一种基于光伏发电的太阳能led路灯控制系统及其方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统及其方法，其主要技术特点是：该系统包括LED路灯控制器、光照度传感器、太阳能电池板、第一开关管、第二开关管、蓄电池、温度传感器和LED路灯，该LED路灯控制器与光照度传感器、太阳能电池板、第一开关管、第二开关管、温度传感器相连接，该蓄电池与第一开关管、第二开关管相连接；该方法包括蓄电池充电控制方法和LED路灯驱动控制方法,其根据实时采集的蓄电池的电压及温度参数对蓄电池进行充电控制和LED驱动控制。本发明通过LED路灯控制器构成光伏发电照明系统，该控制器通过监测太阳能板、蓄电池、光照强度等来统筹控制蓄电池的充放电、LED灯的亮度等，达到整个系统安全、稳定运行的目的。
【专利说明】一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光伏发电【技术领域】，尤其是一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统及其方法。
【背景技术】
[0002]太阳能作为一种理想的清洁能源，正迅速得到广泛应用。LED作为固态光源，具有寿命长、耗能少等特点，属于绿色光源。随着大功率LED驱动的技术日趋成熟，LED在照明领域得到广泛的推广应用。太阳能电池板将太阳能直接转化为电能，配合蓄电池组件，使LED路灯不需要市电就可以满足照明的需求。这种将太阳能和LED结合在一起应用于路灯照明领域，既可节约大量电缆的成本，又可节约大量能源。
[0003]由于太阳能受天气因素的制约比较大，太阳光照射分布密度小，受光时间、强度大小具有随机性、间歇性，要保证太阳能电池输出电压的稳定，必须利用蓄电池，在白天有阳光时，将发出的电能存储到蓄电池组中，晚上蓄电池放电给负载LED。如果遇到连续阴雨天气，对蓄电池容量要求就大，而太阳能电池组容量越大，成本就越高，因此，如何合理控制蓄电池的充放电、LED灯的亮度以保证系统安全、稳定运行是目前迫切需要解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种设计合理、节能环保且安全稳定的基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统及其方法。
[0005]本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的:
[0006]一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统，包括LED路灯控制器、太阳能电池板、第一开关管、第二开关管、蓄电池和LED路灯，LED路灯控制器通过光照度传感器采集光照信息，LED路灯控制器与太阳能电池板相连接用于采集太阳能电池板的电压，LED路灯控制器通过第一开关管、第二开关管与蓄电池相连接用于控制蓄电池的充放电，LED路灯控制器通过电压采集模块和温度传感器与蓄电池相连接实现蓄电池电压及温度采集，该蓄电池的输入端通过第一开关管与太阳能电池板相连接，该蓄电池的输出端通过第二开关管与LED路灯相连接为其供电。
[0007]而且，所述的LED路灯控制器包括CPU单元、电源与复位模块、电压采集模块、温度采集模块、光照度传感器和输出控制快模块，CPU单元分别和电源与复位模块、电压采集模块、温度采集模块、光照度传感器、输出控制快模块相连接，该输出控制模块控制与蓄电池及LED路灯相连接实现对蓄电池充电以及驱动LED路灯的功能。
[0008]而且，所述的太阳能电池板采用多晶硅太阳能电池板CETC48.150 ;所述的蓄电池采用铅酸蓄电池LCX12120ST ;所述的第一开关管、第二开关管采用IRF530N ;所述的温度传感器采用可编程温度传感器DS18B20 ;所述的光照度传感器采用TSL256X。
[0009]而且，所述的CPU单元采用ATxmega256A3BU芯片，该CPU单元通过I2C总线连接方式与温度采集模块、光照度传感器相连接。。
[0010]—种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统的控制方法,包括蓄电池充电控制方法和LED路灯驱动控制方法，其中:
[0011]蓄电池充电控制方法包括以下步骤:
[0012]步骤1:CPU单元根据光照度传感器的光照度判断是否是白天，是则执行对蓄电池充电，否则就结束；
[0013]步骤2 =CPU单元根据温度传感器采集蓄电池的环境温度对蓄电池进行温度补偿；
[0014]步骤3:充电过程中实时检测蓄电池电压并进行温度补偿，在11.2V过欠压点至
13.6V浮充点采用高占空比充电，浮充点13.6V?14.4V之间采用低占空比浮充；14.4V?
