基于太阳能光伏发电的LED照明系统研究

郭有红+张勇

摘 要：在当前世界上，能源匮乏，同时环境污染也比较严重，人们在不断的寻找能够代替石油的新型能源。而太阳能作为一种绿色能源，具有无污染、存储量大等特点。因此加强太阳能的开发对世界的发展有很重要的意义；LED将电能转化为可见光的二极管，其具有高效、环保、节能灯优点，成为21世纪人们普遍关注的照明新能源，从而让两者有机创新结合。本文通过对太阳能光伏发电系统、LED照明系统的工作原理的相关原理进行简述，同时给出太阳能光伏发电的发展对策。

关键词：太阳能光伏发电；LED照明；系统构成；发展对策

引言：随着人类文明的进步和社会的发展，当前可开采能源越来越少，因为能源问题而引发的一些列问题，可以看出，开发新能源是人类发展进行最重要的部分，如何在能源有限和环境保护的双重制约下发展经济已成为全球的热点问题。太阳能是迄今为止，最优研究价值和开发条件的新型能源，随着人们对光伏发电技术研究的深入，世界太阳电池年产量日益增加。

太阳能蓄电池和LED 两者同为低压直流电，相互之间很容易匹配，同时借助储能元件充放能量，使两者更加完美的结合在一起。同时伴随着科技的进步，储能元件的储存量，太阳能光伏发电的转换率以及高亮LED的发光效率得到很大的改善。

1.研究现状

当今世界，石油、煤炭、天然气等主要能源正面临资源枯竭的危险，同时，环保压力也在不断增加，因此，环保、节能已经成为世界范围内各行各业努力追求的目标。太阳能是一种清洁的绿色能源，总量十分巨大，现今世界可以开发的最大能源；半导体发光二极管（LED）也是一种环保、节能、高效的固态电光源。现在我国光伏照明系统的应用还处于初步开始阶段，在二者的研究与应用上还存在诸多问题。地面应用时发电量的间歇性和随机性、国家对光伏和LED节能技术研究扶持的政策环境尚不成熟以及社会对研发提供的物质基础尚不充足都严重制约着研究向更深层次发展。

由上表可知，LED作为新颖的半导体光源，具有寿命长、发光效率高、功耗低、启动时间短、安全性高、环保等特点，是一种能将电能转化为可见光的半导体器件，真正点燃了“绿色照明”的光辉。相比较白炽灯和普通节能灯，开发和应用更高效、可靠、安全、使用寿命长的新型太阳能LED照明系统势在必行。

2.研究目的

2.1有效解决我国部分能源问题

在西北地区、偏远的山区，电无法输送过去，加之此类地区地势较高，人居密度小，利于太阳能电池板等相应工具的建设，太阳能光伏发电就能巧妙的解决这个困难。

在城市中也可以通过太阳能提供动力能源，为市民用电、道路路灯、工厂等大型建筑提供电力。

2.2普遍LED节能技术，改善能源危机

日常生活中，大多说使用的是白炽灯，电力来源主要通过燃烧煤炭带来的动力。煤炭资源本来就稀缺，再加上污染环境严重。太阳能光伏发电来源是太阳能，此“燃料”清洁又环保，能有效改善能源危机。

2.3建设太阳能建筑，发展绿色城市

该项研究能够迅速将光伏发电系统用到市区建筑上，如装在房顶，为城市用户提供生活用电。此类发电较为环保，促进可持续发展，与当前的绿色智慧城市相得益彰。

这种太阳能建筑兼具发电、采光、照明等功能；白天将太阳能转化为电能存在蓄电池内或与电网并网，给室内以照明和提供热源；夜间用蓄电池内的能量或电网电力为城市建筑提供照明、取暖等用电。

