太阳能照明原理、组成及控制系统.pdf

2 0 1 0 年 第1 期 总第2 6 期 城 市 亮 化 专 题 研 究【摘要】本 文 阐述 了太 阳能路 灯 的基本 原理。其 组 成主要有 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。此 外，本 文从 系统结构 和功 能控制 两个方 面介绍 了太阳能路灯 照明控制 系统 关键词】太 阳能路 灯基本原理控制 系统 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 明灯 的设 计 中涉 及 多 个 环 节，其 中任 何 一 个 环 节 出现 问题 都 会 造 成 产 品缺 陷。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 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。一、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，其 工 作 原理 如 图1 所 示。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 能楼 道 灯 包 括 有 个 安 装 在 建 筑 物 楼 顶 的 太 阳 能 电池 和 安 装 在 各 个 楼 层 的 照 明 灯，以及 统 一 安 放 的 蓄 电 池，充 放 电控 制 器。蓄 电 池 与 各 楼 层 的 照 明 灯 通 过 导 线 连 接。负 载采 用L E D 灯 具，并 配 合 声光 控 开关 工 作。白天，太 阳 能 电池 组 件 在 一 定 强 度 的太 阳 光 照 射 下 产 生 电能，通 过 太 阳 能 充 放 电控 制 器 存储 到 蓄 电池 内；夜 晚，蓄 电池 通 过 充 放 电控 制 器 为 负 载 提 供 电能。通 常，太 阳 能 系统在 设计 时会 根据 实际情 况增大蓄 电池 的 容量，队保 证 阴雨天 的照 明。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 能力 转 换 为 电 能，或 送 至 蓄 电池 中存 储 起 来。太 阳能 电池 主 要 使 用 单 晶 硅 为 材 料。用 单 晶硅 做 成 类 似 二 极 管 中 的P N 结。工 作 原理 和 二极 管 类似。只 不过 在 二 极 管 中，推动P N 结 空穴 和 电子运 动 的 是外 部 电场，而在 太 阳能 电池 中推动 和 影 响P N 结 空 穴 和 电子 运 动 的 是 太 阳 光 子 和 光 辐 射 热。也 就 是 通 常 所 说 的 光 生 伏 特 效 应 原 理。目前 光 电 转 换 的 效 率，大 约 是 光 伏 电池 效 率 大 约 是 单 晶硅i 3 一l 5，多 晶硅 1 l 一1 3 。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M C U 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 NM O S F E T 器 件 的开 通 和 关 断，达 到各 种 控 制 和 保 护 功 能。皇 明智 能型 太 阳 能灯 具 控 制 器 能 为 蓄 电池 提 供 全 面 保 护，使 蓄 电池 更 能可靠 地长 久工 作。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、N i C d 蓄 电池、N i-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，蓄 电池 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 电一 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 专 题 研 究 城 市 亮 化 2 0 1 0 年 第1 期 总第2 6 期 常 工 作。太 阳 能 电池 的 电压 要 超 过 蓄 电池 的 工 作 电压2 0 3 O ，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、L E D 光源。L E D 灯 光 源，寿 命 长，可 达 1 0 0 O 0 O O d 时，工 作 电压 低，不 需 要 逆 变 器，光 效 较 高，国产5 O L m w，进 口8 O L m w。随着 技 术 进 步，L E D 的 性 能 将 进 一 步 提 高。笔 者 认 为 L E D 作为太 阳 能路灯 的光源 将 是一种趋 势。目前 多数 草坪 灯 选用L E D 作 为光 源，主要 利 用 太 阳 能 电 池 的 能源 来 进 行 工 作。当 白天 太 阳 光 照 射 在 太 阳 能 电 池 上，把 光 能转 变 成 电能 存 贮 在 蓄 电池 中，再 由蓄 电池 在 晚 间 为 草 坪 灯 的L E D(发 光 二 极 体)提 供 电 源。L E D 节 能、安 全、寿 命 长，工 作 电压 低，非 常 适 合 应 用在 太 阳 能草 坪 灯 上。