14.8V之间采用超低占空比浮充，达到14.8V则终止充电；
[0015]LED路灯驱动控制方法包括以下步骤:
[0016]步骤1:CPU单元根据光照度传感器的光照度判断是否是黑夜，是则执行对LED路灯的驱动，否则就结束；
[0017]步骤2 =CPU单元根据温度传感器采集蓄电池的环境温度对蓄电池进行温度补偿；
[0018]步骤3:在蓄电池电压高于13.6V时，用低于额定电流25%的电流驱动LED路灯；在蓄电池电压处于12.5V?13.6V之间时，用低于额定电流20%电流驱动LED路灯；蓄电池电压处于12V?12.5V之间时，用低于额定电流15%电流驱动LED路灯；蓄电池电压低于12V时，停止驱动LED路灯。
[0019]而且，所述步骤2对蓄电池进行温度补偿后得到电压为:
[0020]Ue = U+ (t-25) f
[0021]U为实际测量到的电压，t为温度传感器测到的环境温度，f为温度补偿系数，Ue为补偿后的电压值。
[0022]本发明的优点和积极效果是:
[0023]1、本发明通过LED路灯控制器构成光伏发电照明系统，该控制器通过监测太阳能板、蓄电池、光照强度等来统筹控制蓄电池的充放电、LED灯的亮度等，达到整个系统安全、稳定运行的目的。
[0024]2、本发明集光控开灯、光控关灯、过充过放保护功能于一身，性能稳定可靠。
[0025]3、本发明根据光照度传感器判断白天还是黑夜，免去了时钟芯片，无需远方校时或GPS校时，节约了成本，增加了太阳能LED路灯控制的智能化。
[0026]4、本发明不需要输电线路，不需要耗电网电能，一次性投入与常规路灯大体相当的经费就可一劳永逸地利用取之不尽用之不竭的太阳能提供稳定可靠的照明，有明显的经济效益，避免了常规路灯需要埋地电缆供电带来的路灯供电线路的建设成本很高、线路上消耗的电能多等问题，可满足于偏远地区、海上作业平台等不通市电的照明需求。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本发明的系统连接示意图；
[0028]图2是本发明的LED路灯控制器的电路方框图；
[0029]图3是本发明的蓄电池充电控制流程图；
[0030]图4是本发明的LED路灯驱动控制流程图。
【具体实施方式】
[0031]以下结合附图对本发明实施例做进一步详述:
[0032]一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统，如图1所示，包括LED路灯控制器、太阳能电池板、第一开关管(开关管I)、第二开关管(开关管2)、蓄电池和LED路灯，LED路灯控制器通过光照度传感器采集光照信息，LED路灯控制器与太阳能电池板相连接用于采集太阳能电池板的电压，LED路灯控制器通过第一开关管、第二开关管与蓄电池相连接用于控制蓄电池的充放电，LED路灯控制器通过电压采集模块和温度传感器与蓄电池相连接实现蓄电池电压及温度采集，该蓄电池的输入端通过第一开关管与太阳能电池板相连接，该蓄电池的输出端通过第二开关管与LED路灯相连接为其供电。在本实施例中，太阳能电池板采用多晶硅太阳能电池板CETC48.150，在1000照度25°C情况下其峰值电压为18.65V、峰值电流为8.8A ;蓄电池采用铅酸蓄电池LCX12120ST，该蓄电池容量为45AH ;AC_DC采用通用模块化AC-DC电源，其输出电压等级为+12V，电流为25A ;开关管采用IRF530N，它的击穿电压VDSS为100V，能够满足光伏发电系统的需要。
[0033]如图2所示，LED路灯控制器包括CPU单元、电源与复位模块、电压采集模块、温度采集模块、光照度传感器和输出控制快模块，CPU单元分别和电源与复位模块、电压采集模块、温度采集模块、光照度传感器、输出控制快模块相连接，该输出控制模块控制与蓄电池及LED路灯相连接实现对蓄电池充电以及驱动LED路灯的功能。在本实施例中，CPU单元采用ATMEL公司的ATxmega256A3BU芯片，此芯片具有最高32MHZ的运行主频，256+8K的片内可编程flash，16K的SRAM，同时具有丰富的外围接口，方便扩展各种硬件电路。温度采集传感器采用可编程温度传感器DS18B20进行温度检测，具有抗干扰能力强、温度采集精度高、不需要复杂的调理电路和AD转换电路等特点，DS18B20与ATxmega256A3BU之间采用的是I2C总线连接方式。光照度传感器采用TSL256X，该TSL256x的访问遵循标准的SMBus和I2C协议，这使得该芯片软件和硬件设计变得很简单，这两种协议的读写时序虽然很类似，但仍存在不同之处，在本实施例中，采用I2C总线与ATxmega256A3BU相连。
[0034]一种基于光伏发电的LED路灯控制方法，包括蓄电池充电控制方法和LED路灯驱动控制方法。下面分别进行说明:
[0035]蓄电池充电控制方法是CPU单元据实时监测光照度、太阳能电池板的电压、蓄电池电压以及蓄电池的温度来控制蓄电池充电，如图3所示，具体包括以下步骤:
[0036]步骤1:CPU单元根据光照度传感器的光照度判断是否是白天，是则执行对蓄电池充电，否则就结束。
[0037]步骤2 =CPU单元根据温度传感器采集蓄电池的环境温度对蓄电池进行温度补偿。
[0038]由于蓄电池具有负温度效应，因此，CPU单元需要通过温度传感器采集蓄电池的环境温度对蓄电池进行温度补偿，以延长蓄电池的使用寿命。温度补偿后的电压表示为:
[0039]Ue = U+(t-25) f(I)
