基于太陽能照明原理、組成和控制系統(tǒng)設(shè)計

0 引言

隨著全球能源的日益緊張，太陽能光伏照明得到了迅速發(fā)展。在太陽能照明系統(tǒng)的發(fā)展中，人們不斷的對照明系統(tǒng)常用的控制模式進(jìn)行分析，設(shè)計各種實(shí)際可行的工作模式，同時光源技術(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，有效利用率越來越高。在太陽能各個組成部分的發(fā)展和協(xié)調(diào)中，太陽能照明系統(tǒng)正在不斷發(fā)展完善。

1 太陽能燈的原理及組成

太陽能燈具系統(tǒng)為直流型獨(dú)立光伏系統(tǒng)。太陽能電池組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過控制器進(jìn)行控制及保護(hù)，將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池中。當(dāng)用電時，蓄電池再將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，供直流負(fù)載使用，或者通過逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┙涣髫?fù)載使用。只有當(dāng)長時間無光照以致電池中的電能用完時，這個裝置才停止工作。

太陽能路燈由以下幾個部分組成：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部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。太陽能電池主要用單晶硅、多晶硅為材料。單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率為13%～15%，多晶硅為11%～13%。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池。

2)太陽能控制器

太陽能燈具系統(tǒng)中最重要的一環(huán)是控制器，其性能直接影響到系統(tǒng)壽命，特別是蓄電池的壽命。控制器用工業(yè)級MCU做主控制器，通過對環(huán)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(shù)的檢測判斷，控制MOSFET器件的開通和關(guān)斷，達(dá)到各種控制和保護(hù)功能。

3)蓄電池

由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)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(xù)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，容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時造成浪費(fèi)。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、用電負(fù)荷(路燈)相匹配?？捎靡环N簡單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池功率必須比負(fù)載功率高出4倍以上，系統(tǒng)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(fù)電。蓄電池容量必須比負(fù)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(biāo)，一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、LED光源。

LED燈光源壽命長，可達(dá)1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產(chǎn)50lm/W，進(jìn)口80lm/W。隨著技術(shù)進(jìn)步，LED的性能將進(jìn)一步提高。

5)燈桿及燈具外殼燈桿的高度應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標(biāo)準(zhǔn)確定。燈具外殼根據(jù)我們收集了許多國外太陽燈資料，在美觀和節(jié)能之間，大多數(shù)都選擇節(jié)能，燈具外觀要求不高，相對實(shí)用就行。

2太陽能路燈照明控制系統(tǒng)

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

太陽能路燈微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)由微機(jī)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(qū)動和LED燈等幾部分組成。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示：

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(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，給城市帶來電力供應(yīng)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(shí)現(xiàn)對分布在城市繁華路段的路燈機(jī)動靈活的控制，可在任意時間段內(nèi)通過PWM方式實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制，以達(dá)到既節(jié)電又烘托城市燈光氣氛的目的?？刂苹疽笕缦拢?/p>

①對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。

太陽能路燈都是以自然光線的強(qiáng)弱來控制照明燈具的開關(guān)，這些光控太陽能照明系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計是系統(tǒng)長期可靠運(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。但是由于季節(jié)因素，冬天太陽輻射要比夏天少，太陽電池陣冬天產(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)缺電帶來的不足，在太陽能照明系統(tǒng)的發(fā)展中，人們不斷地對照明系統(tǒng)常用的控制模式進(jìn)行分析，設(shè)計各種實(shí)際可行的工作模式，同時光源技術(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越高，因此在太陽能各個組成部分的發(fā)展和協(xié)調(diào)中，太陽能照明系統(tǒng)正在不斷地趨于完善。