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智能化小區LED路燈光伏充電器設計方案

發布時間:2015-10-28發布者:admin

摘要: 提出了一種新型的智能化小區大功率Light Emitting Diode (LED)路燈光伏充電器的設計方案, 給出了白光LED的工作特性和太陽電池的工作特性以及此光伏充電器的主電路拓撲結構, 分析了基于Microchip 公司的PIC16F874芯片實現的控制策略和最大功率跟蹤( MPPT) 原理。最后給出了此充電器的工作原理框圖和控制原理框圖。實際運行表明, 該LED 路燈光伏充電器系統具有顯著優點。

  目前,在各大中型城市中一大批智能化小區、花園別墅、智能大型綜合體育設施等建筑拔地而起, 客觀上要求有與其相配套的高效能環保的照明設備的出現。LED 是發光二極管的統稱, 它工作在低電壓、小電流的狀態下, 所以具有發熱量小、功耗低的顯著特征。而且其使用方面, 可以根據不同場合的使用要求方便地進行多顆LED 的組合。所以在LED 技術基礎上發展起來的LED 光伏路燈是一種新型環保且具有高光效的節能設備, 具有安全抗震、使用方便、費用低、壽命長、節約能源、無污染等優點, 在許多領域可代替現在廣泛使用的白熾燈、日光燈等光效相對較低的照明設備。其工作原理就是通過太陽電池光伏陣列將太陽能轉化為電能, 給蓄電池進行充電, LED 驅動器則通過蓄電池為其提供工作電源, 完成對LED 燈的驅動和保護功能。其優點是克服了目前市場上所使用的其它照明設備普遍存在的耗能大、光效差、不穩定、蓄電池使用壽命短等多種弊端。大功率LED 路燈充電器設計的一個關鍵的部分就是光伏充電器的設計問題, 因為光伏充電器不僅完成了把太陽能轉換成電能的重任, 而且還對蓄電池提供了智能充電管理, 因此光伏充電器的性能直接決定了太陽能能量利用的效率和系統使用的壽命。本文從原理、控制策略和實際應用等幾個方面介紹一種光伏充電器及其控制系統的設計思想。

 

  1 系統構成

 

  1.1 LED 的工作特性

  發光二極管LED(Light Emitting Diode)的工作原理是在半導體p-n 結上加一正向電壓, 從而使其電子與空穴復合(即結區變窄), 這種復合是電子從高能級的導帶釋放能量回到價帶與空穴復合, 其釋放的能量以光子的形式出現, 即發光。

  根據半導體物理中的公式: λ=1.24/Eg式中: Eg 為半導體材料導帶與價帶之間的禁帶寬度, λ為波長。從式中可以看出, 對于不同材料的半導體來說, 由于它們的Eg 不同, 因此它們的波長# 也不一樣, 所以發光的顏色不同。顯然, 一般LED 多為單顏色光, 如紅光、綠光、黃光、藍光等。所謂白光是多種顏色的光混合而成, 以人類眼睛所能見到的白光形式至少必須兩種以上的光混合, 一般有下列兩種混合方式: 二波長光———藍光與黃光混合; 三波長光———紅光、綠光與藍光混合。目前已經商品化的白光LED 產品多為二波段藍光單晶片加上YAG 黃色熒光粉; 三波長光以無機紫外線光晶片加R、G、B 三顏色熒光粉。此外, 有機單層三波長型白光LED 也有成本低、制作容易等優點。

  1.2 太陽電池的工作特性

  圖1、圖2 分別給出了太陽電池溫度在25 ℃時, 工作電壓、電流和日照( W/m2) 的關系曲線及太陽電池的輸出功率和日照、電壓之間的曲線。

 

  

 

  從圖1 的I/U 關系可以看出, 太陽電池陣列既非恒壓源,也非恒流源, 而是一種非線性直流電源, 電池輸出電流在大部分工作電壓范圍內相當恒定, 最終在一個足夠高的電壓之后,電流迅速下降至零。由圖2 可知, 太陽電池的工作效率等于輸出功率與投射到太陽電池面積上的功率之比。因此, 為了提高本系統的工作效率, 必須盡可能地使太陽電池在最大功率點處工作, 這樣就可以用功率盡可能小的太陽電池獲得最大的功率輸出, 這就是進行最大功率點跟蹤的意義所在。如圖1 和圖2 所示, 圖中的A、B、C、D、E 點分別對應不同日照時的最大功率點。

  1.3 鉛酸蓄電池的工作特性

  目前在光伏充電器系統中大量使用的是鉛酸蓄電池, 它的工作原理是依靠鉛酸正極的活性物質二氧化鉛( PbO2) 和負極的活性物質海綿狀鉛( Pb) 與電解液硫酸( H2SO4) 進行化學反應生成硫酸鉛( PbSO4) , 在此工作過程中將引起硫酸( H2SO4) 的減少, 而且在正極板上不斷生成水( H2O) , 從而引起電解液的密度降低。在充電期間, 正極極板上的硫酸鉛( PbSO4) 氧化成了二氧化鉛( PbO2) , 此時負極極板上的硫酸鉛( PbSO4) 還原成鉛( Pb) , 同時生成硫酸( H2SO4) , 耗去了蓄電池中的水( H2O) , 使電池中電解液的密度上升, 完成充電過程。

