智能光伏LED节能灯系统设计

龚向阳

杭州临安宇中高虹节能工程有限公司，浙江省杭州市，310000

摘要：设计了智能光伏LED节能灯系统。系统包括光伏供电、驱动、感光、人体感应和无线通信部分等。光伏供电部分采用带最大功率点跟踪功能的电路对蓄电池充电，降低系统成本6%左右，且系统不需市电供电;驱动部分恒流驱动LED灯，并可进行PWM调光，光色纯正且节能;根据环境的光照强度自动开关LED灯，点亮LED灯时根据灯周围是否有人自动调节LED灯的亮度;无线通信部分采用ZigBee技术组网，每个LED灯都既能独立全自动工作又能随时按控制中心的指令工作。该系统智能化程度高，集光伏发电和LED照明的优势于一身，成本相对较低。

关键词：智能照明；发光二极管照明；光伏发电

引言

近年来，大功率LED灯以其优越的性能在通用照明领域的市场占有率不断快速提高，正在成为通用照明的主力。太阳能是清洁无污染且几乎随处可用的可再生能源，对人类应对环境污染、能源危机以及可持续发展三大难题意义重大。光伏发电是太阳能利用最重要的形式。光伏LED照明是可再生源技术和新型照明技术的完美结合［1］。光伏LED照明辅以蓄电池，可不用市电供电，在公园、居民小区、道路等户外场所尤其部分供电线路铺设困难的场所非常适用，市场广阔。智能照明旨在减少照明系统工作时人的干预［2］，实现自动化工作，旨在提高照明系统的适用性和舒适度，旨在节能环保和降低系统成本，是照明系统的发展趋势。本文综合应用多种新技术，设计制作了智能光伏LED节能灯系统。研究了光伏发电最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，MPPT)技术，考虑到LED灯功率不太大，采用恒压法实现MPPT;深入研究了LED灯的特性，选用恒流驱动和PWM调光;应用智能检测、智能控制以及无线通讯技等技术，使得系统智能化程度较高;给出了LED灯珠、光伏电池、蓄电池等的匹配方法，进一步降低了系统成本。

