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学年论文 太阳能LED照明系统

学年论文 太阳能LED照明系统


太阳能LED照明系统
余艺 曾权 刘柏林

太阳能灯具:

LED灯
LED灯(Light Emitting Diode )又叫发光二极 管,它是一种固态的半导体器件,可以直接把电转 化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一 端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源 的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体 晶片由三部分组成,一部分是P型半导体,在它里面 空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要 是电子,中间通常是1至5个周期的量子阱。当电流 通过导线作用于这个晶片的时候,电子和空穴就会 被推向量子阱,在量子阱内电子跟空穴复合,然后 就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。 ? LED灯具有体积小、耗电低、寿命长、无毒环保 等诸多优点,LED灯具从室外装饰,工程照明,逐渐 发展到家用照明。
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太阳能与LED的渊源
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在能源日益短缺的今天,自然能的利用成了人们关注的焦点, 在各种自然能中,无穷无尽的太阳能以其无处不在的优势倍受青 睐。 实际上,地球上的一切能源都来自太阳。煤和石油的生成, 植物的生长,水和风的运动。但是,由于太阳能的分散性和不稳 定性,直接利用太阳能并不容易,近年来,随着能源的短缺和太 阳能利用技术的提高,直接利用太阳能才成为现实。 夏季晴天的太阳光每平方米不足1000瓦,可见,太阳能虽然 巨大,但十分分散。商品化的硅太阳能电池板的光/电转换效率 约14%,价格也较高,因此,太阳能一般用于小功率发电。由于 发电功率小,用电功率也不能太大,要在小的电输入功率下有尽 可能好的照明效果,照明光源的发光效率很重要。在小功率时, 传统光源光效很低,不适合在太阳能照明系统中应用。近年来, 半导体发光二极管技术不断进步,已经成为一种新型照明光源, 小功率照明应用时光效高,配合太阳能电池板和蓄电池组成太阳 能LED照明系统必然是趋势所向。

太阳能LED照明系统的工作原理
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,将电能储存到储能器件中,在LED照明系统需要电 能供电时,采用驱动控制器,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系统设计
1、太阳能电池板
太阳能电池是太阳能照明系统的输入,为整个系统提供照明和控制所需电能"在白天光 照条件下,太阳能电池将所接收的光能转换为电能,经充电控制电路子系统对蓄电池充电; 天黑后,太阳能电池停止工作,停止对蓄电池的充电。

2、蓄电池
作为太阳能LED的储能元件,自天蓄电池将太阳能电池输出的电能转换为化学能储存 起来,至夜晚时,智能控制器一再控制驱动电路工作,蓄电池通过驱动电路实现驱动LED恒 流工作,全天中,智能控制器的电源一直由蓄电池供给。

3、智能控制器
此部分是本系统的核心部分,白天时,控制太阳能对蓄电池进行充电"晚上, 控制恒流驱动LED进行照明,并在深夜时,进行半功率照明以节约能源,更为关 键的是,在白天对蓄电池智能充电时,必须具备MPPT智能算法,以最大限度提升 太阳能电池板功率输出。同时,必须有蓄电池智能充电策略,最大程度延长蓄电 池使用寿命。

4、LED

DC/DC电路分析
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充电电路子系统设计
由于系统的MCU由蓄电池供电,并且需要经常检测太阳能电池板的电压 等,若太阳能电池板输电压和蓄电池电压极性相反,给整个系统设计带 来很多不便,这里选用speic变换电路

? LED驱动电路设计
对于主电路,恒流控制的电流通过采样电阻R将电流转换成电压,控制器 通过开关管的开通与关断,能够实现恒定采样电阻上的电阻,从而实现 了恒定LED阵列的电流"如果能够调节控制器恒定采样电阻上的电压值, 则将实现LED的模拟调光

MPPT最大功率跟踪算法及MCU嵌入式充电电 路
算法直接关系到太阳能利用率的高低及系统能 源利用率。而传统控制器大多是太阳能电池通过二极 管直接对蓄电池进行充电,不但充电时能源有效利用 率低,同时对蓄电池使用寿命影响也甚大"采用的MPPT 最大功率跟踪算法,在太阳能对蓄电池充电时,实现将 太阳能电池板的输出功率最大化,太阳能利用效率比 传统方式要高出40%左右。

蓄电池智能充电策略
有效、科学地使用蓄电池,对提高蓄电池的使用 效率、蓄电池的充电效率、延长蓄电池的使用寿命都 十分关键。在对蓄电池进行智能充放电管理时,还必须 考虑蓄电池端电压随温度漂移的温度智能补偿才能实 现精确控制蓄电池的过充和过放,延长蓄电池使用寿命。 此外系统集成时,必须综合实现蓄电池智能充电策略和 MPPT最大功率跟踪算法,即最大限度提升太阳能电池 板功率输出的同时,延长蓄电池使用寿命。

软件系统
实时控制整个系统的工作,白天充电,晚上亮灯,且至半夜时控制灯的功率 降半,以节约能源"软件系统将一天分成五个工作部分;第一部分,在天刚亮时, 天有点亮,但是不够亮,这时控制LED半功率运行;第二部分,天逐渐变亮,在 地面照度达到100勒克斯以上,无需照明同时又由于光能不够大,光能经太阳 能电池板转换成的电能可以忽略不计,所以控制LED全灭且不对蓄电池充电; 第三部分,当太阳辐射能进一步变大时,只要MPPT智能算法控制的蓄电池充电 功率大于MCU!开关管等的功耗,系统便自行充电;第四部分:在黄昏时,阳光 变弱,在大自然照度达到小于100勒克斯时,开启LED进行照明。此时,由于环 境亮度并不太暗,控制LED半功率运行;第五部分:随着时间的推移,环境进一 步变暗在在大自然照度达到50勒克斯左右时,控制LED全功率运行。太阳能LEO 照明系统为重要的是,通过蓄电池智能充电策略的控制,充电的整个过程都是 以马斯特性l}曲线进行,有利于最大化充电效率的同时,延长蓄电池使用寿命。 与此同时,系统对于一定范围内的不同功率规格太阳能电池板、不同规格蓄电 池、不同规格LED均能自适应并稳定高效的工作。 当充电功率很大时,采样过程中的能量损耗会相当可观。而采用常规的电 阻采样,要降低采样电阻上的损耗,须将电阻将致很小。采样电阻非常小时, 为了提高精度,需要对采样值进行放大,而常规的放大器都有漂移,对系统后 续的数据处理引入较大识差。高端采样是一种可靠的采样方式。大功率下,采 用高端采样是本系统的改进方向。

太阳能电池板 LED照明 灯

控制电路

蓄电池

太阳能LED照明系统的应用

?路灯

家庭庭院灯

消防应急标志灯

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谢谢!!


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