基于太陽能LED照明系統(tǒng)的研究

胡克用，李 靜

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州310012）

基于太陽能LED照明系統(tǒng)的研究

胡克用，李 靜

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院，浙江 杭州310012）

由于能源緊張問題日趨嚴(yán)重，近年來太陽能光伏發(fā)電和LED開始引起了人們的關(guān)注．文章介紹了將兩者結(jié)合應(yīng)用于太陽能LED照明系統(tǒng)，著重分析該系統(tǒng)中的DC－DC轉(zhuǎn)換器、蓄電池、MCU控制器等各個(gè)組成部分的配置原則，使得系統(tǒng)能簡單可靠地實(shí)現(xiàn)智能控制，進(jìn)而提出一種新穎的充電控制方法．

光伏發(fā)電；LED；DC－DC轉(zhuǎn)化器；MCU控制器

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各國對能源的需求量越來越大，石油、煤炭等當(dāng)今世界的主要能源即將被消耗殆盡；另一方面，經(jīng)濟(jì)的增長在某些地區(qū)是以犧牲環(huán)境質(zhì)量作為代價(jià)的，周邊的環(huán)境污染日益嚴(yán)重．因此，節(jié)能、環(huán)保已經(jīng)成為各地政府迫切需要解決的問題．作為一種清潔無污染的能源，太陽能已被越來越多的部門所重視，對其有效的利用手段之一便是將它轉(zhuǎn)化成電能．照明是日常生活中不可缺少的一部分，成為世界各國一項(xiàng)重要的能源消耗［1］，而LED（light emitting diode）作為一種新型的光源，其節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，目前已經(jīng)在照明領(lǐng)域中突顯出來．如何把太陽能和LED完美結(jié)合，形成一種新型的照明系統(tǒng)，就成為當(dāng)前研究開發(fā)的重點(diǎn)之一．

1 太陽能LED照明系統(tǒng)

太陽能LED照明系統(tǒng)（如圖1所示）一般由5個(gè)部分組成：太陽能電池、蓄電池、控制器、LED驅(qū)動(dòng)以及LED光源．通常太陽能電池放在屋頂?shù)雀咛幬恢蒙希浞烹娍刂破骱豌U蓄電池放在地面的控制箱內(nèi)，驅(qū)動(dòng)芯片和LED光源都裝在LED燈具中．

2 太陽能電池

太陽能電池的作用就是能夠集聚光子的能量，并將其轉(zhuǎn)化成為電能．當(dāng)無光照時(shí)，可以將太陽能電池看成是一個(gè)二極管，因此首先可以得出正向偏壓VD與通過的電流I之間的關(guān)系：

圖1 太陽能LED照明系統(tǒng)框圖

當(dāng)光照射到太陽能電池上時(shí)，將產(chǎn)生光生電流Iph，此電流是由n區(qū)到p區(qū)的方向．同時(shí)，由于pn結(jié)二極管的特性，存在著正向二極管電流ID，此電流的方向從p區(qū)指向n區(qū)，與光生電流的方向剛好相反．因此，實(shí)際獲得的電流I為兩者之差：

式（2）中的參數(shù)含義與式（1）中表示的含義相同．

當(dāng)太陽能電池帶上負(fù)載R時(shí)，負(fù)載R的取值范圍理論上可以從0到∞；如果當(dāng)負(fù)載R＝Rm時(shí)，使得太陽能電池的輸出功率最大，這個(gè)最大功率就定義為

式（3）中Im和Vm為最佳的工作電流和工作電壓．

3 DC－DC轉(zhuǎn)換

由于不同緯度的日照強(qiáng)度有差異，加上所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載量有變化，從太陽能電池這里產(chǎn)生出來的直流電壓是不夠穩(wěn)定的，這樣就很難滿足后級(jí)裝置的需要，因此必須設(shè)計(jì)DC－DC轉(zhuǎn)換電路，對太陽能電池的輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而把輸出電壓穩(wěn)定在一定的要求范圍內(nèi)．

