0 引言
隨著(zhù)全球能源的日益緊張，太陽(yáng)能光伏照明得到了迅速發(fā)展。在太陽(yáng)能照明系統的發(fā)展中，人們不斷的對照明系統常用的控制模式進(jìn)行分析，設計各種實(shí)際可行的工作模式，同時(shí)光源技術(shù)也在不斷的更新?lián)Q代中，蓄電池的充電模式也在不斷的研究探索中，有效利用率越來(lái)越高。在太陽(yáng)能各個(gè)組成部分的發(fā)展和協(xié)調中，太陽(yáng)能照明系統正在不斷發(fā)展完善。
1 太陽(yáng)能燈的原理及組成
太陽(yáng)能燈具系統為直流型獨立光伏系統。太陽(yáng)能電池組件將太陽(yáng)能轉化為電能，通過(guò)控制器進(jìn)行控制及保護，將電能轉變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存在蓄電池中。當用電時(shí)，蓄電池再將化學(xué)能轉化為電能，供直流負載使用，或者通過(guò)逆變器逆變?yōu)榻涣麟姽┙涣髫撦d使用。只有當長(cháng)時(shí)間無(wú)光照以致電池中的電能用完時(shí)，這個(gè)裝置才停止工作。
太陽(yáng)能路燈由以下幾個(gè)部分組成：太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。
1）太陽(yáng)能電池板
太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能路燈中的核心部分，也是太陽(yáng)能路燈中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能轉換為電能，或送至蓄電池中存儲起來(lái)。太陽(yáng)能電池主要用單晶硅、多晶硅為材料。單晶硅的光電轉換效率為13％～15％，多晶硅為11％～13％。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池。
2）太陽(yáng)能控制器
太陽(yáng)能燈具系統中最重要的一環(huán)是控制器，其性能直接影響到系統壽命，特別是蓄電池的壽命�？刂破饔霉I(yè)級MCU做主控制器，通過(guò)對環(huán)境溫度的測量，對蓄電池和太陽(yáng)能電池組件電壓、電流等參數的檢測判斷，控制MOSFET器件的開(kāi)通和關(guān)斷，達到各種控制和保護功能。
3）蓄電池
由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統的輸入能量極不穩定，所以一般需要配置蓄電池系統才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿(mǎn)足夜晚照明的前提下，把白天太陽(yáng)能電池組件的能量盡量存儲下來(lái)，同時(shí)還要能夠存儲滿(mǎn)足連續陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過(guò)小不能夠滿(mǎn)足夜晚照明的需要，容量過(guò)大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費。蓄電池應與太陽(yáng)能電池、用電負荷（路燈）相匹配�？捎靡环N簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽(yáng)能電池功率必須比負載功率高出4倍以上，系統才能正常工作。太陽(yáng)能電池的電壓要超過(guò)蓄電池的工作電壓20%～30%，才能保證給蓄電池正常負電。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。
4）光源
太陽(yáng)能路燈采用何種光源是太陽(yáng)能燈具是否能正常使用的重要指標，一般太陽(yáng)能燈具采用低壓節能燈、低壓鈉燈、無(wú)極燈、LED光源。
LED燈光源壽命長(cháng)，可達1000000小時(shí)，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產(chǎn)50lm/W，進(jìn)口80lm/W。隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，LED的性能將進(jìn)一步提高。
5）燈桿及燈具外殼燈桿的高度應根據道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標準確定。燈具外殼根據我們收集了許多國外太陽(yáng)燈資料，在美觀(guān)和節能之間，大多數都選擇節能，燈具外觀(guān)要求不高，相對實(shí)用就行。
2太陽(yáng)能路燈照明控制系統
1）系統結構
太陽(yáng)能路燈微機監控系統由微機主控線(xiàn)路、太陽(yáng)能電池板、蓄電池充放電器、蓄電池組、LED光源驅動(dòng)和LED燈等幾部分組成。系統組成結構如圖1所示：
圖1 太陽(yáng)能路燈微機監控系統組成結構
2）功能控制
（1）太陽(yáng)能路燈控制器的基本要求
太陽(yáng)能路燈由多個(gè)LED燈串聯(lián)而成，路燈照明系統不但消耗大量的電能，而且還需要投入巨額的日常維護費用，給城市帶來(lái)電力供應和財政支出的雙重壓力。制定“按需照明”的供電策略可以緩解這一矛盾。通過(guò)編程可以實(shí)現對分布在城市繁華路段的路燈機動(dòng)靈活的控制，可在任意時(shí)間段內通過(guò)PWM方式實(shí)現開(kāi)關(guān)控制，以達到既節電又烘托城市燈光氣氛的目的�？刂苹疽笕缦拢�
①對前半夜與后半夜的亮度進(jìn)行控制，控制比例依情況而定；②開(kāi)啟單邊路燈策略，即蓄電池現有電量只供一路路燈照明，另一路路燈關(guān)閉；③半夜燈策略，即前半夜開(kāi)燈，后半夜關(guān)燈，蓄電池現有電量只供前半夜照明使用。
太陽(yáng)能路燈都是以自然光線(xiàn)的強弱來(lái)控制照明燈具的開(kāi)關(guān)，這些光控太陽(yáng)能照明系統的優(yōu)化設計是系統長(cháng)期可靠運行的前提。系統容量可以根據當地的地理位置、氣象條件和負載狀況做出最優(yōu)化設計。但是由于季節因素，冬天太陽(yáng)輻射要比夏天少，太陽(yáng)電池陣冬天產(chǎn)生的電量比夏天少，可是冬天需要照明的電量卻比夏天多，從而使照明系統的發(fā)電量與需電量形成反差，依然難以平衡月發(fā)電量盈余和耗電量虧損。為了提高照明系統發(fā)電量的利用率，克服系統缺電帶來(lái)的不足，在太陽(yáng)能照明系統的發(fā)展中，人們不斷地對照明系統常用的控制模式進(jìn)行分析，設計各種實(shí)際可行的工作模式，同時(shí)光源技術(shù)也在不斷的更新?lián)Q代中，蓄電池的充電模式也在不斷的研究探索中有效利用率越來(lái)越高，因此在太陽(yáng)能各個(gè)組成部分的發(fā)展和協(xié)調中，太陽(yáng)能照明系統正在不斷地趨于完善。
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�。ǜ唠娖綍r(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。
3）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��；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。 |
