基于單片機的太陽能草坪燈LED照明設計

1 引言

　　太陽能作為一種新興的綠色能源，以其無可比擬的優勢得到迅速的推廣應用。一般人認為，節能燈可節能4/5是偉大的創舉，但LED比節能燈還要節能1/4，這是固體光源偉大的革新。除此之外，LED還具有光線質量高，基本上無輻射，可靠耐用，維護費用極為低廉等優勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮LED的研制成功，大大地降低了太陽能燈具使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明系統初裝的成本報價，并且具有保護環境、安裝簡便、操作安全、經濟節能等優點。本文主要介紹它的一些知識，希望能給大家一些啟發。

　　2 LED太陽能草坪燈的定義及結構組成

　　太陽能草坪燈主要利用太陽能電池的能源來進行工作，當白天太陽光照射在太陽能電池上，把光能轉變成電能存貯在蓄電池中，再由蓄電池在晚間為草坪燈的LED（發光二極體）提供電源。其優點主要為安全、節能、方便、環保等。適用于住宅社區綠草地美化照明點綴，公園草坪美化點綴。LED太陽能草坪燈的結構組成：由太陽能電池組件（光電板）、超高亮LED燈（光源）、免維護可充電蓄電池、自動控制電路、燈具等組成。

　　3 太陽能草坪燈的系統組成、控制原理和電路原理

　　3.1 太陽能草坪燈的系統組成

　　LED太陽能草坪燈是一個獨立的發電系統。它能夠獨立的完成把太陽能轉換為電能，并能把電能轉換成熱能供照明和裝飾使用，而不需要電線的傳輸。一個獨立的光伏系統一般由以下三部分組成：太陽電池組件；充、放電控制器、逆變器、測試儀表和計算機監控等電力電子設備和蓄電池或其它蓄能和輔助發電設備。光伏系統具有以下的特點：沒有轉動部件，不產生噪音； 沒有空氣污染、不排放廢水；沒有燃燒過程，不需要燃料； 維修保養簡單，維護費用低；運行可靠性、穩定性好；作為關鍵部件的太陽電池使用壽命長，晶體硅太陽電池壽命可達到25年以上；根據需要很容易擴大發電規模。

圖4-0 幾種常見的LED太陽能草坪燈

　　圖4-1是一個典型的供應直流負載的光伏系統示意圖。其中包含了光伏系統中的幾個主要部件：光伏組件方陣：由太陽電池組件（也稱光伏電池組件）按照系統需求串、并聯而成，在太陽光照射下將太陽能轉換成電能輸出，它是太陽能光伏系統的核心部件。

　　LED太陽能草坪燈是一個小型的太陽能供電系統（圖4-2是一個簡單的太陽能供電系統）。它的結構非常簡單主要由太陽能電池板、充放電控制器、蓄電池、照明電路和燈桿等部分組成（如圖4-3）。

　　3.2 太陽能草坪燈的控制原理

　　太陽能草坪燈的控制器主要是用于蓄電池充放電的而控制。圖4-4就是一個最基本的充放電控制器。在該圖中，由光伏電池板、蓄電池、太陽能控制器和負載組成了一個基本的光伏應用系統。這里的開關K1和K3為充電開關，K3為放電開關，它們均屬于太陽能控制中心的一部分。圖中開關的開合由控制電路根據系統的充放電狀態來決定。當蓄電池充滿電時斷開充電開關，需要充電時閉合充電開關；當蓄電池放電時閉合K2，否則斷開。而這些控制電路可以采用三極管、電阻、電容、電感構成的電壓比較升壓充放電電路，也可以采用光控電路，或者采用集成運放構成的電壓滯回比較器，還可以采用單片機。鑒于廉價的考慮一般采用前者。

　　一般來說，一個合格的太陽能充放電控制器具有以下幾種充放電保護模式：

　　a 直充保護點電壓：直充也叫急充，屬于快速充電，一般都是在蓄電池電壓較低的時候用大電流和相對高電壓對蓄電池充電，但是，有個控制點，也叫保護點，就是上表中的數值，當充電時蓄電池端電壓高于這些保護值時，應停止直充。直充保護點電壓一般也是“過充保護點”電壓，充電時蓄電池端電壓不能高于這個保護點，否則會造成過充電，對蓄電池是有損害的。

　　b 均充控制點電壓：直充結束后，蓄電池一般會被充放電控制器靜置一段時間，讓其電壓自然下落，當下落到“恢復電壓”值時，會進入均充狀態。為什么要設計均充？就是當直充完畢之后，可能會有個別電池“落后”（端電壓相對偏低），為了將這些個別分子拉回來，使所有的電池端電壓具有均勻一致性，所以就要以高電壓配以適中的電流再充那么一小會，可見所謂均充，也就是“均衡充電”。均充時間不宜過長，一般為幾分鐘~十幾分鐘，時間設定太長反而有害。對配備一塊兩塊蓄電池的小型系統而言，均充意義不大。所以，路燈控制器一般不設均充，只有兩個階段。

　　c 浮充控制點電壓：一般是均充完畢后，蓄電池也被靜置一段時間，使其端電壓自然下落，當下落至“維護電壓”點時，就進入浮充狀態，目前均采用PWM（既脈寬調制）方式，類似于“涓流充電”（即小電流充電），電池電壓一低就充上一點，一低就充上一點，一股一股地來，以免電池溫度持續升高，這對蓄電池來說是很有好處的，因為電池內部溫度對充放電的影響很大。其實PWM方式主要是為了穩定蓄電池端電壓而設計的，通過調節脈沖寬度來減小蓄電池充電電流。這是非?？茖W的充電管理制度。具體來說就是在充電后期、蓄電池的剩余電容量（SOC）>80%時，就必須減小充電電流，以防止因過充電而過多釋氣（氧氣、氫氣和酸氣）。

　　d 過放保護終止電壓：這比較好理解。蓄電池放電不能低于這個值，這是國標的規定。蓄電池廠家雖然也有自己的保護參數（企標或行標），但最終還是要向國標靠攏的。需要注意的是，為了安全起見，一般將12V電池過放保護點電壓人為加上0.3V作為溫度補償或控制電路的零點漂移校正，這樣12V電池的過放保護點電壓即為11.10V，那么24V系統的過放保護點電壓就為22.20V 。目前很多生產充放電控制器的廠家都采用22.2V（24V系統）標準。