基于太陽能照明原理、組成和控制系統設計

0 引言

隨著全球能源的日益緊張，太陽能光伏照明得到了迅速發展。在太陽能照明系統的發展中，人們不斷的對照明系統常用的控制模式進行分析，設計各種實際可行的工作模式，同時光源技術也在不斷的更新換代中，蓄電池的充電模式也在不斷的研究探索中，有效利用率越來越高。在太陽能各個組成部分的發展和協調中，太陽能照明系統正在不斷發展完善。

1 太陽能燈的原理及組成

太陽能燈具系統為直流型獨立光伏系統。太陽能電池組件將太陽能轉化為電能，通過控制器進行控制及保護，將電能轉變為化學能儲存在蓄電池中。當用電時，蓄電池再將化學能轉化為電能，供直流負載使用，或者通過逆變器逆變為交流電供交流負載使用。只有當長時間無光照以致電池中的電能用完時，這個裝置才停止工作。

太陽能路燈由以下幾個部分組成：太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。

1)太陽能電池板

太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。太陽能電池主要用單晶硅、多晶硅為材料。單晶硅的光電轉換效率為13%～15%，多晶硅為11%～13%。目前最新的技術還包括光伏薄膜電池。

2)太陽能控制器

太陽能燈具系統中最重要的一環是控制器，其性能直接影響到系統壽命，特別是蓄電池的壽命。控制器用工業級MCU做主控制器，通過對環境溫度的測量，對蓄電池和太陽能電池組件電壓、電流等參數的檢測判斷，控制MOSFET器件的開通和關斷，達到各種控制和保護功能。

3)蓄電池

由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，所以一般需要配置蓄電池系統才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。蓄電池應與太陽能電池、用電負荷(路燈)相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上，系統才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20%～30%，才能保證給蓄電池正常負電。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。

4)光源

太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標，一般太陽能燈具采用低壓節能燈、低壓鈉燈、無極燈、LED光源。

LED燈光源壽命長，可達1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產50lm/W，進口80lm/W。隨著技術進步，LED的性能將進一步提高。

5)燈桿及燈具外殼燈桿的高度應根據道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標準確定。燈具外殼根據我們收集了許多國外太陽燈資料，在美觀和節能之間，大多數都選擇節能，燈具外觀要求不高，相對實用就行。

2太陽能路燈照明控制系統

1)系統結構

太陽能路燈微機監控系統由微機主控線路、太陽能電池板、蓄電池充放電器、蓄電池組、LED光源驅動和LED燈等幾部分組成。系統組成結構如圖1所示：

2)功能控制

(1)太陽能路燈控制器的基本要求

太陽能路燈由多個LED燈串聯而成，路燈照明系統不但消耗大量的電能，而且還需要投入巨額的日常維護費用，給城市帶來電力供應和財政支出的雙重壓力。制定“按需照明”的供電策略可以緩解這一矛盾。通過編程可以實現對分布在城市繁華路段的路燈機動靈活的控制，可在任意時間段內通過PWM方式實現開關控制，以達到既節電又烘托城市燈光氣氛的目的。控制基本要求如下：

①對前半夜與后半夜的亮度進行控制，控制比例依情況而定;②開啟單邊路燈策略，即蓄電池現有電量只供一路路燈照明，另一路路燈關閉;③半夜燈策略，即前半夜開燈，后半夜關燈，蓄電池現有電量只供前半夜照明使用。

太陽能路燈都是以自然光線的強弱來控制照明燈具的開關，這些光控太陽能照明系統的優化設計是系統長期可靠運行的前提。系統容量可以根據當地的地理位置、氣象條件和負載狀況做出最優化設計。但是由于季節因素，冬天太陽輻射要比夏天少，太陽電池陣冬天產生的電量比夏天少，可是冬天需要照明的電量卻比夏天多，從而使照明系統的發電量與需電量形成反差，依然難以平衡月發電量盈余和耗電量虧損。為了提高照明系統發電量的利用率，克服系統缺電帶來的不足，在太陽能照明系統的發展中，人們不斷地對照明系統常用的控制模式進行分析，設計各種實際可行的工作模式，同時光源技術也在不斷的更新換代中，蓄電池的充電模式也在不斷的研究探索中有效利用率越來越高，因此在太陽能各個組成部分的發展和協調中，太陽能照明系統正在不斷地趨于完善。