小型太阳能LED照明系统的设计

何军

（黑龙江省齐齐哈尔农业机械化学校，黑龙江齐齐哈尔　161041）



小型太阳能LED照明系统的设计

何军

（黑龙江省齐齐哈尔农业机械化学校，黑龙江齐齐哈尔161041）

摘要：分析太阳能LED照明的优势，叙述了小型太阳能LED照明系统的组成和工作原理、控制系统稳压电路设计、控制程序设计等，并指出其推广价值。

关键词：LED系统；太阳能照明

LED是当今非常具有利用价值的光源，而太阳能LED照明系统将LED照明和太阳能光伏发电集成在一起，连接了当今世界的新一代能源和新一代光源。

太阳能LED照明的优势:（1）稳定可靠。运行实验在国内的光伏系统有上千套，晶体硅的寿命可以达到20年甚至更多年。（2）标准化程度高，机动灵活，可以由串联和并联组成来满足电力的不同需求，可大可小，易于扩展，通用性强。（3）管理方便，可以实现智能型控制，安装简单，运行成本低。（4）随着各个国家对太阳能LED照明系统深入的研发，其太阳能的转换效率也得到了提高，太阳能发电技术成本正日益减少。（5）广泛的太阳能资源无处不在，基本不受地域和其他方面的限制，可以说是予取予得。

一、小型太阳能LED照明系统的组成及工作原理

（一）太阳能LED照明系统组成

太阳能LED照明系统主要由下列部分组成:太阳能电池板、控制器（单片机）、锂电池、稳压模块电路、继电器、LED光源等。

1.太阳能电池板

太阳能电池板是由多个的太阳能电池组件通过串、并联方式连接而成，自行修改的容量有的数百峰瓦（WP），有的数千兆峰瓦（WP），或者更大峰瓦（WP）。大多数情况下，由于半导体器件组成了光伏发电阵列，所以有很强的非线性伏安特性。本系统着重研究小型的太阳能LED照明系统，该系统的功率仅仅为几瓦特。

2.稳压模块

稳压模块环节是本系统的关键组成部分，它将可变的直流电压变换成一定的直流电压，并完成稳压的作用，这是由于不同的光照强度会产生不同大小的电压和电流，这样对锂电池的损耗太大，而为了保证锂电池能有效储存电能，同时延长锂电池的使用寿命，当给锂电池充电时，需要采用恒压恒流的办法，将其电压大小调节到一定的大小，然后接到锂电池上，实现对锂电池的稳压充电。

3.锂电池

锂电池是一类使用锂金属或者是锂合金作为负极材料，使用非水电解质溶液的电池。对锂电池的容量进行选择的时候需要使其和太阳能电池板的容量相互匹配。其主要作用是储存白天由太阳能电池板所产生的电能，以备晚上以及阴雨天的时候来向LED灯供电。但由于锂电池的电压波动有一个“缓冲区”的效果，也能使系统有更加稳定和可靠的负荷。

4.控制器（1）

太阳能LED照明系统控制器的主要功能是基于STC12C5A60S2单片机控制器供给锂电池充电电压和电流，使之能够快速、高效、平稳地为锂电池充电，并在充电过程中减少损失，延长电池的使用寿命，避免过度充电和过度放电。

5.LED光源

LED光源的选择原则应保证亮度高，亮度辐射范围大并且均匀，所使用的超高亮LED数量为最少原则。在太阳能LED照明系统中，灯具所包含的LED灯数量可多可少，各种不同类型的LED灯都有，当一定数量的LED互相组合成为一个发光体的时候，应考虑他们的排列和组合问题。

光伏太阳能LED照明系统就是利用太阳能电池的光生伏特效应原理，在白天的时候，太阳能电池板吸收大量的太阳能光子并产生电能，通过智能控制器的合理控制充放电，并将太阳能存储在锂电池里，当夜幕来临或者是周边的灯光强度低的时候，通过核心控制器给LED灯进行连续供电。

太阳能电池工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打效应。光伏效应是指一个对象在通过光照射后，内部的电势和电流产生变化。本征半导体电池是参杂形成P型层，形成PN结。当给纯硅中添加太阳能能量的时候，会使少部分的电子摆脱共价键的束缚并脱离原子。每次一个电子离开都会留下一个洞穴。之后，电子闯荡在晶格周围，找到另一个空穴去安顿自己。这些电子有电荷，即自由载流子。

（二）太阳能电池的工作特性

太阳电池的I-V特性主要是指在一个给定的光强度和一定的温度条件下，输出电压和太阳能面板的电流之间的关系，如上图1所示。I-V特性曲线说明：太阳能电池板输出的电压既不是恒压也不是恒流，而是一种非线性的直流电源。

