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第6期机电技术115太阳能-市电互补LED 路灯控制系统的设计殷 明(福建农林大学机电工程学院,福建 福州 350002)摘 要:介绍了太阳能-市电互补LED 路灯控制系统的设计,该控制系统把太阳能电池板电压分成高､中､低三个等级。
在高等级时太阳能板输出直接给蓄电池充电,中等级时太阳能板输出经BOOST 升压电路给蓄电池充电,低等级时不给蓄电池充电。
同时根据路灯节能运行的要求来轮流切换相应LED 支路实现LED 路灯的最佳运行。
关键词:太阳能;市电;LED 灯;控制系统中图分类号:U491.5+3 文献标识码:A 文章编号:1672-4801(2012)06-115-05太阳能作为新兴能源,其应用技术已经越来越趋于成熟,利用太阳能作为市政LED 路灯的供电电源来替代市电可以实现零耗市电的效果。
但是太阳能的日发电量易受天气因素影响,因此利用太阳能作为单一的供电电源难以满足LED 路灯正常工作需要。
另外现有的LED 路灯其定时开断LED 分支电路往往会造成各分支路LED 路灯工作时间的差异,影响LED 路灯的寿命。
本文针对以上问题对太阳能-市电互补LED 路灯控制系统进行设计。
1 控制系统的构成与设计1.1 控制系统的构成本文设计的太阳能-市电互补LED 路灯控制系统原理框图如图1所示。
该控制系统包括太阳能板电压检测判据电路､蓄电池电压检测电路､市电充电控制电路､恒压电路､时钟基准电路。
具体工作原理在电路分析中结合图10电气原理图予以叙述。
图1 系统原理图1.2 控制系统主回路设定大太阳能板输出电压介于48~72 V 为高等级,介于40~48 V 为中等级,低于40 V 为低等级。
选取一块小太阳能电池板,其在高､中､低等级下输出电压为8~12 V ､6.7~8 V 和低于6.7 V 。
控制系统主回路原理图如图2所示,电感L1､全控器件Q1和电感L2､全控器件Q2构成BOOST 升压电路。
全控器件Q1的开断由NE555芯片控制,该控制属于开环控制,当太阳能板输出电压等级为高时,太阳能板输出电压直接对蓄电池组进行充电。
31科技资讯 S CI EN CE & T EC HNO LO GY I NF OR MA TI ON 工 程 技 术1 系统概括随着能源与环境危机的日益加重,人们将目光齐聚于太阳能这种取之不尽用之不竭的清洁能源。
正是基于此种潮流,太阳能驱动的L ED 路灯越来越多。
如图1系统输入为太阳能电池板实现光电能量转换,D C-DC 降压模块实现太阳能电池板出来的电压进行稳压操作保证铅蓄电池的正常工作,D C-DC 升压模块是保证在阳光不足时也可以充电。
同时为了更好的保护铅蓄电池,我们外加蓄电池过充和过放保护。
L E D 的驱动采用恒流驱动并进行恒流保护。
(如图1）2 材料选型负载参数:8W的LED灯,驱动电流为1A。
蓄电池参数:设使用24V蓄电池,每天照明时间为晚7:00～早7:00,最坏情况下需要保证48个小时的照明供电。
如果始终以1A 恒流驱动L E D ,需要16A h 的蓄电池。
在最坏情况下(单日有效充电时间6小时),则需要的充电电流是2.6A。
2.1太阳能电池的选型太阳能电池主要分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅薄膜太阳能电池三类。
多晶硅太阳能电池光电转换率约12%左右,介于单晶硅太阳能电池与非晶硅薄膜太阳能电池之间,而且其材料制造简便,节约电耗,总的生产成本较低。
