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太陽能照明原理組成及控制系統(tǒng)

2017-04-21

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(jì)各種實(shí)際可行的工作模式,,同時(shí)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(gè)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(dú)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(shí),,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(shí)間無光照以致電池中的電能用完時(shí),,這個(gè)裝置才停止工作。

太陽能路燈由以下幾個(gè)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(jià)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(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(shí)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(shí)造成浪費(fèi),。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(shí),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(shí)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由微機(jī)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(jī)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(gè)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(fèi)用,,給城市帶來電力供應(yīng)和財(cái)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(shí)現(xiàn)對分布在城市繁華路段的路燈機(jī)動靈活的控制,,可在任意時(shí)間段內(nèi)通過PWM方式實(shí)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??刂苹疽笕缦拢?/p>

①對前半夜與后半夜的亮度進(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(qiáng)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(jì)是系統(tǒng)長期可靠運(yùn)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(jì)。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(jì)各種實(shí)際可行的工作模式,同時(shí)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(gè)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(diǎn),,路燈運(yùn)行要兼顧蓄電池剩余容量的影響。當(dāng)路燈正常開啟時(shí),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(shí)間,,平均使用蓄電池現(xiàn)有電量,同時(shí)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(gè)系統(tǒng)的重要功能,它影響整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的運(yùn)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(shí),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(shí),,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(shí),,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(jì)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(yùn)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(gè)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(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)的。

由于本系統(tǒng)路燈單元采用的電壓是由幾個(gè)蓄電池串聯(lián)產(chǎn)生的,,所以選用MOSFET晶體管時(shí),,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(shí)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(shí)/光電控制、計(jì)算機(jī)程序控制的發(fā)展過程,。用計(jì)算機(jī)來實(shí)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(jì)和社會效益,。通過有效的調(diào)節(jié)燈光開關(guān)時(shí)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(yùn)行,、維護(hù)、擴(kuò)展,、提供全面的解決方案和強(qiáng)有力的技術(shù)支持,,提高了城市照明運(yùn)行管理水平。

(1)微機(jī)主控線路,。

微機(jī)主控線路是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,,控制整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的正常運(yùn)行。微機(jī)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(shí)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(jī)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(qiáng),,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(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)組件包括36片單體,使一個(gè)太陽能電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓,,成為一個(gè)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(shí),,可把多個(gè)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(shí),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(shí)工作,,就需要能量的存儲。蓄電池存儲能量的大小設(shè)計(jì)為自主運(yùn)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(dú)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(shí)加以使用,,所以在多數(shù)獨(dú)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(qiáng),,不受廣播電視,,移動通信干擾,實(shí)現(xiàn)相鄰路燈終端之間的通信,。


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