市政電源/太陽能聯合的LED照明控制

謝蘭清

（廣西工業職業技術學院，南寧 530001）

0 引言

太陽能是一種新型的環保能源，現代新能源當中，人們普遍認為太陽能光伏發電是未來最具發展潛力的技術之一[1]。將永不枯竭、清潔環保的太陽能與LED節能、快速響應的特征相結合，將是一種近趨于完美的組合。考慮到路燈、小區草坪燈的現有市政供電系統，就目前大多采用的是市政電源供電或者單一的太陽能取電方式，其可靠性方面尚存不足[2]。本文以太陽能為主，市政供電為輔的節能控制策略，可靠性高，經濟效益顯著，具有實際的開發價值。

1 系統構架

如圖1所示，該系統構成為[3]：1) 太陽能電池；2) 蓄電池；3) 控制器；4) LED負載；5) 市政電源。

圖1 系統構架

在正常運行情況下，LED負載是由蓄電池來提供電源，當蓄電池因電能消耗而電壓不夠時，由市政電源來進行補充。在設計過程中，應合理地減少蓄電池的電池容量，節約工程耗資。其具體功能：

1）太陽能電池。實現太陽能的轉化，并將能量存儲在蓄電池中，進而驅動LED照明負載。

2）蓄電池。接收太陽能電池輸送過來的能量，并存儲，用于驅動LED燈具照明。

3）控制器。監控蓄電池的充電/放電，防止其過放電以及過充電。實現市政電源和太陽能電池間的切換控制，確保LED燈具正常照明。

4）LED負載。LED照明光源處于該照明控制系統的末端，屬于新興的、環保節能光源。

5）市政電源。屬于備用電源，在連續陰天，蓄電池出現太陽能充電不足時，由市政電源向LED照明負載直接供電，其切換過程由控制器實現。

2 控制器設計

控制器監測系統的實時運行參數；控制蓄電池的充電和放電；實現市政電源與蓄電池之間的切換；控制LED照明負載的工作狀態等。本文以PIC1 6F 8 77A為控制核心，其具體實現見圖2。其主要對蓄電池的充電、放電，與市政電源間的切換的控制，見圖2中 C1 - C 3。數碼晶體管的顯示以及其驅動見圖2中A~G/Dig_En1~Dig_En6。

圖2 控制器實現

3 控制流程設計

該控制系統包含了兩種模式：1)白天模式；2)夜晚模式。蓄電池以其端電壓值作為判斷其電量足夠與否的依據；端電壓＞12V，充足；端電壓＜ 1 2V ，不足。控制邏輯見表1。

在白天時，蓄電池中止放電，對其充電。獲取蓄電池端電壓，若其＜12V，則采用直流來實現快速充電；若其＞12V，則采用脈沖充電。

在夜晚時，蓄電池中止充電，獲取蓄電池端電壓，若其＞9V，接通其放電回路；若其＜9V，強制斷開其放電回路，進而由市政電源給LED照明負載提供電源。

本控制系統中，還設計了深夜半功率供電，也就是在深夜時，LED照明負載的照明亮度為正常工作時的1/2，于是蓄電池所輸出的功率也為正常工作時的1/2。

3.1 控制主流程

啟動系統，控制器檢測太陽能電池端電壓，若其＜0.7V，則認為是夜晚，系統選擇夜晚模式；若其＞0.7V，則認為是白天，系統選擇白天模式，如圖3所示。

圖3 系統主流程

3.2 白天模式

在白天模式，控制器強制斷開蓄電池與市政電源的供電回路，具體控制實現：獲得蓄電池端電壓，若其大于15V（過充點)，終止充電；當其小于12V（過放點)，采用直流方式對其充電，節約充電時間；當其處于12V～15V之間時，以脈沖方式進行充電，從而實現了蓄電池的充電與放電的控制。同時也需監測太陽能電池端電壓，用于決定是否應切換至夜晚模式，流程如圖4所示。

圖4 白天模式流程

3.3 夜晚模式

在夜晚模式，蓄電池中止充電。獲得蓄電池端電壓值，并作為判斷LED的電源是該由市政電源還是蓄電池提供的依據。若是由市政電源來提供，則由控制器進行切換。若是由蓄電池來提供，判斷是否采用半功率供電方式；若是，蓄電池就采用半功率方式放電；不然蓄電池仍正常供電。不論是正常還是半功率供電形式，控制器都會實時監測太陽能電池以及蓄電池兩者的端電壓，用于決定是否由市政電源供電還是應切換為白天模式，流程如圖5所示。

圖5 夜晚模式流程

4 LED驅動器

在設計過程中，LED燈具的連接方式以及其驅動選擇問題均比較棘手。筆者查閱了很多現在LED市場上的產品資料，得出：若對LED燈具進行簡單串接，其驅動電壓會相當高；若對LED燈具進行簡單并接，其驅動電流又會相當大。綜合前兩種因素，本文設計了混聯方式，4個LED照明等串聯，然后在并聯起來，采用恒流驅動。其實際應用效果良好。

表1 控制邏輯

5 結論

太陽能屬于一種清潔環保的新能源。本文采用將太陽能與市政電源聯合的方法，彌補了在陰雨天、冬季太陽能不足的缺陷。有效縮減了蓄電池的需求容量，節約了成本。同時系統得到顯著提升，具有實際的研發意義與經濟效益。

[1] 蔣培興.基于AT89C52的大功率太陽能LED 路燈電路設計與仿[J].照明工程學報,2009,20(4):59-64.

[2] 王秀玲,王文蘭,吳武臣.基于PIC16F877A的太陽能與市電互補照明系統控制器的設計[J].微型機與應用,2010,02:27-29.

[3] 馬磊.獨立式太陽能半導體照明系統的研究與設計[D].華中科技大學,2006:12-26.