基于太阳能驱动的LED照明系统

基于太阳能驱动的ＬＥＤ照明系统王健。

等基于太阳能驱动的ＬＥＤ照明系统
ＴｈｅＬＥＤＬｉｇｈｔｉｎｇＳｙｓｔｅｍＤｒｉｖｅｎｂｙＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙ
互健纠廷幸扬晓
（上海大学机电工程与自动化学院，上海２０００７２）
摘要：针对能源短缺问题，从实际应用角度出发，以节能为目的，提出了将太阳能和ＬＥＤ结合起来的设计思想。

给出了基本的原理图和结构图，当白天有太阳光时可以一边给蓄电池充电一边给ＬＥＤ照明系统供电，而晚间照明系统可由蓄电池直接供电。

此设计提高了太阳能电池的利用率，并且具有自动调光、保持室内光亮度恒定等功能。

系统结构简单、运行可靠，从实际运行情况来看，该方法具有可行性，能够起到很好的节能效果。

关键词：光伏电池发光二极管照明系统ＭＰＰＴ算法蓄电池
中图分类号：ＴＭ９２３．３；ＴＭ９１０．６；ＴＭ９１４．４文献标志码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：灿ＩｌｌｉＩｌｇａｔｔｈｅｐｍｂｋｍｏｆｅｎｅｒｇｙｓｈｏｒｔａｇｅ，ｗｉｔｈｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ聃ｔｈｅｇｏａｌ－ｔｈｅｄｅ８ｉ印ｃｏｎｃｅｐｔｏｆｃｏｍｂｉｎｉｎｇｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙａｎｄＬＥＤｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｂａｓｅｄＯｎｐｒａｃｔｉｃａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ．ＴｈｅｂａｓｉｃｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｄｉａｇｒａｍａＭｇｉｖｅｎ．Ｉｎｄａｙｔｉｍｅ－ｔｈｅｓｔｏｒａｇｅｂａｔｔｅｒｙｃａｌｌｂｅｃｈａｒｇｅｄｂｙ
ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ－ａｎｄＬＥＤｌｉｇｈｔｓｙｓｔｅｍＣａｌｌｂｅｐｏｗｅｒｅｄｂｙｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ；ａｔｎｉｇｈｔ，ｔｈｅｌｉ＃ｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ咖ｂｅｐｏｗｅｒｅｄｂｙｓｔｏｒｎｇｅｂａｔｔｅｒｙｄｉｒｅｃｔｌｙ．ｔｈｅａｖａｉｌａｂｉｌｉｔｙｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｂａｔｔｅｒｙｉｓｅｎｈａｎｃｅｄ－ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ．ｔｈｅｓｙｓｔｅｍｆｅａｔｕｒｅｓａｕｔｏｍａｔｉｃａｄｊｕｓｔａｂｌｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｋｅｅｐｓｃｏｎｓｌａｎｔｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ
ｉｎｔｈｅｒｏｏｍ．Ｔｈｅ
ｓｙｓｔｅｍｉｓｉｎｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｏｐｏｍｔｉｎｇｓｔａｂｌｙ；ｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｆｅａｓｉｂｌｅｆｏｒｏｂｔａｉｎｉｎｇｅｘｃｅｌｌｅｎｔｅｆｆｅｃｔｏｆｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃｃｅｌｌＬＥＤＬｉｇｈｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍＭＰＰＴａｌｇｏｒｉｔｈｍＳｔｏｒａｇｅｂａｔｔｅｒｙ
０引言
能源短缺是当今社会中的热点问题，它直接制约着经济和社会的发展，可再生能源的利用也就成了当今世界关注的焦点之一。

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。

广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。

近年来太阳能的利用得到了世界各国的广泛关注，美国、日本、德国相继提出了“阳光计划”、“节能计划”等大力发展太阳能光伏发电技术。

自“六五”以来我国政府也一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。

同时，照明作为日常生活中不可缺少的一部分，成为了世界各国的一项重要的能源消耗，据统计照明用电占我国总发电量的１０％以上，绿色节能照明的应用越来越受到重视。

我国在１９９６年就提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解决与照明相关的能源供应问题，新型的照明光源ＬＥＤ发光产品在照明和装饰领域逐渐受到世人的瞩目。

