市政电源/太阳能联合的LED照明控制

2013-10-15谢兰清

制造业自动化 2013年4期

谢兰清

（广西工业职业技术学院，南宁 530001）

0 引言

太阳能是一种新型的环保能源，现代新能源当中，人们普遍认为太阳能光伏发电是未来最具发展潜力的技术之一[1]。将永不枯竭、清洁环保的太阳能与LED节能、快速响应的特征相结合，将是一种近趋于完美的组合。考虑到路灯、小区草坪灯的现有市政供电系统，就目前大多采用的是市政电源供电或者单一的太阳能取电方式，其可靠性方面尚存不足[2]。本文以太阳能为主，市政供电为辅的节能控制策略，可靠性高，经济效益显著，具有实际的开发价值。

1 系统构架

如图1所示，该系统构成为[3]：1) 太阳能电池；2) 蓄电池；3) 控制器；4) LED负载；5) 市政电源。

图1 系统构架

在正常运行情况下，LED负载是由蓄电池来提供电源，当蓄电池因电能消耗而电压不够时，由市政电源来进行补充。在设计过程中，应合理地减少蓄电池的电池容量，节约工程耗资。其具体功能：

1）太阳能电池。实现太阳能的转化，并将能量存储在蓄电池中，进而驱动LED照明负载。

2）蓄电池。接收太阳能电池输送过来的能量，并存储，用于驱动LED灯具照明。

3）控制器。监控蓄电池的充电/放电，防止其过放电以及过充电。实现市政电源和太阳能电池间的切换控制，确保LED灯具正常照明。

4）LED负载。LED照明光源处于该照明控制系统的末端，属于新兴的、环保节能光源。

5）市政电源。属于备用电源，在连续阴天，蓄电池出现太阳能充电不足时，由市政电源向LED照明负载直接供电，其切换过程由控制器实现。

2 控制器设计

控制器监测系统的实时运行参数；控制蓄电池的充电和放电；实现市政电源与蓄电池之间的切换；控制LED照明负载的工作状态等。本文以PIC1 6F 8 77A为控制核心，其具体实现见图2。其主要对蓄电池的充电、放电，与市政电源间的切换的控制，见图2中 C1 - C 3。数码晶体管的显示以及其驱动见图2中A~G/Dig_En1~Dig_En6。

图2 控制器实现

3 控制流程设计

该控制系统包含了两种模式：1)白天模式；2)夜晚模式。蓄电池以其端电压值作为判断其电量足够与否的依据；端电压＞12V，充足；端电压＜ 1 2V ，不足。控制逻辑见表1。

在白天时，蓄电池中止放电，对其充电。获取蓄电池端电压，若其＜12V，则采用直流来实现快速充电；若其＞12V，则采用脉冲充电。

在夜晚时，蓄电池中止充电，获取蓄电池端电压，若其＞9V，接通其放电回路；若其＜9V，强制断开其放电回路，进而由市政电源给LED照明负载提供电源。

本控制系统中，还设计了深夜半功率供电，也就是在深夜时，LED照明负载的照明亮度为正常工作时的1/2，于是蓄电池所输出的功率也为正常工作时的1/2。

3.1 控制主流程

启动系统，控制器检测太阳能电池端电压，若其＜0.7V，则认为是夜晚，系统选择夜晚模式；若其＞0.7V，则认为是白天，系统选择白天模式，如图3所示。

图3 系统主流程

3.2 白天模式

在白天模式，控制器强制断开蓄电池与市政电源的供电回路，具体控制实现：获得蓄电池端电压，若其大于15V（过充点)，终止充电；当其小于12V（过放点)，采用直流方式对其充电，节约充电时间；当其处于12V～15V之间时，以脉冲方式进行充电，从而实现了蓄电池的充电与放电的控制。同时也需监测太阳能电池端电压，用于决定是否应切换至夜晚模式，流程如图4所示。

图4 白天模式流程

3.3 夜晚模式

在夜晚模式，蓄电池中止充电。获得蓄电池端电压值，并作为判断LED的电源是该由市政电源还是蓄电池提供的依据。若是由市政电源来提供，则由控制器进行切换。若是由蓄电池来提供，判断是否采用半功率供电方式；若是，蓄电池就采用半功率方式放电；不然蓄电池仍正常供电。不论是正常还是半功率供电形式，控制器都会实时监测太阳能电池以及蓄电池两者的端电压，用于决定是否由市政电源供电还是应切换为白天模式，流程如图5所示。

图5 夜晚模式流程

4 LED驱动器

在设计过程中，LED灯具的连接方式以及其驱动选择问题均比较棘手。笔者查阅了很多现在LED市场上的产品资料，得出：若对LED灯具进行简单串接，其驱动电压会相当高；若对LED灯具进行简单并接，其驱动电流又会相当大。综合前两种因素，本文设计了混联方式，4个LED照明等串联，然后在并联起来，采用恒流驱动。其实际应用效果良好。