地下室太阳能照明系统

地下室太阳能照明系统（精选7篇）

地下室太阳能照明系统 篇1

引言

随着环境污染的不断加重及能源资源的日益稀缺, 太阳能作为一种新型可再生能源, 因为其资源丰富、清洁环保、受地域限制小等优点, 在许多领域已经得到了广泛的发展和应用, 尤其太阳能发电领域业已发展成为成熟的朝阳产业[1]。LED灯具有高效节能、寿命长、环保等优点。因此, 文章将太阳能与LED路灯有机地结合在一起, 设计了基于STM8S单片机的太阳能LED路灯照明系统, 实现了节能环保的照明模式, 解决了市场上一些太阳能控制器存在的缺陷。

1 太阳能LED路灯照明系统简介

1.1 太阳能LED路灯照明系统组成结构

太阳能LED路灯系统主要由太阳电池板、蓄电池、路灯控制器、LED灯具组成[2]。文章主要为太阳能直流供电系统、太阳能直流路灯照明系统设计了一款高性能太阳能控制器。

1.2 太阳能LED路灯照明系统的工作原理

太阳能LED路灯照明系统中, 太阳能电池板在太阳光照射下, 其内部PN结形成新的电子-空穴对, 在一个回路里产生直流电流;这个电流流入控制器, 会对蓄电池进行充电。蓄电池白天接受充电, 而晚上则会提供能量给LED。LED是通过控制器驱动工作的, 控制器在驱动LED恒流工作同时, 也会监测LED的状态以及控制LED工作时间。在蓄电池电能不足的情况下, 控制器会发出控制信号启动外部的市电供电系统, 保证LED的正常工作[3]。

2 系统硬件电路方案

太阳能LED路灯照明控制系统电路组成结构如图1所示。主要电路包括:太阳能电板电压检测电路、蓄电池电压检测电路、、PWM充电电路、放电和保护电路、温度检测电路等。其中, 充放电控制、电流、和温度采样电路实现的功能为: (1) 电池充电模式, 以选择一个不同的状态; (2) LED照明时间或可选自动定时控制;采样的太阳能电池的输出电压和太阳能电池板的电流; (3) 取样线的开路电压, 该充电状态的电压; (4) 在样品上, 所述电池的电流值, 包括两个充电和放电状态。

3 系统硬件电路设计

根据系统的功能要求, 基于STM8S单片机设计的太阳能控制器电路主要包括充放电主回路、光电检测电路、电源电路以及各种保护电路等。

3.1 充电电路及控制策略

太阳能电池板电压经半桥分压电路R1和R2分压后, 送至STM8S的片上ADC1口实时监测来判别光线的强弱。白天光线充足时, 由太阳能电池板给蓄电池充电。控制器根据实时采集的蓄电池端电压大小, 控制器把不断检测蓄电池端电压作为控制充电程度的方法;另外设定转换点的蓄电池端电压值, 控制充电各阶段的自动转换和停充。

较好的充电策略是智能三阶段充电方式 (快充、过充和浮充) 。

(1) 快充阶段。相当于电流源的充电电路的输出端。输出电流是根据可接受的最大电池电流。在充电过程中, 电池的端电压进行实时检测, 当电池端电压上升到所述阈值的转换后, 通过充电电路进行充电阶段。使用MPPT算法来控制输出电压, 输出电流是固定的。

(2) 过充阶段。充电电路, 而被检测到的充电电流, 以提供一个较高电压的电池。当充电电流下降到阈值转换器, 当电池被完全充电可以被识别, 一个充电电路, 在下一阶段如下-浮充的阶段。

(3) 浮充阶段。当电池充满电, 最好的办法是保持电源给电池提供准确, 具有温度补偿功能的浮充电压。

3.2 放电电路及控制策略

当放电电路检测到所述太阳能电池板的电压低于1V时, 打开控制电路, 1分钟后的延迟, 由电池供电的负载, 使LED灯。刚充满电的电池电压较大, 一般在22.6~24.6V。作为最好的单个LED灯的负载的驱动电流13~18毫安, 3~3.2V的驱动电压。因此, 流过LED的电流约为26.7~31.5毫安, 远高于可接受13~18毫安更大。当电池电压低于23.5V时, 单片机I/O发出一个高电平信号的过放电保护电压时, 晶体管Q2导通时, MOSFET Q2被关断时, 电池不再供应给负载;当电池电压上升到过放电恢复点24V, 然后也通过I/O的低电平信号发出时, 晶体管Q2截止, 场效应管Q2导通, 则电池将继续向负载供电, 当在24.6V的电压?25.6V变化, 然后再次PWM供电负荷。

3.3 供电电路设计

太阳能LED路灯控制器电源由蓄电池提供, 由于蓄电池输出的是直流24V, 而控制器上的MCU和运放等其他电子元件需要的是直流5V电源, 故需要进行DC/DC变换, 本系统采用电压转换芯片LM2931AM对蓄电池端电压实现降压变换至5V。

4 系统软件设计

软件主要是设计来协助完成硬件电路控制器的控制策略, 在图2所示的主程序。采用MPPT算法快充阶段可提高输出功率光伏电池成为可能。把电子节目采用PWM技术来调整负载电流可以在午夜被完全切断负载, 实现半功率点亮负载。