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是SD46520轉(zhuǎn)換電路，它具有PWM控制、功率開關(guān)內(nèi)置的DC－DC轉(zhuǎn)換功能．在寬廣的輸入電壓范圍內(nèi)，輸出電流能達(dá)到2A，負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率極好．其工作過程是：剛開始時(shí)，開關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)，內(nèi)部的續(xù)流管導(dǎo)通，SW則接到地，5V的電壓通過內(nèi)部肖特基二極管對外部BS與SW之間的自舉電容充電，自舉電容兩端的電壓作為開關(guān)管驅(qū)動(dòng)部分的電源電壓，以保證開關(guān)管能正常工作；當(dāng)自舉電容兩端電壓超過開關(guān)管的閾值電壓時(shí)，控制環(huán)路開始正常工作．在每次時(shí)鐘的上升沿對RS觸發(fā)器進(jìn)行置位，開關(guān)管會(huì)導(dǎo)通，輸入電壓通過電感連接到輸出電容，電感電流線性增加，同時(shí)對輸出電容進(jìn)行充電．如此循環(huán)，將輸出電容上的電壓充至設(shè)置的輸出電壓．設(shè)計(jì)的SD46520外圍應(yīng)用電路圖如圖2所示．

對于該系統(tǒng)所采用的12V蓄電池，需要對它充電使用的電壓為15V，因此也就要求經(jīng)過DC－DC轉(zhuǎn)換之后輸出電壓能達(dá)到15V左右．于是，從太陽能電池產(chǎn)生的電壓，必須先通過SD46520轉(zhuǎn)換電路之后，穩(wěn)壓成為5V電壓，再通過MC34063電路，轉(zhuǎn)換為15V供蓄電池充電使用．

圖2 SD46520的應(yīng)用電路圖

4 蓄電池的充電控制

蓄電池是太陽能照明系統(tǒng)中儲(chǔ)存能量的部件，蓄電池的基本特性直接影響著LED照明系統(tǒng)的性能，配有蓄電池的照明系統(tǒng)的運(yùn)行特性，很大程度上由蓄電池的特性所決定［2］．

根據(jù)馬斯定律［3］，蓄電池當(dāng)前可接受充電電流與蓄電池的剩余容量及充電時(shí)間有關(guān)．根據(jù)這一定律，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對12V／4A的鉛酸蓄電池進(jìn)行充電，最大充電電流限制為4A，采用恒流充電、恒壓充電和浮充充電3種混合式充電方式．其設(shè)計(jì)的充電控制流程如圖3所示，下面來具體闡述其設(shè)計(jì)的控制過程：

1）由控制器來檢測蓄電池的端電壓大小，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其值小于蓄電池的最大電壓上限Uc時(shí)，充電器便以0．3A的恒流模式對蓄電池進(jìn)行快充；

2）由控制器來檢測蓄電池的端電壓大小，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其值大于上限值Uc時(shí)，這時(shí)判斷的變量發(fā)生了變化，比較充電電流I與轉(zhuǎn)換閾值電流Ic的大小，假設(shè)I＞Ic，則充電器以恒壓模式對蓄電池進(jìn)行慢充；

3）繼續(xù)判別充電電流I與轉(zhuǎn)換閾值電流Ic的大小關(guān)系，當(dāng)上一步慢充過程接近尾聲時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)充電電流I小于閾值電流Ic，這時(shí)蓄電池就進(jìn)入了浮充模式，對蓄電池進(jìn)行涓流充電，直至飽和狀態(tài)．

綜上所述，蓄電池的充電方式為：當(dāng)白天有日照時(shí)，由太陽能電池吸收光能轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)過DC－DC轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行穩(wěn)壓輸出后，對蓄電池進(jìn)行充電，充電過程可以采用恒流充電、恒壓充電和浮充充電這三者中的任意一種或者幾種方式組合而成，具體采用何種方式要根據(jù)蓄電池的端電壓和充電電流的大小而定．同時(shí)，蓄電池也不能過充電，一般情況下，蓄電池的端電壓不能超過蓄電池規(guī)定電壓的20%，否則容易造成蓄電池?fù)p壞．

5 MCU控制器

控制電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，該系統(tǒng)采用的是一種新型太陽能LED照明系統(tǒng)控制方案，使用PIC16F877單片機(jī)作為微處理器（MCU），控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行．該控制方案能實(shí)現(xiàn)對太陽能電池輸出和蓄電池的充放電管理、LED照明控制驅(qū)動(dòng)管理等功能，控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要具有以下幾個(gè)功能：

1）采樣檢測太陽能電池的工作電壓、電流等參數(shù)，根據(jù)事先設(shè)定的算法輸出合適的PWM信號(hào)，來調(diào)節(jié)DC－DC轉(zhuǎn)換電路，輸出穩(wěn)定的電壓供蓄電池充電使用．

2）采樣檢測蓄電池的工作電壓、電流等參數(shù)，判斷蓄電池的狀態(tài)；根據(jù)上文所提供的充電方案，采用相對應(yīng)的充電控制方式．

3）LED照明控制驅(qū)動(dòng)管理，通過控制外部PWM信號(hào)的占空比可以調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)LED光源的電流大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)照明亮度的功能．

