...wd......wd......wd...太陽能照明原理組成及控制系統摘要：本文闡述了太陽能路燈的基本原理。其組成主要有太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。此外，本文從系統構造和功能控制兩個方面介紹了太陽能路燈照明控制系統

關鍵詞：太陽能路燈基本原理控制系統隨著全球能源的日益緊張，太陽能光伏照明得到了迅速開展。在太陽能照明燈的設計中涉及多個環節，其中任何一個環節出現問題都會造成產品缺陷。為了提高照明系統發電量的利用率，抑制系統缺電帶來的缺乏，在太陽能照明系統的開展中，人們不斷的對照明系統常用的控制模式進展分析，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。在太陽能各個組成局部的開展和協調中，太陽能照明系統正在不斷開展完善。一、太陽能燈的原理及組成太陽能燈具系統為直流型獨立光伏系統，其工作原理。太陽能電池組件將太陽能轉化為電能，通過控制器進展控制及保護，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。只有當長時間無光照以致電池中的電能用完時，這個裝置才停頓工作。太陽能樓道燈包括有—個安裝在建筑物樓頂的太陽能電池和安裝在各個樓層的照明燈，以及統一安放的蓄電池，充放電控制器。蓄電池與各樓層的照明燈通過導線連接。負載采用LED燈具，并配合聲光控開關工作。白天，太陽能電池組件在一定強度的太陽光照射下產生電能，通過太陽能充放電控制器存儲到蓄電池內；夜晚，蓄電池通過充放電控制器為負載提供電能。通常，太陽能系統在設計時會根據實際情況增大蓄電池的容量，隊保證陰雨天的照明。

太陽能路燈由以下幾個局部組成：太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，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局部，也是太陽能路燈中價值最高的局部。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。太陽能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的P-N結。工作原理和二極管類似。只不過在二極管中，推動P-N結空穴和電子運動的是外部電場，而在太陽能電池中推動和影響P-N結空穴和電子運動的是太陽光子和光輻射熱。也就是通常所說的光生伏特效應原理。目前光電轉換的效率，大約是光伏電池效率大約是單晶硅13％－15％，多晶硅11％－13％。目前最新的技術還包括光伏薄膜電池。2、太陽能控制器

太陽能燈具系統中最重要的一環是控制器，其性能直接影響到系統壽命，特別是蓄電池的壽命?？刂破饔霉I級MCU做主控制器，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，控制MOSFET器件的開通和關斷，到達各種控制和保護功能?；拭髦悄苄吞柲軣艟呖刂破髂転樾铍姵靥峁┤姹Ｗo，使蓄電池更能可靠地長久工作。3、蓄電池

由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，所以一般需要配置蓄電池系統才能工作。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，蓄電池過大，一方面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?？捎靡环N簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上，系統才能正常工作。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。筆者認為LED作為太陽能路燈的光源將是一種趨勢。

目前多數草坪燈選用LED作為光源，主要利用太陽能電池的能源來進展工作。當白天太陽光照射在太陽能電池上，把光能轉變成電能存貯在蓄電池中，再由蓄電池在晚間為草坪燈的LED(發光二極體)提供電源。LED節能、安全、壽命長，工作電壓低，非常適合應用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術已經經歷了其關鍵的突破，并且其特性在過去5年中有很大提高，其性能價格比也有較大的提高。5、燈桿及燈具外殼

燈桿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。燈具外殼根據我們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。二、太陽能路燈照明控制系統1.系統構造

太陽能路燈微機監控系統由微機主控線路、太陽能電池板、蓄電池充放電器、蓄電池組、LED光源驅動和LED燈等幾局部組成。系統組成構造如圖1所示：

圖1太陽能路燈微機監控系統組成構造

(1)微機主控線路

微機主控線路是整個系統的控制核心，控制整個太陽能路燈系統的正常運行。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，控制相應線路的開通或關斷，實現各種控制和保護功能。(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藕隔離，發射極輸出，有短路保護和慢速關斷功能。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，具有良好的電壓調整率和負載調整率，抗干擾能力強，低功耗。

