基于太陽能光伏發(fā)電的LED照明系統(tǒng)研究

郭有紅+張勇

摘 要：在當前世界上，能源匱乏，同時環(huán)境污染也比較嚴重，人們在不斷的尋找能夠代替石油的新型能源。而太陽能作為一種綠色能源，具有無污染、存儲量大等特點。因此加強太陽能的開發(fā)對世界的發(fā)展有很重要的意義；LED將電能轉(zhuǎn)化為可見光的二極管，其具有高效、環(huán)保、節(jié)能燈優(yōu)點，成為21世紀人們普遍關注的照明新能源，從而讓兩者有機創(chuàng)新結合。本文通過對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、LED照明系統(tǒng)的工作原理的相關原理進行簡述，同時給出太陽能光伏發(fā)電的發(fā)展對策。

關鍵詞：太陽能光伏發(fā)電；LED照明；系統(tǒng)構成；發(fā)展對策

引言：隨著人類文明的進步和社會的發(fā)展，當前可開采能源越來越少，因為能源問題而引發(fā)的一些列問題，可以看出，開發(fā)新能源是人類發(fā)展進行最重要的部分，如何在能源有限和環(huán)境保護的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟已成為全球的熱點問題。太陽能是迄今為止，最優(yōu)研究價值和開發(fā)條件的新型能源，隨著人們對光伏發(fā)電技術研究的深入，世界太陽電池年產(chǎn)量日益增加。

太陽能蓄電池和LED 兩者同為低壓直流電，相互之間很容易匹配，同時借助儲能元件充放能量，使兩者更加完美的結合在一起。同時伴隨著科技的進步，儲能元件的儲存量，太陽能光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換率以及高亮LED的發(fā)光效率得到很大的改善。

1.研究現(xiàn)狀

當今世界，石油、煤炭、天然氣等主要能源正面臨資源枯竭的危險，同時，環(huán)保壓力也在不斷增加，因此，環(huán)保、節(jié)能已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)各行各業(yè)努力追求的目標。太陽能是一種清潔的綠色能源，總量十分巨大，現(xiàn)今世界可以開發(fā)的最大能源；半導體發(fā)光二極管（LED）也是一種環(huán)保、節(jié)能、高效的固態(tài)電光源?，F(xiàn)在我國光伏照明系統(tǒng)的應用還處于初步開始階段，在二者的研究與應用上還存在諸多問題。地面應用時發(fā)電量的間歇性和隨機性、國家對光伏和LED節(jié)能技術研究扶持的政策環(huán)境尚不成熟以及社會對研發(fā)提供的物質(zhì)基礎尚不充足都嚴重制約著研究向更深層次發(fā)展。

由上表可知，LED作為新穎的半導體光源，具有壽命長、發(fā)光效率高、功耗低、啟動時間短、安全性高、環(huán)保等特點，是一種能將電能轉(zhuǎn)化為可見光的半導體器件，真正點燃了“綠色照明”的光輝。相比較白熾燈和普通節(jié)能燈，開發(fā)和應用更高效、可靠、安全、使用壽命長的新型太陽能LED照明系統(tǒng)勢在必行。

2.研究目的

2.1有效解決我國部分能源問題

在西北地區(qū)、偏遠的山區(qū)，電無法輸送過去，加之此類地區(qū)地勢較高，人居密度小，利于太陽能電池板等相應工具的建設，太陽能光伏發(fā)電就能巧妙的解決這個困難。

在城市中也可以通過太陽能提供動力能源，為市民用電、道路路燈、工廠等大型建筑提供電力。

2.2普遍LED節(jié)能技術，改善能源危機

日常生活中，大多說使用的是白熾燈，電力來源主要通過燃燒煤炭帶來的動力。煤炭資源本來就稀缺，再加上污染環(huán)境嚴重。太陽能光伏發(fā)電來源是太陽能，此“燃料”清潔又環(huán)保，能有效改善能源危機。

2.3建設太陽能建筑，發(fā)展綠色城市

該項研究能夠迅速將光伏發(fā)電系統(tǒng)用到市區(qū)建筑上，如裝在房頂，為城市用戶提供生活用電。此類發(fā)電較為環(huán)保，促進可持續(xù)發(fā)展，與當前的綠色智慧城市相得益彰。

這種太陽能建筑兼具發(fā)電、采光、照明等功能；白天將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存在蓄電池內(nèi)或與電網(wǎng)并網(wǎng)，給室內(nèi)以照明和提供熱源；夜間用蓄電池內(nèi)的能量或電網(wǎng)電力為城市建筑提供照明、取暖等用電。

