太阳能照明原理 组成及控制系统
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太阳能照明原理组成及控制系统
摘要:本文阐述了太阳能路灯的基本原理。其组成主要有太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳,有的还要配置逆变器。此外,本文从系统结构和功能控制两个方面介绍了太阳能路灯照明控制系统
关键词:太阳能路灯基本原理控制系统
随着全球能源的日益紧张,太阳能光伏照明得到了迅速发展。在太阳能照明灯的设计中涉及多个环节,其中任何一个环节出现问题都会造成产品缺陷。为了提高照明系统发电量的利用率,克服系统缺电带来的不足,在太阳能照明系统的发展中,人们不断的对照明系统常用的控制模式进行分析,设计各种实际可行的工作模式,同时光源技术也在不断的更新换代中,蓄电池的充电模式也在不断的研究探索中有效利用率越来越高。在太阳能各个组成部分的发展和协调中,太阳能照明系统正在不断发展完善。
一、太阳能灯的原理及组成
太阳能灯具系统为直流型独立光伏系统,其工作原理。太阳能电池组件将太阳能转化为电能,通过控制器进行控制及保护,将电能转变为化学能储存在蓄电池中。当用电时,蓄电池再将化学能转化为电能,供直流负载使用,或者通过逆变器逆变为交流电供交流负载使用。只有当长时间无光照以致电池中的电能用完时,这个装置才停止工作。
太阳能楼道灯包括有—个安装在建筑物楼顶的太阳能电池和安装在各个楼层的照明灯,以及统一安放的蓄电池,充放电控制器。蓄电池与各楼层的照明灯通过导线连接。负载采用LED灯具,并配合声光控开关工作。白天,太阳能电池组件在一定强度的太阳光照射下产生电能,通过太阳能充放电控制器存储到蓄电池内;夜晚,蓄电池通过充放电控制器为负载提供电能。通常,太阳能系统在设计时会根据实际情况增大蓄电池的容量,队保证阴雨天的照明。
太阳能路灯由以下几个部分组成:太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳,有的还要配置逆变器。
1、太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分,也是太阳能路灯中价值最
高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送至蓄电池中存储
起来。太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的
P-N结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中,推动P-N结空穴和电子运动的是外部电场,而在太阳能电池中推动和影响P-N结空穴和电子运
动的是太阳光子和光辐射热。也就是通常所说的光生伏特效应原理。目前
光电转换的效率,大约是光伏电池效率大约是单晶硅13%-15%,多晶硅11%-13%。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。
2、太阳能控制器
太阳能灯具系统中最重要的一环是控制器,其性能直接影响到系统寿命,特别是蓄电池的寿命。控制器用工业级MCU做主控制器,通过对环境
温度的测量,对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数的检测判断,
控制MOSFET器件的开通和关断,达到各种控制和保护功能。皇明智能型太阳能灯具控制器能为蓄电池提供全面保护,使蓄电池更能可靠地长久工作。
3、蓄电池
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄
电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。蓄
电池容量的选择一般要遵循以下原则:首先在能满足夜晚照明的前提下,
把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来,同时还要能够存储满足连续
阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要,蓄电池过大,一方面蓄电池始终处在亏电状态,影响蓄电池寿命,同时造
成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷(路灯)相匹配。可用一种简
单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上,系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%,才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
4、光源
太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标,一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
LED灯光源,寿命长,可达1000000小时,工作电压低,不需要逆变器,光效较高,国产50Lm/w,进口80Lm/w。随着技术进步,LED的性能将进一步提高。笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。
目前多数草坪灯选用LED作为光源,主要利用太阳能电池的能源来进行工作。当白天太阳光照射在太阳能电池上,把光能转变成电能存贮在蓄电池中,再由蓄电池在晚间为草坪灯的LED(发光二极体)提供电源。LED节能、安全、寿命长,工作电压低,非常适合应用在太阳能草坪灯上。特别是LED 技术已经经历了其关键的突破,并且其特性在过去5年中有很大提高,其性能价格比也有较大的提高。
5、灯杆及灯具外壳
灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距,道路的照度标准确定。灯具外壳根据我们收集了许多国外太阳灯资料,在美观和节能之间,大多数都选择节能,灯具外观要求不高,相对实用就行。
二、太阳能路灯照明控制系统
1.系统结构
太阳能路灯微机监控系统由微机主控线路、太阳能电池板、蓄电池充放电器、蓄电池组、LED光源驱动和LED灯等几部分组成。系统组成结构如图1所示:
图1 太阳能路灯微机监控系统组成结构
(1)微机主控线路
微机主控线路是整个系统的控制核心,控制整个太阳能路灯系统的正常运行。微机主控线路具有测量功能,通过对太阳能电池板电压、蓄电池电压等参数的检测判断,控制相应线路的开通或关断,实现各种控制和保护功能。
(2)充电驱动线路
充电驱动线路由MOSFET驱动模块及MOSFET组成。MOSFET驱动模块采用高速光藕隔离,发射极输出,有短路保护和慢速关断功能。选用的MOSFET 为隔离式、节能型单片机开关电源专用IC,驱动LED的全电压输入范围为150V~200V,输出电流为8A~9A。输入电压范围宽,具有良好的电压调整率和负载调整率,抗干扰能力强,低功耗。
本系统通过充电驱动线路完成太阳能电池组向蓄电池的充电,电路中还提供了相应的保护措施。
(3)LED驱动线路
由IGBT驱动模块及MOSFET组成,实现对路灯亮度的调节及路灯的开关。