太陽(yáng)能路燈照明控制系統(tǒng)

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能路燈微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由微機(jī)主控線(xiàn)路、太陽(yáng)能電池板、蓄電池充放電器、中達(dá)電通蓄電池組、LED光源驅(qū)動(dòng)和LED燈等幾部分組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 太陽(yáng)能路燈微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

(1)微機(jī)主控線(xiàn)路

微機(jī)主控線(xiàn)路是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，控制整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的正常運(yùn)行。微機(jī)主控線(xiàn)路具有測(cè)量功能，通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能電池板電壓、蓄電池電壓等參數(shù)的檢測(cè)判斷，控制相應(yīng)線(xiàn)路的開(kāi)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(dòng)線(xiàn)路

充電驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路由MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊及MOSFET組成。MOSFET驅(qū)動(dòng)模塊采用高速光藕隔離，發(fā)射極輸出，有短路保護(hù)和慢速關(guān)斷功能。選用的MOSFET為隔離式、節(jié)能型單片機(jī)開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用IC，驅(qū)動(dòng)LED的全電壓輸入范圍為150V～200V，輸出電流為8A～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(guò)充電驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路完成太陽(yáng)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(dòng)線(xiàn)路

由IGBT驅(qū)動(dòng)模塊及MOSFET組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈亮度的調(diào)節(jié)及路燈的開(kāi)關(guān)。

(4)太陽(yáng)能電池組

太陽(yáng)能電池組由太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。

太陽(yáng)能電池在整個(gè)系統(tǒng)中的作用有兩個(gè)：其一是把太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能，即白天時(shí)，太陽(yáng)能電池給蓄電池充電；其二是太陽(yáng)能電池作為系統(tǒng)的光控元件，從太陽(yáng)能電池兩端電壓的大小，即可檢測(cè)戶(hù)外的光亮程度，也就是從太陽(yáng)能電池電壓的大小來(lái)判斷天黑和天亮及LED照明光源的亮度。

(5)中達(dá)電通蓄電池組

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(chǔ)。蓄電池存儲(chǔ)能量的大小設(shè)計(jì)為自主運(yùn)行期間滿(mǎn)足平均每日電子負(fù)載的需求。一般來(lái)說(shuō)，應(yīng)能儲(chǔ)備5～7天的夜間照明用電量。蓄電池是整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它是整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源設(shè)備，白天時(shí)太陽(yáng)電池給蓄電池充電，晚上，系統(tǒng)和負(fù)載所用電全部由蓄電池來(lái)提供，其次，陰雨天的供電也要靠蓄電池來(lái)完成。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(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊組成。無(wú)線(xiàn)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(dòng)通信干擾，實(shí)現(xiàn)相鄰路燈終端之間的通信。

2.功能控制

(1)太陽(yáng)能路燈控制器的基本要求

太陽(yáng)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(lái)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(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在城市繁華路段的路燈機(jī)動(dòng)靈活的控制，可在任意時(shí)間段內(nèi)通過(guò)PWM方式實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，以達(dá)到既烘托城市燈光氣氛的目的。控制基本要求如下：

1)對(duì)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(kāi)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(kāi)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(yáng)能路燈都是以自然光線(xiàn)的強(qiáng)弱來(lái)控制照明燈具的開(kāi)關(guān)，這些光控太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)長(zhǎng)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(yáng)輻射要比夏天少，太陽(yáng)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(lái)的不足，在太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的發(fā)展中，人們不斷的對(duì)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(lái)越高，因此在太陽(yáng)能各個(gè)組成部分的發(fā)展和協(xié)調(diào)中，太陽(yáng)能照明系統(tǒng)正在不斷地趨于完善。

根據(jù)太陽(yáng)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(kāi)啟時(shí)，根據(jù)蓄電池剩余容量檢測(cè)法得到當(dāng)前蓄電池容量，通過(guò)查詢(xún)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(duì)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

中達(dá)電通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(yáng)能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行效率，還能防止蓄電池組的過(guò)充電和過(guò)放電。蓄電池的過(guò)充電或過(guò)放電對(duì)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(kāi)關(guān)控制(含單路和多路開(kāi)關(guān)控制)型和脈寬調(diào)制(PWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。開(kāi)關(guān)控制型中的開(kāi)關(guān)器件，可以是繼電器，也可以是MOS晶體管。脈寬調(diào)制(PWM)控制型只能選用MOS晶體管作為其開(kāi)關(guān)器件。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(kāi)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(lái)的天氣情況，通過(guò)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(duì)蓄電池過(guò)充的保護(hù)功能，即充電電壓高于保護(hù)電壓(15V)時(shí)，自動(dòng)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)陀诰S護(hù)電壓(13.2 V)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(dòng)關(guān)閉負(fù)載開(kāi)關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過(guò)PWM方式充電，既可使太陽(yáng)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(duì)蓄電池的反接、過(guò)充，過(guò)放具有相應(yīng)保護(hù)措施。

(3)太陽(yáng)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(shì)。

太陽(yáng)能路燈由多個(gè)LED燈串聯(lián)而成，亮度通過(guò)PWM方式可調(diào)，即通過(guò)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(hào)可由微控制器產(chǎn)生，也可由其它脈沖信號(hào)產(chǎn)生，PWM信號(hào)可使通過(guò)LED燈的電流從0變到額定電流，即可使LED燈從暗變?yōu)檎Ａ炼取WM占空比越小(高電平時(shí)間長(zhǎng))，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KHz。

PWM調(diào)光是通過(guò)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(dòng)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(dòng)電流的5倍以上；另外還要選擇MOSFET的內(nèi)阻要??；LED驅(qū)動(dòng)電流越大，RDS應(yīng)越小，RDS越小，變換效率越高。

城市太陽(yáng)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(guò)去很長(zhǎng)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(dòng)定時(shí)/光電控制、計(jì)算機(jī)程序控制的發(fā)展過(guò)程。用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)城市太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的自動(dòng)控制，對(duì)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(huì)效益。通過(guò)有效的調(diào)節(jié)燈光開(kāi)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。

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