5 结束语

太阳能LED路灯照明系统是太阳能新能源与新生代绿色光源LED的完美结合。文章以意法半导体的STM8S单片机为核心设计的路灯照明控制系统, 总体上, 实现了三个阶段的智能电池充电控制功能, 并能有效地防止电池的过充电, 同时还实现定时和切断的半功率点负载, 电池电压小于过放电电压的负载会切断, 所以电池过度放电保护, 延长电池寿命。该系统在能源利用率和工作可靠性方面有一定的实用价值。

参考文献

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地下室太阳能照明系统 篇2

在能源枯竭、温室效应等问题日益严重的影响下,开发清洁、可再生的能源,特别是开发清洁、可再生电能的需求与日俱增。太阳能以其自身无污染,而且取之不尽,用之不竭的特性目前正以逐年递增的趋势大规模投入应用;硅光电池板成分中不含有毒物质,不会在建筑物起火等意外情况时出现任何诸如释放有毒气体等危险。

2太阳能光伏发电技术简述

太阳能光伏发电是根据光生伏特效应原理, 利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电, 光伏发电系统主要由太阳能电池板(组件)、控制器和逆变器三大部分组成, 它们主要由电子元器件构成,不涉及机械部件。所以, 光伏发电设备极为精炼, 可靠稳定寿命长、安装维护简便。

理论上讲, 光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合, 上至航天器, 下至家用电源, 大到兆瓦级电站, 小到玩具, 光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池(片),分为单晶硅、 多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前,单晶硅和多晶硅电池用量最大,非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。我国国产晶体硅电池效率在10至12% 左右,国外同类产品效率约为16至20%。

3基于沈阳职业技术学院的太阳能光伏发电系统设计构想

根据沈阳职业技术学院校园现运行照明系统计算,照明区域涵盖东起校门, 西至软件学院宿舍,计16条街路,校园现有照明点86处,每处照明点为LED 50W (含电源功率、输电线损失功率很小,此处忽略)节能光源2点,合计照明系统总功率8.6 KW ;系统中逆变器、控制器以及光伏通讯检测系统采用市电电源,不占用光伏电源。沈阳地区冬夏夜晚照明时间差距较大,此处以日均6小时照明计算,每年需要消耗的电能如下:

W( 焦耳)=P(瓦特)*T(秒) =8600*6*3600*365= 67802400000焦耳;

折算电能:

67802400000÷3600000=18834千瓦时;

沈阳职业技术学院地处沈阳地区, 依照表1中三类地区年辐射量最低值,即5000MJ/ ㎡计算,安装国产晶体硅光伏电池(转换效率10%),校园照明系统需要安装的光伏电池板面积应为:

67802400000焦耳 ÷5000000000焦耳/ ㎡ *10%=135.6048 ㎡

根据沈阳职业技术学院建筑物特征, 整个光伏并网发电系统光伏方阵安装在F楼南楼楼顶,面积150m2,预留升级面积50m2;考虑到沈阳地区暴雨冰雹等特殊天气情况,外设特种防护透光玻璃罩,全部安装在F楼南楼楼顶中心区域上,直流峰值总功率8.75k W。整个F楼楼顶光伏方阵由22个光伏子阵列构成,每个子阵列将直流接线汇集到一个安装有浪涌保护器的二极管集线盒内,通过光伏电缆输送到并网逆变器,将直流电逆变为单相民用照明220V交流电。将此电源直接接入站学院变电所电力系统供负载使用,做到即时消耗电能。

同步闭环控制功能:实时对外部电网的电压、相位、频率等信号进行采样并比较,始终保证逆变器输出与外部电网同步。

最大功率跟踪功能:逆变器最基本的功能,保证逆变的电能最大化。

具有自动关闭与运行功能:逆变器实时对外部电网电能质量参数、直流输入、交流输出的电压、电流等信号进行检测,当出现异常情况时会自动保护关闭, 断开外部输出;当外部电网或其它恢复正常时,逆变器系统进行检测并延时一定时间,才恢复交流输出并自动并网运行。

具有完善的保护功能,包括过压、欠压、过载过流、短路、漏电等保护功能; 在低功率状态高效运行,转换效率高达98.8%。

根据国产光伏电池报价信息,目前出厂价为12元/ 瓦,一次性订购5000瓦以上为11元/ 瓦,10000瓦以上为10元/ 瓦。此系统按10000瓦订购,为日后升级光伏电站做充分的预留,此次光伏电源采购费用为:

蓄电池组采用国标免维护12伏20AH铅酸蓄电池18块并联,附加订做4伏非标免维护电池,构成直流电源如下:

蓄电池造价国标12伏免维护20AH为185元/ 块,非国标免维护电池订做价格为35元/2伏,蓄电池组造价为:

附加费用(逆变器、控制器、特种玻璃保护罩、安装费、运费)参照网上报价记为5000元。

此光伏发电系统成为粗略记为:

该系统投入使用后,每年为学院节约的电能为:

按照沈阳地区非居民用电1元/ 千瓦时计算,每年节约电费:

18834千瓦时*1元/ 千瓦时=18834元

该系统的成本回收周期为:

4太阳能光伏发电系统应用前景展望

地下室太阳能照明系统 篇3

1 太阳能LED照明系统的特点

众所周知, 当前的太阳能光伏发电具有清洁无污染、不受地域限制、获取能源花费时间短等特点, LED光源也因其环保、节能等优势成为未来理想的照明光源, 而太阳能LED照明系统将这两者的优点进一步完美的结合起来, 因此更具优势和发展潜力。具体表现在以下几个方面。