使用多晶硅电池其光电转换率为12%,而,得到A c 。
要保证在一个阳光充足的晴天保证16Ah的蓄电池充电,设定有效充电时间为6小时,需要2.6A的充电电流,且太阳能充电电压为30V。
则太阳能电池表面积Ac=(2.6×30)/(12%×1000)=0.65m 2。
2.2蓄电池选型参数设定为额定电压24V,容量16Ah,能承受大于2.6A的充电电流。
在太阳能供电系统中,蓄电池的性能好坏直接影响系统的综合成本及运行好坏和使用寿命,太阳能储能型胶体蓄电池与普通的铅酸电池相比,它在设计上和制造工艺上有很大的优点。
太阳能LED路灯的设计与研究摘要：太阳能led路灯具有绿色、节能、长寿命等诸多优点，发展前景可观。
选用slm2842s驱动模块为载体，从供电、驱动和led连接构架等方面展开论述，对太阳能led路灯的研究和设计具有一定参考应用价值。
关键词：led路灯 slm2842s模块升压恒流驱动 led连接构架中图分类号：tm923 文献标识码：a 文章编号：1007-3973（2012）012-029-031引言太阳能是绿色能源中最重要的能源，是取之不尽、用之不竭、广泛存在的天然能源，其优点是极为丰富、洁净、安全、价廉，对生态平衡没有任何影响。
目前，led照明技术日趋成熟，led将会在照明行业内得到普及，进而引发人类照明史上的第四次革命。
太阳能led路灯不仅能利用清洁免费的太阳能以及高效环保的led 给道路带来照明，而且同时可以减少温室气体排放，实现绿色照明的目的。
利用太阳能和led光源制成各种新型太阳能路灯，相同照度情况下比不用led 的太阳能路灯节约太阳能电池和蓄电池容量40%，光源寿命增加10倍，可靠性提高5倍，系统成本降低40%以上，同时也解决了常规太阳能路灯系统用交流逆变不可靠、低温启动难、系统造价高等缺点。
这里想要从供电和驱动器来探讨其总体设计。
2 led的恒流驱动特性led是一个很热的二极管。
因为输入led的电功率70%都变成热能，所以led很热，必须考虑led的温度特性。
led具有负温系数-2mv/℃，温度升高伏安特性左移。
如图1，如果采用恒压电源就会加大光衰。
随着led温度升高，如果电源电压恒定，电流就会加大。
例如，常温下3.3v时，电流20ma；85度时，电流35—37ma，亮度饱和并不增加。
电流加大温升更高，结温升高的结果就是光衰加大。
如果采用恒流电源供电，即使温度升高，电流不变，不会造成恶性循环。
同时，选用电流模式的恒流设计，可以让输出电流不受输入电压变化的影响，在电池满载以及快没电时，都能让路灯维持相同的亮度。
收稿日期：2021-12-13基金项目：沈阳工程学院大学生创新创业项目（202111632136）作者简介：丁一婷（2001-），女，辽宁鞍山人。
通讯作者：刘俊清（1972-），女，山东泗水人，讲师，硕士。
基于太阳能自动追光的智能路灯控制系统丁一婷，刘俊清（沈阳工程学院自动化学院，辽宁沈阳110136）摘要：针对太阳能的能量密度较低问题，通过加入太阳能自动追光系统进行实时光电追踪，以实现大幅度提高电池板发电效率的需求。
同时，加入行人检测系统，利用红外线感应装置对来往人流密度进行判断，以便对夜间路灯的亮度做出相应控制，从而达到节省能源的目的。
该系统采用单片机作为驱动芯片实现系统的闭环控制。
经多次实践结果表明：所采用的方法使太阳能路灯达到了绿色节能、安全可靠等要求，具有一定的实用意义，同时有助于太阳能路灯的推广和应用。
