小型太陽能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計

何軍

（黑龍江省齊齊哈爾農(nóng)業(yè)機械化學(xué)校，黑龍江齊齊哈爾　161041）

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小型太陽能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計

何軍

（黑龍江省齊齊哈爾農(nóng)業(yè)機械化學(xué)校，黑龍江齊齊哈爾161041）

摘要：分析太陽能LED照明的優(yōu)勢，敘述了小型太陽能LED照明系統(tǒng)的組成和工作原理、控制系統(tǒng)穩(wěn)壓電路設(shè)計、控制程序設(shè)計等，并指出其推廣價值。

關(guān)鍵詞：LED系統(tǒng)；太陽能照明

LED是當(dāng)今非常具有利用價值的光源，而太陽能LED照明系統(tǒng)將LED照明和太陽能光伏發(fā)電集成在一起，連接了當(dāng)今世界的新一代能源和新一代光源。

太陽能LED照明的優(yōu)勢:（1）穩(wěn)定可靠。運行實驗在國內(nèi)的光伏系統(tǒng)有上千套，晶體硅的壽命可以達到20年甚至更多年。（2）標準化程度高，機動靈活，可以由串聯(lián)和并聯(lián)組成來滿足電力的不同需求，可大可小，易于擴展，通用性強。（3）管理方便，可以實現(xiàn)智能型控制，安裝簡單，運行成本低。（4）隨著各個國家對太陽能LED照明系統(tǒng)深入的研發(fā)，其太陽能的轉(zhuǎn)換效率也得到了提高，太陽能發(fā)電技術(shù)成本正日益減少。（5）廣泛的太陽能資源無處不在，基本不受地域和其他方面的限制，可以說是予取予得。

一、小型太陽能LED照明系統(tǒng)的組成及工作原理

（一）太陽能LED照明系統(tǒng)組成

太陽能LED照明系統(tǒng)主要由下列部分組成:太陽能電池板、控制器（單片機）、鋰電池、穩(wěn)壓模塊電路、繼電器、LED光源等。

1.太陽能電池板

太陽能電池板是由多個的太陽能電池組件通過串、并聯(lián)方式連接而成，自行修改的容量有的數(shù)百峰瓦（WP），有的數(shù)千兆峰瓦（WP），或者更大峰瓦（WP）。大多數(shù)情況下，由于半導(dǎo)體器件組成了光伏發(fā)電陣列，所以有很強的非線性伏安特性。本系統(tǒng)著重研究小型的太陽能LED照明系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功率僅僅為幾瓦特。

2.穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊環(huán)節(jié)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它將可變的直流電壓變換成一定的直流電壓，并完成穩(wěn)壓的作用，這是由于不同的光照強度會產(chǎn)生不同大小的電壓和電流，這樣對鋰電池的損耗太大，而為了保證鋰電池能有效儲存電能，同時延長鋰電池的使用壽命，當(dāng)給鋰電池充電時，需要采用恒壓恒流的辦法，將其電壓大小調(diào)節(jié)到一定的大小，然后接到鋰電池上，實現(xiàn)對鋰電池的穩(wěn)壓充電。

3.鋰電池

鋰電池是一類使用鋰金屬或者是鋰合金作為負極材料，使用非水電解質(zhì)溶液的電池。對鋰電池的容量進行選擇的時候需要使其和太陽能電池板的容量相互匹配。其主要作用是儲存白天由太陽能電池板所產(chǎn)生的電能，以備晚上以及陰雨天的時候來向LED燈供電。但由于鋰電池的電壓波動有一個“緩沖區(qū)”的效果，也能使系統(tǒng)有更加穩(wěn)定和可靠的負荷。

4.控制器（1）

太陽能LED照明系統(tǒng)控制器的主要功能是基于STC12C5A60S2單片機控制器供給鋰電池充電電壓和電流，使之能夠快速、高效、平穩(wěn)地為鋰電池充電，并在充電過程中減少損失，延長電池的使用壽命，避免過度充電和過度放電。

