太陽(yáng)能與市電互補(bǔ)LED路燈控制器研究

文章介紹了一種光電互補(bǔ)LED 路燈控制器， 該控制器控制太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池組充放電，實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池容量，并用光電互補(bǔ)方式對(duì)負(fù)載供電。同時(shí)闡述了太陽(yáng)能LED 路燈采用光電互補(bǔ)技術(shù)，既能提高可靠性，又能降低成本，是目前解決太陽(yáng)能LED 路燈照明的最佳選擇，并根據(jù)LED路燈負(fù)載計(jì)算了蓄電池容量和太陽(yáng)能電池板容量的匹配關(guān)系。

　　引言
 

　　光電互補(bǔ)LED 路燈照明系統(tǒng)就是以太陽(yáng)能電池發(fā)電為主，以普通220V交流電補(bǔ)充電能為輔的路燈照明系統(tǒng)，采用此系統(tǒng)，光伏電池組和蓄電池容量可以設(shè)計(jì)得小一些，基本上是當(dāng)天白天有陽(yáng)光，當(dāng)天就用太陽(yáng)能發(fā)電同時(shí)給蓄電池充電，到天黑時(shí)蓄電池放電把負(fù)載LED 點(diǎn)亮。在我國(guó)大部分地區(qū)，全年基本上都有三分之二以上的晴朗天氣，這樣該系統(tǒng)全年就有三分之二以上的時(shí)間用太陽(yáng)能照亮路燈，剩余時(shí)間用市電補(bǔ)充能量，既減小了太陽(yáng)能光伏照明系統(tǒng)的一次性投資，又有著顯著的節(jié)能減排效果，是太陽(yáng)能LED路燈照明在現(xiàn)階段推廣和普及的有效方法。

　　1 光電互補(bǔ)LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 LED 照明負(fù)載

　　假設(shè)光電互補(bǔ)LED 路燈燈桿高度為10m，光照光通量大約25 lm，選用1W、3.3V、350mA 的LED 燈組成兩路路燈，每一路14 串2 并共28W，兩路為56W。設(shè)路燈每天平均照明10 小時(shí)，LED 路燈前5 小時(shí)全亮，后5 小時(shí)亮度減半，即電池消耗減少一半。

　　所需實(shí)際驅(qū)動(dòng)電流為：

　　350mA×2×2=1.4A

　　每天以10 小時(shí)計(jì)算，負(fù)載所需安時(shí)數(shù)為：

　　1.4A×5h+1.4A×0.5×5h=10.5Ah

　　電壓為：

　　3.3V×14=46.2V

　　1.2 蓄電池組容量設(shè)計(jì)

　　1.2.1 蓄電池的選用

　　太陽(yáng)能路燈用蓄電池由于頻繁處于充電、放電循環(huán)中，而且會(huì)經(jīng)常發(fā)生過充或深度放電等情況，因此蓄電池工作性能和循環(huán)壽命成為最受關(guān)注的問題。閥控式密閉型鉛酸電池具有不需要維護(hù)、不向空氣中排出氫氣和酸霧、安全性好、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。蓄電池過充電、過放電以及蓄電池環(huán)境溫度等都是影響蓄電池壽命的重要因素，所以在控制器中要重點(diǎn)采取保護(hù)措施。

　　1.2.2 蓄電池組容量的計(jì)算

　　在光電互補(bǔ)路燈系統(tǒng)中，是靠太陽(yáng)能和市電互補(bǔ)對(duì)LED 路燈進(jìn)行供電的。由于太陽(yáng)光隨天氣變化差別很大，白天太陽(yáng)光強(qiáng)時(shí)，太陽(yáng)能電池板給蓄電池充電;晚上蓄電池給負(fù)載供電。陰天時(shí)，負(fù)載用電從蓄電池取得，當(dāng)蓄電池放電電壓降到最低允許限度時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)為市電補(bǔ)給。蓄電池的容量對(duì)保證可靠性供電很重要，電池容量過大導(dǎo)致成本價(jià)格升高，容量過小，又不能充分利用太陽(yáng)能達(dá)到節(jié)能的目的。

