基于太陽(yáng)能照明原理、組成和控制系統設計

根據太陽(yáng)能路燈系統的特點(diǎn)，路燈運行要兼顧蓄電池剩余容量的影響。當路燈正常開(kāi)啟時(shí)，根據蓄電池剩余容量檢測法得到當前蓄電池容量，通過(guò)查詢(xún)后得到蓄電池將要維持的供電時(shí)間，平均使用蓄電池現有電量，同時(shí)根據當晚可使用的蓄電池電量對路燈照明方式靈活控制，合理使用蓄電池現有電量。

(2)蓄電池充放電控制功能

蓄電池充放電控制是整個(gè)系統的重要功能，它影響整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統的運行效率，還能防止蓄電池組的過(guò)充電和過(guò)放電。蓄電池的過(guò)充電或過(guò)放電對其性能和壽命有嚴重影響。充放電控制功能，按控制方式可分為開(kāi)關(guān)控制(含單路和多路開(kāi)關(guān)控制)型和脈寬調制(PWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。本系統采用脈寬調制控制器方式，并選用MOS晶體管作為開(kāi)關(guān)器件。當白天晴天的情況下，根據蓄電池的剩余容量，選擇相應的占空比方式向蓄電池充電，力求高效充電;夜間根據蓄電池的剩余容量及未來(lái)的天氣情況，通過(guò)調整占空比方式進(jìn)而調節LED燈亮度，以保證均衡合理使用蓄電池。

此外系統還具有對蓄電池過(guò)充的保護功能，即充電電壓高于保護電壓(15V)時(shí)，自動(dòng)調低蓄電池的充電電壓;此后當電壓掉至維護電壓(13.2V)時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當低于13.2V后浮充關(guān)閉，進(jìn)入均充狀態(tài)。

當蓄電池電壓低于保護電壓(11V)時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負載開(kāi)關(guān)以保護蓄電池不受損壞。通過(guò)PWM方式充電，既可使太陽(yáng)能電池板發(fā)揮最大功效，又提高了系統的充電效率。本設計對蓄電池的反接、過(guò)充，過(guò)放具有相應保護措施。

(3)太陽(yáng)能路燈運行方式控制功能

高亮度大電流LED燈，由于相同亮度的情況下，比白熾燈省電約90%，得到了廣泛的應用，現已有逐漸替代常規照明燈的趨勢。

太陽(yáng)能路燈由多個(gè)LED燈串聯(lián)而成，亮度通過(guò)PWM方式可調，即通過(guò)EN端改變流經(jīng)LED的電流，從而調節LED燈亮度，電流強度可以從幾毫安到1安培，最終使LED燈達到預期的亮度。

PWM信號可由微控制器產(chǎn)生，也可由其它脈沖信號產(chǎn)生，PWM信號可使通過(guò)LED燈的電流從0變到額定電流，即可使LED燈從暗變?yōu)檎Ａ炼?。PWM占空比越小(高電平時(shí)間長(cháng))，亮度越高。利用PWM控制LED的亮度，非常方便和靈活，是最常用的調光方法，PWM的頻率可從幾十Hz到幾千Hz。

PWM調光是通過(guò)控制MOSFET晶體管實(shí)現的。

由于本系統路燈單元采用的電壓是由幾個(gè)蓄電池串聯(lián)產(chǎn)生的，所以選用MOSFET晶體管時(shí)，首先要考慮MOSFET的耐壓，本系統要求MOSFET的耐壓要高于40V;其次，根據驅動(dòng)LED燈電流的大小，選擇MOSFET的IDS的最大電流。在直流供電情況下，首先考慮的是IDS最大電流值和RDS值。一般情況下，應選用MOSFET的IDS最大電流是LED燈驅動(dòng)電流的5倍以上;另外還要選擇MOSFET的內阻要小;LED驅動(dòng)電流越大，RDS應越小，RDS越小，變換效率越高。

