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基于太陽能驅(qū)動的LED照明系統(tǒng)

鉅大LARGE  |  點擊量:1430次  |  2020年05月12日  

能源短缺是當今社會中的熱點問題,它直接制約著經(jīng)濟和社會的發(fā)展,可再生能源的利用也就成了當今世界關(guān)注的焦點之一。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源,生物質(zhì)能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能。廣義地說,太陽能包含以上各種可再生能源。近年來太陽能的利用得到了世界各國的廣泛關(guān)注,美國、日本、德國相繼提出了“陽光計劃”、“節(jié)能計劃”等大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。自“六五”以來我國政府也一直把研究開發(fā)太陽能和可再生能源技術(shù)列入國家科技攻關(guān)計劃,大大推動了我國太陽能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時,照明作為日常生活中不可缺少的一部分,成為了世界各國的一項重要的能源消耗,據(jù)統(tǒng)計照明用電占我國總發(fā)電量的10%以上,綠色節(jié)能照明的應用越來越受到重視。我國在1996年就提出了“綠色照明工程”,重要就是為了解決與照明相關(guān)的能源供應問題,新型的照明光源LED發(fā)光產(chǎn)品在照明和裝飾領(lǐng)域逐漸受到世人的矚目。


太陽能電池板和LED都是由半導體材料構(gòu)成的,隨著半導體材料技術(shù)的更加完善必將推動太陽能和LED的進一步發(fā)展。將太陽能和LED結(jié)合起來為節(jié)能照明技術(shù)供應了新的解決方法。


1照明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)


此系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池和LED照明系統(tǒng)三大部分組成。太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)變成電能,一部分用來給直流負載LED供電,另一部分儲存在蓄電池中。當沒有太陽光或者光線暗時,LED照明系統(tǒng)所要的能量不夠的部分由蓄電池供應。LED照明部分不僅可以實現(xiàn)晝夜照明,同時采用了自動調(diào)光技術(shù),可以使室內(nèi)的光線保持恒定。如圖1所示,其中的控制器1采用的是Boost電路,實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率點跟蹤??刂破?采用的是雙向DC—DC變換電路,實現(xiàn)對蓄電池的充放電控制??刂破?是LED燈的恒流驅(qū)動和pWM自動調(diào)光控制。下面將分別介紹各部分的工作原理。


2太陽能的MppT算法


太陽能電池的輸出功率是周圍外部環(huán)境(光照、溫度)的非線性函數(shù)。圖2為太陽能電池p-V特性曲線。當光線一按時,太陽能電池的輸出功率存在唯一的最大功率點;當光線變化時,太陽能電池的輸出功率也隨著改變,光線增強最大功率增大。太陽能電池的輸出功率特性曲線還與溫度有關(guān),溫度升高最大功率降低。使光伏電池工作于最大功率點,是提高光伏電池的最有效途徑。最常見的MpVF算法有:恒電壓控制法,此方法雖然簡單,但不適于溫度變化比較大的地區(qū)。擾動觀察法,在光線變化比較大時擾動觀察法可能出現(xiàn)跟蹤方向判斷錯誤等問題。電導增量法的缺點是對傳感器靈敏度要求較高,系統(tǒng)響應速度快從而造成硬件成本比較高。


針對擾動觀察法在光線變化比較快時不能準確跟蹤,采用了一種改進的擾動觀察法,在光伏電池的p—V特性曲線的頂點處任意取三點,可以得到如圖3(a)所示的五種情況。設定一個比較符號足,初始化為0,比較三點功率。當C點功率比曰大或者相等時K=K+1,C比B小時K=K-1;同樣比較日和A,比較完之后,若K=2,工作電壓擾動往右移,若K=-2,工作電壓擾動往左移,K=O說明此時工作電壓對應的正是最大功率點,保持不變。當光線變化時所得到的A、B、C三點關(guān)系如圖3(b)所示。此時計算出K=0,這樣當光線變化時不進行最大功率點的跟蹤,光線穩(wěn)定后繼續(xù)跟蹤最大功率點,從而可以防止擾動觀察法在光線變化后的跟蹤方向判斷失誤。程序流程如圖4所示。


采用Boost電路作為MppT控制器,其原理如圖5所示,輸出端電壓由負載決定,是個定值,通過改變開關(guān)管占空比就可以改變輸入端太陽能池板所供應的電壓,在每個采樣周期對光伏電池的輸出電壓和電流采樣,根據(jù)上文提出的MppT算法調(diào)節(jié)MOS管占空比就可以進行最大功率點跟蹤。


3蓄電池的充電策略


光伏系統(tǒng)對蓄電池充電考慮的因素是:①盡量應用MppT充分利用光伏電池;②充電特性曲線要滿足蓄電池的要求,從而延長蓄電池的使用壽命。傳統(tǒng)的充電方法有恒流充電、恒壓充電等"1。恒流充電的缺點是充電后期電流相對蓄電池來說比較大。


恒壓充電,雖然電流隨著蓄電池端電壓的增大而減小,但充電初期充電電流相對來說還是很大的。制約著這兩種控制方法的最重要因素就是充電電流,所以.可以從控制電流的角度來對蓄電池充電進行有效地控制。