1.LED发展现状

光伏供电光伏发电是利用太阳能电池板将太阳的光能转换为电能。光伏电池输出既不是恒压源也不是恒流源的直流电，通常要通过电力电子电能变换装置才能对负载供电。光伏发电系统分为独立供电系统和并网发电系统两类。独立供电系统光伏电池发出的电经过DC/DC变换器或DC/AC变换器给不同类型负载供电;并网系统则通过并网逆变器对电网输出电能。要降低光伏系统成本，就要让光伏电池发挥出最大效能，就要对光伏电池进行MPPT。图1所示为25℃时不同光照下光伏电池U-P特性。从光伏电池特性可知，光照强度和温度一定时，光伏电池有且只有一个输出功率最大的点。光伏电池的光照强度、温度等变化多样，其所带负载大小也会变化。对光伏电池可输出的最大功率影响最大的是光照强度，温度的影响相对较小［3］。MPPT就是不论光照强度、温度、负载等怎么变化，都要让光伏电池工作在其在最大功率点上。实现MPPT具体办法就是在光伏电池和实际负载之间加入一DC/DC变换器。实际负载和DC/DC变换器一起作为光伏电池负载，根据光伏电池的特性曲线，采用相应的控制方法改变DC/DC变换器的占空比，使总的负载阻抗和此时光伏电池内部阻抗相匹配，负载上获得最大功率。由于DC/DC变换器效率很高，因此实际负载获得最大功率。理论上来说，任意一种DC/DC变换器都可用来实现MPPT［4］。Boost电路具有输入电流连续、结构简单、功率开关管接地易于驱动等很多优点。Boost电路输入电流连续，用于MPPT中就是光伏电池输出电流连续，如果采用的电感较大，就可使光伏电池输出电流波动很小，这点对实现MPPT很有利。因此Boost电路在实现光伏电池的MPPT中应用广泛，实现MPPT的控制算法有恒压法、扰动观察法、电导增量法、模糊逻辑控制法、神经网络控法等等，以及局部阴影下的MPPT控制算法。恒压法、扰动观察法、电导增量法是目前3种常用的MPPT算法［5］。恒压法的依据是光伏电池特性曲线上，不同光照强度下光伏电池输出最大功率时其输出电压几乎恒定，记此电压为UMPP，因此控制DC/DC变换器使光伏电池输出电压始终为UMPP就实现了对光伏电池的MPPT。恒压法硬件电路和控制算法都最为简单，多用在功率不大的场合下，但其未考虑到温度对光伏电池的影响，实际使用中可加入温度补偿部分来修正UMPP。扰动观测法的依据是光伏电池特性曲线上最大功率点的左侧输出功率随输出电压的增加而增加，而右侧输出功率随输出电压的增加而减少。控制时给定一扰动量ΔU，每次使光伏电池输出电压变化ΔU，记下此时的光伏电池的输出功率并和扰动前的比较，大于扰动前的功率则下次扰动时同方向使输出电压变化ΔU，小于扰动前的功率则反向使输出电压变化ΔU。稳定时，扰动观察法总能使光伏电池输出功率在其最大功率点附近。扰动观察法也较容易实现，但其反应不快，实现精度和扰动量大小ΔU相关。ΔU越小，扰动精度越高，但环境变化时其反应也越慢。增量电导法的依据是最大功率点处光伏电池的输出功率对其输出电压的导数为零。根据公式，检测光伏电池的瞬时电压电流，结合前一次检测结果，计算出电导G与电导增量ΔG的和。和为零，正好工作于其最大功率点处;和大于零，即光伏电池功率对电压的导数大于零，此时工作点位于最大功率点左侧;和小于零，即光伏电池功率对电压的导数小于零，此时工作点位于最大功率点右侧。增量电导法根据电导G与电导增量ΔG的和决定扰动方向，可以认为是扰动观察法的一种改进方法［6］。增量电导法电压摆动的幅值相对来说较小，光伏电池输出电压能平稳地跟随环境变化，克服了系统振荡问题。但是增量电导法对硬件要求较高，电路成本有所增加。

2.LED照明

LED灯具有体积小、寿命长、能耗低，发光颜色纯正且不含有紫外和红外辐射等优点。在人们注重节能环保和追求更高品质生活的当下，在“碳达峰”和“碳中和”的目标推动下，LED照明应用越来越广泛，除传统照明外，在如景观照明、健康照明、植物照明、非视觉领域等都得到了广泛应用。白光LED分为荧光粉转换LED和混色LED两类。荧光粉转换LED由蓝光LED激发黄色或红绿色荧光粉，再加上自身的蓝色产生白光。混色LED是通过几种单色LED混色来产生白光［7］，红绿蓝三原色产生白光(RGB-LED)、红绿蓝黄四原色产生白光(RGBY-LED)。荧光粉LED只需要一个LED芯片，具有工艺简单、控制电路简单、成本低、颜色稳定等优点，目前在白光LED市场中占主导地位。通过荧光粉技术创新来提高LED灯的光效是荧光粉LED技术发展永恒的主题［8］。混色LED很有发展潜力，是未来LED封装发展的主要趋势。近些年来，白光LED照明发展迅猛，成本不断下降，光效不断提高，其正成为照明市场的主流。LED的照明成本2008年开始低于白炽灯，2013年开始低于荧光和高强放电灯。白炽灯和卤钨灯的光效为12～24lm/W，传统荧光灯和HID灯的光效为50～120lm/W，且目前已几无可提升的空间。市场上每年上市的LED灯平均光效早已高于100lm/W，光效最高的产品已达200lm/W以上。白光LED理论上最大光效率为414lm/W［9］，还有不少的上升空间。LED灯本质上还是二极管。加在LED灯的正向电压小于其导通电压时，几乎没有电流流过。在LED的导通区电压从额定值的80%上升到100%时，电流则从其额定值的0%上升到100%。目前市面上常见的大功率单个LED灯珠功率大都不超过10W，导通电压大都在3．0～4．3V之间。大功率LED灯大都由多个LED灯珠串并联构成。从LED的特性知，LED的光通量与电流成正比［10］，控制电流可控制其亮度。工作时，LED压降低，很小的电压波动就会引起较大的电流波动，且电压偏高时会损坏LED灯珠。因此LED灯适宜采用恒流驱动。驱动电路的质量影响着LED的寿命，驱动电路的效率关系到系统的总体效率。在满足人们需求的前提下，随着环境的变化等等，LED灯应用时往往需要调光以实现节能。调光就是改变LED的驱动电流，其有两种方式:模拟调光和PWM调光。模拟调光时LED中电流是连续的，直接改变流过LED电流的大小来调节亮度。PWM调光时流过LED的电流是断续的，周期性通断。LED流过电流时其电流大小都相等，周期固定，通过控制每个周期流过LED的电流时间来调节亮度。人眼有视觉暂留现象，PWM调光以人眼察觉不到的开关频率进行开关工作，人眼感觉不到闪烁。PWM调光的频率至少要在50Hz以上［11］。LED以某一电流工作时会发出纯正的白光，电流偏离这个值就会有色差。LED的特性决定了其适合于频繁开关的场合。PWM调光方式还有助于驱动控制电流效率提高。因此PWM调光方式要优于模拟调光方式。