[0040]式中，U为实际测量到的电压，t为温度传感器测到的环境温度，f为温度补偿系数，Ue为补偿后的电压值。
[0041]步骤3:充电过程中实时检测蓄电池电压并进行温度补偿，在11.2V过欠压点至13.6V浮充点采用高占空比充电，浮充点13.6V?14.4V之间采用低占空比浮充；
14.4V-14.8V之间采用超低占空比浮充，达到14.8V则终止充电。
[0042]LED路灯驱动控制方法目前通常采用的驱动方式恒压(CV)驱动、恒流(CC)驱动、恒流恒压(CCCV)驱动三种方式。对于蓄电池供电的路灯系统来说，不能保证亮灯时间最长，可能引起光衰，因此，本LED路灯驱动控制方法采用分阶段恒流、过欠压断电的控制策略。如图4所示，LED路灯驱动控制方法包括以下步骤:
[0043]步骤1:CPU单元根据光照度传感器的光照度判断是否是黑夜，是则执行对LED路灯的驱动，否则就结束。
[0044]步骤2:对蓄电池电压进行温度补偿。
[0045]步骤3:在蓄电池电压高于13.6V时，用低于额定电流25%的电流驱动LED路灯；在蓄电池电压处于12.5V?13.6V之间时，用低于额定电流20%电流驱动LED路灯；蓄电池电压处于12V?12.5V之间时，用低于额定电流15%电流驱动LED路灯；蓄电池电压低于12V时，停止驱动LED路灯。
[0046]需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于【具体实施方式】中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。
【权利要求】
1.一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统，其特征在于:包括LED路灯控制器、太阳能电池板、第一开关管、第二开关管、蓄电池和LED路灯，LED路灯控制器通过光照度传感器采集光照信息，LED路灯控制器与太阳能电池板相连接用于采集太阳能电池板的电压，LED路灯控制器通过第一开关管、第二开关管与蓄电池相连接用于控制蓄电池的充放电，LED路灯控制器通过电压采集模块和温度传感器与蓄电池相连接实现蓄电池电压及温度采集，该蓄电池的输入端通过第一开关管与太阳能电池板相连接，该蓄电池的输出端通过第二开关管与LED路灯相连接为其供电。
2.根据权利要求1所述的一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统，其特征在于:所述的LED路灯控制器包括CPU单元、电源与复位模块、电压采集模块、温度采集模块、光照度传感器和输出控制快模块，CPU单元分别和电源与复位模块、电压采集模块、温度采集模块、光照度传感器、输出控制快模块相连接，该输出控制模块控制与蓄电池及LED路灯相连接实现对蓄电池充电以及驱动LED路灯的功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统，其特征在于:所述的太阳能电池板采用多晶硅太阳能电池板CETC48.150 ;所述的蓄电池采用铅酸蓄电池LCX12120ST ;所述的第一开关管、第二开关管采用IRF530N ;所述的温度传感器采用可编程温度传感器DS18B20 ;所述的光照度传感器采用TSL256X。
4.根据权利要求2所述的一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统，其特征在于:所述的CPU单元采用ATxmega256A3BU芯片，该CPU单元通过I2C总线连接方式与温度采集模块、光照度传感器相连接。
5.一种如权利要求1至4任一项所述LED路灯控制系统的控制方法，其特征在于，包括蓄电池充电控制方法和LED路灯驱动控制方法，其中: 蓄电池充电控制方法包括以下步骤: 步骤1:CPU单元根据光照度传感器的光照度判断是否是白天，是则执行对蓄电池充电，否则就结束； 步骤2:CPU单元根据温度传感器采集蓄电池的环境温度对蓄电池进行温度补偿； 步骤3:充电过程中实时检测蓄电池电压并进行温度补偿，在11.2V过欠压点至13.6V浮充点采用高占空比充电，浮充点13.6V?14.4V之间采用低占空比浮充；14.4V?14.8V之间采用超低占空比浮充，达到14.8V则终止充电； LED路灯驱动控制方法包括以下步骤: 步骤1:CPU单元根据光照度传感器的光照度判断是否是黑夜，是则执行对LED路灯的驱动，否则就结束； 步骤2 =CPU单元根据温度传感器采集蓄电池的环境温度对蓄电池进行温度补偿； 步骤3:在蓄电池电压高于13.6V时，用低于额定电流25%的电流驱动LED路灯；在蓄电池电压处于12.5V?13.6V之间时，用低于额定电流20%电流驱动LED路灯；蓄电池电压处于12V?12.5V之间时，用低于额定电流15%电流驱动LED路灯；蓄电池电压低于12V时，停止驱动LED路灯。
6.根据权利要求5所述的一种基于光伏发电的太阳能LED路灯控制系统,其特征在于:所述步骤2对蓄电池进行温度补偿后得到电压为:
Ue = U+(t-25)f U为实际测量到的电压，t为温度传感器测到的环境温度，f为温度补偿系数，Ue为补偿后的电压值。
【文档编号】H05B37/02GK104135800SQ201410391962
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年8月11日 优先权日:2014年8月11日
【发明者】张磐, 葛荣刚, 郑悦 申请人:国家电网公司, 国网天津市电力公司