太阳能照明原理、组成及控制系统的设计

admin

0 引言
随着全球能源的日益紧张，太阳能光伏照明得到了迅速发展。在太阳能照明系统的发展中，人们不断的对照明系统常用的控制模式进行分析，设计各种实际可行的工作模式，同时光源技术也在不断的更新换代中，蓄电池的充电模式也在不断的研究探索中，有效利用率越来越高。在太阳能各个组成部分的发展和协调中，太阳能照明系统正在不断发展完善。
1 太阳能灯的原理及组成
太阳能灯具系统为直流型独立光伏系统。太阳能电池组件将太阳能转化为电能，通过控制器进行控制及保护，将电能转变为化学能储存在蓄电池中。当用电时，蓄电池再将化学能转化为电能，供直流负载使用，或者通过逆变器逆变为交流电供交流负载使用。只有当长时间无光照以致电池中的电能用完时，这个装置才停止工作。
太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳，有的还要配置逆变器。
1）太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。太阳能电池主要用单晶硅、多晶硅为材料。单晶硅的光电转换效率为13％～15％，多晶硅为11％～13％。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。
2）太阳能控制器
太阳能灯具系统中最重要的一环是控制器，其性能直接影响到系统寿命，特别是蓄电池的寿命。控制器用工业级MCU做主控制器，通过对环境温度的测量，对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数的检测判断，控制MOSFET器件的开通和关断，达到各种控制和保护功能。
3）蓄电池
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%～30%，才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
4）光源
太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
LED灯光源寿命长，可达1000000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50lm/W，进口80lm/W。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。
5）灯杆及灯具外壳灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。灯具外壳根据我们收集了许多国外太阳灯资料，在美观和节能之间，大多数都选择节能，灯具外观要求不高，相对实用就行。
2太阳能路灯照明控制系统
1）系统结构
太阳能路灯微机监控系统由微机主控线路、太阳能电池板、蓄电池充放电器、蓄电池组、LED光源驱动和LED灯等几部分组成。系统组成结构如图1所示：