3. LED 驱动部分

蓄电池通过压控恒流源驱动LED灯。压控恒流 Ub 是蓄电池供电电压，负载为 LED 灯; Rs 为电流检测电阻。图中 3 脚和 2 脚分别是 运算放大器的同向输入端和反向输入端，1 脚是运算 放大器的输出端。Ug 为给定电压。选用高增益、转换 速度快的运算放大器 LM358。LM358 可单电源供电。 3 脚和 2 脚电压一有偏差就会立即通过 1 脚改变调整 管 S2 的栅极电压，改变 S2 漏源极上电流，使得 Rs 上 的电压始终和 Ug 相等。流过 MOS 管 S2 的漏极的电 流即负载上电流受 Ug 控制，Ug 确定负载 LED 灯上电 流就恒定。Ug 由单片机给出的数字信号经 D/A 转换 后得到。负载上电流 I 和 Ug 关系为 I = Ug /RSD/A 转换部分如图 5 所示，该部分主要器件包括 D/A 转换芯片 PCF8591 和作为电压基准的 TL431。 PCF8591 输出压控恒流源的控制电压 Ug。单片机以 I 2 C 通信方式通过 P1． 0 和 P1． 1 与 PCF8591 相连，单 片机传送给 PCF8591 的数据决定着 Ug 的大小感光部分电路。Rg 为光敏电阻。光 照好时光敏电阻阻值小，三极管 Q1 集电极输出高电 平。反之，光照差时光敏电阻阻值大，Q1 集电极输出 低电平。输出信号送至单片机 P2． 0引脚。调节 RP1可 改变感光部分输出的高低电平切换时所需的光照 强度。人体感应部分电路。该部分以人体红外感应模块 HC-SR501 为核心。该模块工作电压范围 为直流 4． 5 ～ 20 V，感应范围约为 100°锥角，最大感应 距离 5 ～ 7 m［12］。人体红外感应模块 HC-SR501 在人 进入其感应范围输出高电平，人离开感应范围则自动 延时关闭高电平，输出低电平。HC-SR501 模块输出 经过三极管 Q2 调整后在集电极得到反向信号后送至 单片机 P2． 1引脚。

结语

本文在查阅了大量资料和总结了他人产品的情况下,设计了一款经济可行的智能控制LED灯。文章主要介绍了灯体的整体结构及相应的模块化设计;通过设计参数确定灯体搭建所需元件;根据元件选择和电气学原理完成硬件电路设计，得到相应的电路板;随后根据电路板布局和相应的模块工作流程完成相应的软件编写;最终完成灯体的功能验证。完成所有工作后得到的LED灯可实现无线控制、调光、调色等功能，能够满足多种场合的照明要求，具有较高的实用价值，为其他智能产品的开发有一定的参考价值。

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