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关于LED光伏路灯系统的开发
 

近年来,人们对能源和环境问题的日益关注,而太阳能这种极具代表性的清洁能源越来越受人们重视。如果我们合理地利用太阳能,那么我们将有充足的能源可以利用,太阳能算得上是地球上最直接最普遍、最清洁的能源。随着太阳能光伏技术的进一步发展和进步,太阳能发电在路灯照明领域得到了良好的发展空间。从而形成一种高效节能的新型路灯系统,这种路灯系统具有安全可靠、节能环保、安装简单、维护方便等多种优点,是一种具有很大价值的新技术。

  1LED光伏路灯控制系统光伏LED光伏路灯照明系统是利用太阳能电池的光伏效应,白夭将光能转换成电能储存在蓄电池中,晚上蓄电池将电能释放,供给LED路灯,用于夜间照明。光伏LED路灯照明系统原理框图如所示。

  太阳16电池大功率LED路灯酬智雄充电蓄电ft PWM恒流板动控M系统LED光伏路灯照明基本框。1太阳能电池太阳能电池是整个系统的动力来源,首先,在白天有阳光时,它利用光能发生光伏效应,产生电能,并将电能存储在蓄电池中,夜间把白天存储的电能释放出来,为LED路灯提供电能。

  MCU控制系统它是整个系统中的控制中心,给蓄电池提供最适合的充电电压和充电电流,可以实现快捷、安全稳、稳定、高效的充电,在对电池的影响方面,它能够在充电过程中减少损耗,最大程度上延长蓄电池的使用寿命,同时还可以防止蓄电池出现过充电和过放电现象。

  由于太阳光照不穗定,其输出的电压也不稳定,所以要用DC/DC转换模块把不稳定的电压转换成稳定的直流电压,并通过调整PWM的占空比来实现对蓄电池智能充电。

  1.4蓄电池储存由太阳能电池板转换的直流电能,在需要的时候给用电器供电。

  LED驱动电路当蓄电池电压变化时依然输出恒定不变的电流提供给LED路灯,从而保证LED的亮度基本不变。

  1.6大功率LED路灯作为太阳能路灯系统的负栽消耗电能,理想的灯不仅要高效照明,而且要尽可能地降低功率损耗。

  2LED光伏路灯的主要问题LED光伏路灯系统主要由太阳能电池、控制器、铅酸蓄电池和LED灯组成。光伏电池在利用半导体将太阳能转化为电能的时候,是以直流电的方式储存电能的。LED路灯所需要的电能供应方式也是需要以直流电的形式供应,在电能的利用过程中,互相配合度较高,减少了交直流电转换的过程,使应用起来更加方便直接。在白天,光伏电池吸收太阳能发生光伏效应,产生电能,然后储存电能,在晚上,LED路灯将电能转化为光能,发出亮光。在整个系统中,太阳能电池的成本是最高的,在达到相同效果的条件下,就要在设计时尽可能少的应用太阳能电池,这样不仅可以发挥太阳能电池所具有的最大效率,更能节省开支和成本。还有一点,太阳能的输出电流是随着温度和光照而变化的,所以我们要确保让太阳能电池在同一光照和温度条件下工作,才能让大阳能电池的输出功率达到最大,最后在实际使用过程中还要注意太阳能电池的过充和过放只有这样才能保障其最佳效果。

  3最大功率点跟踪原理和实现方法3.1最大功率跟踪点的原理太阳能电池的输出特性曲线如。

  太阳能电池的输出曲线从太阳能电池的输出特性曲线上,我们可以知道每条特性曲线上都有一个最大功率点,最大功率点随着光照强度的增加而增加,但是随着温度的上升却减少。如果太阳能电池直接为蓄电池充电,由于其输出的电压恒定不变,不能够实现最大功率点的跟踪。要实现最大功率点的跟踪,就是要在太阳能电池和蓄电池之间植人一个直流变换器,把直流变换器和蓄电池看作太阳能电池的负载,通过调节直流变换器,使负栽和太阳能电池内阻相匹配,从而使负栽上获得最大功率。随着科技的发展,直流变换器的效率可以通过电子技术做得很高,所以太阳能电池的功率大部分能够给蓄电池充电。直流变换器输出电压可以看作等于蓄电池的电压,是不变的,调节占空比改变其输入电压即光伏电池的输出电压。

