基于太阳能LED照明系统的厂区路灯设计

基 于太阳能 LED 照明系统的 厂区路灯 设计

谢昭勉 1

广州环投花城环保能源有限公司

摘要：由于太阳能LED照明系统因环保节能而备受瞩目，本文设计厂区路灯的太阳能LED照明系统，介绍太阳能LED照明系统的组成、工作原理，厂区路灯太阳能系统的设计以及简要介绍控制器的设计。

关键词：太阳能、LED照明系统、蓄电池、控制器设计、节能

1.引言

太阳能作为新能源之一的能源，世界各国对它的开发利用为可持续发展的战略决策^[1]。2009年各国在哥本哈根签署了对未来十年温室气体减排指标的承诺^[2]。2011年在德班各国决定启动绿色气候基金及实施《京都议定书》第二承诺^[3]。因此太阳能这种新能源的产业将会面临前所未有的重大发展。太阳能发电的优点为：(1)永不枯竭；(2)无噪音及污染，运行的成本小；(3)太阳能的输出电压是直流电；(4)太阳能电池静态运行，维护便利，可靠性好。

由于太阳能是清洁无污染能源，而固态电光源半导体发光二极管(LED)也是一种节能环保的光源，将他们联合在一起，开发的照明产品，不但能体现二者的优点，还能更好地展现出LED高效环保的优点，属于是新能源、新光源的完美结合。

本文以太阳能LED智能系统为基础对广州环投花城环保能源有限公司厂区路灯进行智能化设计，提出了太阳能 LED厂区路灯的控制系统的设计方案，及智能控制系统各个部分的设计思想，使太阳能LED厂区路灯的智能化控制在最大程度上实现。

2.太阳能LED系统组成

本系统工作原理如图1所示，当天亮时本系统太阳光照射厂区路灯的太阳能面板，能让光能转化为电能，从而使太阳能面板上生成一定的直流电，之后传输到智能控制器，让传送出电能输送给蓄电池储存；天黑时太阳能的面板由于没有光能可吸收，则传送的直流电压近似为零，此时本系统的控制系统开启，由蓄电池向LED照明系统供电，用于夜晚照明。

图1 工作原理图

2.1 太阳能电池板及其工作特性

本系统由多个的太阳能电池组件通过串、并联方式联结成了太阳能电池板，可把太阳辐射能转变成直流。它的容量有数百峰瓦（WP）、数千兆峰瓦（WP），还有更大的峰瓦^[4]。而本系统着重研究小型的太阳能LED照明系统，该系统的功率只有几瓦特。后建立其数学模型，为对太阳能电池进行直观的分析。太阳能电池的等效电路见图2。

图2 太阳能电池等效电路

不考虑电容，在理想状态下建立数学模型：

（1）

表示光电流(A)； 表示反向饱和电流

(A)； 表示电子电荷( )；A表示二极管系数；T表示绝对温度(K)；K表示玻尔兹曼常数( )。

当环境条件不变，太阳能输出特性见图3。

图3 太阳能电池输出特性曲线

如图3可知，I-V特性曲线可发现太阳能电池板输出的电压是非线性的一种直流电源。如P-V 特性曲线所示，工作电压增大，左侧大功率点输出功率也增长，但最大的功率点右侧的输出功率则会减少。

本系统我们将太阳能电板分布在光伏板上，以更好地吸收太阳能来储电，由于太阳能面板的质量重，为了路灯自重平衡，则选择了让太阳能面板大小稍稍覆盖路灯的方式，而每一格由太阳能电板组成的面板直面太阳。本系统太阳能电板分布在路灯附近，最大程度将光能转化电能，如图4所示。

图4 厂区路灯太阳能面板分布图

2.2 蓄电池组件

本系统中的储能装置为蓄电池，它也是本系统中关键的组成部分。在天亮时蓄电池存储由太阳能产生的电能，夜晚对LED 照明系统提供电能，可以让LED照明系统稳定的工作。太阳能面板使由光能产生的电能以化学能的形式储存于蓄电池里，到夜晚需供给电能时，蓄电池则把化学能转成电能提供给LED系统。为空间的合理利用，本系统把蓄电池设置在厂区路灯底座位置，并且考虑到电池循环寿命、蓄电池电压、能量效率、最大充电电流等优点，则优先选用锂电池。

