光伏供電的彩色LED 點(diǎn)陣屏

張 波，汪義旺，齊美星，宋 佳

（蘇州市職業(yè)大學(xué) 智慧能源裝備與電能變換協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 蘇州 215104）

LED 點(diǎn)陣屏作為一種新型的文字信息和圖形顯示的載體，在現(xiàn)代信息化社會(huì)中應(yīng)用越來(lái)越廣[1-2]。彩色LED 點(diǎn)陣屏相比單色LED 點(diǎn)陣屏來(lái)說(shuō)色彩豐富很多，更加能吸引人眼球。太陽(yáng)能是隨處可用的清潔無(wú)污染的可再生能源，對(duì)人類應(yīng)對(duì)環(huán)境污染、能源危機(jī)和不可持續(xù)發(fā)展三大難題意義重大[3]。光伏供電的彩色LED 點(diǎn)陣屏系統(tǒng)不額外消耗電能，不受供電線路限制，極大地?cái)U(kuò)大了LED 點(diǎn)陣屏的應(yīng)用范圍，對(duì)節(jié)能環(huán)保有很好的示范推動(dòng)效果，是新能源技術(shù)和現(xiàn)代顯示技術(shù)的完美結(jié)合。

1 光伏供電部分

1.1 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤

光伏發(fā)電是太陽(yáng)能利用最重要的形式。光伏發(fā)電中利用太陽(yáng)能電池把太陽(yáng)的光能轉(zhuǎn)換為直流電能后,供負(fù)載使用，用儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)能或?qū)崿F(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。為使光伏電池輸出的電能類型與需求的電能類型相匹配，通常要采用電力電子技術(shù)對(duì)光伏電池輸出的電能進(jìn)行變換[4]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池的成本較高，系統(tǒng)必須讓光伏電池在任意光照強(qiáng)度下都發(fā)揮出其最大效能才能降低系統(tǒng)成本[5]。圖1 為溫度25 ℃時(shí)不同太陽(yáng)光強(qiáng)度下光伏電池的輸出電壓功率V-P 特性。可以看出，同一光照強(qiáng)度下，光伏電池有且只有一個(gè)最大功率點(diǎn)。光伏電池既不是恒壓源也不是恒流源，負(fù)載變化和光照強(qiáng)度等環(huán)境變化都會(huì)引起光伏電池輸出電壓的變化，不采取恰當(dāng)?shù)目刂品绞剑瑒t光伏電池往往不工作在最大功率點(diǎn)上。實(shí)現(xiàn)光伏電池工作在最大功率點(diǎn)上的方法就是在光伏電池和負(fù)載之間插入一個(gè)DC/DC 變換器，根據(jù)光伏電池特性，利用相應(yīng)的控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。DC/DC 變換器和實(shí)際負(fù)載一起作為光伏電池的負(fù)載，控制DC/DC 變換器使光伏電池的總負(fù)載在不同環(huán)境下始終與光伏電池的內(nèi)部阻抗匹配，使光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)上[6]。DC/DC 變換器效率很高，自身功耗很小，實(shí)際負(fù)載上可獲得最大功率。這就是所謂的光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。

圖1 25 ℃不同光照下光伏電池V-P 特性

從圖1 中可以看出，不同光照下光伏電池輸出功率最大時(shí)其輸出電壓基本相等，記為UMPP。因此只要控制DC/DC 變換器使光伏電池輸出電壓也即DC/DC變換器輸入電壓始終為UMPP，就能在不同光照條件下實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT，這就是恒壓控制法。恒壓控制法可靠性高，穩(wěn)定度好，易于實(shí)現(xiàn)，在功率不大的光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常使用。基于光伏電池的特性，實(shí)現(xiàn)光伏電池MPPT 的方法還有：擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、功率回授法、最優(yōu)梯度法、間歇掃描跟蹤法、模糊邏輯法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等[7]。

1.2 光伏供電部分設(shè)計(jì)