1.1 环保更明显

太阳能LED照明系统的能量由太阳能电池组件提供, 通过光伏效应将太阳光能量转化为电能, 再提供给LED使用。与太阳能系统光伏发电对环境不会有污染和LED光源不存在汞等材料污染相比, 太阳能LED照明系统将这两者的环保优点有效结合了起来, 既不对环境构成威胁, 也不存在材料污染的难题。

1.2 节能更突出

该系统使用太阳能电池组间发电, 不用燃料, 而且选用LED作为光源, 在同样照明亮度下, 其耗电量仅为白炽灯的1/8, 荧光灯管的1/2。在我国, 即使只有1/3的白炽灯被LED代替, 每年就可以节省用电1011度, 相当于一个三峡工程的全年的发电量。在天然气、煤炭等能源供应日益紧张的今天, 太阳能LED照明系统巨大的节能价值无疑为它的发展提供了光明的前景。

1.3 能源利用率更高

太阳能电池组件直接将太阳能转化为直流电能, 并且通过并联、串联等方式再匹配对应的蓄电池就得到LED所需要的电压。与传统供电相比, 它既不需要AC/DC转化, 也无需进行复杂、昂贵的管线布置, 就可获得较高的能源利用率, 并更具安全性和经济性。

1.4 安装更方便

每一个太阳能LED灯具都是独立的电源, 无需电力设计、电力增容及人工电源控制等, “而只要像种树一样, 挖一个洞, 埋一根杆”, 可以随意放置, 安装、使用都更加方便。

2 太阳能LED照明系统发展存在的障碍

当前太阳能LED照明系统有许多需要改进和完善的地方, 在一定程度上影响了该系统功能的充分发挥和利用。表现在以下几点。

2.1 太阳能电池发电效率低影响太阳能LE D效率

太阳能LED照明系统中LED驱动电能主要由太阳能电池组件提供, 而目前太阳能电池的发电效率普遍都比较低, 所有种类中转化效率最高的单晶硅太阳电池, 光电转化效率为15%左右, 最高虽可达24%, 但它的制作成本太大。多晶硅太阳能电池和单晶硅太阳电池制作工艺相似且成本较低, 但它的光电转化效率又只有12%左右。非晶硅太阳能电池在弱光条件下也能发电, 但是其转化率也只是10%左右, 且其转化率随时间的延长会衰减。综上, 太阳能电池组件的转化效率偏低, 成为严重影响太阳能LED照明系统效率的主要原因之一。

2.2 LED发光效率制约了太阳能LED照明系统发光性能

LED作为太阳能LED照明系统的光源, 其发光性能直接影响整个系统的发光性能。LED的发光效率由内量子效率、外量子效率等因素共同决定。当前, LED内部存在大量非辐射缺陷产生的自发极化和压电效应导致发光效率下降, 即Droop现象。另外, LED中的无法及时散出的热量引起结温的升高也是LED发光效率下降的主要原因。改善LED性能、提高发光效率成为太阳能LED照明系统的关键性问题之一, 制约了太阳能LED照明系统的发展。

2.3 成本高是普及太阳能LED照明系统的主要障碍

由于硅材料价格上涨和供应瓶颈, 太阳能LED照明系统电成本偏高。据统计, 发一度电太阳能电池组件成本为五元, 是传统火力发电成本的10倍。太阳能LED照明系统成本偏高的另一原因是系统中光源LED的成本也很高, 以产生1000流明的光通量为例, 用白炽灯成本小于1美元, 用紧凑型荧光灯的成本小于2美元, 而使用十颗大功率LED的成本超过20美元, 不用电缆的费用和后来节约电费又很难抵消光源的价格差。综上, 由于太阳能发电及LED光源的成本高导致太阳能LED照明系统价格偏高成为影响其广泛应用的主要障碍。

2.4 蓄电池是太阳能LED照明系统中最薄弱的环节, 影响着照明系统的寿命

太阳能LED照明系统中经常用的单晶硅太阳能电池的寿命可达25年, 光源LED灯的寿命更是理论上可达10万个小时, 而普通蓄电池的寿命一般为2~3年, 储能电容的寿命虽可达10年以上, 能在一定程度上解决这个问题, 但储能电容价格又十分昂贵。蓄电池成为太阳能LED照明系统应用急需解决的关键问题。

3 展望

太阳能LED照明系统在应用过程中虽存在不少问题, 为下一步的研究提出了新的课题, 比如如何提高太阳能电池组件的光电转化率和LED灯的光效来提升太阳能LED照明系统的效率;改善蓄电池提高蓄电池的寿命以延长太阳能LED照明系统的使用寿命;加强新技术的利用降低太阳能LED照明系统成本。但是太阳能LED照明系统对缓和日益凸显的能源问题、减少环境污染、降低温室效应具有重要的作用和意义随着科技的发展和进步, 它的发展前景更加光明, 市场发展空间愈加广阔, 也必将对整个社会产生更为深远的影响。

