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解析太陽能照明原理、組成和控製係統設計


  隨著全球能源的日益緊張,太陽能光伏照明得到了迅速發展。在太陽能照明係統的發展中,人們不斷的對照明係統常用的控製模式進行分析,設計各種實際可行的工作模式,同時光源技術也在不斷的更新換代中,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展和協調中,太陽能照明係統正在不斷發展完善。

  1 、太陽能燈的原理及組成

  太陽能燈具係統為直流型獨立光伏係統。太陽能電池組件將太陽能轉化為電能,通過控製器進行控製及保護,將電能轉變為化學能儲存在蓄電池中。當用電時,蓄電池再將化學能轉化為電能,供直流負載使用,或者通過逆變器逆變為交流電供交流負載使用。隻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、太陽能控製器、蓄電池組、光源、燈杆及燈具外殼,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矽、多晶矽為材料。單晶矽的光電轉換效率為13%~15%,多晶矽為11%~13%。目前最新的技術還包括光伏薄膜電池。

  2)太陽能控製器

  太陽能燈具係統中最重要的一環是控製器,其性能直接影響到係統壽命,特別是蓄電池的壽命。控製器用工業級MCU做主控製器,通過對環境溫度的測量,對蓄電池和太陽能電池組件電壓、電流等參數的檢測判斷,控製MOSFET器件的開通和關斷,達到各種控製和保護功能。

  3)蓄電池

  由於太陽能光伏發電係統的輸入能量極不穩定,所以一般需要配置蓄電池係統才能工作。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,一方麵蓄電池始終處在虧電狀態,影響蓄電池壽命,同時造成浪費。蓄電池應與太陽能電池、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係。太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上,係統才能正常工作。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50lm/W,進口80lm/W。隨著技術進步,LED的性能將進一步提高。

  5)燈杆及燈具外殼燈杆的高度應根據道路的寬度、燈具的間距,道路的照度標準確定。燈具外殼根據免费A级毛片收集了許多國外太陽燈資料,在美觀和節能之間,大多數都選擇節能,燈具外觀要求不高,相對實用就行。

  2、太陽能路燈照明控製係統

  1)係統結構

  太陽能路燈微機監控係統由微機主控線路、太陽能電池板、蓄電池充放電器、蓄電池組、LED光源驅動和LED燈等幾部分組成。

  2)功能控製

  (1)太陽能路燈控製器的基本要求

  太陽能路燈由多個LED燈串聯而成,路燈照明係統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和財政支出的雙重壓力。製定“按需照明”的供電策略可以緩解這一矛盾。通過編程可以實現對分布在城市繁華路段的路燈機動靈活的控製,可在任意時間段內通過PWM方式實現開關控製,以達到既節電又烘托城市燈光氣氛的目的。控製基本要求如下:

  ①對前半夜與後半夜的亮度進行控製,控製比例依情況而定;②開啟單邊路燈策略,即蓄電池現有電量隻供一路路燈照明,另一路路燈關閉;③半夜燈策略,即前半夜開燈,後半夜關燈,蓄電池現有電量隻供前半夜照明使用。

  太陽能路燈都是以自然光線的強弱來控製照明燈具的開關,這些光控太陽能照明係統的優化設計是係統長期可靠運行的前提。係統容量可以根據當地的地理位置、氣象條件和負載狀況做出最優化設計。但是由於季節因素,冬天太陽輻射要比夏天少,太陽電池陣冬天產生的電量比夏天少,可是冬天需要照明的電量卻比夏天多,從而使照明係統的發電量與需電量形成反差,依然難以平衡月發電量盈餘和耗電量虧損。為了提高照明係統發電量的利用率,克服係統缺電帶來的不足,在太陽能照明係統的發展中,人們不斷地對照明係統常用的控製模式進行分析,設計各種實際可行的工作模式,同時光源技術也在不斷的更新換代中,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展和協調中,太陽能照明係統正在不斷地趨於完善。

  根據太陽能路燈係統的特點,路燈運行要兼顧蓄電池剩餘容量的影響。當路燈正常開啟時,根據蓄電池剩餘容量檢測法得到當前蓄電池容量,通過查詢後得到蓄電池將要維持的供電時間,平均使用蓄電池現有電量,同時根據當晚可使用的蓄電池電量對路燈照明方式靈活控製,合理使用蓄電池現有電量。

