市政電源/太陽能聯(lián)合的LED照明控制

謝蘭清

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530001）

0 引言

太陽能是一種新型的環(huán)保能源，現(xiàn)代新能源當(dāng)中，人們普遍認(rèn)為太陽能光伏發(fā)電是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)之一[1]。將永不枯竭、清潔環(huán)保的太陽能與LED節(jié)能、快速響應(yīng)的特征相結(jié)合，將是一種近趨于完美的組合?？紤]到路燈、小區(qū)草坪燈的現(xiàn)有市政供電系統(tǒng)，就目前大多采用的是市政電源供電或者單一的太陽能取電方式，其可靠性方面尚存不足[2]。本文以太陽能為主，市政供電為輔的節(jié)能控制策略，可靠性高，經(jīng)濟(jì)效益顯著，具有實(shí)際的開發(fā)價(jià)值。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

如圖1所示，該系統(tǒng)構(gòu)成為[3]：1) 太陽能電池；2) 蓄電池；3) 控制器；4) LED負(fù)載；5) 市政電源。

圖1 系統(tǒng)構(gòu)架

在正常運(yùn)行情況下，LED負(fù)載是由蓄電池來提供電源，當(dāng)蓄電池因電能消耗而電壓不夠時(shí)，由市政電源來進(jìn)行補(bǔ)充。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)合理地減少蓄電池的電池容量，節(jié)約工程耗資。其具體功能：

1）太陽能電池。實(shí)現(xiàn)太陽能的轉(zhuǎn)化，并將能量存儲(chǔ)在蓄電池中，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)LED照明負(fù)載。

2）蓄電池。接收太陽能電池輸送過來的能量，并存儲(chǔ)，用于驅(qū)動(dòng)LED燈具照明。

3）控制器。監(jiān)控蓄電池的充電/放電，防止其過放電以及過充電。實(shí)現(xiàn)市政電源和太陽能電池間的切換控制，確保LED燈具正常照明。

4）LED負(fù)載。LED照明光源處于該照明控制系統(tǒng)的末端，屬于新興的、環(huán)保節(jié)能光源。

5）市政電源。屬于備用電源，在連續(xù)陰天，蓄電池出現(xiàn)太陽能充電不足時(shí)，由市政電源向LED照明負(fù)載直接供電，其切換過程由控制器實(shí)現(xiàn)。

2 控制器設(shè)計(jì)

控制器監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)；控制蓄電池的充電和放電；實(shí)現(xiàn)市政電源與蓄電池之間的切換；控制LED照明負(fù)載的工作狀態(tài)等。本文以PIC1 6F 8 77A為控制核心，其具體實(shí)現(xiàn)見圖2。其主要對(duì)蓄電池的充電、放電，與市政電源間的切換的控制，見圖2中 C1 - C 3。數(shù)碼晶體管的顯示以及其驅(qū)動(dòng)見圖2中A~G/Dig_En1~Dig_En6。

圖2 控制器實(shí)現(xiàn)

3 控制流程設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)包含了兩種模式：1)白天模式；2)夜晚模式。蓄電池以其端電壓值作為判斷其電量足夠與否的依據(jù)；端電壓＞12V，充足；端電壓＜ 1 2V ，不足?？刂七壿嬕姳?。

在白天時(shí)，蓄電池中止放電，對(duì)其充電。獲取蓄電池端電壓，若其＜12V，則采用直流來實(shí)現(xiàn)快速充電；若其＞12V，則采用脈沖充電。

在夜晚時(shí)，蓄電池中止充電，獲取蓄電池端電壓，若其＞9V，接通其放電回路；若其＜9V，強(qiáng)制斷開其放電回路，進(jìn)而由市政電源給LED照明負(fù)載提供電源。

本控制系統(tǒng)中，還設(shè)計(jì)了深夜半功率供電，也就是在深夜時(shí)，LED照明負(fù)載的照明亮度為正常工作時(shí)的1/2，于是蓄電池所輸出的功率也為正常工作時(shí)的1/2。

3.1 控制主流程

啟動(dòng)系統(tǒng)，控制器檢測太陽能電池端電壓，若其＜0.7V，則認(rèn)為是夜晚，系統(tǒng)選擇夜晚模式；若其＞0.7V，則認(rèn)為是白天，系統(tǒng)選擇白天模式，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主流程

3.2 白天模式

在白天模式，控制器強(qiáng)制斷開蓄電池與市政電源的供電回路，具體控制實(shí)現(xiàn)：獲得蓄電池端電壓，若其大于15V（過充點(diǎn))，終止充電；當(dāng)其小于12V（過放點(diǎn))，采用直流方式對(duì)其充電，節(jié)約充電時(shí)間；當(dāng)其處于12V～15V之間時(shí)，以脈沖方式進(jìn)行充電，從而實(shí)現(xiàn)了蓄電池的充電與放電的控制。同時(shí)也需監(jiān)測太陽能電池端電壓，用于決定是否應(yīng)切換至夜晚模式，流程如圖4所示。

圖4 白天模式流程

3.3 夜晚模式

在夜晚模式，蓄電池中止充電。獲得蓄電池端電壓值，并作為判斷LED的電源是該由市政電源還是蓄電池提供的依據(jù)。若是由市政電源來提供，則由控制器進(jìn)行切換。若是由蓄電池來提供，判斷是否采用半功率供電方式；若是，蓄電池就采用半功率方式放電；不然蓄電池仍正常供電。不論是正常還是半功率供電形式，控制器都會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測太陽能電池以及蓄電池兩者的端電壓，用于決定是否由市政電源供電還是應(yīng)切換為白天模式，流程如圖5所示。

圖5 夜晚模式流程

4 LED驅(qū)動(dòng)器

在設(shè)計(jì)過程中，LED燈具的連接方式以及其驅(qū)動(dòng)選擇問題均比較棘手。筆者查閱了很多現(xiàn)在LED市場上的產(chǎn)品資料，得出：若對(duì)LED燈具進(jìn)行簡單串接，其驅(qū)動(dòng)電壓會(huì)相當(dāng)高；若對(duì)LED燈具進(jìn)行簡單并接，其驅(qū)動(dòng)電流又會(huì)相當(dāng)大。綜合前兩種因素，本文設(shè)計(jì)了混聯(lián)方式，4個(gè)LED照明等串聯(lián)，然后在并聯(lián)起來，采用恒流驅(qū)動(dòng)。其實(shí)際應(yīng)用效果良好。

表1 控制邏輯

5 結(jié)論

太陽能屬于一種清潔環(huán)保的新能源。本文采用將太陽能與市政電源聯(lián)合的方法，彌補(bǔ)了在陰雨天、冬季太陽能不足的缺陷。有效縮減了蓄電池的需求容量，節(jié)約了成本。同時(shí)系統(tǒng)得到顯著提升，具有實(shí)際的研發(fā)意義與經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 蔣培興.基于AT89C52的大功率太陽能LED 路燈電路設(shè)計(jì)與仿[J].照明工程學(xué)報(bào),2009,20(4):59-64.

[2] 王秀玲,王文蘭,吳武臣.基于PIC16F877A的太陽能與市電互補(bǔ)照明系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2010,02:27-29.

[3] 馬磊.獨(dú)立式太陽能半導(dǎo)體照明系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].華中科技大學(xué),2006:12-26.