城市太陽(yáng)能路燈是和人民生活密切相關(guān)的公共設施，它在一定程度上反映了城市的繁榮程度及發(fā)展水平。在過(guò)去很長(cháng)一段時(shí)間內，路燈的更新多是局限于其照明部分，隨著(zhù)城市及電子技術(shù)的發(fā)展，城市路燈系統經(jīng)歷了手工控制、自動(dòng)定時(shí)/光電控制、計算機程序控制的發(fā)展過(guò)程。用計算機來(lái)實(shí)現城市太陽(yáng)能路燈系統的自動(dòng)控制，對于提高城市的現代化管理水平，節省人力、物力，都具有良好的經(jīng)濟和社會(huì )效益。通過(guò)有效的調節燈光開(kāi)關(guān)時(shí)間，能夠極大地提高了路燈系統的工作質(zhì)量和工作效率，為城市照明系統的運行、維護、擴展、提供全面的解決方案和強有力的技術(shù)支持，提高了城市照明運行管理水平。

(1)微機主控線(xiàn)路。

微機主控線(xiàn)路是整個(gè)系統的控制核心，控制整個(gè)太陽(yáng)能路燈系統的正常運行。微機主控線(xiàn)路具有測量功能，通過(guò)對太陽(yáng)能電池板電壓、蓄電池電壓等參數的檢測判斷，控制相應線(xiàn)路的開(kāi)通或關(guān)斷，實(shí)現各種控制和保護功能。

(2)充電驅動(dòng)線(xiàn)路

充電驅動(dòng)線(xiàn)路由MOSFET驅動(dòng)模塊及MOSFET組成。MOSFET驅動(dòng)模塊采用高速光耦隔離，發(fā)射極輸出，有短路保護和快速關(guān)斷功能。選用的MOSFET為隔離式、節能型單片機開(kāi)關(guān)電源專(zhuān)用IC，驅動(dòng)LED的全電壓輸入范圍為150～200V，輸出電流為8～9A。輸入電壓范圍寬，具有良好的電壓調整率和負載調整率，抗干擾能力強，低功耗。

本系統通過(guò)充電驅動(dòng)線(xiàn)路完成太陽(yáng)能電池組向蓄電池的充電，電路中還提供了相應的保護措施。

(3)LED驅動(dòng)線(xiàn)路

由IGBT驅動(dòng)模塊及MOSFET組成，實(shí)現對路燈亮度的調節及路燈的開(kāi)關(guān)。

(4)太陽(yáng)能電池組

太陽(yáng)能電池組由太陽(yáng)能電池單體(工作電壓約為0.5V,工作電流約為20～25mA/cm2,面積為10cm×10cm)以串、并方式連接成組件，一個(gè)標準組件包括36片單體，使一個(gè)太陽(yáng)能電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，成為一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池池組。當應用系統需要更高的電壓和電流組件時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽(yáng)能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。

(5)蓄電池組

由于從光伏陣列得到的能量不總是與電子負載的需求相符，當光伏陣列本身不能提供足夠的功率時(shí)，蓄電池仍能使負載工作。如果電子負載需要在夜間或在多云或陰天時(shí)工作，就需要能量的存儲。蓄電池存儲能量的大小設計為自主運行期間滿(mǎn)足平均每日電子負載的需求。一般來(lái)說(shuō)，應能儲備5～7天的夜間照明用電量。在獨立光伏系統中，由光伏陣列產(chǎn)生的電能不總是在電能產(chǎn)生的同時(shí)加以使用，所以在多數獨立光伏系統中需要蓄電池。

(6)通信裝置

由無(wú)線(xiàn)數傳模塊組成。無(wú)線(xiàn)數傳模塊支持GPRS,帶有RS-232接口，通信距離達100米，抗干擾性強，不受廣播電視，移動(dòng)通信干擾，實(shí)現相鄰路燈終端之間的通信。