈等幾部分組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

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　　圖1 太陽能路燈微機監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

　　2)功能控制

　　(1)太陽能路燈控制器的基本要求

　　太陽能路燈由多個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)費用，給城市帶來電力供應(yīng)和財政支出的雙重壓力。制定“按需照明”的供電策略可以緩解這一矛盾。通過編程可以實現(xiàn)對分布在城市繁華路段的路燈機動靈活的控制，可在任意時間段內(nèi)通過PWM方式實現(xiàn)開關(guān)控制，以達(dá)到既節(jié)電又烘托城市燈光氣氛的目的。控制基本要求如下：

　?、賹η鞍胍古c后半夜的亮度進(jìn)行控制，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。

　　太陽能路燈都是以自然光線的強弱來控制照明燈具的開關(guān)，這些光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是系統(tǒng)長期可靠運行的前提。系統(tǒng)容量可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢?、氣象條件和負(fù)載狀況做出最優(yōu)化設(shè)計。但是由于季節(jié)因素，冬天太陽輻射要比夏天少，太陽電池陣冬天產(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，克服系統(tǒng)缺電帶來的不足，在太陽能照明系統(tǒng)的發(fā)展中，人們不斷地對照明系統(tǒng)常用的控制模式進(jìn)行分析，設(shè)計各種實際可行的工作模式，同時光源技術(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越高，因此在太陽能各個組成部分的發(fā)展和協(xié)調(diào)中，太陽能照明系統(tǒng)正在不斷地趨于完善。

　　根據(jù)太陽能路燈系統(tǒng)的特點，路燈運行要兼顧蓄電池剩余容量的影響。當(dāng)路燈正常開啟時，根據(jù)蓄電池剩余容量檢測法得到當(dāng)前蓄電池容量，通過查詢后得到蓄電池將要維持的供電時間，平均使用蓄電池現(xiàn)有電量，同時根據(jù)當(dāng)晚可使用的蓄電池電量對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系統(tǒng)的重要功能，它影響整個太陽能路燈系統(tǒng)的運行效率，還能防止蓄電池組的過充電和過放電。蓄電池的過充電或過放電對其性能和壽命有嚴(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。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的天氣情況，通過調(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)還具有對蓄電池過充的保護(hù)功能，即充電電壓高于保護(hù)電壓(15V)時，自動調(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，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀?3.2V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，控制器自動關(guān)閉負(fù)載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過PWM方式充電，既可使太陽能電池板發(fā)揮最大功效，又提高了系統(tǒng)的充電效率。本設(shè)計對蓄電池的反接、過充，過放具有相應(yīng)保護(hù)措施。

　　(3)太陽能路燈運行方式控制功能

　　高亮度大電流LED燈，由于相同亮度的情況下，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。

　　太陽能路燈由多個LED燈串聯(lián)而成，亮度通過PWM方式可調(diào)，即通過EN端改變流經(jīng)LED的電流，從而調(diào)節(jié)LED燈亮度，電流強度可以從幾毫安到1安培，最終使LED燈達(dá)到預(yù)期的亮度。

　　PWM信號可由微控制器產(chǎn)生，也可由其它脈沖信號產(chǎn)生，PWM信號可使通過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(高電平時間長)，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Hz。

　　PWM調(diào)光是通過控制MOSFET晶體管實現(xiàn)的。

　　由于本系統(tǒng)路燈單元采用的電壓是由幾個蓄電池串聯(lián)產(chǎn)生的，所以選用MOSFET晶體管時，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)動電流的5倍以上;另外還要選擇MOSFET的內(nèi)阻要小;LED驅(qū)動電流越大，RDS應(yīng)越小，RDS越小，變換效率越高。

　　城市太陽能路燈是和人民生活密切相關(guān)的公共設(shè)施，它在一定程度上反映了城市的繁榮程度及發(fā)展水平。在過去很長一段時間內(nèi)，路燈的更新多是局限于其照明部分，隨著城市及電子技術(shù)的發(fā)展，城市路燈系統(tǒng)經(jīng)歷了手工控制、自動定時/光電控制、計算機程序控制的發(fā)展過程。用計算機來實現(xiàn)城市太陽能路燈系統(tǒng)的自動控制，對于提高城市的現(xiàn)代化管理水平，節(jié)省人力、物力，都具有良好的經(jīng)濟和社會效益。通過有效的調(diào)節(jié)燈光開關(guān)時間，能夠極大地提高了路燈系統(tǒng)的工作質(zhì)量和工作效率，為城市照明系統(tǒng)的運行、維護(hù)、擴展、提供全面的解決方案和強有力的技術(shù)支持，提高了城市照明運行管理水平。

　　(1)微機主控線路。

　　微機主控線路是整個系統(tǒng)的控制核心，控制整個太陽能路燈系統(tǒng)的正常運行。微機主控線路具有測量功能，通過對太陽能電池板電壓、蓄電池電壓等參數(shù)的檢測判斷，控制相應(yīng)線路的開通或關(guān)斷，實現(xiàn)各種控制和保護(hù)功能。

　　(2)充電驅(qū)動線路

　　充電驅(qū)動線路由MOSFET驅(qū)動模塊及MOSFET組成。MOSFET驅(qū)動模塊采用高速光耦隔離，發(fā)射極輸出，有短路保護(hù)和快速關(guān)斷功能。選用的MOSFET為隔離式、節(jié)能型單片機開關(guān)電源專用IC，驅(qū)動LED的全電壓輸入范圍為150～200V，輸出電流為8～9A。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，低功耗。

　　本系統(tǒng)通過充電驅(qū)動線路完成太陽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)動線路

　　由IGBT驅(qū)動模塊及MOSFET組成，實現(xiàn)對路燈亮度的調(diào)節(jié)及路燈的開關(guān)。

　　(4)太陽能電池組

　　太陽能電池組由太陽能電池單體(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，一個標(biāo)準(zhǔn)組件包括36片單體，使一個太陽能電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，成為一個額定電壓為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，可把多個組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。

　　(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，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工作，就需要能量的存儲。蓄電池存儲能量的大小設(shè)計為自主運行期間滿足平均每日電子負(fù)載的需求。一般來說，應(yīng)能儲備5～7天的夜間照明用電量。在獨立光伏系統(tǒng)中，由光伏陣列產(chǎn)生的電能不總是在電能產(chǎn)生的同時加以使用，所以在多數(shù)獨立光伏系統(tǒng)中需要蓄電池。

　　(6)通信裝置

　　由無線數(shù)傳模塊組成。無線數(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，不受廣播電視，移動通信干擾，實現(xiàn)相鄰路燈終端之間的通信。