基于单片机的太阳能草坪灯LED照明设计

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基于单片机的太阳能草坪灯LED照明设计

1 引言

  太阳能作为一种新兴的绿色能源,以其无可比拟的优势得到迅速的推广应用。一般人认为,节能灯可节能4/5是伟大的创举,但LED比节能灯还要节能1/4,这是固体光源伟大的革新。除此之外,LED还具有光线质量高,基本上无辐射,可靠耐用,维护费用极为低廉等优势,属于典型的绿色照明光源。超高亮LED的研制成功,大大地降低了太阳能灯具使用成本,使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价,并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。本文主要介绍它的一些知识,希望能给大家一些启发。

  2 LED太阳能草坪灯的定义及结构组成

  太阳能草坪灯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。其优点主要为安全、节能、方便、环保等。适用于住宅社区绿草地美化照明点缀,公园草坪美化点缀。LED太阳能草坪灯的结构组成:由太阳能电池组件(光电板)、超高亮LED灯(光源)、免维护可充电蓄电池、自动控制电路、灯具等组成。

  3 太阳能草坪灯的系统组成、控制原理和电路原理

  3.1 太阳能草坪灯的系统组成

  LED太阳能草坪灯是一个独立的发电系统。它能够独立的完成把太阳能转换为电能,并能把电能转换成热能供照明和装饰使用,而不需要电线的传输。一个独立的光伏系统一般由以下三部分组成:太阳电池组件;充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。光伏系统具有以下的特点:没有转动部件,不产生噪音; 没有空气污染、不排放废水;没有燃烧过程,不需要燃料; 维修保养简单,维护费用低;运行可靠性、稳定性好;作为关键部件的太阳电池使用寿命长,晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上;根据需要很容易扩大发电规模。

图4-0 几种常见的LED太阳能草坪灯

  图4-1是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。其中包含了光伏系统中的几个主要部件:光伏组件方阵:由太阳电池组件(也称光伏电池组件)按照系统需求串、并联而成,在太阳光照射下将太阳能转换成电能输出,它是太阳能光伏系统的核心部件。

  LED太阳能草坪灯是一个小型的太阳能供电系统(图4-2是一个简单的太阳能供电系统)。它的结构非常简单主要由太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池、照明电路和灯杆等部分组成(如图4-3)。

  3.2 太阳能草坪灯的控制原理

  太阳能草坪灯的控制器主要是用于蓄电池充放电的而控制。图4-4就是一个最基本的充放电控制器。在该图中,由光伏电池板、蓄电池、太阳能控制器和负载组成了一个基本的光伏应用系统。这里的开关K1和K3为充电开关,K3为放电开关,它们均属于太阳能控制中心的一部分。图中开关的开合由控制电路根据系统的充放电状态来决定。当蓄电池充满电时断开充电开关,需要充电时闭合充电开关;当蓄电池放电时闭合K2,否则断开。而这些控制电路可以采用三极管、电阻、电容、电感构成的电压比较升压充放电电路,也可以采用光控电路,或者采用集成运放构成的电压滞回比较器,还可以采用单片机。鉴于廉价的考虑一般采用前者。

  一般来说,一个合格的太阳能充放电控制器具有以下几种充放电保护模式:

  a 直充保护点电压:直充也叫急充,属于快速充电,一般都是在蓄电池电压较低的时候用大电流和相对高电压对蓄电池充电,但是,有个控制点,也叫保护点,就是上表中的数值,当充电时蓄电池端电压高于这些保护值时,应停止直充。直充保护点电压一般也是“过充保护点”电压,充电时蓄电池端电压不能高于这个保护点,否则会造成过充电,对蓄电池是有损害的。

  b 均充控制点电压:直充结束后,蓄电池一般会被充放电控制器静置一段时间,让其电压自然下落,当下落到“恢复电压”值时,会进入均充状态。为什么要设计均充?就是当直充完毕之后,可能会有个别电池“落后”(端电压相对偏低),为了将这些个别分子拉回来,使所有的电池端电压具有均匀一致性,所以就要以高电压配以适中的电流再充那么一小会,可见所谓均充,也就是“均衡充电”。均充时间不宜过长,一般为几分钟~十几分钟,时间设定太长反而有害。对配备一块两块蓄电池的小型系统而言,均充意义不大。所以,路灯控制器一般不设均充,只有两个阶段。

  c 浮充控制点电压:一般是均充完毕后,蓄电池也被静置一段时间,使其端电压自然下落,当下落至“维护电压”点时,就进入浮充状态,目前均采用PWM(既脉宽调制)方式,类似于“涓流充电”(即小电流充电),电池电压一低就充上一点,一低就充上一点,一股一股地来,以免电池温度持续升高,这对蓄电池来说是很有好处的,因为电池内部温度对充放电的影响很大。其实PWM方式主要是为了稳定蓄电池端电压而设计的,通过调节脉冲宽度来减小蓄电池充电电流。这是非常科学的充电管理制度。具体来说就是在充电后期、蓄电池的剩余电容量(SOC)>80%时,就必须减小充电电流,以防止因过充电而过多释气(氧气、氢气和酸气)。

  d 过放保护终止电压:这比较好理解。蓄电池放电不能低于这个值,这是国标的规定。蓄电池厂家虽然也有自己的保护参数(企标或行标),但最终还是要向国标靠拢的。需要注意的是,为了安全起见,一般将12V电池过放保护点电压人为加上0.3V作为温度补偿或控制电路的零点漂移校正,这样12V电池的过放保护点电压即为11.10V,那么24V系统的过放保护点电压就为22.20V 。目前很多生产充放电控制器的厂家都采用22.2V(24V系统)标准。

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