基于太阳能驱动的LED照明系统

　　能源短缺是当今社会中的热点问题，它直接制约着经济和社会的发展，可再生能源的利用也就成了当今世界关注的焦点之一。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。近年来太阳能的利用得到了世界各国的广泛关注，美国、日本、德国相继提出了“阳光计划”、“节能计划”等大力发展太阳能光伏发电技术。自“六五”以来我国政府也一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。同时，照明作为日常生活中不可缺少的一部分，成为了世界各国的一项重要的能源消耗，据统计照明用电占我国总发电量的10％以上，绿色节能照明的应用越来越受到重视。我国在1996年就提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解决与照明相关的能源供应问题，新型的照明光源LED发光产品在照明和装饰领域逐渐受到世人的瞩目。

　　太阳能电池板和LED都是由半导体材料构成的，随着半导体材料技术的更加完善必将推动太阳能和LED的进一步发展。将太阳能和LED结合起来为节能照明技术提供了新的解决方案。

　　1 照明系统的总体结构

　　此系统由太阳能电池、蓄电池和LED照明系统三大部分组成。太阳能电池板将太阳能转变成电能，一部分用来给直流负载LED供电，另一部分储存在蓄电池中。当没有太阳光或者光线暗时，LED照明系统所需要的能量不够的部分由蓄电池提供。LED照明部分不仅可以实现昼夜照明，同时采用了自动调光技术，可以使室内的光线保持恒定。如图1所示，其中的控制器1采用的是Boost电路，实现太阳能电池板的最大功率点跟踪。控制器2采用的是双向DC—DC变换电路，实现对蓄电池的充放电控制。控制器3是LED灯的恒流驱动和PWM自动调光控制。下面将分别介绍各部分的工作原理。

　　2 太阳能的MPPT算法

　　太阳能电池的输出功率是周围外部环境(光照、温度)的非线性函数。图2为太阳能电池P-V特性曲线。当光线一定时，太阳能电池的输出功率存在唯一的最大功率点；当光线变化时，太阳能电池的输出功率也随着改变，光线增强最大功率增大。太阳能电池的输出功率特性曲线还与温度有关，温度升高最大功率降低。使光伏电池工作于最大功率点，是提高光伏电池的最有效途径。最常见的MPVF算法有：恒电压控制法，此方法虽然简单，但不适于温度变化比较大的地区。扰动观察法，在光线变化比较大时扰动观察法可能出现跟踪方向判断错误等问题。电导增量法的缺点是对传感器灵敏度要求较高，系统响应速度快从而造成硬件成本比较高。

　　针对扰动观察法在光线变化比较快时不能准确跟踪，采用了一种改进的扰动观察法，在光伏电池的P—V特性曲线的顶点处任意取三点，可以得到如图3(a)所示的五种情况。设定一个比较符号足，初始化为0，比较三点功率。当C点功率比曰大或者相等时K=K+1，C比B小时K=K-1；同样比较日和A，比较完之后，若K=2，工作电压扰动往右移，若K=-2，工作电压扰动往左移，K=O说明此时工作电压对应的正是最大功率点，保持不变。当光线变化时所得到的A、B、C三点关系如图3(b)所示。此时计算出K=0，这样当光线变化时不进行最大功率点的跟踪，光线稳定后继续跟踪最大功率点，从而可以避免扰动观察法在光线变化后的跟踪方向判断失误。程序流程如图4所示。

　　采用Boost电路作为MPPT控制器，其原理如图5所示，输出端电压由负载决定，是个定值，通过改变开关管占空比就可以改变输入端太阳能池板所提供的电压，在每个采样周期对光伏电池的输出电压和电流采样，根据上文提出的MPPT算法调节MOS管占空比就可以进行最大功率点跟踪。

　　 3蓄电池的充电策略

　　光伏系统对蓄电池充电考虑的因素是：①尽量应用MPPT充分利用光伏电池；②充电特性曲线要满足蓄电池的要求，从而延长蓄电池的使用寿命。传统的充电方法有恒流充电、恒压充电等"1。恒流充电的缺点是充电后期电流相对蓄电池来说比较大。

　　恒压充电，虽然电流随着蓄电池端电压的增大而减小，但充电初期充电电流相对来说还是很大的。制约着这两种控制方法的最主要因素就是充电电流，所以．可以从控制电流的角度来对蓄电池充电进行有效地控制。