图1　太阳能电池特性曲线

图2　太阳能电池的P-V特性曲线

图2图（a）和（b）分别为在温度和太阳能光照都变化时的P-V曲线变化。从图中可以看到，太阳能电池板的输出功率受光照强度、温度等因素的影响。当增加光照强度时，太阳能电池板的输出电压虽然变化不大，但是它的短路电流增加相对明显，最大输出功率随之也就增加。

（三）LED的发光原理及特性

LED的发光原理:LED灯可以把电能转化为光能，可以当作路灯或其他公共场合的无人管理的灯来使用。LED发光二极管有一个PN结，并且具有单一的电导率。在给发光的LED二极管加正向电压的时候，PN结中将会有从P区渗透到N区的空穴以及从N区渗透到P区的电子，它们通常都会在PN结的周边接近处，与从N区跑来的电子和以及从P区进来的空穴相结合，电子和空穴复合发光。发光LED二极管的反向击穿电压大概为5V。需要注意的是，二极管的正向伏安特性曲线是极其陡峭的，因此在运用它时应串联一个合适的限流电阻来控制流过LED的电流。限流电阻R可以由以下公式计算:

R=（E-UF）/F

以上公式中，E为其电源电压，UF是LED的正向压降，IF是工作电流。

LED的发光特性相比于其他种类的灯泡，二极管有其独特之处:即（1）工作电压很低（有的仅一点几伏）；（2）工作电流很小（几十毫安）。

由于其特殊性，LED灯可以作为许多光电控制装置中的一个光源，在大多数电子设备中可以作为一个信号显示。

LED的发光强度是用来描述在一个或几个方向上的发光强度，因为在不同的空间角度LED光强变化很大，因此，我们有必要研究LED光强的分布特性。这个参数对LED灯显示的最小观察角度具有影响。例如某一个大型火车站中央的LED显示屏，或者是某个游乐场所的路灯，当选用的是分布范围很小的LED单管时，它的图像在被相对于有很大角度的观众所看到的时候将会失真，这样将会影响它的美观效果。而且交通标志灯也要求较大范围的人能够识别到，这一点很重要。

二、小型太阳能LED照明控制系统

太阳能LED照明系统的核心单元—控制器，基本原理如图3所示，图中采用光伏太阳能电池板作为能量转化和储能的系统；微控制器使用的是STC12C5A60S2型号的单片机；LED灯为32型的LED灯管，通过控制开关S1和开关S2来控制LED灯的通断情况，这样有助于保证电流的稳定和LED亮度的恒定。

图3　控制器基本原理图

该小型太阳能LED系统中的核心部分是单片机部件，它是系统的大脑，系统各种功能都是通过它来控制并有序进行，例如，对电池的过放、过充，以及对电压的显示等。单片机主要完成的功能为:（1）对电池电压的模拟信号进行采集，通过单片机的A/ D转换转化为数字信号，在与系统设定的初值进行比较，当其值大于4.2V时，通过单片机控制使继电器1断开，从而使太阳能电池板转化而来的太阳能不能给电池充电；当其值小于4.2V时，使继电器1闭合，此时就能够给电池充电，以备晚上使LED灯点亮。（2）对电池板的模拟信号进行采集，通过单片机的A/D转换转化为数字信号，与系统设定的初值进行比较，当其值大于1V时，通过单片机控制使继电器2断开，从而使LED灯不亮；当其值小于1V，并且电池电压大于3.7V时，使继电器2闭合，从而使LED灯变亮。（3）对蓄电池电压采集，并由单片机A/D转换成数字信号，在单片机的数码管上显示。

三、小型太阳能LED照明系统稳压电路设计

（一）稳压设计模块

该系统中采用的稳压调节模块是一个LM2596开关稳压器（如图4），其目的是使太阳能电池板输出电压的大小能够通过该稳压模块输出稳定值的电压为4.2V。具体特点是:

图4　稳压电路图

（1）3.3V、5V、12V的固定电压输出和可调电压输出；

（2）可调输出电压范围1.2V～37V±4%；

（3）输出线性好且负载可调节；

（4）输出电流可高达3A；

（5）输入电压可高达40V；

（6）TTL断电能力；

（7）具有过热保护和限流保护功能；

（8）外部电路简单，只有4需要外部元件，标准电感和使用方便购买；

（9）高效率降压调节器；

（10）单片开关电压调节器；

（11）正、负电压转换器。

LM2596稳压调节模块的一个非常重要的参数是等效电阻（ESR），其有一个上限值和一个下限值，如果需要输出电压的纹波电压较小时，则希望输出电容的等效电阻值能够小一些，该值的大小可以由可允许的最大纹波电压来决定。