太阳能电池板和ＬＥＤ都是由半导体材料构成的，
上海市重点学科建设基全资助项目（缟号：１１０１０３）。

修改稿收到日期：２００７一Ｏｌ一０８。

第一作者ｋｉｔ，男，１９８２年生．现为上海大学控制理论与控制工程专业在读硕士研究生；主要从事电力电子技术厦绿色照明的研究。

随着半导体材料技术的更加完善必将推动太阳能和ＬＥＤ的进一步发展。

将太阳能和ＬＥＤ结合起来为节能照明技术提供了新的解决方案。

ｌ照明系统的总体结构
此系统由太阳能电池、蓄电池和ＬＥＤ照明系统三大部分组成。

太阳能电池板将太阳能转变成电能，一部分用来给直流负载ＬＥＤ供电，另一部分储存在蓄电池中。

当没有太阳光或者光线暗时，ＬＥＤ照明系统所需要的能量不够的部分由蓄电池提供。

ＬＥＤ照明部分不仅可以实现昼夜照明，同时采用了自动调光技术，可以使室内的光线保持恒定。

如图１所示，其中的控制器１采用的是Ｂｏｏｓｔ电路，实现太阳能电池板的最大功率点跟踪。

控制器２采用的是双向ＤＣ—ＤＣ变换电路，实现对蓄电池的充放电控制。

控制器３是ＬＥＤ灯的恒流驱动和ＰＷＭ自动调光控制。

下面将分别介绍各部分的工作原理。

图１系统框图
Ｆｉｇ．１Ｄｉａｇｒａｍ
ｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ
基于太阳能驱动的ＬＥＤ照明系统王健。

等
２太阳能的ＭＰＰＴ算法
太阳能电池的输出功率是周围外部环境（光照、温度）的非线性函数。

图２为太阳能电池Ｐ—Ｖ特性曲线旧’。

当光线一定时，太阳能电池的输出功率存在唯一的最大功率点；当光线变化时，太阳能电池的输出功率也随着改变，光线增强最大功率增大。

太阳能电池的输出功率特性曲线还与温度有关，温度升高最大功率降低。

使光伏电池工作于最大功率点，是提高光伏电池的最有效途径。

最常见的ＭＰＶＦ算法有：恒电压控制法盯１，此方法虽然简
单，但不适于温度变化比较大的地区。

扰动观察法，在光线变化比较大时扰动观察法可能出现跟踪方向判断错误等问题。

电导增量法的缺点是对传感器灵敏度要求较高，系统响应速度快从而造成硬件成本比较高。

图２Ｐ－Ｖ特性曲线
Ｆｉｇ．２Ｐ－Ｖｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｅｕｒｖｅ８
针对扰动观察法在光线变化比较快时不能准确跟踪，采用了一种改进的扰动观察法，在光伏电池的Ｐ—Ｖ特性曲线的顶点处任意取三点，可以得到如图３（ａ）所示的五种情况。

设定一个比较符号足，初始化为０，比较三点功率。

当Ｃ点功率比曰大或者相等时Ｋ＝Ｋ＋１，Ｃ比Ｂ小时Ｋ＝Ｋ一１；同样比较日和Ａ，比较完之后，若Ｋ＝２，工作电压扰动往右移，若Ｋ＝一２，工作电压扰动往左移，Ｋ＝Ｏ说明此时工作电压对应的正是最大功率点，保持不变。