4）各類狀態(tài)的顯示界面，采用常用的LCD1602模塊．

6 LED燈具

6．1 LED驅(qū)動(dòng)電路

該系統(tǒng)采用的LED驅(qū)動(dòng)電路是SD42522（如圖5所示），這是一款降壓型、PWM控制、功率開關(guān)內(nèi)置的LED驅(qū)動(dòng)電路，使用電流模式控制LED發(fā)光管．

下面簡述一下LED驅(qū)動(dòng)的工作原理：剛開始工作時(shí)，開關(guān)管M1處于截止?fàn)顟B(tài)，若Vcomp的管腳電壓高于電流采樣的值，這時(shí)電流比較器就輸出低電平至RS觸發(fā)器R端口，在振蕩器時(shí)鐘的上升沿進(jìn)行置位操作，使得M1導(dǎo)通，這樣由M1和電感、LED、Rs、Vin就組成了一個(gè)通路，電感上的電流逐漸增加．然后再采樣電流，經(jīng)過放大疊加斜率補(bǔ)償信號(hào)之后與跨導(dǎo)放大器的輸出進(jìn)行比較，若前者已大于后者，則使RS觸發(fā)器復(fù)位，開關(guān)管M1截止，流過電感的電流量減少．等到下一個(gè)時(shí)鐘周期到來，重新打開M1，使得電感上的電流再逐漸增加，這樣周而復(fù)始的操作，使得輸出電流穩(wěn)定在一定的值附近．

輸出電流大小由采樣電阻和設(shè)定的電壓值決定，通過調(diào)節(jié)采樣電阻Rs的大小來調(diào)節(jié)輸出電流，由以下公式計(jì)算而得：

6．2 LED燈

LED又稱發(fā)光二極管，是一種半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光．如果與目前流行的照明光源作類比，可以得出LED照明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）色彩艷麗、純度高．目前LED產(chǎn)品幾乎覆蓋了整個(gè)可見光譜范圍，且色彩純度高．

2）壽命長．LED的壽命可以達(dá)到10萬h，超過普通光源好幾倍．

3）節(jié)能，經(jīng)濟(jì)．

4）三原色的LED組合，可采用PWM控制方式來實(shí)現(xiàn)顏色的變化．

表1說明了目前常用的燈與LED燈之間的性能比較．

圖5 LED驅(qū)動(dòng)電路框圖

表1 各種燈的性能指標(biāo)［4］

7 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)的太陽能LED照明系統(tǒng)，采用的都是目前常用的模塊或電路，其穩(wěn)定性與可靠性得到了大幅度的提升，因此較易形成產(chǎn)品化并投入市場推廣使用，有著較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值．

［1］王健，劉廷章，楊曉．基于太陽能驅(qū)動(dòng)的LED照明［J］．自動(dòng)化儀表，2008，29（12）：5－7．

［2］史云鵬，王瑩瑩，李培芳．光伏系統(tǒng)中蓄電池充放電控制方案的探討［J］．太陽能學(xué)報(bào)，2005，26（1）：86－89．

［3］Gonzalez M，Perez M A，Campo J C，et al．Accurate detection algorithm of battery full－capacity under fast－charge［J］．IEEE IMTC，1998，2：755－759．

［4］張樓英，周雷，孫云龍，等．太陽能照明系統(tǒng)光源的選擇［J］．現(xiàn)代顯示，2009（106）：41－44．

Abstract：Because of the serious resource shortage，the photovoltaic power and the light emitting diode have attracted people in recent years．The article introduced the union application of the LED illumination and the solar energy，especially analyzed the configuration rules of the DC－DC converter，storage battery，MCU controller，etc，which make the system have the characteristics of simple structure，reliability as well as intelligence，and proposed a new type of charger．

Key words：photovoltaic power；LED；DC－DC converter；MCU controller

Researches on LED Lighting System Based on the Solar Energy

HU Ke－yong，LI Jing
（Qianjiang College，Hangzhou Normal University，Hangzhou 310012，China）

TM923．3

A

1674－232X（2011）01－0082－04

10．3969／j．issn．1674－232X．2011．01．016式（1）中：I0為二極管的反向飽和電流，n為理想二極管參數(shù)，理論值一般設(shè)為1，K是玻爾茲曼常量，q為電子的電荷量，T為熱力學(xué)溫度．

2010－09－20

胡克用（1978—），男，浙江杭州人，講師，碩士，主要從事智能控制研究．E－mail：hukeyong＠yeah．net