2.4 推動我國科技水平的提高。

只有在不斷的探索中進步，太陽能運用范圍才能不斷的拓寬。同時有利于提高我國企業(yè)科技水平，壯大民族企業(yè)。只有掌握了研發(fā)核心的技術，才有足夠的實力與外企競爭。

3.太陽能光伏發(fā)電與LED照明系統(tǒng)工作原理

3.1太陽能光伏發(fā)電工作原理

光生伏特效應是將陽光通過太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能這一效應也是光伏發(fā)電系統(tǒng)的理論依據(jù)。它包括光伏電池板、太陽能控制器、蓄電池以及負載。光伏發(fā)電系統(tǒng)主要內(nèi)容如圖1-1所示。

3.1.1光伏電池板

光伏電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部分。它能夠?qū)⑽盏降奶柲苻D(zhuǎn)化為電能，送往蓄電池中存儲起來或者推動負載工作。

3.1.2太陽能控制器

太陽能控制器是用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，控制多路太陽能電池方陣對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備。對負載供電時，也是讓蓄電池的電流先流入太陽能控制器，經(jīng)過它的調(diào)節(jié)后，再把電流送入負載。這樣做的目的：一是為了穩(wěn)定放電電流；二是為了保證蓄電池不被過放電；三是可對負載和蓄電池進行一系列的監(jiān)測保護。

3.1.3蓄電池

蓄電池組為驅(qū)動器及支柱運動提供動力，可在停電或設備處于移動狀態(tài)時調(diào)整設備。電池與設備控制裝置相連接，可在必要時拆開以便快速充電。LED燈可顯示電池充電情況，即使電量處在低位時，一個驅(qū)動器可在電池用完前執(zhí)行一次往復運動以確保設備安全。

3.2 LED照明系統(tǒng)

3.2.1 LED工作原理

LED即半導體發(fā)光二極管，核心是PN結。一般由III-N族化合物等半導體材料制成。在PN結兩端通電源時，PN結產(chǎn)生電場。過量的正電荷或者稱為空穴，是由P區(qū)攜帶的，過量的負電荷或稱為電子是由N攜帶的。受正電壓的影響，電子從N區(qū)往P區(qū)侵入，空穴則從P區(qū)往N區(qū)侵入，隨著P區(qū)內(nèi)的空穴向N區(qū)移動和N區(qū)內(nèi)的電子向P區(qū)移動，在兩區(qū)交界處會產(chǎn)生能量，這些能量來源于光子的釋放，光子釋放所產(chǎn)生的能量來源于少數(shù)載流子和多數(shù)載流子的復合。

3.2.2 LED驅(qū)動電路

LED近年來在各行各業(yè)的應用得以快速發(fā)展，LED的驅(qū)動電路成了產(chǎn)品應用的一大關鍵因素。理論上，LED的使用壽命在10萬小時以上，但在實際應用過程中，由于驅(qū)動電路的設計及驅(qū)動方式選擇不當，使LED極易損壞。

常用驅(qū)動方法有兩種：一種是采用帶限流電阻器的恒壓電源。根據(jù)LED電流、電壓變化特點，采用恒壓驅(qū)動LED是可行的，雖然常用的穩(wěn)壓電路，但存在穩(wěn)壓精度不夠和穩(wěn)流能力較差的缺點；另一種是采用恒流驅(qū)動方式，是比較理想的LED驅(qū)動方式，它能避免LED正向電壓的改變而引起電流變動，同時恒定的電流使LED的亮度穩(wěn)定。因此眾多廠家選用恒流方式驅(qū)動LED。

4.系統(tǒng)構成

整體的額太陽能發(fā)電LED照明系統(tǒng)由太陽能光伏陣列、DC/DC變換器、蓄電池、控制器、LED燈具組成，系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示：

4.1光伏列陣

太陽能電池通過半導體在有光的情況下，產(chǎn)生光伏效應，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，存儲在電池內(nèi)。

4.2 DC/DC變換器

目前常用的DC/DC變換器包括Buck變換器、Boost變換器和Boost-Buck（Sepic）變換器。

在Buck線路中中，需要許多的電容和電感等原件，當沖電的時候，光伏電池電壓比蓄電池電壓高，如果光照比較強，就無法對蓄電池進行充電了；Boost電路中，蓄電池電池端電壓比光伏電池的輸入電池低才能工作，在光照比較弱的情況下，無法進行光伏充電。針對Cuk變換器輸入輸出電壓反向極性的不足，將Cuk變換器的輸出環(huán)節(jié)或輸出環(huán)節(jié)加以改造，可以得到輸入輸出電壓同向極性的boost-buck型電壓變換器，即所謂的Sepic變換器。

