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      太陽能LED路燈節能控制系統設計

         日期:2016-04-22     來源:論文網    瀏覽:29    評論:0    

        隨著世界能源形勢緊缺形勢的愈演愈烈,各國在都在努力尋找一種新型能源或可再生能源來取代傳統能源,同時人們在節能技術、節能材料和節能降耗管理方面也不遺余力,開展了很多的研究和開發工作。太陽能作為給予我們的無償饋贈,是一種巨大的可再生綠色能源,實驗數據表明每天輻射到地球表面的能量相當于2.5億萬桶石油燃燒所產生熱能,可以說有效的開發利用太陽能是未來人類應對能源危機的有效途徑之一。而大功率LED器件技術的發展,在節能技術和材料上為應對能源短缺鋪就了另一條途徑,由于LED器件的光譜都集中與可見光頻段,因而具有發光效率高、亮度高的優點。那么如果在路燈照明上能夠使太陽能和LED有機結合,必然會發揮出更大的節能效果。

        1 太陽能LED路燈的供電系統設計

        太陽能LED路燈控制器在結構上由太陽能電池板、蓄電池組、充電管理模塊和供電模塊等構成。其工作原理是首先由太陽能電池板將太陽輻射能轉換成電能,然后再經過二極管后對蓄電池充電,其中二極管的作用是防止蓄電池箱太陽能電池板反向充電,而在蓄電池充電環節引入了由單片機為主要控制核心的充電管理系統,在充電過程中,由單片機對電池充電過程進行實時的狀態檢測,并根據檢測所得結果而選擇優化的充電模式,當檢測到蓄電池電量偏低時則切斷負載回路中斷對負載供電,從而對蓄電池起到保護作用。

        此外,在太陽能LED路燈控制器中加入了光電傳感器,從而實現對白天還是黑夜的判斷,并以此為依據決定是調用充電管理模塊給蓄電池組充電還是調用供電模塊給負載供電,同時,單片機還能夠對蓄電池的電壓進行實時監測,以防蓄電池因過充電或過放電而損壞。

        2 控制器硬件系統

        2.1充電管理系統

        在白天,太陽能LED路燈控制器會自動關閉供電系統而轉入充電模式,并且在每次充電之初控制其會首先監測蓄電池電壓,并以電壓高低來決定充電模式,主要的充電模式有快速充電、恒壓充電兩種。

        2.1.1 充電原理及模式

        本控制器采用低壓定周期脈沖充放電模式,當蓄電池電壓水平較低時,采用大電流快速充電模式,使蓄電池電壓迅速上升,當電池的極化現象較為嚴重時控制器則發出控制指令切斷充電回路使其進入短暫的停充環節,使電池開始大電流放電,這樣蓄電池的計劃現象就會迅速得到緩解或消除,如此反復運行則和可以將電池充滿,這種充電模式就是所謂的Reflex充電法。其原理是在充電時利用瞬間大電流放電脈沖事積聚在正極板周圍的氣體除去,使氧氣在負極板被充分吸收,以此來緩解或消除由于快速充電而產生的極化現象,使電池內部的艷麗、阻抗和溫度得到有效的降低,減少能量損失,提高了電池的充電效率。

        隨著充電過程的推進,充電過程會進入兩個可選模式:一是恒壓充電模式,這種充電模式情況下充電電流會隨著電池的蓄電池端電壓的升高而衰減;二是限壓變電流間歇充電模式,這種模式下的充電初期為恒電流充電階段,這時會采用最佳的充電電流值以使其獲得最好的充電效果,到充電后期時則進入定壓充電階段,這樣可以得到過充電量,將電池恢復至完全充電狀態。

        2.1.2 充電管理系統的組成及功能

        蓄電池的充電管理系統如圖2所示。

        在充電管理系統中加入了DC-AC-DC變換模塊,通過這個變換模塊DC-AC變換將太陽能電池板輸出的直流電能首先轉化為交流電,并且該變換過程實現了由單片機的脈沖信號的控制,并且脈沖的持續時間可以進行調整。AC-DC變換環節采用整流橋電路,鑒于單片機控制器的脈沖頻率值很高,在整流橋上使用的二極管應該采用快速恢復二極管,整流后的電壓就可以直接連接到蓄電池的電極上,同時單片機對蓄電池的電壓、電流進行實時監測,以防其過充電,以及電流過大或過小對電池造成損壞或影響充電效率。

        2.2 供電管理系統

        在黑天,太能LED路燈控制器可以自動進入供電模式,給LED等供電,同時對蓄電池的蓄電量進行實時監測,防止過放電給電池造成損害。在蓄電池的檢測方式上可以采用恒流放電法,即在對給定的負載供電時,使電流保持不變,當負載變化時,電流也隨之改變以適應負載變化。

        2.2.1 恒流放電原理

        在給負載供電過程中,需要對蓄電池的剩余容量進行實時監測,以便及時充電以防止蓄電池過放電,對蓄電池的檢測可以采用電池內阻與容量對應法,簡稱內阻法,其原理是利用標準檢測儀器將蓄電池內阻和容量的對應關系標定出來存入ROM中,這樣當需要知道電池容量時,就可以通過檢測電池內阻值,然后通過內阻和容量的對應關系而獲得其容量值。這種方法具有一定的局限性,當蓄電池的內阻較大或較小是測量的精度會難以保證。這時候可以采用對蓄電池恒流放電的方式,利用電池電壓和容量的對應關系對電池容量進行估算,這種方法叫做恒流放電法,該方法是利用標準的測量設備檢測出蓄電池恒流放電時的電壓與容量的對應關系,這樣檢測是通過檢測獲得的電壓值就可以得到電池容量狀況,這種方法的準確性較高,但是主要的難點在于要保持蓄電池恒流放電。

        2.2.2 供電管理系統的組成及功能

        由于LED固體光源是直流供電,所以電路設計時不需要再考慮將直流變換為交流,蓄電池供電管理系統如圖3所示,電池的正極接晶體管集電極,負極接地。系統利用電流電壓轉換器檢測蓄電池的放電電流,然后經過放大電路、跟隨器以及A/D轉換電路后,送入到控制器,這時單片機對電池的放電電流是否恒定進行檢測,如果其不恒定,則會對輸出電壓進行調節,輸出電壓在D/A轉換之后通過跟隨器和反向放大器,實現對晶體管基極電壓的控制,從而達到穩定蓄電池放電電流的目的。同時,蓄電池的電壓也通過反向放大、跟隨器、濾波器之后,由A/D轉換輸入控制器,使控制器可同時監測電壓的變化情況。另外,控制器也會對蓄電池的電壓和電流進行實時的檢測,從而避免蓄電池由于深度放電而使其損壞。

        3 軟件系統設計

        太陽能LED路燈控制器的軟件系統由充電管理和放電管理兩個部分組成。充電部分是通過對脈沖持續時間的控制來實現對DC-AC變換和放電的時間的調整,同時實現對充電電流和電壓的實時檢測功能,為脈沖調整提供依據;放電管理部分是以給定的數值為依據對三極管的阻值進行調整,從而實現蓄電池電流的恒定控制。

        4 結論

        本文介紹的太陽能LED路燈節能控制系統利用了最新的充電和放電管理方法,實現了較好的充電、放電效果,工作可靠,使蓄電池得到了很好的保護,同時也獲得良好的節能效果,在未來的城市路燈控制系統的應用中具有廣闊的應用前景。

       
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