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太阳能 市电互补LED路灯控制器研究

钜大LARGE  |  点击量:295次  |  2019年08月06日  

摘要
摘要:文章介绍了一种光电互补LED路灯控制器,该控制器控制太阳能电池板对蓄电池组充放电,实时检测蓄电池容量,并用光电互补方式对负载供电。同时阐述了太阳能LED路... 关键字:光电互补 LED路灯控制器 清洁能源 固态光源。

摘要:文章介绍了一种光电互补LED路灯控制器,该控制器控制太阳能电池板对蓄电池组充放电,实时检测蓄电池容量,并用光电互补方式对负载供电。同时阐述了太阳能LED路灯采用光电互补技术,既能提高可靠性,又能降低成本,是目前解决太阳能LED路灯照明的最佳选择,并根据LED路灯负载计算了蓄电池容量和太阳能电池板容量的匹配关系。


引言


太阳能作为一种理想的清洁能源,正迅速得到广泛应用。LED作为固态光源,寿命长、耗能少,属绿色光源。随着大功率LED驱动的研究成功,LED在照明领域得到推广。由于太阳能电池将光能转化为直流电压,通过太阳能电池组件的合理组合,得到LED灯具实际需要的电压,两者易于匹配,可获得很高的利用率,具有较高的安全性,可实现节能、环保的要求。把太阳能LED应用于路灯照明领域,既可节约大量电缆的成本,易于实现路灯的智能控制,又可节约大量能源,因此太阳能LED在路灯应用上易于推广。


由于太阳能受天气因素的制约比较大,太阳光照射分布密度小,受光时间、强度大小具有随机性、间歇性,要保证太阳能电池输出电压的稳定,必须利用蓄电池,在白天有阳光时对蓄电池充电,晚上蓄电池给负载LED放电。如果遇到连续阴雨天气,对蓄电池容量要求就大,而太阳能电池组容量越大,成本就越高。太阳LED路灯照明系统采用光电互补方式可较好地解决这个矛盾,对推广太阳能LED路灯控制有着现实和经济意义。


光电互补LED路灯照明系统就是以太阳能电池发电为主,以普通220V交流电补充电能为辅的路灯照明系统,采用此系统,光伏电池组和蓄电池容量可以设计得小一些,基本上是当天白天有阳光,当天就用太阳能发电同时给蓄电池充电,到天黑时蓄电池放电把负载LED点亮。在我国大部分地区,全年基本上都有三分之二以上的晴朗天气,这样该系统全年就有三分之二以上的时间用太阳能照亮路灯,剩余时间用市电补充能量,既减小了太阳能光伏照明系统的一次性投资,又有着显著的节能减排效果,是太阳能LED路灯照明在现阶段推广和普及的有效方法。


1光电互补LED照明系统设计


1.1LED照明负载


假设光电互补LED路灯灯杆高度为10m,光照光通量大约25lm,选用1W、3.3V、350mA的LED灯组成两路路灯,每一路14串2并共28W,两路为56W。设路灯每天平均照明10小时,LED路灯前5小时全亮,后5小时亮度减半,即电池消耗减少一半。


所需实际驱动电流为350mA×2×2=1.4A


每天以10小时计算,负载所需安时数为1.4A×5h+1.4A×0.5×5h=10.5Ah


电压为3.3V×14=46.2V


1.2蓄电池组容量设计


1.2.1蓄电池的选用


太阳能路灯用蓄电池由于频繁处于充电、放电循环中,而且会经常发生过充或深度放电等情况,因此蓄电池工作性能和循环寿命成为最受关注的问题。阀控式密闭型铅酸电池具有不需要维护、不向空气中排出氢气和酸雾、安全性好、价格低等优点,因而被广泛应用。蓄电池过充电、过放电以及蓄电池环境温度等都是影响蓄电池寿命的重要因素,所以在控制器中要重点采取保护措施。


1.2.2蓄电池组容量的计算


在光电互补路灯系统中,是靠太阳能和市电互补对LED路灯进行供电的。由于太阳光随天气变化差别很大,白天太阳光强时,太阳能电池板给蓄电池充电;晚上蓄电池给负载供电。阴天时,负载用电从蓄电池取得,当蓄电池放电电压降到最低允许限度时,自动转为市电补给。蓄电池的容量对保证可靠性供电很重要,电池容量过大导致成本价格升高,容量过小,又不能充分利用太阳能达到节能的目的。


蓄电池容量Bc计算公式Bc=A×QL×NL×T0/CCAh(1)


式(1)中A为安全系数,取1.1~1.4之间,本式为A=1.2;


QL为负载日平均耗电量,为工作电流乘以日工作小时,QL=10.5Ah;


NL为最长连续阴雨天数,由于采用光电互补,故可以取NL=1天;


T0为温度修正系数,一般在0℃以上为1.1,-10℃以下取1.2,本式取T0=1.1;


