基于太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的LED照明系統(tǒng)

　　能源短缺是當(dāng)今社會(huì)中的熱點(diǎn)問(wèn)題，它直接制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，可再生能源的利用也就成了當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。太陽(yáng)能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái)自太陽(yáng)能。廣義地說(shuō)，太陽(yáng)能包含以上各種可再生能源。近年來(lái)太陽(yáng)能的利用得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，美國(guó)、日本、德國(guó)相繼提出了“陽(yáng)光計(jì)劃”、“節(jié)能計(jì)劃”等大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。自“六五”以來(lái)我國(guó)政府也一直把研究開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能和可再生能源技術(shù)列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，大大推動(dòng)了我國(guó)太陽(yáng)能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，照明作為日常生活中不可缺少的一部分，成為了世界各國(guó)的一項(xiàng)重要的能源消耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)照明用電占我國(guó)總發(fā)電量的10％以上，綠色節(jié)能照明的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。我國(guó)在1996年就提出了“綠色照明工程”，主要就是為了解決與照明相關(guān)的能源供應(yīng)問(wèn)題，新型的照明光源LED發(fā)光產(chǎn)品在照明和裝飾領(lǐng)域逐漸受到世人的矚目。

　　太陽(yáng)能電池板和LED都是由半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的更加完善必將推動(dòng)太陽(yáng)能和LED的進(jìn)一步發(fā)展。將太陽(yáng)能和LED結(jié)合起來(lái)為節(jié)能照明技術(shù)提供了新的解決方案。

　　1 照明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

　　此系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池、蓄電池和LED照明系統(tǒng)三大部分組成。太陽(yáng)能電池板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成電能，一部分用來(lái)給直流負(fù)載LED供電，另一部分儲(chǔ)存在蓄電池中。當(dāng)沒(méi)有太陽(yáng)光或者光線(xiàn)暗時(shí)，LED照明系統(tǒng)所需要的能量不夠的部分由蓄電池提供。LED照明部分不僅可以實(shí)現(xiàn)晝夜照明，同時(shí)采用了自動(dòng)調(diào)光技術(shù)，可以使室內(nèi)的光線(xiàn)保持恒定。如圖1所示，其中的控制器1采用的是Boost電路，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)跟蹤?？刂破?采用的是雙向DC—DC變換電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池的充放電控制?？刂破?是LED燈的恒流驅(qū)動(dòng)和PWM自動(dòng)調(diào)光控制。下面將分別介紹各部分的工作原理。

　　2 太陽(yáng)能的MPPT算法

　　太陽(yáng)能電池的輸出功率是周?chē)獠凯h(huán)境(光照、溫度)的非線(xiàn)性函數(shù)。圖2為太陽(yáng)能電池P-V特性曲線(xiàn)。當(dāng)光線(xiàn)一定時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出功率存在唯一的最大功率點(diǎn)；當(dāng)光線(xiàn)變化時(shí)，太陽(yáng)能電池的輸出功率也隨著改變，光線(xiàn)增強(qiáng)最大功率增大。太陽(yáng)能電池的輸出功率特性曲線(xiàn)還與溫度有關(guān)，溫度升高最大功率降低。使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)，是提高光伏電池的最有效途徑。最常見(jiàn)的MPVF算法有：恒電壓控制法，此方法雖然簡(jiǎn)單，但不適于溫度變化比較大的地區(qū)。擾動(dòng)觀察法，在光線(xiàn)變化比較大時(shí)擾動(dòng)觀察法可能出現(xiàn)跟蹤方向判斷錯(cuò)誤等問(wèn)題。電導(dǎo)增量法的缺點(diǎn)是對(duì)傳感器靈敏度要求較高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快從而造成硬件成本比較高。

　　針對(duì)擾動(dòng)觀察法在光線(xiàn)變化比較快時(shí)不能準(zhǔn)確跟蹤，采用了一種改進(jìn)的擾動(dòng)觀察法，在光伏電池的P—V特性曲線(xiàn)的頂點(diǎn)處任意取三點(diǎn)，可以得到如圖3(a)所示的五種情況。設(shè)定一個(gè)比較符號(hào)足，初始化為0，比較三點(diǎn)功率。當(dāng)C點(diǎn)功率比曰大或者相等時(shí)K=K+1，C比B小時(shí)K=K-1；同樣比較日和A，比較完之后，若K=2，工作電壓擾動(dòng)往右移，若K=-2，工作電壓擾動(dòng)往左移，K=O說(shuō)明此時(shí)工作電壓對(duì)應(yīng)的正是最大功率點(diǎn)，保持不變。當(dāng)光線(xiàn)變化時(shí)所得到的A、B、C三點(diǎn)關(guān)系如圖3(b)所示。此時(shí)計(jì)算出K=0，這樣當(dāng)光線(xiàn)變化時(shí)不進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，光線(xiàn)穩(wěn)定后繼續(xù)跟蹤最大功率點(diǎn)，從而可以避免擾動(dòng)觀察法在光線(xiàn)變化后的跟蹤方向判斷失誤。程序流程如圖4所示。