　　蓄電池容量Bc 計(jì)算公式：

　　Bc = A×QL×NL×T0/CC Ah (1)

　　式(1)中A 為安全系數(shù)，取1.1～1.4 之間，本式為A=1.2;QL 為負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)，QL=10.5Ah;NL 為最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，由于采用光電互補(bǔ)，故可以取NL=1 天;T0 為溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上為1.1，- 10℃以下取1.2，本式取T0=1.1;CC 為蓄電池放電深度，一般鉛酸電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.8，本式中CC =0.75。

　　因此，Bc = A×QL×NL×T0/CC=1.2 ×10.5 ×1×1.1/0.75=18.5Ah，實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們選用48V、40Ah 免維護(hù)閥控密封鉛酸蓄電池。

　　1.2.3 太陽(yáng)能電池方陣設(shè)計(jì)

　　太陽(yáng)能電池組件以一定數(shù)目串聯(lián)起來，可獲得所需要的工作電壓。但是太陽(yáng)能電池的串聯(lián)必須適當(dāng)，串聯(lián)數(shù)太少，串聯(lián)電壓低于蓄電池浮充電壓，太陽(yáng)能電池組方陣就不能對(duì)蓄電池充電;若串聯(lián)數(shù)太多，使輸出電壓遠(yuǎn)高于浮充電壓時(shí)，充電電流也不會(huì)有明顯增加。因此，只有當(dāng)太陽(yáng)能電池組件串聯(lián)電壓等于合適充電電壓時(shí)，才能達(dá)到最佳狀態(tài)。

　　太陽(yáng)能電池組的輸出電壓一般取蓄電池電壓的1.2～1.5 倍，當(dāng)取1.35 倍時(shí)，蓄電池電壓為48V×1.35=64.8V，此處取65V。

　　若當(dāng)天無太陽(yáng)光時(shí)，蓄電池晚上給負(fù)載放電容量為：

　　Bcb = A×QL×NL = 1.2×10.5×1 = 12.6Ah

　　鄭州地區(qū)按5 小時(shí)太陽(yáng)光給蓄電池充電，電流為：

　　I = 12.6Ah/5h = 2.52A

　　所以太陽(yáng)能電池方陣功率為：

　　P = UI = 65V×2.52A = 163.8W

　　實(shí)際可采用4 塊36V 48W 太陽(yáng)能電池板，共192W，分兩組，每組2 塊串聯(lián)，電壓為72V。

　　2 控制器及工作原理簡(jiǎn)介

　　2.1 光電互補(bǔ)LED 路燈控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　光電互補(bǔ)LED 路燈控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，本系統(tǒng)中關(guān)鍵部件是控制器，控制器的功能主要有：

　　(1)白天對(duì)太陽(yáng)能電池板的電壓和電流進(jìn)行檢測(cè)，通過MPPT 算法追蹤太陽(yáng)能電池板最大輸出功率點(diǎn)，使太陽(yáng)能電池板以最大輸出功率給蓄電池充電，并控制太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池進(jìn)行充電的方式;(2)控制光電互補(bǔ)自動(dòng)轉(zhuǎn)換，晚上控制蓄電池放電，驅(qū)動(dòng)LED 負(fù)載照明;當(dāng)在太陽(yáng)光照不足或陰雨天氣，蓄電池放電電壓達(dá)最低電壓時(shí)，能自動(dòng)切換到市電供LED 路燈點(diǎn)亮;(3)對(duì)蓄電池實(shí)行過放電保護(hù)、過充電保護(hù)、短路保護(hù)、反接保護(hù)和極性保護(hù);(4)控制LED 燈的開關(guān)，通過對(duì)外環(huán)境監(jiān)測(cè)，可以控制LED 燈開燈、關(guān)燈時(shí)間。

