浅谈太阳能照明的原理、组成及控制系统

2013-12-18 21:21:43来源: 互联网

 0 引言

  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。

  1 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。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转换为电能,或送至蓄电池中存储起来。太阳能电池主要用单晶硅、多晶硅为材料。单晶硅的光电转换效率为13%~15%,多晶硅为11%~13%。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MCU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,控制MOSFET器件的开通和关断,达到各种控制和保护功能。

  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、Ni-Cd蓄电池、Ni-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,容量过大,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,系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20%~30%,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、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。随着技术进步,LED的性能将进一步提高。

  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。

  2 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。系统组成结构如图1所示:

  

  图1 太阳能路灯微机监控系统组成结构

  2)功能控制

  (1)太阳能路灯控制器的基本要求

  太阳能路灯由多个LED灯串联而成,路灯照明系统不但消耗大量的电能,而且还需要投入巨额的日常维护费用,给城市带来电力供应和财政支出的双重压力。制定“按需照明”的供电策略可以缓解这一矛盾。通过编程可以实现对分布在城市繁华路段的路灯机动灵活的控制,可在任意时间段内通过PWM方式实现开关控制,以达到既节电又烘托城市灯光气氛的目的。控制基本要求如下:

  ①对前半夜与后半夜的亮度进行控制,控制比例依情况而定;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半夜灯策略,即前半夜开灯,后半夜关灯,蓄电池现有电量只供前半夜照明使用。

  太阳能路灯都是以自然光线的强弱来控制照明灯具的开关,这些光控太阳能照明系统的优化设计是系统长期可靠运行的前提。系统容量可以根据当地的地理位置、气象条件和负载状况做出最优化设计。但是由于季节因素,冬天太阳辐射要比夏天少,太阳电池阵冬天产生的电量比夏天少,可是冬天需要照明的电量却比夏天多,从而使照明系统的发电量与需电量形成反差,依然难以平衡月发电量盈余和耗电量亏损。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,人们不断地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,因此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地趋于完善。

  根据太阳能路灯系统的特点,路灯运行要兼顾蓄电池剩余容量的影响。当路灯正常开启时,根据蓄电池剩余容量检测法得到当前蓄电池容量,通过查询后得到蓄电池将要维持的供电时间,平均使用蓄电池现有电量,同时根据当晚可使用的蓄电池电量对路灯照明方式灵活控制,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(PWM)控制(含最大功率跟踪控制)型。本系统采用脉宽调制控制器方式,并选用MOS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LED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(15V)时,自动调低蓄电池的充电电压;此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13.2V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。通过PWM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LED灯,由于相同亮度的情况下,比白炽灯省电约90%,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LED灯串联而成,亮度通过PWM方式可调,即通过EN端改变流经LED的电流,从而调节LED灯亮度,电流强度可以从几毫安到1安培,最终使LED灯达到预期的亮度。

  PWM信号可由微控制器产生,也可由其它脉冲信号产生,PWM信号可使通过LED灯的电流从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的亮度,非常方便和灵活,是最常用的调光方法,PWM的频率可从几十Hz到几千Hz。

  PWM调光是通过控制MOSFET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MOSFET晶体管时,首先要考虑MOSFET的耐压,本系统要求MOSFET的耐压要高于40V;其次,根据驱动LED灯电流的大小,选择MOSFET的IDS的最大电流。在直流供电情况下,首先考虑的是IDS最大电流值和RDS值。一般情况下,应选用MOSFET的IDS最大电流是LED灯驱动电流的5倍以上;另外还要选择MOSFET的内阻要小;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。

  (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

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关键字:太阳能  照明  控制系统

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1218/article_21934.html
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