关键词：单片机；太阳能；路灯照明；光电追踪；红外感应中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1673-1603（2023）03-0058-05DOI ：10.13888/ki.jsie （ns ）.2023.03.011第19卷第3期2023年7月Vol.19No.3Jul.2023沈阳工程学院学报（自然科学版）Journal of Shenyang Institute of Engineering （Natural Science ）目前，一些居民小区、公园内部的夜间照明路灯还在使用极其简单的夜间全照明、白天全熄灯的照明方式，有着管理系统简单低效、不具备智能化和灵活化等特点［1］。
这对居民日常生活造成了极大不便，降低了居民生活的安全性和舒适性。
本控制系统以单片机和模数转换器为核心［2］，将太阳能自动追光系统、照明系统及行人监测系统等模块链接在一起，实现对路灯的追光控制、照明控制、环境及行人监测的智能控制。
通过光电追踪可以实现实时高效率发电，并且采用红外感应装置采集信息，判断行人环境，从而调节路灯的亮度，能够有效解决照明领域能源短缺的问题［3］。
基于单片机的太阳能路灯控制系统设计摘要：本文主要介绍的是基于单片机的太阳能路灯控制系统的设计，路灯的状态控制是根据自动检测环境光照强度实现的。
实现的目的主要包括了使得太阳能电池板的效率实现最大化，同时还可以设置LED 的工作显示时间。
关键字：太阳能 LED 单片机1 引言随着社会信息技术的不断的突破与进步，人们追求节环保的意识逐渐的增强，可再生新能源越来越引起了人们的高度重视。
目前市场上被认为是最具有环保功能的灯是LED路灯，LED路灯的优点是使用的寿命长，有着丰富的色彩，安全性能高。
同时太阳能-LED路灯的优点是结合了LED的基础实现的，绿色照明的实现是结合了能源的清洁特性和LED 的高效率达到目的的。
现今，现实的生活中通常使用的路灯选择的结构是高压钠灯，在高压钠灯里面的电子驱动中所要做的是进行电流的转变，这个转变的过程是将交流向直流，接着转变成交流，最终造成了系统的执行效率过于低的结果。
同时因为用到的是市电，因此在电力的建设方面所用到的管线比较繁琐。
太阳能-LED路灯能够解决上面提出的一些难点，因为从太阳能电池板中得到的结果电流是直流，同时作为直流驱动光源中的一种，太阳能-LED路灯实现绿化节能中是结合太阳能以及LED路灯的优点，从而大大地提高了系统的整体效率，使得市政府所投入的成本大大地减少了。
2 设计原理通过太阳能-LED路灯系统的原理图能够知道，当太阳能电池板经过太阳光一定的光照之后，太阳能电池板里面的PN结就会产生新型的电子空穴对，从而直流电流就会在一个回路里面形成。
控制器中就会加入这个新的电流，而且控制器也可以有新的指令生成，当充电蓄电池的时候。
也就是当白天的时候，蓄电池可以成功充电，同时当晚上的时候，LED就会接收到能量。
通过控制器完成LED的进程，当电流是恒流的时候，控制器就会对LED的状态进行监测。
同时还会对LED的工作时间进行控制。
当天气是阴天的时候，或者是蓄电池需要充电的时候，控制信号就会产生，从而启动外部的供电系统，最终确保LED可以成功的运行。
LED路灯与太阳能的完美结合(图)
现在可能已经很少有人怀疑LED路灯相对于高压钠灯路灯的优越性。
然而遗憾的是目前大多数的LED路灯仍然采用交流电供电，一方面是交流电路灯的技术已经是十分成熟，而太阳能路灯还有很多不确定因素，另一方面主要的考虑仍然是太阳能的初始投资过大，从而忽略了太阳能供电的很多根本优越性。
人所周知太阳能最重要的一个优点是它是一种取之不尽用之不竭、最清洁的可再生能源!它可以真正解决地球变暖的问题!它将最终取代所有的能源!
