太陽能 市電互補LED路燈控制器研究

摘要：文章介紹了一種光電互補LED路燈控制器，該控制器控制太陽能電池板對蓄電池組充放電，實時檢測蓄電池容量，并用光電互補方式對負載供電。同時闡述了太陽能LED路燈采用光電互補技術，既能提高可靠性，又能降低成本，是目前解決太陽能LED路燈照明的最佳選擇，并根據(jù)LED路燈負載計算了蓄電池容量和太陽能電池板容量的匹配關系。 　　引言 　　太陽能作為一種理想的清潔能源，正迅速得到廣泛應用。LED作為固態(tài)光源，壽命長、耗能少，屬綠色光源。隨著大功率LED驅動的研究成功，LED在照明領域得到推廣。由于太陽能電池將光能轉化為直流電壓，通過太陽能電池組件的合理組合，得到LED燈具實際需要的電壓，兩者易于匹配，可獲得很高的利用率，具有較高的安全性，可實現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保的要求。把太陽能LED應用于路燈照明領域，既可節(jié)約大量電纜的成本，易于實現(xiàn)路燈的智能控制，又可節(jié)約大量能源，因此太陽能LED在路燈應用上易于推廣。 　　由于太陽能受天氣因素的制約比較大，太陽光照射分布密度小，受光時間、強度大小具有隨機性、間歇性，要保證太陽能電池輸出電壓的穩(wěn)定，必須利用蓄電池，在白天有陽光時對蓄電池充電，晚上蓄電池給負載LED放電。如果遇到連續(xù)陰雨天氣，對蓄電池容量要求就大，而太陽能電池組容量越大，成本就越高。太陽LED路燈照明系統(tǒng)采用光電互補方式可較好地解決這個矛盾，對推廣太陽能LED路燈控制有著現(xiàn)實和經濟意義。 　　光電互補LED路燈照明系統(tǒng)就是以太陽能電池發(fā)電為主，以普通220V交流電補充電能為輔的路燈照明系統(tǒng)，采用此系統(tǒng)，光伏電池組和蓄電池容量可以設計得小一些，基本上是當天白天有陽光，當天就用太陽能發(fā)電同時給蓄電池充電，到天黑時蓄電池放電把負載LED點亮。在我國大部分地區(qū)，全年基本上都有三分之二以上的晴朗天氣，這樣該系統(tǒng)全年就有三分之二以上的時間用太陽能照亮路燈，剩余時間用市電補充能量，既減小了太陽能光伏照明系統(tǒng)的一次性投資，又有著顯著的節(jié)能減排效果，是太陽能LED路燈照明在現(xiàn)階段推廣和普及的有效方法。 　　1光電互補LED照明系統(tǒng)設計 　　1.1LED照明負載 　　假設光電互補LED路燈燈桿高度為10m，光照光通量大約25lm，選用1W、3.3V、350mA的LED燈組成兩路路燈，每一路14串2并共28W，兩路為56W。設路燈每天平均照明10小時，LED路燈前5小時全亮，后5小時亮度減半，即電池消耗減少一半。 　　所需實際驅動電流為350mA×2×2=1.4A 　　每天以10小時計算，負載所需安時數(shù)為1.4A×5h+1.4A×0.5×5h=10.5Ah 　　電壓為3.3V×14=46.2V 　　1.2蓄電池組容量設計 　　1.2.1蓄電池的選用 　　太陽能路燈用蓄電池由于頻繁處于充電、放電循環(huán)中，而且會經常發(fā)生過充或深度放電等情況，因此蓄電池工作性能和循環(huán)壽命成為最受關注的問題。閥控式密閉型鉛酸電池具有不需要維護、不向空氣中排出氫氣和酸霧、安全性好、價格低等優(yōu)點，因而被廣泛應用。蓄電池過充電、過放電以及蓄電池環(huán)境溫度等都是影響蓄電池壽命的重要因素，所以在控制器中要重點采取保護措施。 　　1.2.2蓄電池組容量的計算 　　在光電互補路燈系統(tǒng)中，是靠太陽能和市電互補對LED路燈進行供電的。由于太陽光隨天氣變化差別很大，白天太陽光強時，太陽能電池板給蓄電池充電；晚上蓄電池給負載供電。陰天時，負載用電從蓄電池取得，當蓄電池放電電壓降到最低允許限度時，自動轉為市電補給。蓄電池的容量對保證可靠性供電很重要，電池容量過大導致成本價格升高，容量過小，又不能充分利用太陽能達到節(jié)能的目的。 　　蓄電池容量Bc計算公式Bc=A×QL×NL×T0/CCAh（1） 　　式（1）中A為安全系數(shù)，取1.1～1.4之間，本式為A=1.2； 　　QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時，QL=10.5Ah； 　　NL為最長連續(xù)陰雨天數(shù)，由于采用光電互補，故可以取NL=1天； 　　T0為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上為1.1，-10℃以下取1.2，本式取T0=1.1； 　　CC為蓄電池放電深度，一般鉛酸電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.8，本式中CC=0.75。 　　