　　采用Boost電路作為MPPT控制器，其原理如圖5所示，輸出端電壓由負(fù)載決定，是個(gè)定值，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管占空比就可以改變輸入端太陽(yáng)能池板所提供的電壓，在每個(gè)采樣周期對(duì)光伏電池的輸出電壓和電流采樣，根據(jù)上文提出的MPPT算法調(diào)節(jié)MOS管占空比就可以進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤。

　　3蓄電池的充電策略

　　光伏系統(tǒng)對(duì)蓄電池充電考慮的因素是：①盡量應(yīng)用MPPT充分利用光伏電池；②充電特性曲線(xiàn)要滿(mǎn)足蓄電池的要求，從而延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。傳統(tǒng)的充電方法有恒流充電、恒壓充電等"1。恒流充電的缺點(diǎn)是充電后期電流相對(duì)蓄電池來(lái)說(shuō)比較大。

　　恒壓充電，雖然電流隨著蓄電池端電壓的增大而減小，但充電初期充電電流相對(duì)來(lái)說(shuō)還是很大的。制約著這兩種控制方法的最主要因素就是充電電流，所以．可以從控制電流的角度來(lái)對(duì)蓄電池充電進(jìn)行有效地控制。

　　控制思想為M1：充電初期，給蓄電池設(shè)定一個(gè)比較大的充電限制電流，只要充電電流不超過(guò)這個(gè)限定值，都可以應(yīng)用MPPT。同時(shí)，不斷檢測(cè)蓄電池的端電壓，以判斷蓄電池所處的充電狀態(tài)，當(dāng)端電壓達(dá)到過(guò)充電壓時(shí)，減小充電限制電流。重復(fù)上述過(guò)程，直到充電電流達(dá)到浮充電流(C／100)，說(shuō)明蓄電池已充滿(mǎn)。此后，以浮充電流對(duì)蓄電池充電，來(lái)彌補(bǔ)蓄電池反相自放電造成的能量損失。在此充電過(guò)程中，只要充電電流在所設(shè)定的范圍內(nèi)均可采用MPPT控制方法，從而大大提高了太陽(yáng)能電池的利用率。

　　蓄電池充放電的控制是通過(guò)雙向DC／DC變換器來(lái)執(zhí)行的，如圖6所示，此電路通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷的占空比，可以實(shí)現(xiàn)升降壓。所以不用考慮輸入輸出端的電壓匹配問(wèn)題，就可以使高低壓端相互隔離，效率高控制靈活。當(dāng)太陽(yáng)光充足時(shí)開(kāi)關(guān)Q2斷開(kāi)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)Q1，來(lái)給蓄電池充電。當(dāng)太陽(yáng)能提供的能量不夠LED照明系統(tǒng)用時(shí)，開(kāi)關(guān)Q1斷開(kāi)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)Q2，來(lái)給照明系統(tǒng)提供能量。

　　4 LED恒流及自動(dòng)調(diào)光控制

　　隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，白光LED正逐漸進(jìn)人到日常照明領(lǐng)域，LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化成光能的半導(dǎo)體器件，它是依靠材料中的正負(fù)電荷復(fù)合來(lái)發(fā)光，現(xiàn)實(shí)中沒(méi)有可以直接發(fā)出白光的半導(dǎo)體材料，白光LED的實(shí)現(xiàn)方法中最常用的就是利用RGB三種LED混合成白光。因此，將白光LED應(yīng)用到照明中，可以根據(jù)需要配制成各種不同色溫、色度的LED燈，將給人們帶來(lái)極大的自由空間。同時(shí)，LED的驅(qū)動(dòng)電壓大大地降低，能源節(jié)省將近90％。

　　圖7為L(zhǎng)ED I-V特性曲線(xiàn)，可近似認(rèn)為正向電流，與正向電壓y的n次方成正比。白色LED工作電壓的較小波動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致工作電流的急劇變化，控制不當(dāng)可能會(huì)使PN結(jié)燒壞。另外，LED的亮度、壽命等特性，都與電流有直接的關(guān)系，所以要對(duì)LED進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)。采用圖8所示的恒流驅(qū)動(dòng)電路，圖中的運(yùn)放A和B構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)反饋電路，流過(guò)LED的電流在采樣電阻R，上產(chǎn)生采樣電壓，該采樣電壓經(jīng)過(guò)反饋運(yùn)放B送到前向通道運(yùn)放A中與參考電壓V比較，產(chǎn)生控制電壓對(duì)MOS管的柵源電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以達(dá)到恒流的作用。分析該電路，可得所恒定的電流為：Io=R2×Vt／R3(R1+R2)。其中E為基準(zhǔn)電壓；R1和R2為反饋電阻；最為采樣電阻。

　　常用的白光LED亮度調(diào)節(jié)方法有：①改變電流調(diào)節(jié)；②PW