本系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,面積為10cm×10cm)以串、并方式連接成組件，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。當應用系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。太陽能電池在整個系統中的作用有兩個：其一是把太陽光轉化為電能，即白天時，太陽能電池給蓄電池充電；其二是太陽能電池作為系統的光控元件，從太陽能電池兩端電壓的大小，即可檢測戶外的光亮程度，也就是從太陽能電池電壓的大小來判斷天黑和天亮及LED照明光源的亮度。(5)蓄電池組

由于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云或陰天時工作，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，應能儲藏5～7天的夜間照明用電量。蓄電池是整個太陽能路燈系統的關鍵局部，它是整個太陽能系統的儲藏能源設備，白天時太陽電池給蓄電池充電，晚上，系統和負載所用電全部由蓄電池來提供，其次，陰雨天的供電也要靠蓄電池來完成。在獨立光伏系統中，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系統中需要蓄電池。(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，抗干擾性強，不受播送電視，移動通信干擾，實現相鄰路燈終端之間的通信。2.功能控制(1)太陽能路燈控制器的基本要求

太陽能路燈由多個LED燈串聯而成，路燈照明系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，給城市帶來電力供給和財政支出的雙重壓力。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制，可在任意時間段內通過PWM方式實現開關控制，以到達既襯托城市燈光氣氛的目的。控制基本要求如下：

1)對前半夜與后半夜的亮度進展控制，控制比例依情況而定；

2)開啟單邊路燈策略，即蓄電池現有電量只供一路路燈照明，另一路路燈關閉；

3)半夜燈策略，即前半夜開燈，后半夜關燈，蓄電池現有電量只供前半夜照明使用。太陽能路燈都是以自然光線的強弱來控制照明燈具的開關，這些光控太陽能照明系統的優化設計是系統長期可靠運行的前提。系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。但是由于季節因素，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，從而使照明系統的發電量與需電量形成反差，依然難以平衡月發電量盈余和耗電量虧損。為了提高照明系統發電量的利用率，抑制系統缺電帶來的缺乏，在太陽能照明系統的開展中，人們不斷的對照明系統常用的控制模式進展分析，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局部的開展和協調中，太陽能照明系統正在不斷地趨于完善。根據太陽能路燈系統的特點，路燈運行要兼顧蓄電池剩余容量的影響。當路燈正常開啟時，根據蓄電池剩余容量檢測法得到當前蓄電池容量，通過查詢后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制，合理使用蓄電池現有電量。(2)蓄電池充放電控制功能

蓄電池充放電控制是整個系統的重要功能，它影響整個太陽能路燈系統的運行效率，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。充放電控制功能，按控制方式可分為開關控制(含單路和多路開關控制)型和脈寬調制(PWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。開關控制型中的開關器件，可以是繼電器，也可以是MOS晶體管。脈寬調制(PWM)控制型只能選用MOS晶體管作為其開關器件。本系統采用脈寬調制控制器方式，并選用MOS晶體管作為開關器件。當白天晴天的情況下，根據蓄電池的剩余容量，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余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。此外系統還具有對蓄電池過充的保護功能，即充電電壓高于保護電壓(15V)時，自動調低蓄電池的充電電壓；此后當電壓掉至維護電壓(13.2V)時，蓄電池進入浮充狀態，當低于維護電壓(13.2V)后浮充關閉，進入均充狀態。當蓄電池電壓低于保護電壓(11V)時，控制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成效，又提高了系統的充電效率。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制功能

高亮度大電流LED燈，由于一樣亮度的情況下，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燈到達預期的亮度。PWM信號可由微控制器產生，也可由其它脈沖信號產生，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控制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KHz。PWM調光是通過控制MOSFET晶體管實現的。由于本系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，本系統要求MOSFET的耐壓要高于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?。籐ED驅動電流越大，RDS應越小，RDS越小