 

2 系統的工作原理

 

  2.1 系統的主控制芯片介紹

  充電器系統的硬件框圖如圖3 所示。

 

  系統硬件框圖

 

  主控芯片采用Microchip 公司的PIC16F874, 它采用RISC 指令系統, 哈佛總線結構, 低功耗, 高速度。內部集成了ADC、SPI 和Flash 程序存儲器等模塊, 具有10 位A/ D 轉換、PWM 輸出、LCD驅動等功能, 此外它還帶有128 個字節的E2PROM 存儲器, 能方便寫入調整量以備后用。PIC16F874通過SPI 接口可以實現與CAN 控制器MCP2510 的無縫連接, 且同時同步串行模塊( SSP) 為以后與工控機聯網奠定了基礎。PIC16F874 的I/O 資源豐富, 共有A、B、C、D、E 五個I/O口, 每個I/O 口除了基本用途外還有一些特殊功能。豐富的資源和強大的功能, 使之十分適合于作為控制系統的控制核心芯片。

  2.2 系統的工作過程分析

  充電器系統的控制框圖如圖4 所示。

 

  系統控制框圖

 

  由圖4 可以看出, 在蓄電池充電階段, 控制回路電壓環僅由太陽電池電壓構成。此時, 電壓環的輸出為電流環的給定,通過檢測主電路中蓄電池的充電電流與給定電流相比較來改變SG3525 的輸出脈沖寬度, 使太陽電池的電壓跟蹤給定電壓。由圖1 可知, 當太陽電池電壓下降, 在穩態時, 太陽電池電壓等于給定電壓, 電流環的給定亦為穩定值, 蓄電池的充電電流等于給定電流; 反之, 當太陽電池電壓小于給定電壓時,SG3525 輸出脈沖寬度作用于驅動電路以驅動功率器件, 使其導通占空比減小, 蓄電池充電電流變小, 工作電壓增加, 電路達到穩態時太陽電池電壓等于給定電壓。在過充電階段, 兩個電路均起作用, 電壓環由太陽電池電壓構成的電路和蓄電池構成的電路組成, 此時, 蓄電池電壓和給定太陽電池工作電壓之和大于太陽電池電壓, 偏差信號經過PI 調節后加到SG3525 的電流輸入端, 使SG3525 輸出脈沖寬度減小, 蓄電池充電電流變小。由圖1 可知, 太陽電池實際工作電壓漸漸增大, 直到穩態時, 工作于開路狀態, 蓄電池充電電流為零, 從而實現了過充保護。

  此外可以通過Modbus 通信標準使模塊控制器以主( 即上位機) —從( 即下位機) 方式進行通信, 對光伏充電器的運行情況和LED 燈的運行情況通過若干控制器或其它Modbus設備通過RS485 總線組建成Modbus 網絡, 可以成功地實現網絡化遠程監控系統。

 

  3 太陽電池的最大功率點跟蹤(MPPT)

 

  對于光伏充電系統來說, 系統首先采用太陽電池陣列對蓄電池進行充電, 以化學能的形式將太陽能儲存在蓄電池中。在這個過程中, 由于光伏陣列的伏安特性具有強烈非線性的特點, 在控制策略中通常采用自尋最優控制方式使太陽電池工作在最大功率點處。整個控制過程可以分解成兩個階段進行:

  (1) 確定出太陽電池工作在最大功率點時的輸出電壓值Uref;

  (2) 改變太陽電池對蓄電池的充電電流使太陽電池的輸出電壓穩定在Uref。

  這兩個階段是由控制電路通過檢測太陽電池的輸出電壓和電流, 采用逐次比較法來實現的。它的搜索起始點應在接近陣列開路電壓處, 在穩態工作點上的時候光伏陣列的工作電壓值應在最大功率電壓值附近搜索, 其搜索的幅度越小,MPPT 的精度就越高。其最大功率點跟蹤控制過程如圖5 所示, 它保證系統不論在何種日照及溫度條件下, 始終使太陽能光伏陣列工作在最大功率點, 使充電器系統工作時獲得較高的穩定性和輸出效率。

 

  MPPT跟蹤控制過程

 

  4 結論

 

  經實際運行表明, 該LED 路燈光伏充電器系統具有以下顯著優點:

  ( 1) LED 固體光源具有耐抗震、抗沖擊、光效高、壽命長和無污染;

  ( 2) 電路具有結構簡單、工作穩定可靠、性價比高、實時性強等特點;

  ( 3) 使用雙閉環的控制策略, 較好地改善了蓄電池的工作狀態, 保證了充電質量;

  ( 4) 實現LED 路燈光伏充電器的自動充電過程, 提高了蓄電池的使用壽命;

  ( 5) 使用通用型號的蓄電池, 便于推廣應用和現有普通光源路燈的更新換代;

  ( 6) 利用取之不盡, 用之不竭無污染的太陽能, 不用挖坑布線, 體現了綠色能源環保利用。


 

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