特 别是L E D 技术 已经 经 历 了其 关 键 的突 破，并且 其 特 性在 过 去5 年 中有 很 大 提 高，其 性 能 价 格 比也 有 较 大 的 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。二、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、L E D 光 源 驱 动 和L E D 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(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M O S F E T 驱 动 模 块 及 M O S F E T 组 成。M O S F E T 驱 动 模 块 采 用 高 速 光 藕 隔 离，发 射 极 输 出，有 短 路 保 护 和 慢 速 关 断 功 能。选 用 的M O S F E T 为 隔 离 式、节 能 型 单 片 机 开 关 电源 专 用I C，驱动L E D 的 全 电压 输 入 范 围为1 5 O V a2 O O V，输 出电流 为8 A 9 A。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)L E D 驱 动线 路 由I G B T 驱 动 模 块 及M O S F E T 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 5 V，工 作 电 流 约 为2 0 2 5 m A c m ，面 积 为1 0 c m 1 0 C m)以串、并 方式 连接 成 组 件，一个 标 准 组 件 包 括3 6 片 单 体，使 一 个 太 阳 能 电池 组件 大 约 能产 生l 7 V 的 电压，成 为 一 个额 3 4 专 题 研 究 城 市 亮 化 2 0 1 0 年 第1 期 总第2 6 期(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(P W M)控 制(含 最 大 功 率跟 踪控 制)型。开关 控 制 型 中 的开 关 器 件，可 以是 继 电器，也 可 以是M O S 晶 体 管。脉 宽调 制(P W M)控 制 型 只 能 选 用M O S 晶体管 作 为其 开 关 器件。本系 统 采 用 脉 宽调 制 控制 器 方 式，并 选用M O S 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L E D 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(1 5 V)时，自动 调 低 蓄 电池 的 充 电 电压；此 后 当 电压 掉 至 维 护 电压(1 3 2 V)时，蓄 电池进 入 浮充 状态，当 低 于 维 护 电压(1 3 2 V)后 浮 充 关 闭，进 入 均 充 状 态。当蓄 电池 电 压 低 于 保 护 电 压(1 l V)时，控 制 器 自动 关 闭负 载 开 关 以保 护 蓄 电池 不 受损 坏。通 过P W M 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L E D 灯，由于相 同亮度 的情 况 下，比 白炽灯 省 电约9 0 ，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L E D 灯 串联 而 成，亮 度 通 过P W M 方式 可调，即通过E N 端 改变流 经L E D 的 电流，从 而 调 节L E D 灯 亮度，电流强 度 可 以从 几 毫 安 到 1 安 培，最 终 使L E D 灯 达 到 预 期 的 亮 度。P W M 信 号 可 由微控 制 器产 生，也可 由其它 脉 冲 信 号 产 生，P W M 信 号 可 使 通 过L E D 灯 的 电 流 从0 变到额 定 电流，即可 使L E D 灯 从暗变 为正 常 亮 度。P W M 占空 比越 小(高 电平 时 间 长)，亮 度 越 高。利 用P W M 控$L E D 的 亮 度，非 常 方 便 和 灵 活，是最 常 用 的调 光 方法，P W M 的频 率可 从 几十H z N几千K H Z。P W M 调 光 是 通 过 控 制M O S F E T 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M O S F E T 晶体 管 时，首 先 要 考 虑M O S F E T 的耐 压，本 系统 要 求M O S F E T 的 耐压 要 高 于4 0 V；其 次，根 据 驱动 L E D 灯 电 流 的 大 小，选 择M O S F E T 的I D S 的最 大 电 流。在 直 流 供 电 情 况 下，首 先 考 虑 的 是 I D S 最 大 电 流 值 和R D S 值。一 般 情 况 下，应 选 用 M O S F E T 的I D s 最 大 电流 是L E D 灯 驱 动 电流 的 5 倍 以上；另外 还 要选 择M O S F E T 的 内阻要 小；L E D 驱 动 电流 越 大，R D S 应越 小，R D S 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。军