2.4 推动我国科技水平的提高。

只有在不断的探索中进步，太阳能运用范围才能不断的拓宽。同时有利于提高我国企业科技水平，壮大民族企业。只有掌握了研发核心的技术，才有足够的实力与外企竞争。

3.太阳能光伏发电与LED照明系统工作原理

3.1太阳能光伏发电工作原理

光生伏特效应是将阳光通过太阳能电池板将光能转化为电能这一效应也是光伏发电系统的理论依据。它包括光伏电池板、太阳能控制器、蓄电池以及负载。光伏发电系统主要内容如图1-1所示。

3.1.1光伏电池板

光伏电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。它能够将吸收到的太阳能转化为电能，送往蓄电池中存储起来或者推动负载工作。

3.1.2太阳能控制器

太阳能控制器是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。

3.1.3蓄电池

蓄电池组为驱动器及支柱运动提供动力，可在停电或设备处于移动状态时调整设备。电池与设备控制装置相连接，可在必要时拆开以便快速充电。LED灯可显示电池充电情况，即使电量处在低位时，一个驱动器可在电池用完前执行一次往复运动以确保设备安全。

3.2 LED照明系统

3.2.1 LED工作原理

LED即半导体发光二极管，核心是PN结。一般由III-N族化合物等半导体材料制成。在PN结两端通电源时，PN结产生电场。过量的正电荷或者称为空穴，是由P区携带的，过量的负电荷或称为电子是由N携带的。受正电压的影响，电子从N区往P区侵入，空穴则从P区往N区侵入，随着P区内的空穴向N区移动和N区内的电子向P区移动，在两区交界处会产生能量，这些能量来源于光子的释放，光子释放所产生的能量来源于少数载流子和多数载流子的复合。

3.2.2 LED驱动电路

LED近年来在各行各业的应用得以快速发展，LED的驱动电路成了产品应用的一大关键因素。理论上，LED的使用寿命在10万小时以上，但在实际应用过程中，由于驱动电路的设计及驱动方式选择不当，使LED极易损坏。

常用驱动方法有两种：一种是采用带限流电阻器的恒压电源。根据LED电流、电压变化特点，采用恒压驱动LED是可行的，虽然常用的稳压电路，但存在稳压精度不够和稳流能力较差的缺点；另一种是采用恒流驱动方式，是比较理想的LED驱动方式，它能避免LED正向电压的改变而引起电流变动，同时恒定的电流使LED的亮度稳定。因此众多厂家选用恒流方式驱动LED。

4.系统构成

整体的额太阳能发电LED照明系统由太阳能光伏阵列、DC/DC变换器、蓄电池、控制器、LED灯具组成，系统原理框图如图3-1所示：

4.1光伏列阵

太阳能电池通过半导体在有光的情况下，产生光伏效应，将太阳能转化为电能，存储在电池内。

4.2 DC/DC变换器

目前常用的DC/DC变换器包括Buck变换器、Boost变换器和Boost-Buck（Sepic）变换器。

在Buck线路中中，需要许多的电容和电感等原件，当冲电的时候，光伏电池电压比蓄电池电压高，如果光照比较强，就无法对蓄电池进行充电了；Boost电路中，蓄电池电池端电压比光伏电池的输入电池低才能工作，在光照比较弱的情况下，无法进行光伏充电。针对Cuk变换器输入输出电压反向极性的不足，将Cuk变换器的输出环节或输出环节加以改造，可以得到输入输出电压同向极性的boost-buck型电压变换器，即所谓的Sepic变换器。

4.3蓄电池的MPPT充电

在本系统中采用扰动观察法实现太阳能阵列最大功率点跟踪（MPPT）充电，其主要内容是对阵列中的电压和电流进行测量，同时计算输出的功率，然后在原输出电压上面增加一个扰动，从光伏阵列的特点来分析，输出功率是会发生变化的。

通过计算改变的功率，与之前的情况进行比较，如果功率增大就继续扰动，一旦减少就改变原方向，来实现MPPT控制。

4.4控制器

蓄电池管理系统包含对蓄电池的充放电控制与蓄电池的剩余容量预测.本文采用MSP430F147单片机来进行数据采集、处理和控制，来完成对蓄电池的容量预测以及充放电控制。