参考文献

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针对太阳能半导体照明系统的阐述 篇4

1 太阳能半导体器件特性概述

太阳能半导体主要由光学系统、电极、PN结芯片等组成, 晶片发光体面积约0.025平方毫米, 整个发光过程经历三个阶段:在正向偏压条件下注入载流子;光能传输;复合辐射。在环氧树脂物中封装半导体晶片, 电子流过晶片时, 带正电的电子和带负电的电子在空穴区域复合, 空穴和电子消失产生光子, 光子能量与空穴、电子之间的带隙成正比, 光颜色和光子能量相对应, 根据可见光频谱分析, 红色光和桔色光的光能量最少, 紫色光和蓝色光的光能量最多。随着封装技术、材料技术的快速发展, 绿色LED光效约50lm/W, 橙色和红色LED光效100lm/W, LED的全色化、超高亮度和高效化特点, 其应用范围越来越广泛, 特别是在户外照明系统中应用效果较好。LED在色度方面实现了所有的可见光, 尤其是超高亮度白光LED的涌现, 推动了照明光源的快速发展。一般情况下, 光强1cd是高亮度LED和普通LED的分界点, Galn As、AIln Ga P和A1Ga As材料主要用于加工高亮度LED, 其中高亮度红光LED采用A1Ga As材料, 高亮度黄绿、黄、橙和红LED采用AIln Ga P, 高亮度紫、蓝和深绿LED采用Galn As。

LED半导体的发光效率较高, 卤钨灯、白炽灯的光效为12~20流明/瓦, 将讲钠90~130流明/瓦, 荧光灯50~60流明/瓦, 并且光谱窄、单色性好, 不需要经过过滤就可发出有色可见光。同时, LED是一种全固体发光体, 耐冲击、耐震不容易破碎, 无污染, 可开发为小型轻薄的照明产品, 方便维护检修和安装。并且LED光源的启动时间较短, 气体放电光源的特性在很大程度上决定了启动时间, 这种采用环氧封装的半导体光源, 内部不含有灯丝、玻璃等容易损坏的元器件, 可经得起冲击和震动。

2 太阳能半导体照明系统设计

(1) 系统组成。太阳能半导体照明系统由半导体照明负载、控制器、蓄电池和太阳能电池等组成, 在基本结构框架中设置备用电源, 通过备用电源, 即使长时间连续下雨, 半导体照明负载由备用电源也可以持续进行供电, 确保在蓄电池不能及时供电时太阳能半导体照明系统也能安全、稳定运行。太阳能半导体照明系统运行时, 太阳辐射能通过太阳能电池转换为电能, 太阳辐射强度和温度对于太阳能电池输出功率有着直接的影响, 当辐射强度较弱、温度偏低时, 电池输出功率无法始终保持稳定性, 因此必须在太阳辐射强度较大的时间段通过蓄电池及时存储电能, 便于在照明系统运行过程中可靠、稳定地向半导体照明系统供电。控制器是太阳能半导体照明系统的核心, 通过控制器科学管理蓄电池充放电过程, 有效控制照明系统工作状态, 使太阳能半导体照明系统在不同工作状态下平稳运行。

(2) 转换过程。半导体材料是太阳能电池的重要结构材料, 其最重要的特性就是光伏效应, P-N结太阳能半导体等效电路图, 如图1所示, 半导体接收太阳能辐射后发生光伏效应, 经过以下三个转换阶段。1) 产生电子对。半导体在绝对零度状态下, 其内部形成介电子带, 导带上不含有电子, 正常状态下, 半导体可看作是绝缘体, 不显示导电性。当太阳能辐射到半导体时, 禁带宽度比光子能量小很多, 半导体会快速吸收这种光, 若半导体晶格对太阳能辐射量吸收较多, 这时可脱离电子对半导体晶格的约束, 产生大量自由电子, 形成空穴。因此为了使半导体晶格约束电子转换为大量自由电子, 半导体禁带宽度应小于光子能量, 例如, 硅禁带宽度为1.15ev, 半导体禁带宽度和入射光能保持一致的条件下, 光吸收效率较高, 可产生大量空穴—电子对, 然而当比携带能量大的光子射入半导体时, 由于一部分光子被半导体晶格吸收, 会损失一部分能量, 造成发光效率下降;2) 空穴—电子对分离。当太阳能半导体照明系统周围没有电场时, 半导体中均匀的分布着大量光激发的空穴—电子对, 由于外电路没有电流流过, 需要利用某种方式在太阳能半导体中产生势垒, 确保激发的空穴—电子对分开, 持续的向照明系统外电路进行供电。通常情况下, P-N结主要用于实现这种势垒, P-N结对于空穴—电子分离发挥的作用是有限的, 若没有设置外部电路, 分离后的电子聚集在P、N两层中, P-N结正向, 逐渐朝着电位势垒降低方向发生偏转, 分离停止后, 恢复到正常状态。P-N结之间电压称为开路电压, 照射光量和短路电流成正比;3) 载流子移动。空穴—电子对在光能辐射条件下不一定全部分离开来, 分离数目和产生数目的比值称为收集效率, 在电荷浓度梯度和电场偏移效应作用下发生移动。通常情况下, 载流子具有自动恢复平衡状态的倾向, 若过剩载流子寿命比P-N结电子移动时间短, P-N结位置和过剩载流子寿命对于收集效率有着决定性影响, 空穴移动到P层, 电子移动到N层, 正电荷和负电荷分别集中在半导体梁, 使用导线连接这两端, 可产生电流。

3 结束语

近年来, 太阳能半导体照明系统快速发展, 被广泛的应用在各个照明领域, 结合太阳能半导体器件应用特性, 在未来发展过程中进一步优化和完善半导体照明系统, 不断提高其发光效率。

参考文献

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[2]李薇.太阳能LED照明系统的研究[D].北京工业大学, 2012.