当光线变化时所得到的Ａ、Ｂ、Ｃ三点关系如图３（ｂ）所示。

此时计算出Ｋ＝０，这样当光线变化时不进行最大功率点的跟踪，光线稳定后继续跟踪最大功率点，从而可以避免扰动观察法在光线变化后的跟踪方向判断失误。

程序流程如图４所示。

∥ｃ＾Ａ、雕代
（Ｉ）当光线稳定时
沁饼＾Ｖｃ
ＢＵＶＢＢＹ
（ｂ）当光线变化时
图３扰动示意图
Ｆｉｇ．３Ｓｋｅｔｃｈｏｆｄｉｓｎｌｒｂ锄ｃｅ
图４程序流程图
Ｆｉｇ．４Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｐｒｏｇｒａｍ
采用Ｂｏｏｓｔ电路作为ＭＰＰＴ控制器，其原理如图５所示，输出端电压由负载决定，是个定值，通过改变开关管占空比就可以改变输入端太阳能池板所提供的电压，在每个采样周期对光伏电池的输出电压和电流采样，根据上文提出的ＭＰＰＴ算法调节ＭＯＳ管占空比就可以进行最大功率点跟踪。

图５Ｂｏｏｓｔ电路原理图
Ｆｉｇ．５ＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｃｈｅｍｅｏｆＢｏｏｓｔｃｉｒｃｕｉｔ
３蓄电池的充电策略
光伏系统对蓄电池充电考虑的因素是：①尽量应用ＭＰＰＴ充分利用光伏电池；②充电特性曲线要满足蓄电池的要求，从而延长蓄电池的使用寿命。

传统的充电方法有恒流充电、恒压充电等＂１。

恒流充电的缺点是充电后期电流相对蓄电池来说比较大。

恒压充电，虽然电流随着蓄电池端电压的增大而减小，但充电初期充电电流相对来说还是很大的。

制约着这两种控制方法的最主要因素就是充电电流，所以．可以从控制电流的角度来对蓄电池充电进行有效地控制。

控制思想为Ｍ１：充电初期，给蓄电池设定一个比较大的充电限制电流，只要充电电流不超过这个限定值，都可以应用ＭＰＰＴ。

同时，不断检测蓄电池的端电压，以判断蓄电池所处的充电状态，当端电压达到过充电压时，减小充电限制电流。

重复上述过程，直到充电电流达到浮充电流（Ｃ／１００），说明蓄电池已充满。

此后，
基于太阳能驱动的ＬＥＤ照明系统王健。

等
以浮充电流对蓄电池充电，来弥补蓄电池反相自放电造成的能量损失。

在此充电过程中，只要充电电流在所设定的范围内均可采用ＭＰＰＴ控制方法，从而大大提高了太阳能电池的利用率。

蓄电池充放电的控制是通过双向ＤＣ／ＤＣ变换器来执行的，如图６所示，此电路通过调节开关管导通和关断的占空比，可以实现升降压。

所以不用考虑输入输出端的电压匹配问题，就可以使高低压端相互隔离，效率高控制灵活。

当太阳光充足时开关Ｑ，断开，通过控制开关Ｑ．，来给蓄电池充电。

当太阳能提供的能量不够ＬＥＤ照明系统用时，开关Ｑ．断开，通过控制开关Ｑ，，来给照明系统提供能量。

图６双向ＤＣ／ＤＣ电路原理图
Ｆｉｇ．６Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｗｏ—ｗａｙＤＣ／ＤＣｃｉｒｃｕｉｔ
４ＬＥＤ恒流及自动调光控制
随着半导体技术的不断发展，白光ＬＥＤ正逐渐进人到日常照明领域，ＬＥＤ是一种能够将电能转化成光能的半导体器件，它是依靠材料中的正负电荷复合来发光，现实中没有可以直接发出白光的半导体材料，白光ＬＥＤ的实现方法中最常用的就是利用ＲＧＢ三种ＬＥＤ混合成白光。

