大功率太陽(yáng)能LED路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)

近年來(lái)隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)和LED照明技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能LED 路燈已進(jìn)入了城市照明領(lǐng)域。LED 作為照明光源與傳統(tǒng)的照明光源相比具有直流低電壓驅(qū)動(dòng)、耗電量少、抗振動(dòng)、壽命長(zhǎng)、納秒級(jí)的響應(yīng)速度、設(shè)計(jì)空間大、環(huán)保、可連續(xù)開關(guān)閃斷，能輕松實(shí)現(xiàn)0～100%調(diào)光功能等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是新一代的綠色照明設(shè)備。太陽(yáng)能LED 路燈是以太陽(yáng)能作為能源。每個(gè)路燈均是獨(dú)立的，安裝方便，無(wú)需鋪設(shè)電纜電線，無(wú)需交流電能和電費(fèi)，采用直流供電，光控定時(shí)控制，安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，實(shí)用。

　　1、太陽(yáng)能電池板與蓄電池的選取

　　1.1 太陽(yáng)能電池板選取

　　目前單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率約為15%，最高達(dá)到24%，是目前所有種類的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，技術(shù)也最為成熟。使用壽命一般可達(dá)15 a，最高可達(dá)25 a。多晶硅太陽(yáng)能電池比單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%，同時(shí)多晶硅太陽(yáng)能電池的使用壽命也要比單晶硅太陽(yáng)能電池短。非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率偏低， 目前國(guó)際先進(jìn)水平約為10%，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減，直接影響了其實(shí)際應(yīng)用。所以目前多采用單晶硅太陽(yáng)能電池。

　　根據(jù)太陽(yáng)能輻射原理，太陽(yáng)能電池方陣面上所獲得輻射量的多少與很多因素有關(guān)：當(dāng)?shù)氐木暥?、海拔、大氣的污染程度或透明程度、一年?dāng)中四季的變化、一天時(shí)間的變化、到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射值、散分量的比例、地表面的反射系數(shù)、太陽(yáng)能電池方陣的運(yùn)行方式或固定方陣的傾角變化以及太陽(yáng)能電池方陣表面的清潔程度等。太陽(yáng)能照明系統(tǒng)充放電效率取0.75，太陽(yáng)能電池組件組失修正系數(shù)取0.95，灰塵遮擋及其他損失修正系數(shù)取0.90。經(jīng)過(guò)查詢資料和單位換算及簡(jiǎn)化處理后，可得到太陽(yáng)能電池總用量P 的計(jì)算公式：

1.2 蓄電池的選取

　　蓄電池的容量要根據(jù)太陽(yáng)能電池板的功率和LED 路燈的功率以及照明時(shí)間來(lái)決定， 蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)能電池、LED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)能電池功率必須高出負(fù)載功率4 倍以上， 系統(tǒng)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蓄電。因此，蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6 倍以上為宜。

　　蓄電池的容量Bc的計(jì)算公式：　　

Bc=(PL×10×D)/(Kb?V)

　　式中，PL 為日平均耗電量，D 為陰雨天數(shù)，Kb 為安全系數(shù)，1.1～1.4 （包括了溫度修正系數(shù)To=0 ℃上為1，-10 ℃上為1.1，-10 ℃下為1.2，放電深度cc=0.75），V 為工作電壓。

　　根據(jù)式（2）可以估算出蓄電池的容量，同時(shí)蓄電池的充電效率的高低取決于充電的方式。根據(jù)系統(tǒng)要求和對(duì)各種指標(biāo)的核定，這里選用12 V 100 Ah 閥控密封式鉛酸蓄電池。

　　2、太陽(yáng)能控制器硬件設(shè)計(jì)

　　太陽(yáng)能控制器全稱為太陽(yáng)能充放電控制器，是控制太陽(yáng)能電池方陣對(duì)蓄電池充電以及蓄電池給負(fù)載供電的自動(dòng)控制設(shè)備，能自動(dòng)防止蓄電池過(guò)充電和過(guò)放電。它對(duì)蓄電池的充、放電條件加以規(guī)定和控制，并按照負(fù)載的電源需求控制太陽(yáng)電池組件和蓄電池對(duì)負(fù)載的電能輸出，是整個(gè)系統(tǒng)的核心控制部分。