地下室太阳能照明系统 篇5

太阳能电池和LED照明是新能源和节能高效技术的典型应用, 太阳能LED照明是利用太阳能电池将大自然中的太阳能转换为电能, 提供给LED光源。由于LED光源的低电压、节能和长效等特征, 太阳能LED照明系统的应用, 将实现很高的能源利用效率、工作可靠性和实用价值。现在常见的应用有太阳能LED草坪灯、太阳能LED路灯和太阳能LED照明灯等。

太阳能LED照明系统的组成

高效节能的太阳能LED照明数字控制驱动系统包括太阳能电池组、DC/DC转换器及MPPT (最大功率点追踪) 充电控制、储存电能的蓄电池组和LED照明PWM控制驱动及LED光源等部分, 系统组成如图1所示。

太阳能LED照明系统的工作原理是:在有太阳光的时间段, 太阳能电池组将采集到的太阳能转化为电能, 在控制系统的控制下, 采用太阳能光伏电池MPPT方式, 将电能储存到蓄电池组中, 在LED照明系统需要电能供电时, 采用PWM控制驱动方式, 图1太阳能LED照明系统组成向LED照明光源提供安全高效的电压电流, 使LED照明系统安全、稳定、高效并可靠地工作, 为工作和生活提供洁净环保的绿色照明。

太阳能LED照明控制驱动系统

控制驱动系统

本文根据太阳能光伏电池电能输出和储存的特点以及LED照明控制驱动的新技术进展, 设计了一种新型太阳能LED照明系统控制驱动技术方案, 控制方案能实现对太阳能电池和蓄电池的MPPT充放电管理、LED照明控制驱动管理。系统的硬件框图如图2所示, 控制驱动系统以数字信号控制器dsPIC33FJ16GS502为核心控制芯片, 这是美国微芯科技公司的新一代16位数字信号控制器 (DSC) , DSC与单片机的不同之处, 在于增加了DSP资源, 以单片机 (MCU) 为中心并融合了DSP, 具有MCU和DSP两类指令。DSP引擎包含有一个高速17位×17位乘法器, 能进行16位有符号乘法和除法运算, 可进行小数或整数DSP乘法, 一个40位ALU、两个40位饱和累加器和一个40位双向桶形移位寄存器。

dsPIC33F系列DSC全面支持数字控制系统, 丰富的PWM控制和ADC转换功能特别适合DC/DC转换、电源管理和LED照明控制系统, 可满足本设计对太阳能电池组、蓄电池组MPPT、充放电控制、DC/DC转换控制和LED照明驱动的控制管理。

太阳能光伏控制器及MPPT

太阳能光伏电池控制充电电路采用数字信号控制器为核心的全数字式DC/DC转换和MPPT电路, 如图3所示。转换器采用升压降压双模式拓扑电路结构, 这样的电路结构可以在从Vin>Vout到Vin

MPPT控制采用基于占空比为控制变量的扰动观察法, 由于太阳能光伏电池的输出呈非线性特性, 为提高其利用率, 对太阳能光伏电池的输出进行MPPT控制, 以使太阳能光伏电池板的输出功率在不同的温度和太阳辐射强度下的达到最大化, 见图4, 本设计是将MPPT和DC/DC转换器结合起来, 用高效率的转换器起太阳能光伏电池负载的阻抗变换作用, 再在DSC的控制和管理下, 寻求太阳能LED照明驱动系统的最大功率跟踪。升压转换电路的输入输出电压见下式, 降压转换电路的输入输出电压关系见公式 (2) :

式中Uout为输出电压, Uint为输入电压。D为PWM的占空比, 可通过调节占空比来调节输出端的电压。对于VT4通路, 可通过调节PWM2H输出驱动的占空比, 从而调节负载电流, 因此, 通过对PWM变换器的反馈控制, 可将光伏系统的工作点跟踪稳定在最大功率点。

蓄电池是太阳能LED照明系统的重要部件, 蓄电池的管理控制不仅影响到蓄电池和整个系统的工作效率, 也极大影响蓄电池的工作寿命。通常关注的是放电深度、充电程度和温度等3个方面, 本设计采用DSC集中控制管理, 是将蓄电池的管理和MPPT的工作过程统一控制进行, 即进行蓄电池的MPPT充电管理方式, 蓄电池控制和处理的内容有电池容量、三阶段充电电池端电压和电流测控、放电深度控制、温度补偿控制等。

MPPT程序模块流程如图5所示。在初始化后, 通过电流和电压的采样测量, 可获得光伏电池的输出功率, 在输出电压稳定的状态下, 通过电流占空比的微调DD, 使光伏电池的输出电流有微量变化DI, 再检测光伏电池的输出功率的变化, 在设定的算法和当时的环境变量情况下, 判断DP的变化方向, 再来决定下一阶段的占空比的变化方向, 见图4。如果功率的变化小于了设定的微小量ε, 则判定找到了最大输出功率点, 只有到下一工作状态时, 才继续寻找新的最大输出功率工作点。

LED照明驱动控制电路

本设计的LED照明驱动控制为PWM方式恒压恒流控制, 可调光多路大功率LED驱动控制, 如图6所示。电感L3、功率MOSFET管VT6和VD4构成升压型DC/DC转换器, 通过控制PWM3H输出的PWM的占空比, 获得一个稳定的输出电压, P WM3L、P WM4H和P WM4L这3个PWM通道进行多路LED照明的恒流控制, R21、R23、R25提供LED照明驱动电路的电流反馈采样, U5是数字温度传感器DS18B20, 通过单总线1-wire BUS和数字信号控制器dsPIC33F进行数据通信, 将LED照明光源的温度送给DSC, R16向DSC提供输出电压采样, DSC将各路采样反馈参数和程序的设置参数进行对比后, 通过调节各PWM的占空比, 使LED照明光源得到稳定设置的驱动电压和电流。VT7、VT8和VT9在DSC的数字PWM信号控制下, 使LED光源实现宽的调光范围, 在数字信号控制器DSC的控制管理下, 对LED照明光源的驱动控制具有全面的过压、过流和热防护功能。

