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、中達電通蓄電池組、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：
圖1 太陽能路燈微機監控系統組成結構
(1)微機主控線路
微機主控線路是整個系統的控制核心，控制整個太陽能路燈系統的正常運行。微機主控線路具有測量功能，通過對太陽能電池板電壓、蓄電池電壓等參數的檢測判斷，控制相應線路的開通或關斷，實現各種控制和保護功能。
(2)充電驅動線路
充電驅動線路由MOSFET驅動模塊及MOSFET組成。MOSFET驅動模塊采用高速光藕隔離，發射極輸出，有短路保護和慢速關斷功能。選用的MOSFET為隔離式、節能型單片機開關電源專用IC，驅動LED的全電壓輸入范圍為150V～200V，輸出電流為8A～9A。輸入電壓范圍寬，具有良好的電壓調整率和負載調整率，抗干擾能力強，低功耗。
本系統通過充電驅動線路完成太陽能電池組向蓄電池的充電，電路中還提供了相應的保護措施。
(3)LED驅動線路
由IGBT驅動模塊及MOSFET組成，實現對路燈亮度的調節及路燈的開關。
(4)太陽能電池組
太陽能電池組由太陽能電池單體(工作電壓約為0.5V,工作電流約為20～25mA/cm2,面積為10cm×10cm)以串、并方式連接成組件，一個標準組件包括36片單體，使一個太陽能電池組件大約能產生17V的電壓，成為一個額定電壓為12V的蓄電池池組。當應用系統需要更高的電壓和電流組件時，可把多個組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。
太陽能電池在整個系統中的作用有兩個：其一是把太陽光轉化為電能，即白天時，太陽能電池給蓄電池充電；其二是太陽能電池作為系統的光控元件，從太陽能電池兩端電壓的大小，即可檢測戶外的光亮程度，也就是從太陽能電池電壓的大小來判斷天黑和天亮及LED照明光源的亮度。
(5)中達電通蓄電池組
由于從光伏陣列得到的能量不總是與電子負載的需求相符，當光伏陣列本身不能提供足夠的功率時，蓄電池仍能使負載工作。如果電子負載需要在夜間或在多云或陰天時工作，就需要能量的存儲。蓄電池存儲能量的大小設計為自主運行期間滿足平均每日電子負載的需求。一般來說，應能儲備5～7天的夜間照明用電量。蓄電池是整個太陽能路燈系統的關鍵部分，它是整個太陽能系統的儲備能源設備，白天時太陽電池給蓄電池充電，晚上，系統和負載所用電全部由蓄電池來提供，其次，陰雨天的供電也要靠蓄電池來完成。在獨立光伏系統中，由光伏陣列產生的電能不總是在電能產生的同時加以使用，所以在多數獨立光伏系統中需要蓄電池。
(6)通信裝置
由無線數傳模塊組成。無線數傳模塊支持GPRS,帶有RS-232接口，通信距離達100米，抗干擾性強，不受廣播電視，移動通信干擾，實現相鄰路燈終端之間的通信。
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，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。
根據太陽能路燈系統的特點，路燈運行要兼顧蓄電池剩余容量的影響。當路燈正常開啟時，根據蓄電池剩余容量檢測法得到當前蓄電池容量，通過查詢后得到蓄電池將要維持的供電時間，平均使用蓄電池現有電量，同時根據當晚可使用的蓄電池電量對路燈照明方式靈活控制，合理使用蓄電池現有電量。
(2)蓄電池充放電控制功能
中達電通蓄電池充放電控制是整個系統的重要功能，它影響整個太陽能路燈系統的運行效率，還能防止蓄電池組的過充電和過放電。蓄電池的過充電或過放電對其性能和壽命有嚴重影響。充放電控制功能，按控制方式可分為開關控制(含單路和多路開關控制)型和脈寬調制(PWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。開關控制型中的開關器件，可以是繼電器，也可以是MOS晶體管。脈寬調制(PWM)控制型只能選用MOS晶體管作為其開關器件。本系統采用脈寬調制控制器方式，并選用MOS晶體管作為開關器件。當白天晴天的情況下，根據蓄電池的剩余容量，選擇相應的占空比方式向蓄電池充電，力求高效充電；夜間根據蓄電池的剩余容量及未來的天氣情況，通過調整占空比方式進而調節LED燈亮度，以保證均衡合理使用蓄電池。
此外系統還具有對蓄電池過充的保護功能，即充電電壓高于保護電壓(15V)時，自動調低蓄電池的充電電壓；此后當電壓掉至維護電壓(13.2V)時，蓄電池進入浮充狀態，當低于維護電壓(13.2 V)后浮充關閉，進入均充狀態。當蓄電池電壓低于保護電壓(11V)時，控制器自動關閉負載開關以保護蓄電池不受損壞。通過PWM方式充電，既可使太陽能電池板發揮最大功效，又提高了系統的充電效率。本設計對蓄電池的反接、過充，過放具有相應保護措施。
(3)太陽能路燈運行方式控制功能
高亮度大電流LED燈，由于相同亮度的情況下，比白熾燈省電約90%，得到了廣泛的應用，現已有逐漸替代常規照明燈的趨勢。
太陽能路燈由多個LED燈串聯而成，亮度通過PWM方式可調，即通過EN端改變流經LED的電流，從而調節LED燈亮度，電流強度可以從幾毫安到1安培，最終使LED燈達到預期的亮度。
PWM信號可由微控制器產生，也可由其它脈沖信號產生，PWM信號可使通過LED燈的電流從0變到額定電流，即可使LED燈從暗變為正常亮度。PWM占空比越小(高電平時間長)，亮度越高。利用PWM控制LED的亮度，非常方便和靈活，是最常用的調光方法，PWM的頻率可從幾十Hz到幾千KHz。
PWM調光是通過控制MOSFET晶體管實現的。由于本系統路燈單元采用的電壓是由幾個蓄電池串聯產生的，所以選用MOSFET晶體管時，首先要考慮MOSFET的耐壓，本系統要求MOSFET的耐壓要高于40V；其次，根據驅動LED燈電流的大小，選擇MOSFET的IDS的最大電流。在直流供電情況下，首先考慮的是IDS最大電流值和RDS值。一般情況下，應選用MOSFET的IDS最大電流是LED燈驅動電流的5倍以上；另外還要選擇MOSFET的內阻要小；LED驅動電流越大，RDS應越小，RDS越小，變換效率越高。
城市太陽能路燈是和人民生活密切相關的公共設施，它在一定程度上反映了城市的繁榮程度及發展水平。在過去很長一段時間內，路燈的更新多是局限于其照明部分，隨著城市及電子技術的發展，城市路燈系統經歷了手工控制、自動定時/光電控制、計算機程序控制的發展過程。用計算機來實現城市太陽能路燈系統的自動控制，對于提高城市的現代化管理水平，節省人力、物力，都具有良好的經濟和社會效益。通過有效的調節燈光開關時間，能夠極大地提高了路燈系統的工作質量和工作效率，為城市照明系統的運行、維護、擴展、提供全面的解決方案和強有力的技術支持，提高了城市照明運行管理水平。
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