DC/DC 變換器有很多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，理論上來(lái)說(shuō)都能用來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT[8]。相比其他DC/DC 變換電路，Boost電路有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）輸入電流連續(xù)，如果電感足夠大就可以使直流輸入電源的電流波動(dòng)小，這對(duì)實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT 非常有利；（2）功率開關(guān)管接地，易于驅(qū)動(dòng)。而且Boost 電路本身結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此很多場(chǎng)合下實(shí)現(xiàn)MPPT 都選用Boost 電路。圖2 為實(shí)現(xiàn)MPPT的Boost 電路，主電路由功率開關(guān)管S、二極管D、高頻電感L 和電容C 構(gòu)成。對(duì)光伏電池的輸出采樣并作為控制對(duì)象，即控制對(duì)象是Boost 電路的輸入，采用恰當(dāng)?shù)目刂扑惴▽?shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤。本系統(tǒng)功率不是很大，適宜采用恒壓法控制[9]，使光伏電池輸出大壓穩(wěn)定在UMPP。Boost 電路的輸出電壓在一小段時(shí)間內(nèi)基本被蓄電池鉗位于某一值，改變Boost 電路占空比，就改變了其輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池的MPPT。

圖2 實(shí)現(xiàn)MPPT 的Boost 電路

光伏供電部分結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。微控制單元（MCU）是控制的核心，選用TI 公司的MSP430G2553混合信號(hào)處理器。MCU 根據(jù)采樣光伏電池電壓改變輸出的PWM 信號(hào)的占空比，使光伏電池輸出電壓穩(wěn)定在UMPP。MOS 管具有開關(guān)頻率高、易于驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，中小功率下開關(guān)管首選MOS 管，因此本方案開關(guān)管選用MOS 管。驅(qū)動(dòng)電路選用專用驅(qū)動(dòng)芯片IR2110。IR2110 兼有光耦隔離和電磁隔離的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 光伏供電部分結(jié)構(gòu)圖

光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的使用壽命比較短，要采用恰當(dāng)?shù)某潆姺绞揭匝娱L(zhǎng)其壽命。本文采用三段式充電。需要大電流充電時(shí)，對(duì)光伏電池進(jìn)行MPPT 控制，以最大功率對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；若檢測(cè)到充電電流過(guò)大，則不再進(jìn)行MPPT 控制，轉(zhuǎn)為恒壓充電，以限制充電電流；采用涓流充電或恒壓充電時(shí)，不再對(duì)光伏電池進(jìn)行MPPT 控制，控制以蓄電池充電控制為主。涓流充電結(jié)束后，MCU 使功率開關(guān)管S 斷開，防止過(guò)充。S 斷開，光電池輸出電壓低于蓄電池電壓，充電電流為零。

2 彩色LED 點(diǎn)陣屏

當(dāng)今信息化社會(huì)中，LED 點(diǎn)陣屏在商業(yè)中心、銀行、展覽場(chǎng)館、娛樂(lè)場(chǎng)所、公交車、碼頭、車站、商鋪等很多場(chǎng)所應(yīng)用越來(lái)越廣[10]。LED 點(diǎn)陣屏每行和列都有很多發(fā)光點(diǎn)，比如32×64 點(diǎn)陣屏的每列和每行分別有32 和64 個(gè)發(fā)光點(diǎn)。點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光點(diǎn)就可以顯示對(duì)應(yīng)的文字符號(hào)、圖形。彩色LED 點(diǎn)陣屏每個(gè)發(fā)光點(diǎn)由紅、綠、藍(lán)三個(gè)不同發(fā)光顏色的LED 構(gòu)成，共陽(yáng)極或共陰極[11]。三基色可組合成各種不同的顏色。以共陽(yáng)極為例，每行所有LED 的陽(yáng)極連在一起，每列同種顏色的所有LED 的陰極連在一起，每列有三個(gè)控制信號(hào)。以行掃描為例，要顯示某一顏色的圖形符號(hào)，首先要確定顯示該圖形符號(hào)需亮起的所有的發(fā)光點(diǎn)的位置和每個(gè)發(fā)光點(diǎn)顏色。行選擇信號(hào)選中某一行時(shí)，其余各行都不能點(diǎn)亮，同時(shí)送出列信號(hào)。選中的行有需要亮起的發(fā)光點(diǎn)，就使該發(fā)光點(diǎn)的列信號(hào)有效，使其可以點(diǎn)亮。發(fā)光點(diǎn)的三個(gè)列信號(hào)同時(shí)送出，需要什么顏色就點(diǎn)亮相應(yīng)的LED。每次點(diǎn)亮一行里需要亮起的 LED，一行顯示完成后點(diǎn)亮下一行需要亮起的LED，循環(huán)進(jìn)行[12]。每行點(diǎn)亮?xí)r間很短，由于人眼視覺(jué)滯后效應(yīng)，人眼看到的點(diǎn)陣屏各行是同時(shí)點(diǎn)亮的，是需要顯示的某一顏色的圖形符號(hào)。滾動(dòng)顯示圖形符號(hào)時(shí)行掃描控制方式一樣，列控制信號(hào)每隔一相等的時(shí)間段（比如1 s）送出的數(shù)據(jù)往滾動(dòng)的方向移動(dòng)一位，每一時(shí)間段內(nèi)列控制信號(hào)控制方式和靜態(tài)時(shí)相同，時(shí)間段的長(zhǎng)短決定了滾動(dòng)速度的快慢。