结语

本文对太阳能LED照明驱动控制技术进行了分析和研究, 并针对太阳能光伏电池的特性, 提出了基于数字信号控制器和DC/DC转换器的MPPT控制方式, 结合大功率LED照明的驱动特性, 设计了一种以DSC为控制核心的全数字化PWM式太阳能LED照明控制系统, 具有恒压恒流控制性能, 宽范围调光能力, 能从多个方面保护和改善蓄电池的工作状态, 延长蓄电池的使用寿命, 采用数字PWM式的MPPT控制, 能使太阳能光伏电池工作在最佳功率输出状态。

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地下室太阳能照明系统 篇6

1 工作原理及技术要求

1.1 工作原理

自然光光导照明系统是通过安装在室外的集光装置聚集自然光线, 并将其导入系统内部, 然后经由光导装置强化并高效传输后, 由室内的漫射装置将自然光均匀导入任何需要光线的地方。从黎明到黄昏, 甚至是阴雨天, 该照明系统导入室内的光线仍然十分充足, 能够满足一般的照明需求 (如图1所示) 。

1.2 技术要求

1.2.1 光导管管道的尺寸要求

结合项目自身情况, 现场地下室预留孔为600 mm, 最合理的管道尺寸为530 mm。

1.2.2 光导照明系统的技术标准

在直射光条件下, 理论计算光导系统 (包括采光罩、光导管和漫射器) 。根据位置情况, 铺装地面采用平顶的形式, 绿地采用圆顶的形式。太阳高度角为30°的晴天工况, 整套产品的效率Tr≥0.77, 采光罩的透光率≥84%, 光导管材料的反射率≥98%, 漫射器的透光率≥80%.光导管系统管壁最小传热阻为0.5 m2K/W, 需要采用较好的防结露、防水措施, 保证系统不结露, 并满足国家现行标准要求。

1.2.3 密封要求

光导管连接必须对接吻合且完全密封, 其外部要有良好的保温、密封措施, 并采用支撑套环等方法固定光导管。光导管与屋面孔之间也要有良好的密封、保温措施, 密封圈要抗老化、使用寿命长, 并能达到节点美观的要求。防结露要求光导照明系统顶部采用良好的连接工艺和保温工艺, 并采用良好的防结露措施, 确保系统无结露。

1.2.4 防水要求

防水工程设计应遵偱“合理设防、防排结合、因地制宜、综合治理”的原则, 满足《屋面工程技术规范》 (GB 50345—2004) 中的相关要求, 即屋面防水等级为II级, 两道防水设防, 并设置冷凝水导流装置。

2 安装和施工

2.1 安装前的准备

2.1.1 勘察现场

根据图纸仔细核查所有预留孔洞的位置、尺寸, 看其是否与图纸相符。如果有误差, 就要及时调整、解决。

2.1.2 清理预留孔及其周围的残余物体

确保下面工程施工的顺利进行。在安装光导照明系统时, 要保证各部分装置内不落入灰尘。

2.1.3 预套放防雨板、下管

预套放防雨板、下管的目的是检查洞口和洞壁是否规则, 如果不规则, 就要对其进行规整。

2.2 土建结构的防水施工处理

为保证系统能够取得良好的防水效果, 应在地下室顶面防水与光导照明防雨板之间附加一层平屋面板, 再将曲面上的防雨处理转换到平面上进行处理。

防雨板的固定:将防雨板套在预留孔上, 并在防雨板与预留孔之间粘上一圈双面防水胶粘带, 压实并使其与预留附加平面板紧粘在一起, 然后在防雨板上均匀打孔一圈, 并用铆钉固定 (如图2所示) 。

2.3 光导管的安装工程

2.3.1 光导管的组装

光导管的组装步骤为: (1) 将第一根光导管水平放置, 并使其有缝的一面朝上; (2) 把其带褶皱的一端插入第二根标准管径一端, 并用小刀在连接处划一圈, 以便以后撕掉内壁保护膜; (3) 用3个铆钉加固并用铝薄胶带密封接口处和管道接缝处, 用塑料对第一根光导管上口进行简单密封, 以防灰尘进入; (4) 撕掉第二根管内的保护膜。以此类推, 组装第三根、第四根、第五根……最后一根光导管两端均为标准管径, 要用塑料将其下口简单密封 (如图3所示) 。

2.3.2 光导管的安装

将组装好的光导管系统从防雨板上口慢慢地插入、调整, 使其下端对准洞口并伸出 (第一根光导管在顶部) 。光导管系统允许高出防雨板上口5 mm, 然后用4个15 mm长的自攻螺钉和垫圈将光导管系统和防雨板固定在一起, 并用浓度较高的硅胶密封剂或铝薄胶带密封处理。

2.3.3 光导管在顶板处的固定

光导管允许伸出顶板洞口10 mm。将固定环套入光导管, 以固定环紧贴在顶板上为准, 用3~5个自攻螺钉将固定环固定在顶板上, 然后再用3~5个铆钉将固定环与光导管连接在一起, 并用铝箔胶带对其连接处进行密封 (如图4所示) 。