因此，Bc=A×QL×NL×T0/CC=1.2×10.5×1×1.1/0.75=18.5Ah，實際設計中，我們選用48V、40Ah免維護閥控密封鉛酸蓄電池。 　　1.2.3太陽能電池方陣設計 　　太陽能電池組件以一定數(shù)目串聯(lián)起來，可獲得所需要的工作電壓。但是太陽能電池的串聯(lián)必須適當，串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓，太陽能電池組方陣就不能對蓄電池充電；若串聯(lián)數(shù)太多，使輸出電壓遠高于浮充電壓時，充電電流也不會有明顯增加。因此，只有當太陽能電池組件串聯(lián)電壓等于合適充電電壓時，才能達到最佳狀態(tài)。 　　太陽能電池組的輸出電壓一般取蓄電池電壓的1.2～1.5倍，當取1.35倍時，蓄電池電壓為48V×1.35=64.8V，此處取65V。 　　若當天無太陽光時，蓄電池晚上給負載放電容量為Bcb=A×QL×NL=1.2×10.5×1=12.6Ah 　　鄭州地區(qū)按5小時太陽光給蓄電池充電，電流為I=12.6Ah/5h=2.52A 　　所以太陽能電池方陣功率為P=UI=65V×2.52A=163.8W 　　實際可采用4塊36V48W太陽能電池板，共192W，分兩組，每組2塊串聯(lián)，電壓為72V。 　　2控制器及工作原理簡介 　　2.1光電互補LED路燈控制器系統(tǒng)結構 　　光電互補LED路燈控制系統(tǒng)結構框圖如圖1所示，本系統(tǒng)中關鍵部件是控制器，控制器的功能主要有： 　?。?）白天對太陽能電池板的電壓和電流進行檢測，通過MPPT算法追蹤太陽能電池板最大輸出功率點，使太陽能電池板以最大輸出功率給蓄電池充電，并控制太陽能電池對蓄電池進行充電的方式； 　?。?）控制光電互補自動轉換，晚上控制蓄電池放電，驅動LED負載照明；當在太陽光照不足或陰雨天氣，蓄電池放電電壓達最低電壓時，能自動切換到市電供LED路燈點亮； 　?。?）對蓄電池實行過放電保護、過充電保護、短路保護、反接保護和極性保護； 　?。?）控制LED燈的開關，通過對外環(huán)境監(jiān)測，可以控制LED燈開燈、關燈時間。 　　2.2充電電路及輸出控制 　　2.2.1充電電路 　　充電電路用來調節(jié)充電電流與電壓，使太陽能電池板穩(wěn)定地對蓄電池充電。由于每天在各個時段太陽能電池板所轉換的太陽輻射能不同，使得太陽能電池輸出的電流和電壓各不相同，這就需要通過必要的充電電路來控制。本電路就是用TL494實現(xiàn)的電壓型脈寬調制（PWM）控制電路，電路圖如圖2所示。 　　當R12所接的單片機給4腳一個高電平時，TL494的截止時間增大到100%，TL494不工作，這樣就可以通過4腳輸入的電平高低決定是否對蓄電池充電。TL494的12腳接電源，14腳輸出的5V基準電壓供單片機使用，同時R5、R6的分壓作為TL494中誤差放大器1的同相端（2腳）恒壓充電時的參考電壓信號，電池正極電壓經R2、R3分壓作為誤差放大器1的反相端（1腳）輸入恒壓充電的給定電壓信號，兩者之間的偏差作為恒壓調壓器使用。 　　2腳和3腳間引入阻容元件，校正改善誤差放大器的頻響。系統(tǒng)工作時，實時檢測太陽能電池板的輸出電壓、蓄電池的電壓，并根據(jù)各個電壓值的不同狀況，控制太陽能電池對蓄電池充電與否，并根據(jù)設定的路燈時控或光控方式，控制LED路燈是否點亮，以及點亮時供電方式在蓄電池和市電之間的合理切換。TL494主要在單片機程序控制下完成對蓄電池、太陽能電池板的檢測以及充放電控制。 　　路燈的照明時間可以依據(jù)H1～H4上的直撥開關進行設置，每檔對應時間為1小時、2小時、4小時、8小時，這樣就可以通過不同的組合在1～15小時內作調整。系統(tǒng)軟件的控制流程圖如圖3所示。 　　在工作過程中，單片機會一直檢測太陽能電池和蓄電池的電壓，當太陽能電池的輸出電壓高于蓄電池2V以上，同時蓄電池的電量沒滿，單片機的11腳輸出低電平，芯片TL494開始工作，通過MOS管Q1對蓄電池充電。當充滿后，轉入浮充狀態(tài)，對蓄電池的自放電情況進行電量補償。 　　對蓄電池的充電，開始是大電流恒流充電狀態(tài)，充電電流為Imax。當蓄電池的電壓達到52.8V時，充電器處于恒壓充電狀態(tài)，充電電流持續(xù)下降，當電流下降到250mA并且蓄電池的電壓上升到56.4V左右不變時，蓄電池的電量已達額定容量的100%，電路進入浮充階段，給電池提供的浮充電壓抵消了蓄電池的自放電。當蓄電池的電壓達到57.6±0.2V，蓄電池達到過充電壓點，單片機的11腳輸出高電平，芯片TL494結束工作，蓄電池充電結束。 　　3結論 　　通過對光電互補LED路燈系統(tǒng)設計和實際測試觀察，其結果基本符合設計要求，但必須經過實際長期運行，不斷完善設計，才能達到太陽能有效利用、蓄電池容量匹配最合理、成本降到最低、性能價格比最好。（李文方，李海霞，陳嘉義　黃河科技學院信息工程學院，河南鄭州）