CC为蓄电池放电深度,一般铅酸电池取0.75,碱性镍镉蓄电池取0.8,本式中CC=0.75。


因此,Bc=A×QL×NL×T0/CC=1.2×10.5×1×1.1/0.75=18.5Ah,实际设计中,我们选用48V、40Ah免维护阀控密封铅酸蓄电池。


1.2.3太阳能电池方阵设计


太阳能电池组件以一定数目串联起来,可获得所需要的工作电压。但是太阳能电池的串联必须适当,串联数太少,串联电压低于蓄电池浮充电压,太阳能电池组方阵就不能对蓄电池充电;若串联数太多,使输出电压远高于浮充电压时,充电电流也不会有明显增加。因此,只有当太阳能电池组件串联电压等于合适充电电压时,才能达到最佳状态。


太阳能电池组的输出电压一般取蓄电池电压的1.2~1.5倍,当取1.35倍时,蓄电池电压为48V×1.35=64.8V,此处取65V。


若当天无太阳光时,蓄电池晚上给负载放电容量为Bcb=A×QL×NL=1.2×10.5×1=12.6Ah


郑州地区按5小时太阳光给蓄电池充电,电流为I=12.6Ah/5h=2.52A


所以太阳能电池方阵功率为P=UI=65V×2.52A=163.8W


实际可采用4块36V48W太阳能电池板,共192W,分两组,每组2块串联,电压为72V。


2控制器及工作原理简介


2.1光电互补LED路灯控制器系统结构


光电互补LED路灯控制系统结构框图如图1所示,本系统中关键部件是控制器,控制器的功能主要有:


(1)白天对太阳能电池板的电压和电流进行检测,通过MPPT算法追踪太阳能电池板最大输出功率点,使太阳能电池板以最大输出功率给蓄电池充电,并控制太阳能电池对蓄电池进行充电的方式;


(2)控制光电互补自动转换,晚上控制蓄电池放电,驱动LED负载照明;当在太阳光照不足或阴雨天气,蓄电池放电电压达最低电压时,能自动切换到市电供LED路灯点亮;


(3)对蓄电池实行过放电保护、过充电保护、短路保护、反接保护和极性保护;


(4)控制LED灯的开关,通过对外环境监测,可以控制LED灯开灯、关灯时间。


2.2充电电路及输出控制


2.2.1充电电路


充电电路用来调节充电电流与电压,使太阳能电池板稳定地对蓄电池充电。由于每天在各个时段太阳能电池板所转换的太阳辐射能不同,使得太阳能电池输出的电流和电压各不相同,这就需要通过必要的充电电路来控制。本电路就是用TL494实现的电压型脉宽调制(PWM)控制电路,电路图如图2所示。


当R12所接的单片机给4脚一个高电平时,TL494的截止时间增大到100%,TL494不工作,这样就可以通过4脚输入的电平高低决定是否对蓄电池充电。TL494的12脚接电源,14脚输出的5V基准电压供单片机使用,同时R5、R6的分压作为TL494中误差放大器1的同相端(2脚)恒压充电时的参考电压信号,电池正极电压经R2、R3分压作为误差放大器1的反相端(1脚)输入恒压充电的给定电压信号,两者之间的偏差作为恒压调压器使用。


2脚和3脚间引入阻容元件,校正改善误差放大器的频响。系统工作时,实时检测太阳能电池板的输出电压、蓄电池的电压,并根据各个电压值的不同状况,控制太阳能电池对蓄电池充电与否,并根据设定的路灯时控或光控方式,控制LED路灯是否点亮,以及点亮时供电方式在蓄电池和市电之间的合理切换。TL494主要在单片机程序控制下完成对蓄电池、太阳能电池板的检测以及充放电控制。


路灯的照明时间可以依据H1~H4上的直拨开关进行设置,每档对应时间为1小时、2小时、4小时、8小时,这样就可以通过不同的组合在1~15小时内作调整。系统软件的控制流程图如图3所示。


在工作过程中,单片机会一直检测太阳能电池和蓄电池的电压,当太阳能电池的输出电压高于蓄电池2V以上,同时蓄电池的电量没满,单片机的11脚输出低电平,芯片TL494开始工作,通过MOS管Q1对蓄电池充电。当充满后,转入浮充状态,对蓄电池的自放电情况进行电量补偿。


对蓄电池的充电,开始是大电流恒流充电状态,充电电流为Imax。当蓄电池的电压达到52.8V时,充电器处于恒压充电状态,充电电流持续下降,当电流下降到250mA并且蓄电池的电压上升到56.4V左右不变时,蓄电池的电量已达额定容量的100%,电路进入浮充阶段,给电池提供的浮充电压抵消了蓄电池的自放电。当蓄电池的电压达到57.6±0.2V,蓄电池达到过充电压点,单片机的11脚输出高电平,芯片TL494结束工作,蓄电池充电结束。


3结论


通过对光电互补LED路灯系统设计和实际测试观察,其结果基本符合设计要求,但必须经过实际长期运行,不断完善设计,才能达到太阳能有效利用、蓄电池容量匹配最合理、成本降到最低、性能价格比最好。(李文方,李海霞,陈嘉义 黄河科技学院信息工程学院,河南郑州)


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