2.4 采光罩的安装

采光罩的安装步骤为: (1) 将顶部采光罩套放到防雨板上口处, 撕去第一节光导管口的塑料密封膜和管壁保护膜; (2) 在防雨板上口外延紧贴一圈拉绒尼龙状密封条, 以防灰尘或脏物的进入或冷凝现象的出现; (3) 将预先钻有多孔的采光罩套放到防雨板上, 并用15 mm长的自攻螺钉和垫圈将采光罩与套圈或竖柱连接在一起, 注意在定位时不能擦伤采光罩 (如图5所示) 。

2.5 漫射器的安装

漫射器的安装步骤为: (1) 安装前, 先将最后一节光导管口的塑料密封膜和管壁保护膜撕下; (2) 将漫射器扣在装饰环上, 并在漫射器周边与装饰环的接缝处注入密封硅胶密封; (3) 在装饰环内部距上端10 mm处紧粘一圈拉绒尼龙状密封条; (4) 将装饰环扣在固定环上。此时, 整个光导照明系统安装完毕。

3 照明系统的检测

3.1 室内照度的测量

室内照度的测量应注意以下几点: (1) 工作面高度一般取距地面0.8 m高的水平面; (2) 测点位于建筑物典型部面和假定工作面相交的位置; (3) 可根据需要选室内代表区或整个室内的等间距布点进行测量; (4) 测量时, 应熄灭人工照明; (5) 测量室内照度时, 测试人员应尽量避开光的入射方向, 以防遮挡接收器; (6) 测量时, 接收器应水平放置或平放在实际工作面上; (7) 使用光电池式照度计时, 要使接收器曝光2 min后方可开始测量; (8) 要防止测试者人影和其他各种因素对接收器产生影响。

3.2 测量误差

考虑到室外照度并不恒定, 所以所测量的照度也会存在偏差。所测量的数据应与相关照度表对比, 并将数值误差控制在±20%以内。表1为DGG530光导系统照度参数表。

4 使用效果及效益

4.1 使用效果

光导照明系统在北塘E3总部项目的使用效果良好, 地下室车道部位无需人工光源照明。在光导照明系统漫射器的作用下, 导入地下室的光线照射均匀、柔和, 照射直径为10 m, 能够满足行车所需的照度 (如图6和图7所示) 。

4.2 经济效益和社会效益

从自然光光导照明系统在北塘项目的安装应用来看, 该装置具备节能、环保的特点, 且安装方便, 能够满足地下室的照明需求。作为滨海新区十大战役之一, 相关领导多次到现场考察、调研, 均肯定了该采光系统的应用效果, 并在海泰、泰达等兄弟单位的项目中得到了推广和应用。

地下室太阳能照明系统 篇7

太阳能光伏发电作为一种清洁无污染的新型能源, 其推广应用发展迅速, 将逐步成为人类的基础能源之一。白光LED是继白炽灯、荧光灯之后的新一代电光源, 随着其流明效率的提高, 白光LED正逐步向普通照明领域发展。太阳能光伏发电与白光LED照明结合构成的照明系统是一个最优的环保节能照明系统, 是今后的一个重要发展方向。从目前小区草坪灯、路灯已经具备市电网络和单一太阳能照明可靠性等方面考虑, 将市电作为太阳能电池的备用电源使用, 可以同时满足照明系统的可靠性和经济性, 具有良好的开发和应用前景。

1 系统构成

太阳能与市电互补的LED照明控制系统主要由太阳能电池、蓄电池、系统控制器、LED照明负载和市电电源五部分组成, 系统组成原理如图1所示。

在四个主要组成部分基础上把已有的市电作为备用电源。系统正常工作时, 由蓄电池向LED负载供电, 在蓄电池电压不足时, 由市电直接向LED负载供电, 避免了蓄电池电压不足时LED负载不亮的情况。同时, 在设计时可以适当降低蓄电池的容量, 降低系统成本。

系统各个组成部分的主要功能如下:

(1) 太阳能电池

太阳能电池的作用是将太阳的辐射能转换为电能, 送往蓄电池中存储起来, 推动负载工作, 是太阳能发电系统的核心部分。

(2) 蓄电池组

蓄电池是太阳能LED照明系统的关键部分。它的主要作用是在白天储存太阳能阵列所产生的电能, 晚上把储存的能量释放出来, 供负载照明使用。

(3) 控制器

控制器的作用是对太阳能电池、蓄电池电压、市电电源和LED负载进行总体监控。为蓄电池提供最佳的充电电流和电压, 同时保护蓄电池, 避免蓄电池过充电和过放电。需要时完成太阳能电池和市电两个电源之间的转换, 保证LED负载稳定可靠的工作。

(4) LED照明负载

半导体LED照明光源是系统的重要组成部分。一种节能、高效、环保的绿色电光源。

(5) 市电电源

系统中的备用电源。在出现连续阴雨天, 蓄电池由于充电电压不足, 不能正常向负载供电时, 由系统控制器转换为市电向LED负载供电。

2 系统控制器

系统控制器是整个照明系统的核心, 由它完成对太阳能电池电压的采集和监控, 对蓄电池电压的采集, 对蓄电池充电和放电的控制, 蓄电池电源和市电之间的转换控制以及负载点亮或熄灭的控制, 等等。本文所设计的系统控制器选用PIC16F877A作为核心部件, 图2是以PIC16F877A为核心的控制器外围电路示意图。