因此，将白光ＬＥＤ应用到照明中，可以根据需要配制成各种不同色温、色度的ＬＥＤ灯，将给人们带来极大的自由空间。

同时，ＬＥＤ的驱动电压大大地降低，能源节省将近９０％。

图７为ＬＥＤＩ－Ｖ特性曲线，可近似认为正向电流，与正向电压ｙ的ｎ次方成正比。

白色ＬＥＤ工作电压的较小波动就会导致工作电流的急剧变化，控制不当可能会使ＰＮ结烧坏。

另外，ＬＥＤ的亮度、寿命等特性，都与电流有直接的关系，所以要对ＬＥＤ进行恒流驱动¨１。

采用图８所示的恒流驱动电路Ｂ’，图中的运
ｉｌＩＩＩ＾
２０
／。

１５
１０
５
厂－５ｏ２４毛
／‘’ｏ
／－１５
图７Ｉ．Ｖ特性曲线
Ｆｉｇ．７Ｉ－ＶｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＣｕｒｖｅ８放Ａ和Ｂ构成一个闭环反馈电路，流过ＬＥＤ的电流在采样电阻Ｒ，上产生采样电压，该采样电压经过反馈运放Ｂ送到前向通道运放Ａ中与参考电压Ｖ比较，产生控制电压对ＭＯＳ管的栅源电压进行调节，从而可以达到恒流的作用。

分析该电路，可得所恒定的电流为：，。

＝Ｒ：×ｖ／Ｒ，（Ｒ．＋Ｒ：）。

其中Ｅ为基准电压；Ｒ。

和Ｒ：为反馈电阻；最为采样电阻。

．．．Ｐ．．Ｗ．．．．—Ｍ．
图８恒流电路
Ｆｉｇ．８Ｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔｃｉｒｃｕｉｔ
常用的白光ＬＥＤ亮度调节方法有：①改变电流调节；②ＰＷＭ（脉冲宽度调制）方法。

由ＬＥＤ本身的特’性决定，它的亮度与通过的电流大小有关，即通过的电流增大，ＬＥＤ的亮度增强。

但是这两者之间不是线性的关系，虽然通过改变电流可以调节亮度，但是，当电流增大到一定程度时白光ＬＥＤ会变色，而且电流过大对ＬＥＤ寿命也有影响。

鉴于此，采用ＰＷＭ方法进行调光，即在恒流和恒定频率的情况下，通过调节ＭＯＳ开关管的导通时间，来调节平均亮度。

这种方法不但可以使通过ＬＥＤ的电流恒定，而且还有助于ＬＥＤ的散热。

５试验及结果
采用２块１５Ｗ／１７Ｖ太阳能蓄电池、１块１２Ｖ７ＡＨ蓄电池、９支１Ｗ白光ＬＥＤ（３并３串）。

控制器为１ｒＩ公司的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ，此款ＤＳＰ芯片多用于控制领域，可以输出多路ＰＷＭ，自身带有ｌＯ位ＡＤ采样，运行速度快、处理能力强。

图９为采用本文介绍的充电控制策略对蓄电池充
图９充电曲线
Ｆｉｇ．９Ｃｈａｒｇｉｎｇｃｕｎ，ｅ８
（下转第ｌＯ页）
基于数字图像处理的控制系统动态性能测量程治新。

等
图５拟合后的轨迹图
Ｆｉｇ．５Ｔｈｅｌｏｃｕｓａｆｔｅｒｆｉｔｔｉｎｇ
软件最后设计了一个图形用户界面进行人机交互，如图６所示。

并自动将得到的图像保存到设定目录下。

图６软件交互界面
Ｆｉｇ．６Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｏｆｓｏｆｔｗａｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ４结束语
位置控制（随动）系统的动态性能通常较难精确测量。

本文提出了一种对运动控制系统进行动态测量的方法，详细介绍了一套基于激光及计算机图像处理的动态性能测量系统。

结果表明，该系统可以较好地得到被测目标的运动轨迹，为控制系统的控制参数调整提供了准确的依据。

参考文献
［１］胡寿松．自动控制原理［Ｍ］．３版．北京：国防工业出版社，１９９４：７ｌ一７３．
［２］刘禾数字图象处理及应用［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００６：１－１０．［３］王正林，刘明．精通ＭＡＴＬＡＢ７［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２００６：３３５—３４３．
［４］王会峰，汪大宝，刘上乾．激光靶标图像识别和测量方法研究［Ｊ］．激光与红外，２００７，３７（６）：５６４—５６７．
［５］涂望明，魏有国，施少敏．ＭＡＴＬＡＢ在数字图像处理中的应用［Ｊ］．微计算机信息，２００７，２３（６）：２９９—３００．
［６］刘秀丽，彭复员．ＭＡＴＬＡＢ在激光水下图象处理中的应用［Ｊ］．信息技术，２００６（６）：７—９．
［７］张圣勤．ＭＡＴＬＡＢ７．０实用教程［Ｍ］．北京：机械工业出版社．２００６：３００—３４２．
（上接第７页）
电得到的结果曲线。

