光伏供電的彩色LED 點陣屏

張 波，汪義旺，齊美星，宋 佳

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 智慧能源裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215104）

LED 點陣屏作為一種新型的文字信息和圖形顯示的載體，在現(xiàn)代信息化社會中應(yīng)用越來越廣[1-2]。彩色LED 點陣屏相比單色LED 點陣屏來說色彩豐富很多，更加能吸引人眼球。太陽能是隨處可用的清潔無污染的可再生能源，對人類應(yīng)對環(huán)境污染、能源危機和不可持續(xù)發(fā)展三大難題意義重大[3]。光伏供電的彩色LED 點陣屏系統(tǒng)不額外消耗電能，不受供電線路限制，極大地擴大了LED 點陣屏的應(yīng)用范圍，對節(jié)能環(huán)保有很好的示范推動效果，是新能源技術(shù)和現(xiàn)代顯示技術(shù)的完美結(jié)合。

1 光伏供電部分

1.1 光伏電池最大功率點跟蹤

光伏發(fā)電是太陽能利用最重要的形式。光伏發(fā)電中利用太陽能電池把太陽的光能轉(zhuǎn)換為直流電能后,供負載使用，用儲能設(shè)備儲能或?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。為使光伏電池輸出的電能類型與需求的電能類型相匹配，通常要采用電力電子技術(shù)對光伏電池輸出的電能進行變換[4]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池的成本較高，系統(tǒng)必須讓光伏電池在任意光照強度下都發(fā)揮出其最大效能才能降低系統(tǒng)成本[5]。圖1 為溫度25 ℃時不同太陽光強度下光伏電池的輸出電壓功率V-P 特性?？梢钥闯?，同一光照強度下，光伏電池有且只有一個最大功率點。光伏電池既不是恒壓源也不是恒流源，負載變化和光照強度等環(huán)境變化都會引起光伏電池輸出電壓的變化，不采取恰當(dāng)?shù)目刂品绞?，則光伏電池往往不工作在最大功率點上。實現(xiàn)光伏電池工作在最大功率點上的方法就是在光伏電池和負載之間插入一個DC/DC 變換器，根據(jù)光伏電池特性，利用相應(yīng)的控制技術(shù)來實現(xiàn)。DC/DC 變換器和實際負載一起作為光伏電池的負載，控制DC/DC 變換器使光伏電池的總負載在不同環(huán)境下始終與光伏電池的內(nèi)部阻抗匹配，使光伏電池始終工作在最大功率點上[6]。DC/DC 變換器效率很高，自身功耗很小，實際負載上可獲得最大功率。這就是所謂的光伏電池最大功率點跟蹤（MPPT）。

圖1 25 ℃不同光照下光伏電池V-P 特性

從圖1 中可以看出，不同光照下光伏電池輸出功率最大時其輸出電壓基本相等，記為UMPP。因此只要控制DC/DC 變換器使光伏電池輸出電壓也即DC/DC變換器輸入電壓始終為UMPP，就能在不同光照條件下實現(xiàn)光伏電池的MPPT，這就是恒壓控制法。恒壓控制法可靠性高，穩(wěn)定度好，易于實現(xiàn)，在功率不大的光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常使用?；诠夥姵氐奶匦?，實現(xiàn)光伏電池MPPT 的方法還有：擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、功率回授法、最優(yōu)梯度法、間歇掃描跟蹤法、模糊邏輯法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測法等[7]。

1.2 光伏供電部分設(shè)計

DC/DC 變換器有很多拓撲結(jié)構(gòu)，理論上來說都能用來實現(xiàn)MPPT[8]。相比其他DC/DC 變換電路，Boost電路有以下優(yōu)點：（1）輸入電流連續(xù)，如果電感足夠大就可以使直流輸入電源的電流波動小，這對實現(xiàn)光伏電池的MPPT 非常有利；（2）功率開關(guān)管接地，易于驅(qū)動。而且Boost 電路本身結(jié)構(gòu)簡單，因此很多場合下實現(xiàn)MPPT 都選用Boost 電路。圖2 為實現(xiàn)MPPT的Boost 電路，主電路由功率開關(guān)管S、二極管D、高頻電感L 和電容C 構(gòu)成。對光伏電池的輸出采樣并作為控制對象，即控制對象是Boost 電路的輸入，采用恰當(dāng)?shù)目刂扑惴▽崿F(xiàn)對光伏電池的最大功率點跟蹤。本系統(tǒng)功率不是很大，適宜采用恒壓法控制[9]，使光伏電池輸出大壓穩(wěn)定在UMPP。Boost 電路的輸出電壓在一小段時間內(nèi)基本被蓄電池鉗位于某一值，改變Boost 電路占空比，就改變了其輸入電壓，從而實現(xiàn)光伏電池的MPPT。

圖2 實現(xiàn)MPPT 的Boost 電路

光伏供電部分結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。微控制單元（MCU）是控制的核心，選用TI 公司的MSP430G2553混合信號處理器。MCU 根據(jù)采樣光伏電池電壓改變輸出的PWM 信號的占空比，使光伏電池輸出電壓穩(wěn)定在UMPP。MOS 管具有開關(guān)頻率高、易于驅(qū)動等優(yōu)點，中小功率下開關(guān)管首選MOS 管，因此本方案開關(guān)管選用MOS 管。驅(qū)動電路選用專用驅(qū)動芯片IR2110。IR2110 兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點。

