大功率太陽能LED路燈系統設計

2020-12-05 電子產品世界

近年來隨著太陽能光伏發電技術和LED照明技術的發展，太陽能LED 路燈已進入了城市照明領域。LED 作為照明光源與傳統的照明光源相比具有直流低電壓驅動、耗電量少、抗振動、壽命長、納秒級的響應速度、設計空間大、環保、可連續開關閃斷，能輕鬆實現0～100%調光功能等優點，被認為是新一代的綠色照明設備。太陽能LED 路燈是以太陽能作為能源。每個路燈均是獨立的，安裝方便，無需鋪設電纜電線，無需交流電能和電費，採用直流供電，光控定時控制，安全可靠、節能、經濟、環保，實用。

　　1、太陽能電池板與蓄電池的選取

　　1.1 太陽能電池板選取

　　目前單晶矽太陽能電池的光電轉換效率約為15%，最高達到24%，是目前所有種類的太陽能電池中光電轉換效率最高的，技術也最為成熟。使用壽命一般可達15 a，最高可達25 a。多晶矽太陽能電池比單晶矽太陽能電池的光電轉換效率要降低不少，其光電轉換效率約12%，同時多晶矽太陽能電池的使用壽命也要比單晶矽太陽能電池短。非晶矽薄膜太陽能電池光電轉換效率偏低， 目前國際先進水平約為10%，且不夠穩定，隨著時間的延長，其轉換效率衰減，直接影響了其實際應用。所以目前多採用單晶矽太陽能電池。

　　根據太陽能輻射原理，太陽能電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關：當地的緯度、海拔、大氣的汙染程度或透明程度、一年當中四季的變化、一天時間的變化、到達地面的太陽輻射值、散分量的比例、地表面的反射係數、太陽能電池方陣的運行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽能電池方陣表面的清潔程度等。太陽能照明系統充放電效率取0.75，太陽能電池組件組失修正係數取0.95，灰塵遮擋及其他損失修正係數取0.90。經過查詢資料和單位換算及簡化處理後，可得到太陽能電池總用量P 的計算公式：

1.2 蓄電池的選取

　　蓄電池的容量要根據太陽能電池板的功率和LED 路燈的功率以及照明時間來決定， 蓄電池應與太陽能電池、LED路燈相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關係。太陽能電池功率必須高出負載功率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蓄電。因此，蓄電池容量必須比負載日耗量高6 倍以上為宜。

　　蓄電池的容量Bc的計算公式：　　

Bc=(PL×10×D)/(Kb•V)

　　式中，PL 為日平均耗電量，D 為陰雨天數，Kb 為安全係數，1.1～1.4 （包括了溫度修正係數To=0 ℃上為1，-10 ℃上為1.1，-10 ℃下為1.2，放電深度cc=0.75），V 為工作電壓。

　　根據式（2）可以估算出蓄電池的容量，同時蓄電池的充電效率的高低取決於充電的方式。根據系統要求和對各種指標的核定，這裡選用12 V 100 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池。

　　2、太陽能控制器硬體設計

　　太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是控制太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給負載供電的自動控制設備，能自動防止蓄電池過充電和過放電。它對蓄電池的充、放電條件加以規定和控制，並按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出，是整個系統的核心控制部分。

　　本文設計的充電控制器用ATmega128 單片機作為主控器件，檢測太陽能電池板的輸出電壓，選擇適合的DC/DC 支路，檢測蓄電池的電壓值，根據蓄電池的電荷狀態，選擇合適的充電方式，為蓄電池提供過充電、過放電保護。

　　圖1 為採用斬波式PWM 充電原理圖， 檢測蓄電池的充電端電壓， 將檢測得到的蓄電池端電壓與給定點電壓比較。若蓄電池的電壓小於給定電壓，斬波器全通，迅速給蓄電池充電；若大於給定電壓，則根據比例調整功率管的佔空比，充電進入慢充階段，改善充電特性，最後進入涓流充電，防止過充。

斬波式PWM充電原理框圖

　AVR128 單片機（PB4）給出充電的控制信號，即PB4=1，NPN 型0805 的三極體導通，此時集電極接地，使得IRF4905柵源電壓鉗位在-10 V，IRF4905 管導通， 太陽能電池板向蓄電池充電； 反之，NPN 型0805 三極體截止VGS=0 V，IRF4905管斷開，太陽電池板不能向蓄電池充電。

　　ATmega128 內置10 位的逐次逼近型A/D 轉換器。A/D轉換器與8 通道的模擬多路復用器連接，採樣埠F 的8 路單端輸入電壓。蓄電池正極與單片機PF1 引腳相接，當電壓低到10 V，單片機自動檢測到並作出相應處理，如圖2 所示。

系統硬體電路

　　3、LED 的選擇

　　按目前市場產品的輸入功率對LED 分類，其中輸入功率為幾十mW 的，稱為傳統的小功率晶片；其輸入功率小於1 W的，為功率LED；輸入功率等於1 W 或大於1 W 的，則為W級功率（大功率）LED。目前大功率比較常見的有1，3，5，8，10 W。已批量應用的有1 W 和3 W LED，並正朝大電流（300 mA～1.4 A）、高效率（60～1 204 lm/W）、亮度可調的方向發展［3］。大功率LED 路燈採用單顆功率大於1 W 以上的LED。選用美國CREE 公司的3 W LED 將多個晶片集成於印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發光源，組合成一個大功率LED 單體模塊，裝入路燈燈具中，藉此提高晶片面積，並增加發光量。

　　將多個LED 集中在一起設計道路照明，除足夠的光通量和合理的光學設計保證合理的光分布外，更為重要的是散熱問題。由於路燈具有戶外夜間使用，散熱面位於側上面以及體型受限制較小等特點， 有利於空氣自然對流散熱， 所以LED 路燈選擇自然對流散熱方式，同時整燈採用高導熱係數鋁作為散熱主體，解決了LED 的散熱問題。

4、LED 組合及驅動方式

　　常用的LED 組合方式有3 種：並聯、串聯和混聯。

　　1）並聯方式要求LED 驅動器輸出較大電流，負載電壓較低。分配在所有LED 兩端電壓相同，當LED 的一致性差別較大時， 通過每顆LED 電流不一致， 其亮度也不同。

　　2）串聯方式要求LED 驅動器輸出較高的電壓。當LED的一致性差別較大時， 分配在不同的LED 兩端電壓不同，通過每顆LED 的電流相同，LED 的基本亮度一致。

　　3） 混聯方式在需要使用比較多LED 時， 如果將所有LED 串聯，將需要LED 驅動器輸出較高的電壓；如果將所有LED 並聯，則需要LED 驅動器輸出較大的電流。將所有LED串聯或並聯，不但限制著LED 的使用量，而且並聯LED 負載電流較大，驅動器的成本也會大增。混聯方式的LED 數量平均分配， 分配在一串LED 上的電壓相同， 通過同一串每顆LED 上的電流也基本相同，LED 亮度一致。同時通過每串LED 的電


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