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太阳能照明原理 组成及控制系统
摘 要：本文叙述了太阳能路灯基础原理。其组成关键有太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳，有还要配置逆变器。另外，本文从系统结构和功效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 基础原理 控制系统
　　伴随全球能源日益担心，太阳能光伏照明得到了快速发展。在太阳能照明灯设计中包含多个步骤，其中任何一个步骤出现问题全部会造成产品缺点。为了提升照明系统发电量利用率，克服系统缺电带来不足，在太阳能照明系统发展中，大家不停对照明系统常见控制模式进行分析，设计多种实际可行工作模式，同时光源技术也在不停更新换代中，蓄电池充电模式也在不停研究探索中有效利用率越来越高。在太阳能各个组成部分发展和协调中，太阳能照明系统正在不停发展完善。
　　一、太阳能灯原理及组成
　　太阳能灯具系统为直流型独立光伏系统，其工作原理。太阳能电池组件将太阳能转化为电能，经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，或经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电能用完时，这个装置才停止工作。
　　太阳能楼道灯包含有—个安装在建筑物楼顶太阳能电池和安装在各个楼层照明灯，和统一安放蓄电池，充放电控制器。蓄电池和各楼层照明灯经过导线连接。负载采取LED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太阳光照射下产生电能，经过太阳能充放电控制器存放到蓄电池内；夜晚，蓄电池经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依据实际情况增大蓄电池容量，队确保阴雨天照明。
　　太阳能路灯由以下多个部分组成：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关键部分，也是太阳能路灯中价值最高部分。其作用是将太阳辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存放起来。太阳能电池关键使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中P-N结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中，推进P-N结空穴和电子运动是外部电场，而在太阳能电池中推进和影响P-N结空穴和电子运动是太阳光子和光辐射热。也就是通常所说光生伏特效应原理。现在光电转换效率，大约是光伏电池效率大约是单晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。现在最新技术还包含光伏薄膜电池。
　　2、太阳能控制器
　　太阳能灯具系统中最关键一环是控制器，其性能直接影响到系统寿命，尤其是蓄电池寿命。控制器用工业级MCU做主控制器，经过对环境温度测量，对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数检测判定，控制MOSFET器件开通和关断，达成多种控制和保护功效。皇明智能型太阳能灯具控制器能为蓄电池提供全方面保护，使蓄电池更能可靠地长久工作。
　3、蓄电池
　　因为太阳能光伏发电系统输入能量极不稳定，所以通常需要配置蓄电池系统才能工作。通常有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。蓄电池容量选择通常要遵照以下标准：首先在能满足夜晚照明前提下，把白天太阳能电池组件能量尽可能存放下来，同时还要能够存放满足连续阴雨天夜晚照明需要电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明需要，蓄电池过大，首先蓄电池一直处于亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应和太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一个简单方法确定它们之间关系。太阳能电池功率必需比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池电压要超出蓄电池工作电压20~30%，才能确保给蓄电池正常负电。蓄电池容量必需比负载日耗量高6倍以上为宜。
　　4、光源
　　太阳能路灯采取何种光源是太阳能灯具是否能正常使用关键指标，通常太阳能灯具采取低压节能灯、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。伴随技术进步，LED性能将深入提升。笔者认为LED作为太阳能路灯光源将是一个趋势。
现在多数草坪灯选择LED作为光源，关键利用太阳能电池能源来进行工作。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LED发光二极体)提供电源。LED节能、安全、寿命长，工作电压低，很适合应用在太阳能草坪灯上。尤其是LED技术已经经历了其关键突破，而且其特征在过去5年中有很大提升，其性能价格比也有较大提升。
　　5、灯杆及灯具外壳
　　灯杆高度应依据道路宽度、灯具间距，道路照度标正确定。灯具外壳依据我们搜集了很多国外太阳灯资料，在美观和节能之间，大多数全部选择节能，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、LED光源驱动和LED灯等几部分组成。系统组成结构图1所表示：

　　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控制关键，控制整个太阳能路灯系统正常运行。微机主控线路含有测量功效，经过对太阳能电池板电压、蓄电池电压等参数检测判定，控制对应线路开通或关断，实现多种控制和保护功效。
(2)充电驱动线路
　　充电驱动线路由MOSFET驱动模块及MOSFET组成。MOSFET驱动模块采取高速光藕隔离，发射极输出，有短路保护和慢速关断功效。选择MOSFET为隔离式、节能型单片机开关电源专用IC，驱动LED全电压输入范围为150V～200V，输出电流为8A～9A。输入电压范围宽，含有良好电压调整率和负载调整率，抗干扰能力强，低功耗。
本系统经过充电驱动线路完成太阳能电池组向蓄电池充电，电路中还提供了对应保护方法。
　　(3)LED驱动线路
　　由IGBT驱动模块及MOSFET组成，实现对路灯亮度调整及路灯开关。
