太陽(yáng)能-LED街燈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)原理以及其優(yōu)點(diǎn)

隨著化石類(lèi)能源的日益減少，以及溫室氣體的過(guò)度排放導(dǎo)致全球變暖問(wèn)題越來(lái)越受到重視，人們一方面在積極開(kāi)發(fā)各類(lèi)可再生新能源，另一方面也在倡導(dǎo)節(jié)能減排的綠色環(huán)保技術(shù)。太陽(yáng)能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，成為眾多可再生能源的重要代表；而在照明領(lǐng)域，壽命長(zhǎng)、節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富、微型化的LED固態(tài)照明也已被公認(rèn)為世界一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。太陽(yáng)能-LED街燈同時(shí)整合了這兩者的優(yōu)勢(shì)，利用清潔能源以及高效率的LED實(shí)現(xiàn)綠色照明。

本文介紹的太陽(yáng)能-LED街燈方案，能自動(dòng)檢測(cè)環(huán)境光以控制路燈的工作狀態(tài)，最大功率點(diǎn)追蹤(MPPT)保證最大太陽(yáng)能電池板效率，恒電流控制LED，并帶有蓄電池狀態(tài)輸出以及用戶(hù)可設(shè)定LED工作時(shí)間等功能。
 

目前街燈普遍使用的是市電供電的高壓鈉燈結(jié)構(gòu)，其中高壓鈉燈的電子驅(qū)動(dòng)部分需要把市電從交流轉(zhuǎn)化為直流，再逆變到交流來(lái)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低；而且由于使用的是市電，需要鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線。太陽(yáng)能-LED街燈則不具備以上的問(wèn)題，由于太陽(yáng)能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅(qū)動(dòng)光源，兩者的結(jié)合更能提高整個(gè)系統(tǒng)的效率；太陽(yáng)能的使用也免去了鋪設(shè)電纜及其相關(guān)工程的費(fèi)用。

圖1: 太陽(yáng)能-LED街燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理。



圖1是一個(gè)太陽(yáng)能-LED街燈的結(jié)構(gòu)示意圖。太陽(yáng)能電池板在太陽(yáng)光的照射下，其內(nèi)部PN結(jié)會(huì)形成新的電子空穴對(duì)，在一個(gè)回路里就能產(chǎn)生直流電流；這個(gè)電流流入控制器，會(huì)以某種方式給蓄電池充電。蓄電池在白天的時(shí)候會(huì)接受充電，而在晚上則會(huì)提供能量給LED。LED的工作是通過(guò)控制器進(jìn)行的，控制器在保證LED恒流工作的同時(shí)，也會(huì)監(jiān)測(cè)LED的狀態(tài)以及控制工作時(shí)間長(zhǎng)短。連續(xù)陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下，控制器會(huì)發(fā)出控制信號(hào)來(lái)啟動(dòng)外部的市電供電系統(tǒng)（不包含在控制器中），保證LED的正常工作。外部的市電供電系統(tǒng)只是作為后備能源，只有在蓄電池電能不足的情況下才會(huì)被使用。蓄電池的充電完全只是通過(guò)太陽(yáng)能來(lái)實(shí)現(xiàn)的，以確保最大限度使用太陽(yáng)能。

圖2: 控制器結(jié)構(gòu)方框圖

圖2是控制器的結(jié)構(gòu)方框圖。太陽(yáng)能電池板進(jìn)來(lái)后會(huì)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)MOS管KCHG連接到直流/直流變換器（蓄電池充電電路），此變換器的輸出連接到蓄電池兩端（實(shí)際電路里會(huì)先通過(guò)一個(gè)保險(xiǎn)絲再連到蓄電池上）。加上KCHG有兩個(gè)作用：一是防止太陽(yáng)能電池輸出較低時(shí)由蓄電池過(guò)來(lái)的反充電流；二是當(dāng)太陽(yáng)能電池板極性接反時(shí)起到保護(hù)電路的作用。直流/直流變換器采用降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇不僅得考慮太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)電壓和蓄電池最大電壓，而且同時(shí)得兼顧效率和成本。蓄電池和LED之間也是通過(guò)一個(gè)直流/直流變換器（LED驅(qū)動(dòng)電路），對(duì)LED要采用恒流控制方式，考慮到蓄電池電壓的波動(dòng)范圍以及LED的工作電壓范圍，設(shè)計(jì)電路中采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)保證恒流輸出。反激式拓?fù)涞男室话銢](méi)有簡(jiǎn)單的升壓或者降壓電路高，如果要提升系統(tǒng)的效率，可以通過(guò)優(yōu)化蓄電池電壓與LED電壓的關(guān)系來(lái)采用升壓或者降壓電路，提升效率并可能進(jìn)一步減低成本。


整個(gè)控制器的控制是通過(guò)一個(gè)MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)，MCU的主要工作包括以下幾點(diǎn)：一是采用MPPT算法來(lái)優(yōu)化太陽(yáng)能電池板工作效率；二是針對(duì)蓄電池不同狀態(tài)采用合適的充電模式；三是保證LED驅(qū)動(dòng)電路的恒流輸出；四是判斷白天黑夜并以此來(lái)切換蓄電池充電和放電模式；最后就是提供監(jiān)控保護(hù)、溫度監(jiān)測(cè)、狀態(tài)輸出和用戶(hù)控制輸入檢測(cè)（DIP1~4）等功能。MCU的選擇最主要是滿(mǎn)足ADC、GPIO和外部中斷的需要，不需要單純追求速度。表1列出了實(shí)際電路中MCU外圍設(shè)備的使用情況，考慮到以后擴(kuò)展的需要，主控芯片使用STM32F101RXT6 （意法半導(dǎo)體最新款STM32系列MCU，采用Cortex-M3內(nèi)核）。

表1: MCU外設(shè)分配。