基于风光互补型的智能式LED太阳能路灯系统设计

采用风光互补方式的智能式LED太能路灯,相比于传统路灯更有着应用上的现实和经济意义。在太阳能路灯的基础上,结合风光互补的优势,笔者设计了一种新型基于风光互补型的智能式LED太阳能路灯系统。该系统通过对风力发电机输出电压、太阳能电池端电压、蓄电池电压、环境亮度以及温度等参数进行采样,然后进入ARM处理器进行运算,可实现路灯亮度的高准确控制,同时蓄电池具有自动选择功能。该路灯系统可以取得显著的节能减排,绿色环保的效果。

1 引言

太阳能和风能作为新能源,既清洁环保又“取之不尽、用之不竭”,正得到广泛的应用。LED的体积小、坚固耐用、寿命长、绿色环

保、高效节能等特点,已逐步取代传统的路灯照明。考虑到路灯的经济性、可靠性和安全性,可以采用风光互补型 [1] 的LED太阳能路灯系统。尽管到达地球表面的太阳辐射能的总量很大,但是能量密度很低;此外由于受到昼夜、季节、海拔高度等自然条件以及天气的随机因素的影响,到达某一地面的太阳能是间断的、不稳定的。因此,采用风光互补型可以弥补太阳能的这些缺点 [1-2] 。

2 系统组成

本文设计的是一种基于风光互补型的智能式LED太阳能路灯系统,所谓智能式就是以风光互补型的风力发电机、太阳能电池为

主,以普通220V交流电补充电能为辅。此设计的系统主要分为四个部分,分别是:路灯系统供电部分、路灯控制器部分、系统蓄电部分、路灯输出部分。系统框图如图1所示。

2.1 路灯系统供电部分设计

路灯系统供电部分设计框图如图2所示。此部分主要有光电探测器、风速传感器、太阳能电池、风力发电机、市电供电、MOSFET(开关管)。其中光电探测器是为了探测外界环境的光照强度,即判定是白天还是晚上,以调整系统供电类型。白天时太阳能电池和风力发电机给蓄电池充电,晚上或无风等情况时LED路灯由蓄电池供电,当蓄电池供电不足时市电供电。风速传感器目的是监控风速,将探测信号传递给系统的控制部分。太阳能电池和的风力发电机的选择都要考虑到蓄电池的容量以及当地的天气条件。而决定风力发电的技术参数主要包括额定风速、输出功率及电压 [3] 。

2.2 路灯控制器部分设计

路灯控制器部分设计框图如图3所示。此部分主要包括ARM处理器、均衡电路、电压电流采集电路、风机过载保护电路、充放电及供电切换电路。ARM处理器采用LM3S9B96,是整个系统中的核心地位。该处理器分析处理采集模块采集的数据后,控制充放电及供电切换电路、风机过载保护电路电压电流采集电路,最后由均衡电路做出调整。ARM处理器通过PWM对充放电及供电切换的电路进行控制 [3] 。

2.3 系统蓄电部分设计

该部分主要是蓄电池,蓄电池在整个系统中也是起着重要作用,太阳能电池和风力发电机的输出存储在蓄电池中。当蓄电池过充后,太阳能电池停止对其充电,风力发电机输出切换到卸载上,也停止对蓄电池的充电。蓄电池的容量和电压是首要考虑的,此系统中的蓄电池的容量受天气情况、路灯的发光时间和亮度等影响。

2.4 路灯输出部分设计

路灯输出部分的设计包括LED路灯负载、卸载和软开关。考虑到蓄电池过充时,而风力发电机在高速旋转情况下的充电流很大,瞬间的快速短路产生的巨大冲击电流容易对控制部分和软开关造成损坏,并且频繁的控制动作会减少风力发电机的使用寿命。这样

在蓄电池过充时,卸载逐渐加载,缓慢降低风力发电机的转速,减小冲击电流对控制部分和风力发电机的冲击,增加系统的安全性。

3 系统软件设计

3.1 主程序流程设计

主程序流程图图4所示:

3.2 系统相关子程序设计

本系统主程序在完成自检及初始化后,读取工作模式、蓄电池类型、卸载类型等,然后进入风光互补选择程序,其中包括白天、黑

夜判断程序和风速判断程序。白天黑夜的判断可以通过光电探测器探测到的信号来判断,也可以根据太阳能电池两端的电压来判断。蓄电池是整个太阳能路灯系统可靠性的关键,而蓄电池的寿命是最主要控制因素。蓄电池充放电子程序的设计可以对蓄电池的充放电进行智能控制,防止过充和过放。蓄电池的端电压为U 1 ,额定充电电压为U H ,极限放电电压,脉冲占空比D,占空比的上下限分别为D H 和D L 。蓄电池充放电子程序流程图如图5所示。

4 结语

本文介绍了一种基于风光互补型的智能式LED太阳能路灯系统的设计,该系统采用风光互补和市电供电的供电方式,提升了路

灯运行的水平,充分利用太阳能和风能,降低了耗电量。有一定的市场前景,但还需要软件的优化。