兩塊32×64 彩色LED 點(diǎn)陣屏級(jí)聯(lián)成一塊32×128點(diǎn)陣屏。74HC138 是高速CMOS 器件和常用的3 線-8線譯碼器，4 片74HC138 構(gòu)成5 線-32 線譯碼器進(jìn)行行掃描。74HC595 是一種漏極開路的CMOS 的8 位串行輸入、并行輸出的移位寄存器[13]。一種顏色的列信號(hào)由16 片74HC595 控制，三種顏色共需48 片74HC595。行掃描和列信號(hào)都由單片機(jī)控制發(fā)出。行和列都要加上相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器件。選中某一行時(shí)，單片機(jī)控制三種顏色對(duì)應(yīng)的所有的74HC595 同時(shí)并行輸出所需的列信號(hào)來(lái)點(diǎn)亮該行，同時(shí)串行輸出下一行所需的列信號(hào)到74HC595 中。設(shè)計(jì)制作的彩色LED 點(diǎn)陣屏分辨率為64×128。兩塊32×128 點(diǎn)陣屏拼在一起構(gòu)成一個(gè)64×128 點(diǎn)陣屏。兩塊32×128 點(diǎn)陣屏由同一單片機(jī)STM32F103C8T6 單片機(jī)統(tǒng)一控制，可作為一塊64×128 點(diǎn)陣屏使用，也可各自單獨(dú)使用。整體使用時(shí)，單片機(jī)的10 個(gè)I/O 引腳控制8 片74HC138 統(tǒng)一進(jìn)行行掃描。設(shè)計(jì)的64×128 彩色LED 點(diǎn)陣屏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 彩色LED 點(diǎn)陣屏部分結(jié)構(gòu)圖

3 光伏供電的彩色LED 點(diǎn)陣屏

光伏電池是直流輸出，LED 點(diǎn)陣屏是直流供電，兩者很容易匹配。光伏電池只有在白天才能發(fā)電，而LED 點(diǎn)陣屏往往要在晚上工作，因此光伏電池為L(zhǎng)ED點(diǎn)陣屏供電時(shí)要配上蓄電池。光伏供電的彩色LED 點(diǎn)陣屏系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 光伏供電的彩色LED 點(diǎn)陣屏

光伏發(fā)電部分實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池的MPPT 控制和對(duì)蓄電池的充電保護(hù)，光伏發(fā)電部分輸出功率大于LED點(diǎn)陣屏所需功率時(shí)，對(duì)蓄電池充電。蓄電池和彩色LED 點(diǎn)陣屏之間的DC/DC 變換電路可保證對(duì)不同類型的LED 點(diǎn)陣屏供電電壓都符合要求，同時(shí)放電控制部分保護(hù)蓄電池不至于過(guò)放電。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的點(diǎn)陣屏采用64×128 像素的P4 彩色LED 點(diǎn)陣屏，平均功率為100 W。假定LED 點(diǎn)陣屏每天工作12 h，蓄電池保證連續(xù)兩個(gè)陰雨天正常工作，則蓄電池選型為 12 V/200 A?h。光伏電池組最大功率點(diǎn)電壓為10.2 V，功率180 W，在點(diǎn)陣屏正常使用時(shí)，大約4 d 可以充滿蓄電池。

4 結(jié)語(yǔ)

光伏供電的彩色LED 點(diǎn)陣屏不受電網(wǎng)供電限制，適應(yīng)性更廣，節(jié)能環(huán)保。彩色LED 點(diǎn)陣屏色彩豐富，更能吸引人的眼球。該系統(tǒng)技術(shù)通用性和可移植性強(qiáng)，切合市場(chǎng)需求，市場(chǎng)潛力巨大。