高亮度LED太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要：在傳統(tǒng)的太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中，通常經(jīng)過(guò)防電流倒灌二極管將太陽(yáng)能板與蓄電池直接相連，這將導(dǎo)致太陽(yáng)能板的利用效率低，同時(shí)容易使蓄電池長(zhǎng)期處于欠充滿(mǎn)狀態(tài)，造成其使用壽命的縮減。本文在研究太陽(yáng)電池電路模型的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)?；旌系淖畲蠊β庶c(diǎn)追蹤（Maxim Power Point Tracking,簡(jiǎn)稱(chēng)MPPT）策略，它可最大程度地利用太陽(yáng)能，同時(shí)對(duì)固態(tài)光源LED 的驅(qū)動(dòng)電路做了研究，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的高效性和實(shí)用性。

1 引言

隨著固態(tài)光源的發(fā)展，LED 的應(yīng)用已不再僅僅局限于指示燈領(lǐng)域，它憑借壽命長(zhǎng)，光效高等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代照明體系中日益凸現(xiàn)優(yōu)越性。伴隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，大功率高亮度LED 更以其高效、節(jié)能而進(jìn)一步引起了社會(huì)各界對(duì)該光源的廣泛關(guān)注。但目前，LED 太陽(yáng)能路燈還存在因燈驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)致LED 光衰現(xiàn)象及太陽(yáng)能利用率不高等不足。業(yè)界普遍認(rèn)為L(zhǎng)ED的恒流驅(qū)動(dòng)對(duì)抑制光衰效果顯著。

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能路燈充電系統(tǒng)中，通常經(jīng)過(guò)防電流倒灌二極管將太陽(yáng)能板與蓄電池直接相連，這將導(dǎo)致太陽(yáng)能板的工作點(diǎn)偏移最大功率點(diǎn)（MaximPower Point,簡(jiǎn)稱(chēng)MPP），而未有效利用太陽(yáng)能板的可輸出功率；同時(shí)容易使蓄電池因供能不足而長(zhǎng)期處于欠充滿(mǎn)狀態(tài)，造成壽命縮減。本文在研究太陽(yáng)電池電路模型的基礎(chǔ)上，分析了恒壓追蹤[1]、擾動(dòng)觀(guān)察[2,3]等最大功率追蹤（MPP Tracking,即MPPT）法，提出了一種數(shù)模混合的MPPT 策略，它可使太陽(yáng)電池的輸出穩(wěn)定在MPP 附近，從而有效利用了太陽(yáng)能板可輸出的最大功率。

2 太陽(yáng)電池的電路模型

圖1 示出太陽(yáng)電池的電路模型。通常，材料內(nèi)部的等效并聯(lián)電阻Rsh 值大，而材料內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻Rs 值很小。

圖1 太陽(yáng)電池的電路模型

圖中Is---由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的電流

輸出負(fù)載RL 上的電壓電流關(guān)系為：

式中q,k---電子電荷量及波耳茲曼常數(shù)

A---太陽(yáng)能板的理想因素，A=1~5

T---太陽(yáng)能板的溫度

Ios---太陽(yáng)能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)

由上述關(guān)于太陽(yáng)能板電路模型的分析可見(jiàn)，太陽(yáng)電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2示出太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 時(shí)的典型輸出特性。

式中q,k---電子電荷量及波耳茲曼常數(shù)

A---太陽(yáng)能板的理想因素，A=1~5

T---太陽(yáng)能板的溫度

Ios---太陽(yáng)能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)

由上述關(guān)于太陽(yáng)能板電路模型的分析可見(jiàn)，太陽(yáng)電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2示出太陽(yáng)電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 時(shí)的典型輸出特性。

圖2 太陽(yáng)能板的典型輸出特性曲線(xiàn)

太陽(yáng)能板的輸出開(kāi)路電壓uoc 和輸出短路電流isc的值由生產(chǎn)廠(chǎng)給出。

3 電路工作原理

目前，市場(chǎng)上絕大部分太陽(yáng)能路燈都是通過(guò)防電流倒灌二極管將蓄電池與太陽(yáng)能板直接相連以充電的。圖3 示出傳統(tǒng)的充電電路。

圖3 傳統(tǒng)的充電電路

這種做法的弊端是它將使太陽(yáng)能板的輸出電壓Uarr 被蓄電池箝位在其電動(dòng)勢(shì)12V 左右，也即其工作點(diǎn)被限制在圖2 的Q 點(diǎn)，這將使太陽(yáng)能板的輸出功率Parr 大幅度降低。

在太陽(yáng)能板與蓄電池組中加入DC/DC電路，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)Uarr,從而使其穩(wěn)定在圖2 的P 點(diǎn)，以便能有效利用太陽(yáng)能板的可輸出功率。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，太陽(yáng)電池的最佳工作電壓與其開(kāi)路電壓之間存在一個(gè)特定的比例關(guān)系，基于該思想產(chǎn)生了恒壓跟蹤MPPT策略，但在非標(biāo)準(zhǔn)條件下，其實(shí)用性較差。利用擾動(dòng)開(kāi)關(guān)管的工作占空比D,直至輸出功率Parr 達(dá)到最大的擾動(dòng)觀(guān)察法，在尋找MPP 上更具通用性。

對(duì)于Buck 電路，存在UarrD=Ubat 關(guān)系，所以：

式中Ubat ---蓄電池電壓