太阳能、市电互补LED路灯控制器研究

　　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，又有着显着的节能减排效果，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

　　1.1 LED 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25 lm，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/CC Ah （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36V 48W 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。

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