5.LED光源

LED光源的選擇原則應(yīng)保證亮度高，亮度輻射范圍大并且均勻，所使用的超高亮LED數(shù)量為最少原則。在太陽能LED照明系統(tǒng)中，燈具所包含的LED燈數(shù)量可多可少，各種不同類型的LED燈都有，當(dāng)一定數(shù)量的LED互相組合成為一個發(fā)光體的時候，應(yīng)考慮他們的排列和組合問題。

光伏太陽能LED照明系統(tǒng)就是利用太陽能電池的光生伏特效應(yīng)原理，在白天的時候，太陽能電池板吸收大量的太陽能光子并產(chǎn)生電能，通過智能控制器的合理控制充放電，并將太陽能存儲在鋰電池里，當(dāng)夜幕來臨或者是周邊的燈光強度低的時候，通過核心控制器給LED燈進行連續(xù)供電。

太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打效應(yīng)。光伏效應(yīng)是指一個對象在通過光照射后，內(nèi)部的電勢和電流產(chǎn)生變化。本征半導(dǎo)體電池是參雜形成P型層，形成PN結(jié)。當(dāng)給純硅中添加太陽能能量的時候，會使少部分的電子擺脫共價鍵的束縛并脫離原子。每次一個電子離開都會留下一個洞穴。之后，電子闖蕩在晶格周圍，找到另一個空穴去安頓自己。這些電子有電荷，即自由載流子。

（二）太陽能電池的工作特性

太陽電池的I-V特性主要是指在一個給定的光強度和一定的溫度條件下，輸出電壓和太陽能面板的電流之間的關(guān)系，如上圖1所示。I-V特性曲線說明：太陽能電池板輸出的電壓既不是恒壓也不是恒流，而是一種非線性的直流電源。

圖1　太陽能電池特性曲線

圖2　太陽能電池的P-V特性曲線

圖2圖（a）和（b）分別為在溫度和太陽能光照都變化時的P-V曲線變化。從圖中可以看到，太陽能電池板的輸出功率受光照強度、溫度等因素的影響。當(dāng)增加光照強度時，太陽能電池板的輸出電壓雖然變化不大，但是它的短路電流增加相對明顯，最大輸出功率隨之也就增加。

（三）LED的發(fā)光原理及特性

LED的發(fā)光原理:LED燈可以把電能轉(zhuǎn)化為光能，可以當(dāng)作路燈或其他公共場合的無人管理的燈來使用。LED發(fā)光二極管有一個PN結(jié)，并且具有單一的電導(dǎo)率。在給發(fā)光的LED二極管加正向電壓的時候，PN結(jié)中將會有從P區(qū)滲透到N區(qū)的空穴以及從N區(qū)滲透到P區(qū)的電子，它們通常都會在PN結(jié)的周邊接近處，與從N區(qū)跑來的電子和以及從P區(qū)進來的空穴相結(jié)合，電子和空穴復(fù)合發(fā)光。發(fā)光LED二極管的反向擊穿電壓大概為5V。需要注意的是，二極管的正向伏安特性曲線是極其陡峭的，因此在運用它時應(yīng)串聯(lián)一個合適的限流電阻來控制流過LED的電流。限流電阻R可以由以下公式計算:

R=（E-UF）/F

以上公式中，E為其電源電壓，UF是LED的正向壓降，IF是工作電流。

LED的發(fā)光特性相比于其他種類的燈泡，二極管有其獨特之處:即（1）工作電壓很低（有的僅一點幾伏）；（2）工作電流很?。◣资涟玻?。

由于其特殊性，LED燈可以作為許多光電控制裝置中的一個光源，在大多數(shù)電子設(shè)備中可以作為一個信號顯示。

LED的發(fā)光強度是用來描述在一個或幾個方向上的發(fā)光強度，因為在不同的空間角度LED光強變化很大，因此，我們有必要研究LED光強的分布特性。這個參數(shù)對LED燈顯示的最小觀察角度具有影響。例如某一個大型火車站中央的LED顯示屏，或者是某個游樂場所的路燈，當(dāng)選用的是分布范圍很小的LED單管時，它的圖像在被相對于有很大角度的觀眾所看到的時候?qū)д?，這樣將會影響它的美觀效果。而且交通標志燈也要求較大范圍的人能夠識別到，這一點很重要。