　　控制思想为M1：充电初期，给蓄电池设定一个比较大的充电限制电流，只要充电电流不超过这个限定值，都可以应用MPPT。同时，不断检测蓄电池的端电压，以判断蓄电池所处的充电状态，当端电压达到过充电压时，减小充电限制电流。重复上述过程，直到充电电流达到浮充电流(C／100)，说明蓄电池已充满。此后，以浮充电流对蓄电池充电，来弥补蓄电池反相自放电造成的能量损失。在此充电过程中，只要充电电流在所设定的范围内均可采用MPPT控制方法，从而大大提高了太阳能电池的利用率。

　　蓄电池充放电的控制是通过双向DC／DC变换器来执行的，如图6所示，此电路通过调节开关管导通和关断的占空比，可以实现升降压。所以不用考虑输入输出端的电压匹配问题，就可以使高低压端相互隔离，效率高控制灵活。当太阳光充足时开关Q2断开，通过控制开关Q1，来给蓄电池充电。当太阳能提供的能量不够LED照明系统用时，开关Q1断开，通过控制开关Q2，来给照明系统提供能量。

　　4 LED恒流及自动调光控制

　　随着半导体技术的不断发展，白光LED正逐渐进人到日常照明领域，LED是一种能够将电能转化成光能的半导体器件，它是依靠材料中的正负电荷复合来发光，现实中没有可以直接发出白光的半导体材料，白光LED的实现方法中最常用的就是利用RGB三种LED混合成白光。因此，将白光LED应用到照明中，可以根据需要配制成各种不同色温、色度的LED灯，将给人们带来极大的自由空间。同时，LED的驱动电压大大地降低，能源节省将近90％。

　　图7为LED I-V特性曲线，可近似认为正向电流，与正向电压y的n次方成正比。白色LED工作电压的较小波动就会导致工作电流的急剧变化，控制不当可能会使PN结烧坏。另外，LED的亮度、寿命等特性，都与电流有直接的关系，所以要对LED进行恒流驱动。采用图8所示的恒流驱动电路，图中的运放A和B构成一个闭环反馈电路，流过LED的电流在采样电阻R，上产生采样电压，该采样电压经过反馈运放B送到前向通道运放A中与参考电压V比较，产生控制电压对MOS管的栅源电压进行调节，从而可以达到恒流的作用。分析该电路，可得所恒定的电流为：Io=R2×Vt／R3(R1+R2)。其中E为基准电压；R1和R2为反馈电阻；最为采样电阻。

　　常用的白光LED亮度调节方法有：①改变电流调节；②PWM(脉冲宽度调制)方法。由LED本身的特性决定，它的亮度与通过的电流大小有关，即通过的电流增大，LED的亮度增强。但是这两者之间不是线性的关系，虽然通过改变电流可以调节亮度，但是，当电流增大到一定程度时白光LED会变色，而且电流过大对LED寿命也有影响。鉴于此，采用PWM方法进行调光，即在恒流和恒定频率的情况下，通过调节MOS开关管的导通时间，来调节平均亮度。这种方法不但可以使通过LED的电流恒定，而且还有助于LED的散热。

　　5 试验及结果

　　采用2块15 W／17 V太阳能蓄电池、1块12 V7AH蓄电池、9支1 W白光LED(3并3串)。控制器为1rI公司的TMS320LF2407A，此款DSP芯片多用于控制领域，可以输出多路PWM，自身带有lO位AD采样，运行速度快、处理能力强。

　　图9为采用本文介绍的充电控制策略对蓄电池充电得到的结果曲线。开始阶段，设定最大充电电流为C／IO=0．7 A，当蓄电池端电压达到过充电压14．8 V时，减小最大充电电流为C／20=0．35 A。重复上述过程，直到充电电流为浮充电流，说明此时蓄电池已充满。总的来说，充电环节满足了本系统的设计要求。

　　图10为LED恒流实测曲线，横坐标为LED加入的电压，纵坐标为流过LED的电流，可以看出，LED端加入的电压从12 V变化到17 V，基本上可以保证流过LED的电流为0．98 A左右，恒流精度可以达到0．03以内，完全满足LED恒流的要求。

　　6 结束语

　　本文所设计的系统充分考虑了光伏电池的最大功率点跟踪，提高了太阳能电池板的利用率。对LED灯进行了恒流驱动，保证了LED的寿命和发光效率。将二者结合起来真正实现了节能环保，具有很好的实用价值。