圖3 光伏供電部分結(jié)構(gòu)圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的使用壽命比較短，要采用恰當(dāng)?shù)某潆姺绞揭匝娱L其壽命。本文采用三段式充電。需要大電流充電時，對光伏電池進行MPPT 控制，以最大功率對蓄電池進行充電；若檢測到充電電流過大，則不再進行MPPT 控制，轉(zhuǎn)為恒壓充電，以限制充電電流；采用涓流充電或恒壓充電時，不再對光伏電池進行MPPT 控制，控制以蓄電池充電控制為主。涓流充電結(jié)束后，MCU 使功率開關(guān)管S 斷開，防止過充。S 斷開，光電池輸出電壓低于蓄電池電壓，充電電流為零。

2 彩色LED 點陣屏

當(dāng)今信息化社會中，LED 點陣屏在商業(yè)中心、銀行、展覽場館、娛樂場所、公交車、碼頭、車站、商鋪等很多場所應(yīng)用越來越廣[10]。LED 點陣屏每行和列都有很多發(fā)光點，比如32×64 點陣屏的每列和每行分別有32 和64 個發(fā)光點。點亮相應(yīng)的發(fā)光點就可以顯示對應(yīng)的文字符號、圖形。彩色LED 點陣屏每個發(fā)光點由紅、綠、藍三個不同發(fā)光顏色的LED 構(gòu)成，共陽極或共陰極[11]。三基色可組合成各種不同的顏色。以共陽極為例，每行所有LED 的陽極連在一起，每列同種顏色的所有LED 的陰極連在一起，每列有三個控制信號。以行掃描為例，要顯示某一顏色的圖形符號，首先要確定顯示該圖形符號需亮起的所有的發(fā)光點的位置和每個發(fā)光點顏色。行選擇信號選中某一行時，其余各行都不能點亮，同時送出列信號。選中的行有需要亮起的發(fā)光點，就使該發(fā)光點的列信號有效，使其可以點亮。發(fā)光點的三個列信號同時送出，需要什么顏色就點亮相應(yīng)的LED。每次點亮一行里需要亮起的 LED，一行顯示完成后點亮下一行需要亮起的LED，循環(huán)進行[12]。每行點亮?xí)r間很短，由于人眼視覺滯后效應(yīng)，人眼看到的點陣屏各行是同時點亮的，是需要顯示的某一顏色的圖形符號。滾動顯示圖形符號時行掃描控制方式一樣，列控制信號每隔一相等的時間段（比如1 s）送出的數(shù)據(jù)往滾動的方向移動一位，每一時間段內(nèi)列控制信號控制方式和靜態(tài)時相同，時間段的長短決定了滾動速度的快慢。

兩塊32×64 彩色LED 點陣屏級聯(lián)成一塊32×128點陣屏。74HC138 是高速CMOS 器件和常用的3 線-8線譯碼器，4 片74HC138 構(gòu)成5 線-32 線譯碼器進行行掃描。74HC595 是一種漏極開路的CMOS 的8 位串行輸入、并行輸出的移位寄存器[13]。一種顏色的列信號由16 片74HC595 控制，三種顏色共需48 片74HC595。行掃描和列信號都由單片機控制發(fā)出。行和列都要加上相應(yīng)的驅(qū)動器件。選中某一行時，單片機控制三種顏色對應(yīng)的所有的74HC595 同時并行輸出所需的列信號來點亮該行，同時串行輸出下一行所需的列信號到74HC595 中。設(shè)計制作的彩色LED 點陣屏分辨率為64×128。兩塊32×128 點陣屏拼在一起構(gòu)成一個64×128 點陣屏。兩塊32×128 點陣屏由同一單片機STM32F103C8T6 單片機統(tǒng)一控制，可作為一塊64×128 點陣屏使用，也可各自單獨使用。整體使用時，單片機的10 個I/O 引腳控制8 片74HC138 統(tǒng)一進行行掃描。設(shè)計的64×128 彩色LED 點陣屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 彩色LED 點陣屏部分結(jié)構(gòu)圖

3 光伏供電的彩色LED 點陣屏

光伏電池是直流輸出，LED 點陣屏是直流供電，兩者很容易匹配。光伏電池只有在白天才能發(fā)電，而LED 點陣屏往往要在晚上工作，因此光伏電池為LED點陣屏供電時要配上蓄電池。光伏供電的彩色LED 點陣屏系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 光伏供電的彩色LED 點陣屏

光伏發(fā)電部分實現(xiàn)對光伏電池的MPPT 控制和對蓄電池的充電保護，光伏發(fā)電部分輸出功率大于LED點陣屏所需功率時，對蓄電池充電。蓄電池和彩色LED 點陣屏之間的DC/DC 變換電路可保證對不同類型的LED 點陣屏供電電壓都符合要求，同時放電控制部分保護蓄電池不至于過放電。實驗設(shè)計的點陣屏采用64×128 像素的P4 彩色LED 點陣屏，平均功率為100 W。假定LED 點陣屏每天工作12 h，蓄電池保證連續(xù)兩個陰雨天正常工作，則蓄電池選型為 12 V/200 A?h。光伏電池組最大功率點電壓為10.2 V，功率180 W，在點陣屏正常使用時，大約4 d 可以充滿蓄電池。

4 結(jié)語

光伏供電的彩色LED 點陣屏不受電網(wǎng)供電限制，適應(yīng)性更廣，節(jié)能環(huán)保。彩色LED 點陣屏色彩豐富，更能吸引人的眼球。該系統(tǒng)技術(shù)通用性和可移植性強，切合市場需求，市場潛力巨大。