开始阶段，设定最大充电电流为Ｃ／ＩＯ＝０．７Ａ，当蓄电池端电压达到过充电压１４．８Ｖ时，减小最大充电电流为Ｃ／２０＝０．３５Ａ。

重复上述过程，直到充电电流为浮充电流，说明此时蓄电池已充满。

总的来说，充电环节满足了本系统的设计要求。

图１０为ＬＥＤ恒流实测曲线，横坐标为ＬＥＤ加入的电压，纵坐标为流过ＬＥＤ的电流，可以看出，ＬＥＤ端加入的电压从１２Ｖ变化到１７Ｖ，基本上可以保证流过ＬＥＤ的电流为０．９８Ａ左右，恒流精度可以达到０．０３以内，完全满足ＬＥＤ恒流的要求。

．’’●
＾
＾
●
＾
●
●
●
～・
图１０恒流实测曲线
Ｆｉｇ．１０ＡｃｔｕａｌｍｅａｓｕｒｅｄｅＵＩ＇Ｖ船ｏｆｃｏｎｓｔａｎｔｃｕｒｒｅｎｔ
６结束语
本文所设计的系统充分考虑了光伏电池的最大功率
点跟踪，提高了太阳能电池板的利用率。

对ＬＥＤ灯进行
了恒流驱动，保证了ＬＥＤ的寿命和发光效率。

将二者结
合起来真正实现了节能环保，具有很好的实用价值。

参考文献
［１］王尔镇，王春锋．白色ＬＥＤ的开发和应用［Ｊ］．光电技术，２００２，
４３（１）：１—９．
［２］李正刚。

杨厚君，林介东．等．ＩＡ高稳定度恒流源的试制．现代
计量测试［Ｊ］．２０００（５）：４２—４４．
［３］赵正名，刘建政．太阳能光伏发电及其应用［Ｍ］．北京：科学出
版社．２００５．
［４］陈尚伍，陈敏，钱照明．高亮度ＬＥＤ太阳能路灯照明系统［Ｊ］．
电力电子技术。

２００６．４０（６）：４３—４５．
［５］陈华山，刘子强．半导体发光器件及其应用［Ｊ］．电工与电子，
ｉ９９４，５（Ｉ）：２６—３９．
［６］陈国呈．ＰＷＭ逆变技术及应用［Ｍ］．北京：中国电力出版社，
２００７：２０９—３３５．
［７］余世杰，何慧若，曹ｆ．＝贤．光伏水泵系统中ＣＶＴ及ＭＰＰＴ的控制
比较［Ｊ］．太阳能学报，１９９８，１９（４）：３９４—３９８．
・’・＇・’’＇’・＇・’・’Ｉ－・＇・’’・・＇’，’，・，・＇Ｉ＇・＇＇－，，－’，・・，，・’’’＇＇＇＇・・，＇，，＇，・＇’・・’＇・＇’’，’，・，’，・’＇’・、《自动化仪表》邮发代号：‘４—３０４。

２００９年定价：１０元／，ｑ。

全年价：脚元；国外代号：Ｍ７２１ｉ改迎娼镐，欢迎钌囱，次迎室责建证，碇迎喜利鲁垂广告ｉ・‘‘‘・・●・‘・・・‘●‘ｌ・ｌ‘ｔｔ・・・ｔ・ｔ・・・・・・‘‘‘・‘・ｔｔ・・‘ｌｔ・ｔＩｔ‘・・・‘ｔｌｔ・・ｔｔｔＩ・・・・ｔ・・‘・・ＩｔｌＩＩ－ｔ・ｔ‘・ｔ・●，８
６
４
２
Ｏ
８
６
４
２
昌ｕ～
倒馨。