图1 太阳能路灯微机监控系统组成结构
2）功能控制
（1）太阳能路灯控制器的基本要求
太阳能路灯由多个LED灯串联而成，路灯照明系统不但消耗大量的电能，而且还需要投入巨额的日常维护费用，给城市带来电力供应和财政支出的双重压力。制定“按需照明”的供电策略可以缓解这一矛盾。通过编程可以实现对分布在城市繁华路段的路灯机动灵活的控制，可在任意时间段内通过PWM方式实现开关控制，以达到既节电又烘托城市灯光气氛的目的。控制基本要求如下：
①对前半夜与后半夜的亮度进行控制，控制比例依情况而定；②开启单边路灯策略，即蓄电池现有电量只供一路路灯照明，另一路路灯关闭；③半夜灯策略，即前半夜开灯，后半夜关灯，蓄电池现有电量只供前半夜照明使用。
太阳能路灯都是以自然光线的强弱来控制照明灯具的开关，这些光控太阳能照明系统的优化设计是系统长期可靠运行的前提。系统容量可以根据当地的地理位置、气象条件和负载状况做出最优化设计。但是由于季节因素，冬天太阳辐射要比夏天少，太阳电池阵冬天产生的电量比夏天少，可是冬天需要照明的电量却比夏天多，从而使照明系统的发电量与需电量形成反差，依然难以平衡月发电量盈余和耗电量亏损。为了提高照明系统发电量的利用率，克服系统缺电带来的不足，在太阳能照明系统的发展中，人们不断地对照明系统常用的控制模式进行分析，设计各种实际可行的工作模式，同时光源技术也在不断的更新换代中，蓄电池的充电模式也在不断的研究探索中有效利用率越来越高，因此在太阳能各个组成部分的发展和协调中，太阳能照明系统正在不断地趋于完善。
根据太阳能路灯系统的特点，路灯运行要兼顾蓄电池剩余容量的影响。当路灯正常开启时，根据蓄电池剩余容量检测法得到当前蓄电池容量，通过查询后得到蓄电池将要维持的供电时间，平均使用蓄电池现有电量，同时根据当晚可使用的蓄电池电量对路灯照明方式灵活控制，合理使用蓄电池现有电量。
（2）蓄电池充放电控制功能
蓄电池充放电控制是整个系统的重要功能，它影响整个太阳能路灯系统的运行效率，还能防止蓄电池组的过充电和过放电。蓄电池的过充电或过放电对其性能和寿命有严重影响。充放电控制功能，按控制方式可分为开关控制（含单路和多路开关控制）型和脉宽调制（PWM）控制（含最大功率跟踪控制）型。本系统采用脉宽调制控制器方式，并选用MOS晶体管作为开关器件。当白天晴天的情况下，根据蓄电池的剩余容量，选择相应的占空比方式向蓄电池充电，力求高效充电；夜间根据蓄电池的剩余容量及未来的天气情况，通过调整占空比方式进而调节LED灯亮度，以保证均衡合理使用蓄电池。
此外系统还具有对蓄电池过充的保护功能，即充电电压高于保护电压（15V）时，自动调低蓄电池的充电电压；此后当电压掉至维护电压（13.2V）时，蓄电池进入浮充状态，当低于13.2V后浮充关闭，进入均充状态。
当蓄电池电压低于保护电压（11V）时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM方式充电，既可使太阳能电池板发挥最大功效，又提高了系统的充电效率。本设计对蓄电池的反接、过充，过放具有相应保护措施。
（3）太阳能路灯运行方式控制功能
高亮度大电流LED灯，由于相同亮度的情况下，比白炽灯省电约90%，得到了广泛的应用，现已有逐渐替代常规照明灯的趋势。
太阳能路灯由多个LED灯串联而成，亮度通过PWM方式可调，即通过EN端改变流经LED的电流，从而调节LED灯亮度，电流强度可以从几毫安到1安培，最终使LED灯达到预期的亮度。
PWM信号可由微控制器产生，也可由其它脉冲信号产生，PWM信号可使通过LED灯的电流从0变到额定电流，即可使LED灯从暗变为正常亮度。PWM占空比越小（高电平时间长），亮度越高。利用PWM控制LED的亮度，非常方便和灵活，是最常用的调光方法，PWM的频率可从几十Hz到几千Hz。
PWM调光是通过控制MOSFET晶体管实现的。
由于本系统路灯单元采用的电压是由几个蓄电池串联产生的，所以选用MOSFET晶体管时，首先要考虑MOSFET的耐压，本系统要求MOSFET的耐压要高于40V；其次，根据驱动LED灯电流的大小，选择MOSFET的IDS的最大电流。在直流供电情况下，首先考虑的是IDS最大电流值和RDS值。一般情况下，应选用MOSFET的IDS最大电流是LED灯驱动电流的5倍以上；另外还要选择MOSFET的内阻要小；LED驱动电流越大，RDS应越小，RDS越小，变换效率越高。
城市太阳能路灯是和人民生活密切相关的公共设施，它在一定程度上反映了城市的繁荣程度及发展水平。在过去很长一段时间内，路灯的更新多是局限于其照明部分，随着城市及电子技术的发展，城市路灯系统经历了手工控制、自动定时/光电控制、计算机程序控制的发展过程。用计算机来实现城市太阳能路灯系统的自动控制，对于提高城市的现代化管理水平，节省人力、物力，都具有良好的经济和社会效益。通过有效的调节灯光开关时间，能够极大地提高了路灯系统的工作质量和工作效率，为城市照明系统的运行、维护、扩展、提供全面的解决方案和强有力的技术支持，提高了城市照明运行管理水平。
（1）微机主控线路。
微机主控线路是整个系统的控制核心，控制整个太阳能路灯系统的正常运行。微机主控线路具有测量功能，通过对太阳能电池板电压、蓄电池电压等参数的检测判断，控制相应线路的开通或关断，实现各种控制和保护功能。
（2）充电驱动线路
充电驱动线路由MOSFET驱动模块及MOSFET组成。MOSFET驱动模块采用高速光耦隔离，发射极输出，有短路保护和快速关断功能。选用的MOSFET为隔离式、节能型单片机开关电源专用IC，驱动LED的全电压输入范围为150～200V，输出电流为8～9A。输入电压范围宽，具有良好的电压调整率和负载调整率，抗干扰能力强，低功耗。
本系统通过充电驱动线路完成太阳能电池组向蓄电池的充电，电路中还提供了相应的保护措施。
（3）LED驱动线路
由IGBT驱动模块及MOSFET组成，实现对路灯亮度的调节及路灯的开关。
（4）太阳能电池组
太阳能电池组由太阳能电池单体（工作电压约为0.5V,工作电流约为20～25mA/cm2,面积为10cm×10cm）以串、并方式连接成组件，一个标准组件包括36片单体，使一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，成为一个额定电压为12V的蓄电池池组。当应用系统需要更高的电压和电流组件时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。
（5）蓄电池组
由于从光伏阵列得到的能量不总是与电子负载的需求相符，当光伏阵列本身不能提供足够的功率时，蓄电池仍能使负载工作。如果电子负载需要在夜间或在多云或阴天时工作，就需要能量的存储。蓄电池存储能量的大小设计为自主运行期间满足平均每日电子负载的需求。一般来说，应能储备5～7天的夜间照明用电量。在独立光伏系统中，由光伏阵列产生的电能不总是在电能产生的同时加以使用，所以在多数独立光伏系统中需要蓄电池。
（6）通信装置
由无线数传模块组成。无线数传模块支持GPRS,带有RS-232接口，通信距离达100米，抗干扰性强，不受广播电视，移动通信干扰，实现相邻路灯终端之间的通信。