控制思想為M1:充電初期,給蓄電池設定一個比較大的充電限制電流,只要充電電流不超過這個限定值,都可以應用MppT。同時,不斷檢測蓄電池的端電壓,以判斷蓄電池所處的充電狀態(tài),當端電壓達到過充電壓時,減小充電限制電流。重復上述過程,直到充電電流達到浮充電流(C/100),說明蓄電池已充滿。此后,以浮充電流對蓄電池充電,來彌補蓄電池反相自放電造成的能量損失。在此充電過程中,只要充電電流在所設定的范圍內(nèi)均可采用MppT控制方法,從而大大提高了太陽能電池的利用率。


蓄電池充放電的控制是通過雙向DC/DC變換器來執(zhí)行的,如圖6所示,此電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)管導通和關(guān)斷的占空比,可以實現(xiàn)升降壓。所以不用考慮輸入輸出端的電壓匹配問題,就可以使高低壓端相互隔離,效率高控制靈活。當太陽光充足時開關(guān)Q2斷開,通過控制開關(guān)Q1,來給蓄電池充電。當太陽能供應的能量不夠LED照明系統(tǒng)用時,開關(guān)Q1斷開,通過控制開關(guān)Q2,來給照明系統(tǒng)供應能量。


4LED恒流及自動調(diào)光控制


隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展,白光LED正逐漸進人到日常照明領(lǐng)域,LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化成光能的半導體器件,它是依靠材料中的正負電荷復合來發(fā)光,現(xiàn)實中沒有可以直接發(fā)出白光的半導體材料,白光LED的實現(xiàn)方法中最常用的就是利用RGB三種LED混合成白光。因此,將白光LED應用到照明中,可以根據(jù)要配制成各種不同色溫、色度的LED燈,將給人們帶來極大的自由空間。同時,LED的驅(qū)動電壓大大地降低,能源節(jié)省將近90%。


圖7為LEDI-V特性曲線,可近似認為正向電流,與正向電壓y的n次方成正比。白色LED工作電壓的較小波動就會導致工作電流的急劇變化,控制不當可能會使pN結(jié)燒壞。另外,LED的亮度、壽命等特性,都與電流有直接的關(guān)系,所以要對LED進行恒流驅(qū)動。采用圖8所示的恒流驅(qū)動電路,圖中的運放A和B構(gòu)成一個閉環(huán)反饋電路,流過LED的電流在采樣電阻R,上出現(xiàn)采樣電壓,該采樣電壓經(jīng)過反饋運放B送到前向通道運放A中與參考電壓V比較,出現(xiàn)控制電壓對MOS管的柵源電壓進行調(diào)節(jié),從而可以達到恒流的用途。分析該電路,可得所恒定的電流為:Io=R2×Vt/R3(R1+R2)。其中E為基準電壓;R1和R2為反饋電阻;最為采樣電阻。


常用的白光LED亮度調(diào)節(jié)方法有:①改變電流調(diào)節(jié);②pWM(脈沖寬度調(diào)制)方法。由LED本身的特性決定,它的亮度與通過的電流大小有關(guān),即通過的電流增大,LED的亮度增強。但是這兩者之間不是線性的關(guān)系,雖然通過改變電流可以調(diào)節(jié)亮度,但是,當電流增大到一定程度時白光LED會變色,而且電流過大對LED壽命也有影響。鑒于此,采用pWM方法進行調(diào)光,即在恒流和恒定頻率的情況下,通過調(diào)節(jié)MOS開關(guān)管的導通時間,來調(diào)節(jié)平均亮度。這種方法不但可以使通過LED的電流恒定,而且還有助于LED的散熱。


5試驗及結(jié)果


采用2塊15W/17V太陽能蓄電池、1塊12V7AH蓄電池、9支1W白光LED(3并3串)??刂破鳛?rI公司的TMS320LF2407A,此款DSp芯片多用于控制領(lǐng)域,可以輸出多路pWM,自身帶有l(wèi)O位AD采樣,運行速度快、處理能力強。


圖9為采用本文介紹的充電控制策略對蓄電池充電得到的結(jié)果曲線。開始階段,設定最大充電電流為C/IO=0.7A,當蓄電池端電壓達到過充電壓14.8V時,減小最大充電電流為C/20=0.35A。重復上述過程,直到充電電流為浮充電流,說明此時蓄電池已充滿。總的來說,充電環(huán)節(jié)滿足了本系統(tǒng)的設計要求。


圖10為LED恒流實測曲線,橫坐標為LED加入的電壓,縱坐標為流過LED的電流,可以看出,LED端加入的電壓從12V變化到17V,基本上可以保證流過LED的電流為0.98A左右,恒流精度可以達到0.03以內(nèi),完全滿足LED恒流的要求。


6結(jié)束語


本文所設計的系統(tǒng)充分考慮了光伏電池的最大功率點跟蹤,提高了太陽能電池板的利用率。對LED燈進行了恒流驅(qū)動,保證了LED的壽命和發(fā)光效率。將二者結(jié)合起來真正實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保,具有很好的實用價值。


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