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2.2 充電電路及輸出控制

　　2.2.1 充電電路

　　充電電路用來調(diào)節(jié)充電電流與電壓，使太陽(yáng)能電池板穩(wěn)定地對(duì)蓄電池充電。由于每天在各個(gè)時(shí)段太陽(yáng)能電池板所轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)輻射能不同，使得太陽(yáng)能電池輸出的電流和電壓各不相同，這就需要通過必要的充電電路來控制。本電路就是用TL494 實(shí)現(xiàn)的電壓型脈寬調(diào)制(PWM)控制電路，電路圖如圖2所示。

　　當(dāng)R12 所接的單片機(jī)給4 腳一個(gè)高電平時(shí)，TL494 的截止時(shí)間增大到100% ，TL494 不工作，這樣就可以通過4 腳輸入的電平高低決定是否對(duì)蓄電池充電。TL494 的12 腳接電源，14 腳輸出的5V基準(zhǔn)電壓供單片機(jī)使用，同時(shí)R5、R6 的分壓作為TL494 中誤差放大器1 的同相端(2 腳)恒壓充電時(shí)的參考電壓信號(hào)，電池正極電壓經(jīng)R2、R3 分壓作為誤差放大器1 的反相端(1 腳)輸入恒壓充電的給定電壓信號(hào)，兩者之間的偏差作為恒壓調(diào)壓器使用。2腳和3 腳間引入阻容元件，校正改善誤差放大器的頻響。系統(tǒng)工作時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓、蓄電池的電壓，并根據(jù)各個(gè)電壓值的不同狀況，控制太陽(yáng)能電池對(duì)蓄電池充電與否，并根據(jù)設(shè)定的路燈時(shí)控或光控方式，控制LED 路燈是否點(diǎn)亮，以及點(diǎn)亮?xí)r供電方式在蓄電池和市電之間的合理切換。TL494 主要在單片機(jī)程序控制下完成對(duì)蓄電池、太陽(yáng)能電池板的檢測(cè)以及充放電控制。

　　路燈的照明時(shí)間可以依據(jù)H1～H4 上的直撥開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，每檔對(duì)應(yīng)時(shí)間為1 小時(shí)、2 小時(shí)、4 小時(shí)、8 小時(shí)，這樣就可以通過不同的組合在1～15 小時(shí)內(nèi)作調(diào)整。系統(tǒng)軟件的控制流程圖如圖3 所示。

　　在工作過程中，單片機(jī)會(huì)一直檢測(cè)太陽(yáng)能電池和蓄電池的電壓，當(dāng)太陽(yáng)能電池的輸出電壓高于蓄電池2V以上，同時(shí)蓄電池的電量沒滿，單片機(jī)的11腳輸出低電平，芯片TL494 開始工作，通過MOS 管Q1 對(duì)蓄電池充電。當(dāng)充滿后，轉(zhuǎn)入浮充狀態(tài)，對(duì)蓄電池的自放電情況進(jìn)行電量補(bǔ)償。對(duì)蓄電池的充電，開始是大電流恒流充電狀態(tài)，充電電流為Imax。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到52.8V時(shí)，充電器處于恒壓充電狀態(tài)，充電電流持續(xù)下降，當(dāng)電流下降到250mA 并且蓄電池的電壓上升到56.4V左右不變時(shí)，蓄電池的電量已達(dá)額定容量的100%，電路進(jìn)入浮充階段，給電池提供的浮充電壓抵消了蓄電池的自放電。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到57.6±0.2V，蓄電池達(dá)到過充電壓點(diǎn)，單片機(jī)的11 腳輸出高電平，芯片TL494 結(jié)束工作，蓄電池充電結(jié)束。

　　3 結(jié)論

　　通過對(duì)光電互補(bǔ)LED 路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)際測(cè)試觀察，其結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求，但必須經(jīng)過實(shí)際長(zhǎng)期運(yùn)行，不斷完善設(shè)計(jì)，才能達(dá)到太陽(yáng)能有效利用、蓄電池容量匹配最合理、成本降到最低、性能價(jià)格比最好。