2.3 LED特性及其发光原理

被称作新型固体光源的半导体发光二极管(Light EmittingDiode，LED)被认为是 21世纪的最有价值的新型光源^[5]。

本系统厂区路灯采用LED灯见图5，代替了原始的日炽灯，使得路灯耗能小，亮度大。

图5 厂区路灯LED的分布

LED 是一种 PN 结发光器件，化合物半导体做为其材料，且有单向导电性^[6]。LED 的发光原理，为在某些材料中，注入的少数载流子与多数载流子复合，此时能把其剩余的能量释放出来，使其以光的形式存在，进而就把电能直接转换成了光能^[7]。本系统选择LED外露灯灯珠，它具有防水性、防UV、不易氧化、寿命长、环保性能好等优点。

2.4 控制系统

本照明系统的核心单元为控制器，其为天亮时控制太阳能面板向蓄电池充电，夜晚控制蓄电池向 LED灯放电。整个系统需要有光控功能和时控功能^[8]:

（1）光控功能

这个本系统中，只需具有内光电效应的光敏器件。光敏器件包括光敏电阻及二极管等。其中的光敏电阻为光电导效应制成的光敏元件，其灵敏度好，光谱响应的范围宽， 成本低等优点，因此其广泛地被应用在自动化领域中^[9]。

（2）时控功能

本系统采用了美国ATMEL公司生产AT89C51单片机做控制器^[10]。芯片体积小、包装简单、易于焊接、功耗低。可调节LED灯的亮度，从而更好实现节省电能的目的，一旦开启即可智能工作。

3. 太阳能LED系统的控制器设计

本系统控制器的基本原理见图6：太阳能面板为多晶硅太阳能电池板，微控制器使用的是AT89C51型号的单片机；LED 灯为LED外露灯具，用开关 S1、S2 控制 LED灯的通断情况，其可以让电流保持稳定、维持LED亮度稳定。该芯片作为本系统中的核心部分，它相当于系统的大脑，有序地控制系统中各种功能实现。例如，对电池的过放、过充，以及对电压的显示等^[11]。

图6 控制器原理图

3.1 控制器的软件设计

本系统中的电能是源于太阳能电池提供，负载为LED照明系统，蓄电池则在不同的情况下能为电源，也可作负载。在天亮时太阳能面板向蓄电池提供电能，此时蓄电池作为负载而灯具不工作；当晚上光照弱时，蓄电池向灯具供电，此时太阳能电池不工作，蓄电池作电源。

基于实际的系统工作环境，此系统的主程序流程图见图7，其运行后，首先初始化及中断各部分，之后初始化运行结束，其对蓄电池的电压、温度采样，对蓄电池是否充电进行判断，如果需要充电则其进入充电子系统。进而如确定不需要充电或者执行充电子程序后，LED系统是否点亮，则通过对光敏电阻采样来判断。

图7 主程序流程图

4. 结语

由于当今世界上能源的匮乏，对国家来说，实现可持续发展的途径之一就是充分利用新能源。而我们用新能源太阳能作依托，实现了厂区路灯的智能化。本文介绍其中太阳能LED照明系统的组成及设计，在满足人们需求的同时达到节能的目的，这也正好响应了国家运用绿色能源、节能减排的号召。

参考文献

1. 朱伟钢，林燕梅，周蕾.太阳能光伏发电在中国的应用[J].现代电力，2007（10）:19-23.

2. 方波，秦大为.太阳能LED路灯[J]. 中国照明电器，2008(3):17-20.

3. 孔娟.太阳能光伏发电系统的研究[D].青岛大学硕士论文，2006:19.

4. 杜守增.太阳能 LED 照明系统控制器的设计[D].山东科技大学硕士论文，2010:6.

5. 杨金焕，陈中华.21 世纪太阳能发电的展望.上海电力学院学报[J]，2001，17(4):23~28.

6. 刘卓.太阳能LED照明系统[D].复旦大学硕士论文，2010:7.

7. 吕慧敏，蔡永泉.节能高手— LED的应用[J].现代显示，2006(70):49~52.

8. 王长贵.以发光二极管为光源的光伏照明装置[ J].太阳能， 2003， (5):21 -23.

9. 杜守增.太阳能LED照明系统控制器的设计[D].山东科技大学硕士论文，2010:6.

10. 孙英波.独立式太阳能LED照明系统研究与设计[D].山东大学硕士论文.2010:8~12.

11. 陈尚伍.独立光伏发电LED照明系统的研究[D].武汉;浙江大学.硕士研究生论文，2008.