  (2)蓄電池充放電控製功能

  蓄電池充放電控製是整個係統的重要功能,它影響整個太陽能路燈係統的運行效率,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。充放電控製功能,按控製方式可分為開關控製(含單路和多路開關控製)型和脈寬調製(PWM)控製(含最大功率跟蹤控製)型。本係統采用脈寬調製控製器方式,並選用MOS晶體管作為開關器件。當白天晴天的情況下,根據蓄電池的剩餘容量,選擇相應的占空比方式向蓄電池充電,力求高效充電;夜間根據蓄電池的剩餘容量及未來的天氣情況,通過調整占空比方式進而調節LED燈亮度,以保證均衡合理使用蓄電池。

  此外係統還具有對蓄電池過充的保護功能,即充電電壓高於保護電壓(15V)時,自動調低蓄電池的充電電壓;此後當電壓掉至維護電壓(13.2V)時,蓄電池進入浮充狀態,當低於13.2V後浮充關閉,進入均充狀態。

  當蓄電池電壓低於保護電壓(11V)時,控製器自動關閉負載開關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揮最大功效,又提高了係統的充電效率。本設計對蓄電池的反接、過充,過放具有相應保護措施。

  (3)太陽能路燈運行方式控製功能

  高亮度大電流LED燈,由於相同亮度的情況下,比白熾燈省電約90%,得到了廣泛的應用,現已有逐漸替代常規照明燈的趨勢。

  太陽能路燈由多個LED燈串聯而成,亮度通過PWM方式可調,即通過EN端改變流經LED的電流,從而調節LED燈亮度,電流強度可以從幾毫安到1安培,最終使LED燈達到預期的亮度。

  PWM信號可由微控製器產生,也可由其它脈衝信號產生,PWM信號可使通過LED燈的電流從0變到額定電流,即可使LED燈從暗變為正常亮度。PWM占空比越小(高電平時間長),亮度越高。利用PWM控製LED的亮度,非常方便和靈活,是最常用的調光方法,PWM的頻率可從幾十Hz到幾千Hz。

  PWM調光是通過控製MOSFET晶體管實現的。

  由於本係統路燈單元采用的電壓是由幾個蓄電池串聯產生的,所以選用MOSFET晶體管時,首先要考慮MOSFET的耐壓,本係統要求MOSFET的耐壓要高於40V;其次,根據驅動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,應選用MOSFET的IDS最大電流是LED燈驅動電流的5倍以上;另外還要選擇MOSFET的內阻要小;LED驅動電流越大,RDS應越小,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的公共設施,它在一定程度上反映了城市的繁榮程度及發展水平。在過去很長一段時間內,路燈的更新多是局限於其照明部分,隨著城市及電子技術的發展,城市路燈係統經曆了手工控製、自動定時/光電控製、計算機程序控製的發展過程。用計算機來實現城市太陽能路燈係統的自動控製,對於提高城市的現代化管理水平,節省人力、物力,都具有良好的經濟和社會效益。通過有效的調節燈光開關時間,能夠極大地提高了路燈係統的工作質量和工作效率,為城市照明係統的運行、維護、擴展、提供全麵的解決方案和強有力的技術支持,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係統的控製核心,控製整個太陽能路燈係統的正常運行。微機主控線路具有測量功能,通過對太陽能電池板電壓、蓄電池電壓等參數的檢測判斷,控製相應線路的開通或關斷,實現各種控製和保護功能。

  (2)充電驅動線路

  充電驅動線路由MOSFET驅動模塊及MOSFET組成。MOSFET驅動模塊采用高速光耦隔離,發射極輸出,有短路保護和快速關斷功能。選用的MOSFET為隔離式、節能型單片機開關電源專用IC,驅動LED的全電壓輸入範圍為150~200V,輸出電流為8~9A。輸入電壓範圍寬,具有良好的電壓調整率和負載調整率,抗幹擾能力強,低功耗。

  本係統通過充電驅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的保護措施。

  (3)LED驅動線路

  由IGBT驅動模塊及MOSFET組成,實現對路燈亮度的調節及路燈的開關。

  (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,麵積為10cm×10cm)以串、並方式連接成組件,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生17V的電壓,成為一個額定電壓為12V的蓄電池池組。當應用係統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

  由於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雲或陰天時工作,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,應能儲備5~7天的夜間照明用電量。在獨立光伏係統中,由光伏陣列產生的電能不總是在電能產生的同時加以使用,所以在多數獨立光伏係統中需要蓄電池。

  (6)通信裝置

  由無線數傳模塊組成。無線數傳模塊支持GPRS,帶有RS-232接口,通信距離達100米,抗幹擾性強,不受廣播電視,移動通信幹擾,實現相鄰路燈終端之間的通信。

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