二、小型太陽能LED照明控制系統(tǒng)

太陽能LED照明系統(tǒng)的核心單元—控制器，基本原理如圖3所示，圖中采用光伏太陽能電池板作為能量轉(zhuǎn)化和儲能的系統(tǒng)；微控制器使用的是STC12C5A60S2型號的單片機；LED燈為32型的LED燈管，通過控制開關(guān)S1和開關(guān)S2來控制LED燈的通斷情況，這樣有助于保證電流的穩(wěn)定和LED亮度的恒定。

圖3　控制器基本原理圖

該小型太陽能LED系統(tǒng)中的核心部分是單片機部件，它是系統(tǒng)的大腦，系統(tǒng)各種功能都是通過它來控制并有序進行，例如，對電池的過放、過充，以及對電壓的顯示等。單片機主要完成的功能為:（1）對電池電壓的模擬信號進行采集，通過單片機的A/ D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，在與系統(tǒng)設(shè)定的初值進行比較，當(dāng)其值大于4.2V時，通過單片機控制使繼電器1斷開，從而使太陽能電池板轉(zhuǎn)化而來的太陽能不能給電池充電；當(dāng)其值小于4.2V時，使繼電器1閉合，此時就能夠給電池充電，以備晚上使LED燈點亮。（2）對電池板的模擬信號進行采集，通過單片機的A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，與系統(tǒng)設(shè)定的初值進行比較，當(dāng)其值大于1V時，通過單片機控制使繼電器2斷開，從而使LED燈不亮；當(dāng)其值小于1V，并且電池電壓大于3.7V時，使繼電器2閉合，從而使LED燈變亮。（3）對蓄電池電壓采集，并由單片機A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在單片機的數(shù)碼管上顯示。

三、小型太陽能LED照明系統(tǒng)穩(wěn)壓電路設(shè)計

（一）穩(wěn)壓設(shè)計模塊

該系統(tǒng)中采用的穩(wěn)壓調(diào)節(jié)模塊是一個LM2596開關(guān)穩(wěn)壓器（如圖4），其目的是使太陽能電池板輸出電壓的大小能夠通過該穩(wěn)壓模塊輸出穩(wěn)定值的電壓為4.2V。具體特點是:

圖4　穩(wěn)壓電路圖

（1）3.3V、5V、12V的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出；

（2）可調(diào)輸出電壓范圍1.2V～37V±4%；

（3）輸出線性好且負載可調(diào)節(jié)；

（4）輸出電流可高達3A；

（5）輸入電壓可高達40V；

（6）TTL斷電能力；

（7）具有過熱保護和限流保護功能；

（8）外部電路簡單，只有4需要外部元件，標準電感和使用方便購買；

（9）高效率降壓調(diào)節(jié)器；

（10）單片開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器；

（11）正、負電壓轉(zhuǎn)換器。

LM2596穩(wěn)壓調(diào)節(jié)模塊的一個非常重要的參數(shù)是等效電阻（ESR），其有一個上限值和一個下限值，如果需要輸出電壓的紋波電壓較小時，則希望輸出電容的等效電阻值能夠小一些，該值的大小可以由可允許的最大紋波電壓來決定。

