太陽能-LED街燈的系統結構與實現原理以及其優點

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太陽能-LED街燈的系統結構與實現原理以及其優點

佚名 發表於 2017-12-04 04:11:46

隨著化石類能源的日益減少，以及溫室氣體的過度排放導致全球變暖問題越來越受到重視，人們一方面在積極開發各類可再生新能源，另一方面也在倡導節能減排的綠色環保技術。太陽能作為取之不盡、用之不竭的清潔能源，成為眾多可再生能源的重要代表；而在照明領域，壽命長、節能、安全、綠色環保、色彩豐富、微型化的LED固態照明也已被公認為世界一種節能環保的重要途徑。太陽能-LED街燈同時整合了這兩者的優勢，利用清潔能源以及高效率的LED實現綠色照明。

本文介紹的太陽能-LED街燈方案，能自動檢測環境光以控制路燈的工作狀態，最大功率點追蹤(MPPT)保證最大太陽能電池板效率，恆電流控制LED，並帶有蓄電池狀態輸出以及用戶可設定LED工作時間等功能。
 

系統結構與實現原理

目前街燈普遍使用的是市電供電的高壓鈉燈結構，其中高壓鈉燈的電子驅動部分需要把市電從交流轉化為直流，再逆變到交流來驅動，導致系統效率較低；而且由於使用的是市電，需要鋪設複雜、昂貴的管線。太陽能-LED街燈則不具備以上的問題，由於太陽能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅動光源，兩者的結合更能提高整個系統的效率；太陽能的使用也免去了鋪設電纜及其相關工程的費用。

 

圖1: 太陽能-LED街燈系統結構原理。



圖1是一個太陽能-LED街燈的結構示意圖。太陽能電池板在太陽光的照射下，其內部PN結會形成新的電子空穴對，在一個迴路裡就能產生直流電流；這個電流流入控制器，會以某種方式給蓄電池充電。蓄電池在白天的時候會接受充電，而在晚上則會提供能量給LED。LED的工作是通過控制器進行的，控制器在保證LED恆流工作的同時，也會監測LED的狀態以及控制工作時間長短。連續陰雨天以及蓄電池電能不足的情況下，控制器會發出控制信號來啟動外部的市電供電系統（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只是作為後備能源，只有在蓄電池電能不足的情況下才會被使用。蓄電池的充電完全只是通過太陽能來實現的，以確保最大限度使用太陽能。

圖2: 控制器結構方框圖

圖2是控制器的結構方框圖。太陽能電池板進來後會首先經過一個開關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（實際電路裡會先通過一個保險絲再連到蓄電池上）。加上KCHG有兩個作用：一是防止太陽能電池輸出較低時由蓄電池過來的反充電流；二是當太陽能電池板極性接反時起到保護電路的作用。直流/直流變換器採用降壓拓撲結構，拓撲結構的選擇不僅得考慮太陽能電池板最大功率點電壓和蓄電池最大電壓，而且同時得兼顧效率和成本。蓄電池和LED之間也是通過一個直流/直流變換器（LED驅動電路），對LED要採用恆流控制方式，考慮到蓄電池電壓的波動範圍以及LED的工作電壓範圍，設計電路中採用反激式拓撲結構來保證恆流輸出。反激式拓撲的效率一般沒有簡單的升壓或者降壓電路高，如果要提升系統的效率，可以通過優化蓄電池電壓與LED電壓的關係來採用升壓或者降壓電路，提升效率並可能進一步減低成本。


整個控制器的控制是通過一個MCU來實現，MCU的主要工作包括以下幾點：一是採用MPPT算法來優化太陽能電池板工作效率；二是針對蓄電池不同狀態採用合適的充電模式；三是保證LED驅動電路的恆流輸出；四是判斷白天黑夜並以此來切換蓄電池充電和放電模式；最後就是提供監控保護、溫度監測、狀態輸出和用戶控制輸入檢測（DIP1~4）等功能。MCU的選擇最主要是滿足ADC、GPIO和外部中斷的需要，不需要單純追求速度。表1列出了實際電路中MCU外圍設備的使用情況，考慮到以後擴展的需要，主控晶片使用STM32F101RXT6 （意法半導體最新款STM32系列MCU，採用Cortex-M3內核）。

表1: MCU外設分配。

 

控制器輔助電源直接從蓄電池變換而來，蓄電池輸入通過線性電源（L78L12）得到12V，供給邏輯電路和PWM開關信號放大；3.3V通過12V接開關電源（L5970D）而來，主要給MCU和周邊電路供電，之所以用開關電源是為了提高轉換效率（減少蓄電池耗電）以及在以後擴展系統時可以提供足夠負載，當然，為了減少成本，完全可以用線性電源來實現。

控制器的主要功能包括兩個方面：蓄電池充電以及蓄電池給LED供電。
 

1.蓄電池充電

當系統檢測到環境光充足，控制器就會進入充電模式。蓄電池充電有兩個比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充充電電壓。前者代表在正常使用情況下蓄電池電能被用完的狀態， 而後者則代表蓄電池充電的最高限制電壓，這些參數應該從蓄電池產品手冊上可以查到。在設計電路中針對12V蓄電池，分別設置深度放電電壓為11V和浮充充電電壓為13.8V（皆為在室溫條件下的電壓值，軟體中這兩個值增加了相應的溫度補償），具體充電模式如表2所示。

從表2中可以看到涓流充電模式和恆流充電模式會用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實現，業界有不少的論文對此進行了探討，總的來說各有優劣，設計電路中採用相對簡單的擾動觀察法來實現（Perturbance and Observation）。這個控制方法的基本思想是通過增大或者減少充電電路開關信號PWMCHG佔空比，然後觀察輸出功率是變大還是變小，以此來決定下一步是增大還是減少佔空比。由於太陽能板的輸出變化相對比較緩慢，而且是單極點，所以這種方式還是能收到比較好的效果。
 

2.蓄電池放電

當系統檢測到周圍環境光線不足時，就會進入蓄電池給LED供電模式。LED電流通過高位電流檢測晶片（TSC101AILT）採樣送回MCU，由MCU通過調整開關信號PWMDRV佔空比來獲得恆定輸出電流。為了達到節能的目的，LED的恆定電流值會根據系統檢測的環境光強度來調整：當環境光由亮變暗時，系統的輸出電流也會相應從小到大；當環境光完全暗下來時，系統的輸出電流也達到預設的最大值。除了由環境光控制LED的輸出,用戶還可以通過設定開關DIPl~4的狀態來開啟時間控制功能, 系統會根據DIP1~4的設定組合來控制LED從亮5分鐘到12小時不等。

此外，為了提高系統的可靠性，設計電路添加了針對太陽能電池板、蓄電池和LED等一系列軟硬體的保護功能。而基於此系統平臺，還可以從添加智能發光二極體工作模式、增加通訊模塊和採用風光互補系統三方面進一步優化系統性能。

本文結論

太陽能-LED路燈不僅能利用清潔免費的太陽能以及高效環保的LED給道路帶來照明，而且同時可以減少溫室氣體排放，實現綠色照明的目的。本街燈系統已經在意法半導體大樓入口處成功實施，所有街燈系統都已運行半年，工作情況正常。隨著太陽能板的價格進一步降低和LED性價比的提高，相信這個系統會得到越來越廣泛的應用。

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