然而真正要用太阳能来取代一切能源还是一个长期而艰难的任务，虽然太阳能无处不在，然而它的采集需要一定的照射面积。
显然沙漠是最理想的地点，但是长距离的输配电将会消耗大量的昂贵铜材，只有紧
邻沙漠的大城市才有试用的价值。
而在一般人烟密集地区的大城市是很难找到这样一个空旷开阔的地点的。
农村则受到经济条件的限制，不大可能现在就大面积推广。
任何新生事物最好先从小打小闹开始，而且采用“自产自销”的方法，路灯就是一个最好的最先采用太阳能的试点工程。
而且，节能和减排一样，必须先由政府倡导，甚至像德国那样采用政府补贴的方法来推广。
幸好路灯工程本来就是政府工程，是由政府来进行招投标的。
所以政府的决策人士一定要认识清楚，LED路灯是肯定要取代高压钠灯的，同时，太阳能LED路灯也是一定要取代交流电LED路灯的。
1.所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量
LED路灯比高压钠灯要节能，早已为人们所认识。
不过可能还缺乏一些定量的概念。
现在公认100瓦的LED路灯可以取代250瓦的高压钠灯，所以可以简单地认为，每一盏LED路灯可以节约150瓦电。
然而，如果改成用太阳能供电的话，那么连这100W的电也能节省下来，也就是说，每盏路灯可以节省250瓦电。
据有关方面估计，中国现有路灯总数大约在一亿盏以上，并以每年20%的速度增长，2008年就新增路灯2000万盏。
假如这一亿盏路灯可以折合成为6000万盏250瓦的路灯，再假定这6000万盏路灯全部改成太阳能LED路灯，那么总共可以节约1500万千瓦的功率。
假定每盏路灯每天工作12小时，在1年内将节约657亿度电。
而三峡水电站在2007年的发电总量为616.03亿度电。
因此
把全国的路灯全部改为太阳能路灯后所节省的电量将超过一个三峡水电站一年的发电量。
这是一个极其惊人的数字。
不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。
每一盏250瓦的高压钠灯在一年之内将会产生1290公斤的二氧化碳，所以6000万盏路灯全部改成太阳能路灯以后，将可以减少7740万吨二氧化碳。
所以改成太阳能以后，不但节省了电费，而且还节约了二氧化碳的减量成本。
每吨二氧化碳的减量成本为345-404美元。
减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本!
前面的数字只是LED路灯和高压钠灯的比较。
对于同为100W的LED路灯，采用交流电和采用太阳能的节能比较，只需要把上面的数据除以2.5就可以得到。
也就是说，6000万盏的100瓦LED路灯，假如全部采用太阳能供电的话，可以比全部采用交流电供电时节省262.8亿度电，而二氧化碳的减排成本为124亿美元。
2.交流电供电时的效率将会比太阳能供电时的效率低15%
因为采用交流电供电时必须采用开关电源将其变为直流。
一般开关电源的效率大约在80%左右。
所以对于100W的LED路灯，其交流输入功率就大约需要120W(下面的比较表中就采用120W)。
而采用太阳能供电时只要采用DC/DC恒流源，其效率高达95%。
因此合计后采用交流电的总效率约低15%。
所以上述的数字还应该增加15%。
3.交流供电还有功率因素问题
在比较低档的开关电源中没有采用功率因素的补偿，大量采用以后，将会引起电网的总体效率降低。
4.采用交流供电的最大问题是使整个灯具的寿命降低
因为交流电必须经过整流滤波才能变成直流电，因而所有开关电源中都必须采用电解电容来滤波。
人所周知，电解电容的寿命是很低的，一般的电解电容寿命只有1000小时，长寿命的电解电容寿命也只有10,000小时。
而且，周围环境温度每升高10度，寿命就降低一半。
在大功率LED路灯的灯具中温升是很高的，所以电解电容的寿命也就更短了。
而通常对LED路灯的寿命要求为5万小时以上。