LM2596型穩(wěn)壓模塊電路有兩種工作模式:1.連續(xù)工作模式:在大多數(shù)情況下，設(shè)計的人更傾向使用一個連續(xù)的模式，這是因為它能提供更大的輸出功率，其峰值電流、電感電流、二極管、電流和輸出電壓紋波很小。但它的輸出負載電流小或者輸入電壓很大時，需要更大的電感保持電流通過電感。2.非連續(xù)工作模式:在低電流和高輸入電壓這兩種的情況下，這時就需要非連續(xù)的模式。在這種情況下所需的電感尺寸更加小，而電感值只需要連續(xù)模式的1/2～1/3。

圖5　總程序流程圖

（二）控制程序的設(shè)計

思路如下，系統(tǒng)通過采樣光伏電池板的電壓為判斷依據(jù)，從而判斷主程序是進入白天處理的子程序還是進入到夜晚處理的子程序，即前面所說的兩種工作狀態(tài)。這里設(shè)定光伏電池板開路電壓大于等于開啟充電電壓閥值時，系統(tǒng)開始對鋰電池充電，程序執(zhí)行白天處理子程序，否則不執(zhí)行；當(dāng)太陽能電池板輸出的開路電壓小于等于天黑的電壓閥值時，程序會執(zhí)行夜晚處理的子程序，否則將會斷開充電回路?？傮w設(shè)計思路框圖6：

白天處理子程序的作用是通過對鋰電池的電壓進行采樣檢測，并依照與設(shè)定值比較判斷的結(jié)果由單片機通過D/A轉(zhuǎn)換器發(fā)出不同的信號，來控制電路的工作狀態(tài)，決定是斷開充電電路還是接通充電電路。

圖6　白天狀態(tài)處理子程序

夜晚處理子程序的功能主要完成對鋰電池是否過放的判斷以及負載的通斷控制。夜晚處理子程序流程圖如下圖7所示。

圖7　夜晚狀態(tài)處理子程序

夜晚處理子程序的功能主要是對放電過程進行監(jiān)管控制。

（三）電壓采樣電路設(shè)計

在設(shè)計的系統(tǒng)中（如圖8）需要完成對太陽能電池板和鋰電池的電壓進行測量，采用電阻分壓的方法，將被測電壓的模擬信號接到單片機的A/D轉(zhuǎn)換通道.在控制軟件中，通過編程、運算得到被測的實際電壓值。根據(jù)分壓的原理得知，輸入電壓值公式為:Vm=（R3+R4）÷R3×R2÷（R1+R2）×V，通過單片機的A/D轉(zhuǎn)換就可以得到被測電壓的實際值。

由于當(dāng)今世界上能源的匱乏，對國家來說，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的途徑之一就是充分利用太陽能。太陽能LED照明系統(tǒng)只需要一次的投資，安裝好后，不需再支付電費，但也需要鋪設(shè)電纜等傳統(tǒng)的安裝線路程序，可安裝在公園、校園、廣場、街道，這些優(yōu)點使它已經(jīng)受到了越來越多的人關(guān)注，人們也希望推廣。

圖8　電壓采樣電路

注釋：

（1）STC12C5A60S2型的單片機是由STC生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，具有高速、低功耗、有極強抗干擾的新一代8051單片機，他的指令代碼和傳統(tǒng)8051是相互兼容的，但速度比傳統(tǒng)的8051快好多倍。

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編輯朱榮華

Small Solar LED lighting System Design

HE Jun
（Heilongjiang Qiqihar Agricultural Mechanization School，Qiqihar Heilongjiang 161041，China）

Abstract：Analysis of the advantage of solar LED lighting，describes the small solar LED lighting system，regulating circuit composition and work principle，control system design，control program design，etc.，and points out its promotion value.

Key words:The LED system；Solar products

中圖分類號：G712

文獻標識碼：A

文章編號：2095-8528（2016）03-059-05

收稿日期：2015-11-18

作者簡介：何軍（1964），男，黑龍江龍江人，高級講師，研究方向為物理和機電專業(yè)教學(xué)。