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(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,，通過控制器進行控制及保護，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池中,。當用電時,，蓄電池再將化學(xué)能轉(zhuǎn)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(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?？刂破饔霉I(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(yīng)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(guān)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(shù)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(yīng)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(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：

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,，以達到既節(jié)電又烘托城市燈光氣氛的目的?？刂苹疽笕缦拢?/p>

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(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?shù)氐牡乩砦恢?、氣象條件和負載狀況做出最優(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。

(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(guān)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(guān)閉負載開關(guān)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(shè)計對蓄電池的反接,、過充,，過放具有相應(yīng)保護措施。

(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、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(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(shè)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(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,。