整个灯具的寿命必然会受到电解电容寿命短的拖累。
可以认为过去很多低质量LED路灯的很快失效，除了因为没有处理好LED本身的散热问题而加速其光衰以外，交流电源中的电解电容失效也是一个重要的因素。
而太阳能供电的系统中是没有电解电容的。
所以其恒流源的寿命可以保证和LED的寿命相匹配。
5.太阳能电池供电的LED路灯的总体成本要比交流供电的LED路灯系统的总体成本低很多。
虽然太阳能路灯的初次安装成本要高，但是交流供电的电缆铺设成本和长期的电费支出就远远高出太阳能系统。
下面我们来做一个详细分
析。
(1)两种系统的LED灯头和灯杆成本是大体相同的，主要差别是太阳能电池板。
通常太阳能电池板的功率大约是LED灯具功率的3倍。
如果LED为100瓦，那么就要求使用300瓦的太阳能电池板。
目前太阳能电池板的价钱已经降低到23元/瓦，300瓦就是6900元。
此外，太阳能系统还需要蓄电池，但是其成本相当于交流供电中的开关电源成本。
所以二者可以抵消。
所以灯具本身成本的差别主要是太阳能电池板。
(2)交流供电LED路灯在初次安装时的最大支出是电缆的铺设。
一般人以为主要就是电缆本身的成本，但是除了电缆本身外，它的铺设、辅助设施(检查井、配电设备)等，要比电缆本身贵很多。
现在假定以10公里长的道路为例，每隔30米一盏,对面放置,一共需要666盏LED路灯，如果采用太阳能路灯的话，五年内就可以回收成本还可以节省43万元，五年以后每年的电费就可以节省122万元。
6.交流电路灯电缆是被偷窃的最好目标
这已经不是什么耸人听闻的新闻了，网上到处都可以见到路灯电缆被盗的报道，武汉市仅长丰大道一条路从2005年投入运行至今已经被盗电缆三万六千余米。
杭州全市共1900公里路灯电缆，已经被盗140公里，甚至上海内环线高架和沪宁高速的路灯电缆也都被盗。
连北京的五环路上的路灯电缆也经常被盗。
可见这种事并不是仅仅发生在穷乡僻壤的边远地区，而是到处都发生的常事。
可能是因为路灯电缆电压比较低，电流比较大，电缆比较粗，含铜量比较大的原因。
这在选用交流供电时这是一个必须要考虑的重要问题。
7.交流供电的安全性是一个隐患
除了对偷电缆和电器的小偷造成人身安全的隐患以外，对于附近农
民挖土也会造成一定的安全隐患。
8.交流供电对于设备安全也会存在问题
交流电是联网运行的，由于雷击等原因网上会经常出现高压浪涌，这对设备的安全也造成一定的威胁。
而太阳能LED路灯则完全没有上述的缺点，其构成十分简单只有五个部分构成：
而且它的安装十分简单，只要做一个水泥基座，立起灯杆，安上地脚螺钉就可以了，尤其是不用麻烦电力系统的人员来设计安装和施工，挖地沟、铺设电缆、挖检查井、安装变压器，… 。
这是一个非常重要的优点。
有人担心其中铅蓄电池对环境的污染问题，实际上铅蓄电池的最大用户是汽车，我国现在每年生产和销售700万辆汽车，每辆汽车至少用一个铅蓄电池。
而汽车的铅蓄电池早就有非常完备的回收系统，其中的
铅板都将回收并再生。
所以太阳能路灯系统中的铅蓄电池完全可以利用汽车的回收系统来加以利用而不会造成环境污染。
而且，现在锂电池的成本已经降低到可以实际采用的程度。
台湾有一家做太阳能LED路灯的公司(KESC)已经开发出采用锂铁电池的路灯来。
国内东莞也已经有工厂生产锂铁汽车蓄电池。
可以保用五年。
目前太阳能路灯的一个唯一的问题就是太阳能电池板的造价问题，然而目前它的价格正在以惊人的速度降低。
就在2008年，它已经降价1/3。
它的最主要的原料多晶硅的价格已经从2007年的每公斤300美元，降低到2008年的200美元，预计到2009年多晶硅的价格将会降低到每公斤100美元。
尤其是中国的多晶硅的产量正在快速成长，在建的33个项目全部投产以后，其产量将达到14万6千余吨，而目前国内需求只有8000吨，因此如何扩大内需是当务之急。
大力发展太阳能LED路灯无疑是一个最好的途径。
综上所述，路灯采用太阳能是有百利而无一弊。
何乐而不为?。