  3.2最大功率点跟踪的控制方法就目前的理论来说,常用的最大功率跟踪方式主要有如下几种:模糊逻辑控制法、增量电导法、滞环比较法、恒电压控制法、最优梯度法、扰动观察法等。总的来说,这些方法都是以太阳能电池的输出曲线图为依据,通过光照强度的变化和温度的变化来找到其最大功率点,然后由相应的电路来实现。这些方法既有优点,也有缺点。其中恒电压控制法具有电路简单、易于实现的优点,实际中应用得相对较多。考虑到本系统的功率并不是很大,所以采用恒电压控制的方法。从特性曲线上可以看出,当温度一定时,在不同光照强度下,最大功率点光伏电池的输出电压近乎是不变的,因此,只要我们使光伏电池的输出电压为某一定值,就可以跟踪最大功率点。这就是恒电压控制法的原理。但是,其不足在于没有考虑到温度变化的影响。针对这个问题,我们可做以下改进:加入温度补偿系统,从而使不同温度对应不同最大功率点电压,或者按-3~-5mV/"C,这样就能够解决该问题。

  3.3实现最大功率点跟踪具体电路一般来讲,要实现最大功率点跟踪,用的电路比较多的是Buck电路和Boost电路。Buck电路的输入电流是断断续续的,如果把这种电流加在光伏电池上,那么光伏电池的输出电流也会是断续的,光伏电池就不能一直处于最好的工作的状态。要解决这个问题,我们要引入储能电容,做法就是给Buck电路与光伏电池之间插入储能电容。然而加入储能电容以后,虽然前面的问题得到了解决,电路可靠性和体积等外部因子都会受到一定程度的影响。与Buck电路相比,Boost电路的输入电流是连续的,只要在Boost电路中的升压电感足够大,就可以保证光伏电池输出的电流基本上没有波动,相比之下,Boost电路在实现最大功率点跟踪时有明显的优点,如所示。

  1光伏电池r蓄电他boost电路用于实现MPPT的结构BiBoost-Buck在系统中的应用从整个系统看,蓄电池的能量需要双向传递。然而,光伏电池不能给蓄电池直接充电,要给蓄电池充电,需要有一个直流变换器,而在恒流驱动LED灯时,蓄电池也需要一个直流变换器。这两个直流变换器共用在一个主电路中,并且控制电路是做在一起的,这样就构成了一个双向直流变换器。这种双向直流变换器的作用是能量的双向传递,是典型的一机两用设备。它可以减少电路元件的数量,使控制更加集中,电路的体积更小。许多的单向直流变换器都能够通过将其中的无源开关反并一个有源的开关,并将原来的有源开关反并上一个无源开关成为双向DC/DC变换器。上述Boost变换器通过上述变换构成BiBoost-Buck双向直流变换器,如所示。

  由于蓄电池的充电过程和放电过程不会在同时进行,所以任一时间内,能量都是单向传递的。当光伏电池对蓄电池充电时,即能量从左往右传递,由LiSD,和C,工作,其运行电路相当于是Boost电路;当蓄电池给LED灯供电时,即能量是从右往左传递的,由S2,L,C2D1工作,其运行电路相当于Buck电路。合适地选择电感L,就可以使电路处于Boost电路工作状态,让电路输入电流基本上没有波动;电路处于Buck电路工作状态时,LED灯的恒流驱动比较容易于实现。同时,电容02可选用较小的电容值。

  5系统的设计在光伏路灯中,控制器包括双向的直流变换器,还有带MPPT的充电控制器以及放电与LED驱动控制。控制部分主要包括放电与LED驱动和带MPPT的充电控制器这两部分,它们是系统设计的核心。当光伏电池对蓄电池充电,蓄电池放电时,由双向直流变换器来驱动LED灯。中开关K,和K2是不允许同时开通的。在光线较好而且蓄电池不过充电时,K,开通;在光线较差时并且蓄电池不过放电时K2闭合,系统框图如。

  系统框图系统选用的光伏电池最佳工作的电压为20.4V,额定功率为100W,蓄电池容量为100Ah/24V,LED灯功率为60W.设计每天照明约6~8h.系统采用微软公司的16位单片机。表1是在无最大功率点跟踪控制和有最大功率点跟踪控制时所测得的数据。从表1中可得出,当系统加入MPPT控制后,光伏电池的输出功率可以提高13%左右。

  表1实滴数据光照强度电池度有MPPT控制时充电电流无MPPT控制时充电电流6结束语在本文所设计的LED光伏路灯系统中,所采用的光伏电路是恒电压控制的Boost电路,这种的系统不仅实现了对最大功率点的跟踪,构成BiBoost-Buck变换器,而且实现了对LED灯的恒流驱动。由上述研究分析可以看出,采用LED光伏路灯系统具有很大的可行性,且其具有简单易性的安装方法,系统具有电路简单,实现同样照明效果成本低,电路体积小,实用高效等优点,在当前能源危机的背景下具有推广价值。

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