　　(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、并方法连接成组件，一个标准组件包含36片单体，使一个太阳能电池组件大约能产生17V电压，成为一个额定电压为12V蓄电池池组。当应用系统需要更高电压和电流组件时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以取得所需要电压和电流。
　　太阳能电池在整个系统中作用有两个：其一是把太阳光转化为电能，即白天时，太阳能电池给蓄电池充电；其二是太阳能电池作为系统光控元件，从太阳能电池两端电压大小，即可检测户外光亮程度，也就是从太阳能电池电压大小来判定天黑和天亮及LED照明光源亮度。
　　(5)蓄电池组
　　因为从光伏阵列得到能量不总是和电子负载需求相符，当光伏阵列本身不能提供足够功率时，蓄电池仍能使负载工作。假如电子负载需要在夜间或在多云或阴天时工作，就需要能量存放。蓄电池存放能量大小设计为自主运行期间满足平均每日电子负载需求。通常来说，应能贮备5～7天夜间照明用电量。蓄电池是整个太阳能路灯系统关键部分，它是整个太阳能系统贮备能源设备，白天时太阳电池给蓄电池充电，晚上，系统和负载所用电全部由蓄电池来提供，其次，阴雨天供电也要靠蓄电池来完成。在独立光伏系统中，由光伏阵列产生电能不总是在电能产生同时加以使用，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通信。
　　2.功效控制
　　(1)太阳能路灯控制器基础要求
　　太阳能路灯由多个LED灯串联而成，路灯照明系统不仅消耗大量电能，而且还需要投入巨额日常维护费用，给城市带来电力供给和财政支出双重压力。制订“按需照明”供电策略能够缓解这一矛盾。经过编程能够实现对分布在城市繁荣路段路灯机动灵活控制，可在任意时间段内经过PWM方法实现开关控制，以达成既烘托城市灯光气氛目标。控制基础要求以下：
　　1)对前午夜和后午夜亮度进行控制，控制百分比依情况而定；
　　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)午夜灯策略，即前午夜开灯，后午夜关灯，蓄电池现有电量只供前午夜照明使用。
　　太阳能路灯全部是以自然光线强弱来控制照明灯具开关，这些光控太阳能照明系统优化设计是系统长久可靠运行前提。系统容量能够依据当地地理位置、气象条件和负载情况做出最优化设计。不过因为季节原因，冬天太阳辐射要比夏天少，太阳电池阵冬天产生电量比夏天少，可是冬天需要照明电量却比夏天多，从而使照明系统发电量和需电量形成反差，仍然难以平衡月发电量盈余和耗电量亏损。为了提升照明系统发电量利用率，克服系统缺电带来不足，在太阳能照明系统发展中，大家不停对照明系统常见控制模式进行分析，设计多种实际可行工作模式，同时光源技术也在不停更新换代中，蓄电池充电模式也在不停研究探索中有效利用率越来越高，所以在太阳能各个组成部分发展和协调中，太阳能照明系统正在不停地趋于完善。
　　依据太阳能路灯系统特点，路灯运行要兼顾蓄电池剩下容量影响。当路灯正常开启时，依据蓄电池剩下容量检测法得到目前蓄电池容量，经过查询后得到蓄电池将要维持供电时间，平均使用蓄电池现有电量，同时依据当晚可使用蓄电池电量对路灯照明方法灵活控制，合理使用蓄电池现有电量。
　　(2)蓄电池充放电控制功效
　　蓄电池充放电控制是整个系统关键功效，它影响整个太阳能路灯系统运行效率，还能预防蓄电池组过充电和过放电。蓄电池过充电或过放电对其性能和寿命有严重影响。充放电控制功效，按控制方法可分为开关控制(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。开关控制型中开关器件，能够是继电器，也能够是MOS晶体管。脉宽调制(PWM)控制型只能选择MOS晶体管作为其开关器件。本系统采取脉宽调制控制器方法，并选择MOS晶体管作为开关器件。当白天晴天情况下，依据蓄电池剩下容量，选择对应占空比方法向蓄电池充电，努力争取高效充电；夜间依据蓄电池剩下容量及未来天气情况，经过调整占空比方法进而调整LED灯亮度，以确保均衡合理使用蓄电池。
　　另外系统还含有对蓄电池过充保护功效，即充电电压高于保护电压(15V)时，自动调低蓄电池充电电压；以后当电压掉至维护电压(13.2V)时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压(13.2 V)后浮充关闭，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压(11V)时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。经过PWM方法充电，既可使太阳能电池板发挥最大功效，又提升了系统充电效率。本设计对蓄电池反接、过充，过放含有对应保护方法。
　　(3)太阳能路灯运行方法控制功效
　　高亮度大电流LED灯，因为相同亮度情况下，比白炽灯省电约90%，得到了广泛应用，现已经有逐步替换常规照明灯趋势。
　　太阳能路灯由多个LED灯串联而成，亮度经过PWM方法可调，即经过EN端改变流经LED电流，从而调整LED灯亮度，电流强度能够从几毫安到1安培，最终使LED灯达成预期亮度。
　　PWM信号可由微控制器产生，也可由其它脉冲信号产生，PWM信号可使经过LED灯电流从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亮度，很方便和灵活，是最常见调光方法，PWM频率可从几十Hz到几千KHz。
　　PWM调光是经过控制MOSFET晶体管实现。因为本系统路灯单元采取电压是由多个蓄电池串联产生，所以选择MOSFET晶体管时，首先要考虑MOSFET耐压，本系统要求MOSFET耐压要高于40V；其次，依据驱动LED灯电流大小，选择MOSFETIDS最大电流。在直流供电情况下，首先考虑是IDS最大电流值和RDS值。通常情况下，应选择MOSFETIDS最大电流是LED灯驱动电流5倍以上；另外还要选择MOSFET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亲密相关公共设施，它在一定程度上反应了城市繁荣程度及发展水平。在过去很长一段时间内，路灯更新多是局限于其照明部分，伴随城市及电子技术发展，城市路灯系统经历了手工控制、自动定时/光电控制、计算机程序控制发展过程。用计算机来实现城市太阳能路灯系统自动控制，对于提升城市现代化管理水平，节省人力、物力，全部含有良好经济和社会效益。经过有效调整灯光开关时间，能够极大地提升了路灯系统工作质量和工作效率，为城市照明系统运行、维护、扩展、提供全方面处理方案和强有力技术支持，提升了城市照明运行管理水平。