太陽能大功率LED路燈的設(shè)計(jì)

摘要：為積極響應(yīng)國家節(jié)能減排、大力開發(fā)利用新能源的號(hào)召，以實(shí)際應(yīng)用為目的，圍繞太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套太陽能LED路燈照明系統(tǒng)。介紹了太陽能電池功率的選取原則及與蓄電池容量的匹配方法，重點(diǎn)分析研究了基于ATmegal28單片機(jī)和XLT604驅(qū)動(dòng)器的太陽能照明系統(tǒng)中的太陽能控制器和LED驅(qū)動(dòng)，同時(shí)就LED在芯片的功率選取、組合方式等問題上進(jìn)行了分析。所設(shè)計(jì)的太陽能LED路燈照明系統(tǒng)照度良好、環(huán)保節(jié)能，滿足太原地區(qū)城市道路照明的要求。
關(guān)鍵詞：太陽能組件；大功率LED；組合方式；驅(qū)動(dòng)器XLT604；太陽能路燈

近年來隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)的發(fā)展，太陽能LED路燈已進(jìn)入了城市照明領(lǐng)域。LED作為照明光源與傳統(tǒng)的照明光源相比具有直流低電壓驅(qū)動(dòng)、耗電量少、抗振動(dòng)、壽命長(zhǎng)、納秒級(jí)的響應(yīng)速度、設(shè)計(jì)空間大、環(huán)保、可連續(xù)開關(guān)閃斷，能輕松實(shí)現(xiàn)O～100％調(diào)光功能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代的綠色照明設(shè)備。太陽能LED路燈是以太陽能作為能源。每個(gè)路燈均是獨(dú)立的，安裝方便，無需鋪設(shè)電纜電線，無需交流電能和電費(fèi)，采用直流供電，光控定時(shí)控制，安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，實(shí)用。

1 太陽能電池板與蓄電池的選取
1．1 太陽能電池板選取
目前單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為15％，最高達(dá)到24％，是目前所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，技術(shù)也最為成熟。使用壽命一般可達(dá)15 a，最高可達(dá)25 a。多晶硅太陽能電池比單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約12％，同時(shí)多晶硅太陽能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽能電池短。非晶硅薄膜太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前國際先進(jìn)水平約為10％，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減，直接影響了其實(shí)際應(yīng)用。所以目前多采用單晶硅太陽能電池。
根據(jù)太陽能輻射原理，太陽能電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關(guān)：當(dāng)?shù)氐木暥?、海拔、大氣的污染程度或透明程度、一年?dāng)中四季的變化、一天時(shí)間的變化、到達(dá)地面的太陽輻射值、散分量的比例、地表面的反射系數(shù)、太陽能電池方陣的運(yùn)行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽能電池方陣表面的清潔程度等。太陽能照明系統(tǒng)充放電效率取0．75。太陽能電池組件組失修正系數(shù)取0．95，灰塵遮擋及其他損失修正系數(shù)取0．90。經(jīng)過查詢資料和單位換算及簡(jiǎn)化處理后，可得到太陽能電池總用量P的計(jì)算公式

式中，QL為負(fù)載日功耗(Wh)；HL為水平面年平均日輻射量(KJ／(m2·d))；Kop為斜面輻射最佳輻射系數(shù)；A為安全系數(shù)，一般取1.1～1.3。
1．2 蓄電池的選取
蓄電池的容量要根據(jù)太陽能電池板的功率和LED路燈的功率以及照明時(shí)間來決定，蓄電池應(yīng)與太陽能電池、LED路燈相匹配。可用一種簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池功率必須高出負(fù)載功率4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20％～30％，才能保證給蓄電池正常蓄電。因此，蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜。
蓄電池的容量Bc的計(jì)算公式：

式中，PL為日平均耗電量，D為陰雨天數(shù)，Kb為安全系數(shù)，1.1～1.4(包括了溫度修正系數(shù)To=O℃上為1，-10℃上為1.1，-lO℃下為1.2，放電深度cc=O．75)，V為工作電壓。
根據(jù)式(2)可以估算出蓄電池的容量，同時(shí)蓄電池的充電效率的高低取決于充電的方式。根據(jù)系統(tǒng)要求和對(duì)各種指標(biāo)的核定，這里選用12 V 100 Ah閥控密封式鉛酸蓄電池。

2 太陽能控制器硬件設(shè)計(jì)
太陽能控制器全稱為太陽能充放電控制器，是控制太陽能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備。能自動(dòng)防止蓄電池過充電和過放電。它對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。
本文設(shè)計(jì)的充電控制器用ATmegal28單片機(jī)作為主控器件，檢測(cè)太陽能電池板的輸出電壓，選擇適合的DC／DC支路，檢測(cè)蓄電池的電壓值，根據(jù)蓄電池的電荷狀態(tài)，選擇合適的充電方式，為蓄電池提供過充電、過放電保護(hù)。

圖1為采用斬波式PWM充電原理圖，檢測(cè)蓄電池的充電端電壓，將檢測(cè)得到的蓄電池端電壓與給定點(diǎn)電壓比較。若蓄電池的電壓小于給定電壓，斬波器全通，迅速給蓄電池充電；若大于給定電壓，則根據(jù)比例調(diào)整功率管的占空比，充電進(jìn)入慢充階段，改善充電特性，最后進(jìn)入涓流充電，防止過充。