　　本文設(shè)計(jì)的充電控制器用ATmega128 單片機(jī)作為主控器件，檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的輸出電壓，選擇適合的DC/DC 支路，檢測(cè)蓄電池的電壓值，根據(jù)蓄電池的電荷狀態(tài)，選擇合適的充電方式，為蓄電池提供過(guò)充電、過(guò)放電保護(hù)。

　　圖1 為采用斬波式PWM 充電原理圖， 檢測(cè)蓄電池的充電端電壓， 將檢測(cè)得到的蓄電池端電壓與給定點(diǎn)電壓比較。若蓄電池的電壓小于給定電壓，斬波器全通，迅速給蓄電池充電；若大于給定電壓，則根據(jù)比例調(diào)整功率管的占空比，充電進(jìn)入慢充階段，改善充電特性，最后進(jìn)入涓流充電，防止過(guò)充。

斬波式PWM充電原理框圖

　AVR128 單片機(jī)（PB4）給出充電的控制信號(hào)，即PB4=1，NPN 型0805 的三極管導(dǎo)通，此時(shí)集電極接地，使得IRF4905柵源電壓鉗位在-10 V，IRF4905 管導(dǎo)通， 太陽(yáng)能電池板向蓄電池充電； 反之，NPN 型0805 三極管截止VGS=0 V，IRF4905管斷開，太陽(yáng)電池板不能向蓄電池充電。

　　ATmega128 內(nèi)置10 位的逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器與8 通道的模擬多路復(fù)用器連接，采樣端口F 的8 路單端輸入電壓。蓄電池正極與單片機(jī)PF1 引腳相接，當(dāng)電壓低到10 V，單片機(jī)自動(dòng)檢測(cè)到并作出相應(yīng)處理，如圖2 所示。

系統(tǒng)硬件電路

　　3、LED 的選擇

　　按目前市場(chǎng)產(chǎn)品的輸入功率對(duì)LED 分類，其中輸入功率為幾十mW 的，稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功率小于1 W的，為功率LED；輸入功率等于1 W 或大于1 W 的，則為W級(jí)功率（大功率）LED。目前大功率比較常見的有1，3，5，8，10 W。已批量應(yīng)用的有1 W 和3 W LED，并正朝大電流（300 mA～1.4 A）、高效率（60～1 204 lm/W）、亮度可調(diào)的方向發(fā)展［3］。大功率LED 路燈采用單顆功率大于1 W 以上的LED。選用美國(guó)CREE 公司的3 W LED 將多個(gè)芯片集成于印刷電路板上排列為一定間距的點(diǎn)陣作為平面發(fā)光源，組合成一個(gè)大功率LED 單體模塊，裝入路燈燈具中，借此提高芯片面積，并增加發(fā)光量。

　　將多個(gè)LED 集中在一起設(shè)計(jì)道路照明，除足夠的光通量和合理的光學(xué)設(shè)計(jì)保證合理的光分布外，更為重要的是散熱問(wèn)題。由于路燈具有戶外夜間使用，散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等特點(diǎn)， 有利于空氣自然對(duì)流散熱， 所以LED 路燈選擇自然對(duì)流散熱方式，同時(shí)整燈采用高導(dǎo)熱系數(shù)鋁作為散熱主體，解決了LED 的散熱問(wèn)題。

4、LED 組合及驅(qū)動(dòng)方式

　　常用的LED 組合方式有3 種：并聯(lián)、串聯(lián)和混聯(lián)。

　　1）并聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大電流，負(fù)載電壓較低。分配在所有LED 兩端電壓相同，當(dāng)LED 的一致性差別較大時(shí)， 通過(guò)每顆LED 電流不一致， 其亮度也不同。

　　2）串聯(lián)方式要求LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓。當(dāng)LED的一致性差別較大時(shí)， 分配在不同的LED 兩端電壓不同，通過(guò)每顆LED 的電流相同，LED 的基本亮度一致。

　　3） 混聯(lián)方式在需要使用比較多LED 時(shí)， 如果將所有LED 串聯(lián)，將需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較高的電壓；如果將所有LED 并聯(lián)，則需要LED 驅(qū)動(dòng)器輸出較大的電流。將所有LED串聯(lián)或并聯(lián)，不但限制著LED 的使用量，而且并聯(lián)LED 負(fù)載電流較大，驅(qū)動(dòng)器的成本也會(huì)大增?；炻?lián)方式的LED 數(shù)量平均分配， 分配在一串LED 上的電壓相同， 通過(guò)同一串每顆LED 上的電流也基本相同，LED 亮度一致。同時(shí)通過(guò)每串LED 的電