4.3蓄電池的MPPT充電

在本系統(tǒng)中采用擾動觀察法實現(xiàn)太陽能陣列最大功率點跟蹤（MPPT）充電，其主要內(nèi)容是對陣列中的電壓和電流進行測量，同時計算輸出的功率，然后在原輸出電壓上面增加一個擾動，從光伏陣列的特點來分析，輸出功率是會發(fā)生變化的。

通過計算改變的功率，與之前的情況進行比較，如果功率增大就繼續(xù)擾動，一旦減少就改變原方向，來實現(xiàn)MPPT控制。

4.4控制器

蓄電池管理系統(tǒng)包含對蓄電池的充放電控制與蓄電池的剩余容量預測.本文采用MSP430F147單片機來進行數(shù)據(jù)采集、處理和控制，來完成對蓄電池的容量預測以及充放電控制。

4.5 LED燈具及驅(qū)動

選用集成 40V、1.2A FET 與 3V 至 18V 寬輸入電壓范圍的微小型高壓升壓轉(zhuǎn)換器TPS61170。這款高效器件支持升壓、單端初級電感轉(zhuǎn)換器 （SEPIC） 以及反向拓撲，可用于調(diào)節(jié)單或雙節(jié)鋰離子電池輸入。該升壓轉(zhuǎn)換器具備單線數(shù)字串行接口與脈寬調(diào)制 （PWM） 輸入，因此可在工作期間動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓。

5.發(fā)展對策

5.1加大資金和技術扶持力度

現(xiàn)階段我國此類的研究還處于滯后狀態(tài)，國家及政府應該頒布更多相關政策帶動其發(fā)展，為太陽能光伏發(fā)電與LED節(jié)能技術提供物質(zhì)、人力等支持。對于省市縣研發(fā)此類的科技人員給與更多保障及更好的待遇，將相關科研技術不斷擴展，解決其后顧之憂。

5.2研究成果應用于社會，為國家做出貢獻

太陽能光伏發(fā)電與LED照明的結合很好地解決了國家電力短缺的問題，對于農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、旅游業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)等具有促進作用。在很多的農(nóng)業(yè)示范基地，負責人在基地道路周邊采用全新的光伏LED照明路燈，不僅更加環(huán)保方便，更為農(nóng)民帶來可觀福利；全國部分高速公路兩旁、旅游景點等也采用此類技術，擴大影響范圍。

5.3吸引企業(yè)進行招商投資，提供研究的物質(zhì)基礎

科學技術的研發(fā)與企業(yè)之間存在互惠共利的好處，因此應該吸引企業(yè)進行此項研究的招商投資，企業(yè)給予研發(fā)資金支持，研發(fā)的先進成果反作用于企業(yè)，為企業(yè)帶動直觀的經(jīng)濟效益，同時對于企業(yè)帶動農(nóng)民就業(yè)也有一定的影響作用，緩解農(nóng)民就業(yè)難的問題。

5.4各高校之間與研究所建立合作

研發(fā)不能閉門造車，高校之間、高校與企業(yè)之間、高校與研究所之間都應該加強交流溝通，定期進行學術交流促進研究的深層次發(fā)展。一方面增強了高校之間的學生、從事此項研究的工作人員的積極性，另一方面對于太陽能光伏發(fā)電與LED照明的高層次研究也有推動作用。

5.5扶貧脫困，助力民生工程

國家農(nóng)村許多鄉(xiāng)鎮(zhèn)貧困人口多，生活水平遠未達到小康水平。當?shù)卣扇∝斦勓a、幫扶支持、村級自籌等方式，在鄉(xiāng)鎮(zhèn)實施光伏扶貧工程試點。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)積極爭取省市光伏扶貧試點項目。項目建成并網(wǎng)發(fā)電后，將按照利潤分配比例提取收益資金，發(fā)放到受益貧困戶，受益貧困戶家庭年均增收3000元左右，將有效促進貧困戶穩(wěn)定脫貧，闖出一條產(chǎn)業(yè)扶貧致富新路。

6.結論

從21世紀開始，全球就開始出現(xiàn)能源短缺以及因現(xiàn)有能源的使用，而造成的環(huán)境問題，到近些年來能源問題越來越嚴重，甚至于引起小范圍的戰(zhàn)爭。所以人們希望盡快的開發(fā)新型能源以解決當前的能源危機，同時也希望能夠做到保護環(huán)境。太陽能作為一種沒有污染、儲存量無限的自然能量，引起了人們關注。隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)了太陽能光伏發(fā)電與LED之間的完美結合，這種產(chǎn)品最大程度的滿足了人們對于系能源的需求。通過對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理與LED照明系統(tǒng)進行簡單介紹，然后對整體系統(tǒng)的構成進行綜合的分析，研究太陽能光伏發(fā)電的LED照明系統(tǒng)的實際應用情況。以期對相關研究有一定的借鑒作用。

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