LM2596型稳压模块电路有两种工作模式:1.连续工作模式:在大多数情况下，设计的人更倾向使用一个连续的模式，这是因为它能提供更大的输出功率，其峰值电流、电感电流、二极管、电流和输出电压纹波很小。但它的输出负载电流小或者输入电压很大时，需要更大的电感保持电流通过电感。2.非连续工作模式:在低电流和高输入电压这两种的情况下，这时就需要非连续的模式。在这种情况下所需的电感尺寸更加小，而电感值只需要连续模式的1/2～1/3。

图5　总程序流程图

（二）控制程序的设计

思路如下，系统通过采样光伏电池板的电压为判断依据，从而判断主程序是进入白天处理的子程序还是进入到夜晚处理的子程序，即前面所说的两种工作状态。这里设定光伏电池板开路电压大于等于开启充电电压阀值时，系统开始对锂电池充电，程序执行白天处理子程序，否则不执行；当太阳能电池板输出的开路电压小于等于天黑的电压阀值时，程序会执行夜晚处理的子程序，否则将会断开充电回路。总体设计思路框图6：

白天处理子程序的作用是通过对锂电池的电压进行采样检测，并依照与设定值比较判断的结果由单片机通过D/A转换器发出不同的信号，来控制电路的工作状态，决定是断开充电电路还是接通充电电路。

图6　白天状态处理子程序

夜晚处理子程序的功能主要完成对锂电池是否过放的判断以及负载的通断控制。夜晚处理子程序流程图如下图7所示。

图7　夜晚状态处理子程序

夜晚处理子程序的功能主要是对放电过程进行监管控制。

（三）电压采样电路设计

在设计的系统中（如图8）需要完成对太阳能电池板和锂电池的电压进行测量，采用电阻分压的方法，将被测电压的模拟信号接到单片机的A/D转换通道.在控制软件中，通过编程、运算得到被测的实际电压值。根据分压的原理得知，输入电压值公式为:Vm=（R3+R4）÷R3×R2÷（R1+R2）×V，通过单片机的A/D转换就可以得到被测电压的实际值。

由于当今世界上能源的匮乏，对国家来说，实现可持续发展的途径之一就是充分利用太阳能。太阳能LED照明系统只需要一次的投资，安装好后，不需再支付电费，但也需要铺设电缆等传统的安装线路程序，可安装在公园、校园、广场、街道，这些优点使它已经受到了越来越多的人关注，人们也希望推广。

图8　电压采样电路

注释：

（1）STC12C5A60S2型的单片机是由STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，具有高速、低功耗、有极强抗干扰的新一代8051单片机，他的指令代码和传统8051是相互兼容的，但速度比传统的8051快好多倍。

参考文献：

［1］郭廷玮，刘鉴民.太阳能的利用［M］.北京：科技文献出版社.1987：22-30.

［2］左然，施明恒，等.可再生能源概论［M］机械工业出版，2007：163-164.

［3］陈维，沈辉，王东海，邓幼俊.太阳能半导体照明驱动技术研究［J］.照明工程学报，2005，16（3）：7-10.

［4］张晓光. 12V太阳能电源控制器［J］.电子制作，2006（09）：25.

［5］陈维，沈辉，丁孔贤，邓幼俊.太阳能LED路灯照明系统优化设计［J］.中山大学学报（自然科学版），2005，44（S2）：95-98.

［6］杨金焕，汪征陈，泪宏，陈中华.负载缺电率用于独立光伏系统的最优化设计［J］.太阳能学报，1999，20（1）：93-99.

［7］马年骏.LED光源——新一代绿色照明［J］.上海节能，2009（12）：19-23

［8］张楼英，周雷，孙云龙，杨金红.太阳能照明系统光源的选择［J］.现代显示，2009（11）：41-44.

编辑朱荣华

Small Solar LED lighting System Design

HE Jun
（Heilongjiang Qiqihar Agricultural Mechanization School，Qiqihar Heilongjiang 161041，China）

Abstract：Analysis of the advantage of solar LED lighting，describes the small solar LED lighting system，regulating circuit composition and work principle，control system design，control program design，etc.，and points out its promotion value.

Key words:The LED system；Solar products

中图分类号：G712

文献标识码：A

文章编号：2095-8528（2016）03-059-05

收稿日期：2015-11-18

作者简介：何军（1964），男，黑龙江龙江人，高级讲师，研究方向为物理和机电专业教学。