控制器主要控制对象是太阳能电池充电控制开关、放电控制开关和市电转换控制开关, 如图中C1-C3。开关的打开或关闭由单片机输出的高低电平控制。

3 系统工作状态分析

系统工作时, 把其工作状态分为白天和晚上两种工作模式;蓄电池根据其荷电状态分为剩余容量不足 (端电压小于12V) 和剩余容量充足 (端电压大于12V) 两种情况。因此, 对蓄电池充、放电管理和充电方式的控制应在不同的工作模式下根据蓄电池的荷电状态进行, 如表1所示。

在白天工作模式下, 断开蓄电池向负载放电回路, 启动太阳能电池向蓄电池充电回路。当蓄电池的端电压小于12V时, 充电为了尽快补充蓄电池的容量, 太阳能电池以直充的方式对蓄电池充电;当蓄电池的端电压大于12V时, 为延长蓄电池的使用寿命, 太阳能电池以脉冲方式对蓄电池充电。

在晚上工作模式下, 断开太阳能电池向蓄电池的充电回路, 当蓄电池的电压大于9V时, 启动蓄电池放电回路, 由蓄电池向负载供电;当蓄电池的电压小于9V时, 切断蓄电池对负载的放电回路, 启动市电电源, 由市电向负载供电。

设计中, 控制器设置了深夜半功率供电功能 (即在深夜使LED负载亮度减半, 从而蓄电池输出功率减半) 。蓄电池向负载供电存在两种状态:蓄电池正常放电状态和蓄电池半功率放电状态。

3.1 工作模式转换流程图

系统开始工作时, 控制器首先检测蓄电池的端电压, 根据蓄电池端电压的大小, 进入不同工作模式下的工作状态:太阳能电池端电压小于0.7V, 判断为晚上, 控制器进入晚上工作模式;太阳能电池端电压大于0.7V, 判断为白天, 控制器进入白天工作模式。工作模式转换软件流程如图3所示。

3.2 白天工作模式流程图

进入白天工作模式后, 控制器首先切断两个供电回路, 检测蓄电池的端电压, 并根据蓄电池端电压判断蓄电池的荷电状态, 进行相应状态下的具体操作:在蓄电池电压达到过充点时, 无论太阳能电池电压高低, 蓄电池充电回路均被断开, 停止充电;蓄电池电压降至过放点后, 为尽快补充蓄电池电压, 采用直流充电的充电方式;在蓄电池电压没有过充, 也没有降至过放点时, 采用脉冲 (PWM) 充电。在该模式任意状态的工作过程中, 控制器对蓄电池端电压进行周期性检测, 以判断是否停止充电或进行充电方式的转换。此外, 该模式下控制器还需要检测太阳能电池的输出电压, 判断是否要转换至晚上工作模式。图4为系统白天工作模式下的程序流程图。

3.3 晚上工作模式流程图

进入晚上工作模式后, 控制器切断充电回路, 检测蓄电池端电压并进行判断, 以决定负载由蓄电池供电还是由市电电源供电。如果由备用电源供电, 则控制器只需要周期性地检测太阳能电池的端电压, 以判断是否要进行工作模式的转换。如果由蓄电池供电, 则控制器首先读取半功率放电标志位, 以确定是否半功率供电, 若选择了半功率供电功能, 则蓄电池半功率供电;否则蓄电池正常放电;无论正常供电还是半功率供电, 控制器都需要周期性地检测蓄电池端电压和太阳能电池端电压, 以判断是否需要切换到市电电源供电状态和是否需要转换至白天工作模式。图5为系统在晚上工作模式下的程序流程图。

4 LED驱动器的搭配设计

在设计LED灯具时, 需要考虑选用什么样的LED驱动器以及LED作为负载采用的串并联方式, 合理地配合设计, 才能保证LED正常工作。在需要使用比较多的LED的产品中, 如果将所有LED串联, 将需要LED驱动输出较高的电压。如果将所有LED并联, 则需要LED驱动输出较大的电流。将所有LED串联或并联, 不但限制着LED的使用量, 而且并联LED负载电流较大, 驱动成本也会大增。解决办法是采用混联方式。

图6为本文所用LED灯具采用的串并联搭配方式, 采用混联方式 (4个一串) , 恒流式驱动。

5 结论

利用太阳能照明是人类开发利用太阳能的一个主要手段, 然而, 由于太阳能辐射的不连续性和间歇性, 单一太阳能照明系统经常出现在连续阴雨天时, 由于蓄电池电压不足, 负载不能点亮的情况。将太阳能电池与市电组成双电源互补供电照明系统, 不仅有效解决了太阳能利用不稳定的问题, 同时可以降低太阳能电池和蓄电池的容量, 与单一太阳能照明系统相比较, 该系统中太阳能电池和蓄电池的容量各降低了20%左右, 减少了系统的制造成本。具有良好的开发和应用前景。

摘要：提出一种基于PIC16F877A为控制核心的太阳能与市电互补LED照明系统。介绍系统的组成和工作原理、系统控制器和直流LED负载, 分析了系统的工作状态和程序控制流程。结合现有小区草坪灯、路灯的实际供电情况, 提出了太阳能和市电互补照明的设计思想, 在实际中具有良好开发和应用前景。

关键词：互补照明,PIC16F877A,控制流程,LED

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