太陽能照明原理、組成及控制系統(tǒng)

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)常用的控制模式進行分析，設計各種實際可行的工作模式，同時光源技術也在不斷的更新?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化為電能，通過控制器進行控制及保護，將電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存在蓄電池中。當用電時，蓄電池再將化學能轉化為電能，供直流負載使用，或者通過逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┙涣髫撦d使用。只有當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。單晶硅的光電轉換效率為13％～15％，多晶硅為11％～13％。目前最新的技術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器件的開通和關斷，達到各種控制和保護功能。 　　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。蓄電池應與太陽能電池、用電負荷（路燈）相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須比負載功率高出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電。蓄電池容量必須比負載日耗量高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，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1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產(chǎn)50lm/W，進口80lm/W。隨著技術進步，LED的性能將進一步提高。 　　5）燈桿及燈具外殼燈桿的高度應根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標準確定。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)結構 　　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光源驅動和LED燈等幾部分組成。系統(tǒng)組成結構如圖1所示： 圖1 太陽能路燈微機監(jiān)控系統(tǒng)組成結構。 　　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費用，給城市帶來電力供應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)開關控制，以達到既節(jié)電又烘托城市燈光氣氛的目的?？刂苹疽笕缦拢? 　　①對前半夜與后半夜的亮度進行控制，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，另一路路燈關閉；③半夜燈策略，即前半夜開燈，后半夜關燈，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，這些光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設計是系統(tǒng)長期可靠運行的前提。系統(tǒng)容量可以根據(jù)當?shù)氐牡乩砦恢?、氣象條件和負載狀況做出最優(yōu)化設計。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)常用的控制模式進行分析，設計各種實際可行的工作模式，同時光源技術也在不斷的更新?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。當路燈正常開啟時，根據(jù)蓄電池剩余容量檢測法得到當前蓄電池容量，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。 　?。?）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重影響。充放電控制功能，按控制方式可分為開關控制（含單路和多路開關控制）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晶體管作為開關器件。當白天晴天的情況下，根據(jù)蓄電池的剩余容量，選擇相應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功能，即充電電壓高于保護電壓（15V）時，自動調(diào)低蓄電池的充電電壓；此后當電壓掉至維護電壓（13.2V）時，蓄電池進入浮充狀態(tài)，當?shù)陀?3.2V后浮充關閉，進入均充狀態(tài)。 　　當蓄電池電壓低于保護電壓（11V）時，控制器自動關閉負載開關以保護蓄電池不受損壞。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。本設計對蓄電池的反接、過充，過放具有相應保護措施。 　?。?）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燈達到預期的亮度。 　　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炼取WM占空比越?。ǜ唠娖綍r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，應選用MOSFET的IDS最大電流是LED燈驅動電流的5倍以上；另外還要選擇MOSFET的內(nèi)阻要?。籐ED驅動電流越大，RDS應越小，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的公共設施，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)燈光開關時間，能夠極大地提高了路燈系統(tǒng)的工作質量和工作效率，為城市照明系統(tǒng)的運行、維護、擴展、提供全面的解決方案和強有力的技術支持，提高了城市照明運行管理水平。 　?。?）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，控制相應線路的開通或關斷，實現(xiàn)各種控制和保護功能。 　?。?）充電驅動線路 　　充電驅動線路由MOSFET驅動模塊及MOSFET組成。MOSFET驅動模塊采用高速光耦隔離，發(fā)射極輸出，有短路保護和快速關斷功能。選用的MOSFET為隔離式、節(jié)能型單片機開關電源專用IC，驅動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)整率和負載調(diào)整率，抗干擾能力強，低功耗。 　　本系統(tǒng)通過充電驅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的保護措施。 　　（3）LED驅動線路 　　由IGBT驅動模塊及MOSFET組成，實現(xiàn)對路燈亮度的調(diào)節(jié)及路燈的開關。 　?。?）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，一個標準組件包括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。當應用系統(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載的需求相符，當光伏陣列本身不能提供足夠的功率時，蓄電池仍能使負載工作。如果電子負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計為自主運行期間滿足平均每日電子負載的需求。一般來說，應能儲備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。 　?。?）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。