4.5 LED灯具及驱动

选用集成 40V、1.2A FET 与 3V 至 18V 宽输入电压范围的微小型高压升压转换器TPS61170。这款高效器件支持升压、单端初级电感转换器 （SEPIC） 以及反向拓扑，可用于调节单或双节锂离子电池输入。该升压转换器具备单线数字串行接口与脉宽调制 （PWM） 输入，因此可在工作期间动态调节输出电压。

5.发展对策

5.1加大资金和技术扶持力度

现阶段我国此类的研究还处于滞后状态，国家及政府应该颁布更多相关政策带动其发展，为太阳能光伏发电与LED节能技术提供物质、人力等支持。对于省市县研发此类的科技人员给与更多保障及更好的待遇，将相关科研技术不断扩展，解决其后顾之忧。

5.2研究成果应用于社会，为国家做出贡献

太阳能光伏发电与LED照明的结合很好地解决了国家电力短缺的问题，对于农业、畜牧业、旅游业、房地产业等具有促进作用。在很多的农业示范基地，负责人在基地道路周边采用全新的光伏LED照明路灯，不仅更加环保方便，更为农民带来可观福利；全国部分高速公路两旁、旅游景点等也采用此类技术，扩大影响范围。

5.3吸引企业进行招商投资，提供研究的物质基础

科学技术的研发与企业之间存在互惠共利的好处，因此应该吸引企业进行此项研究的招商投资，企业给予研发资金支持，研发的先进成果反作用于企业，为企业带动直观的经济效益，同时对于企业带动农民就业也有一定的影响作用，缓解农民就业难的问题。

5.4各高校之间与研究所建立合作

研发不能闭门造车，高校之间、高校与企业之间、高校与研究所之间都应该加强交流沟通，定期进行学术交流促进研究的深层次发展。一方面增强了高校之间的学生、从事此项研究的工作人员的积极性，另一方面对于太阳能光伏发电与LED照明的高层次研究也有推动作用。

5.5扶贫脱困，助力民生工程

国家农村许多乡镇贫困人口多，生活水平远未达到小康水平。当地政府采取财政奖补、帮扶支持、村级自筹等方式，在乡镇实施光伏扶贫工程试点。各乡镇积极争取省市光伏扶贫试点项目。项目建成并网发电后，将按照利润分配比例提取收益资金，发放到受益贫困户，受益贫困户家庭年均增收3000元左右，将有效促进贫困户稳定脱贫，闯出一条产业扶贫致富新路。

6.结论

从21世纪开始，全球就开始出现能源短缺以及因现有能源的使用，而造成的环境问题，到近些年来能源问题越来越严重，甚至于引起小范围的战争。所以人们希望尽快的开发新型能源以解决当前的能源危机，同时也希望能够做到保护环境。太阳能作为一种没有污染、储存量无限的自然能量，引起了人们关注。随着研究的不断深入，人们发现了太阳能光伏发电与LED之间的完美结合，这种产品最大程度的满足了人们对于系能源的需求。通过对太阳能光伏发电系统的工作原理与LED照明系统进行简单介绍，然后对整体系统的构成进行综合的分析，研究太阳能光伏发电的LED照明系统的实际应用情况。以期对相关研究有一定的借鉴作用。

参考文献

[1] 周坤. 基于光伏发电的LED照明系统的研究与实现[D].辽宁工程技术大学，2012.

[2] 冯忠，张玉珍. 研发楼太阳能光伏发电—LED照明系统构想[J]. 有色冶金设计与研究，2009，05：27-30.

[3] 张玉峰，朱建良. 基于太阳能光伏发电的LED照明系统研究[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版），2008，05：633-635.

[4] 程红. 光伏发电LED照明系统控制器研究[J]. 技术与市场，2012，05：5-6+8.

[5] 陈秀君. 基于光伏发电技术的LED照明系统研究[J] 天津科技大学 2014.