太阳能LED路灯节能控制系统的设计

太阳能 LED路灯节能控制系统的设计

王文冬

杭州和顺建设有限公司 浙江杭州 310052

摘要：在科学技术不断发展的基础上，利用太阳能实现实时性路灯节能控制工作具有重要的研究意义，满足节能环保和自动化控制的应用需求，进一步推动了行业的可持续进步。本文分析了太阳能LED路灯节能控制系统的组成部分，并从整体设计框架、软件设计、硬件设计三个方面分析了具体的设计方案，并对蓄电池充放电予以探讨，最后制定了相匹配的测试方案，以保证太阳能LED路灯节能控制系统能发挥实际作用。

关键词：太阳能；LED路灯；节能控制系统；设计方案；充放电

能源短缺已经成为困扰世界各个国家的难题，为了提升能源的利用率，要配合能源应用要求落实环保、节能、高效的设计方案，落实控制器的多元处理，确保太阳能能为电池能量转换工作的最大化提供保障，优化转化率的同时延长对应设备的使用寿命。

一、太阳能LED路灯节能控制系统概述

太阳能LED路灯节能控制系统在应用过程中，要充分发挥具体应用优势，在满足照明需求的同时，也能顺应节能降耗的发展需求，建构合理且规范的系统操作模式，并且利用节能方式大大提升资源的应用效率。

（一）组成

太阳能LED路灯节能控制系统主要包括太阳能电池板、铅酸蓄电池组、LED指示灯以及驱动电路等基础设备，不同的元件发挥其应用价值，从而确保系统运行的完整性。

1）太阳能电池板。主要的功能就是将太阳能转变为电能，实现能量的转换，从而维持路灯节能控制系统能量供给。

2）铅酸蓄电池组，能集中将太阳能的电能储存起来，确保能建立有效的能量富集模式，并且为夜间LED灯源供电提供能量。

3）驱动电路，主要是将铅酸蓄电池输出的实时性电压进行升压处理，然后输送到LED灯具^[1]。

4）控制设备，要借助为铅酸蓄电池充电的方式保证负载放电时间以及应用强度、LED灯具亮度都能满足具体要求，并且建立过充保护机制和过放保护机制，从而维持整体设备运行的规范性。

（二）节能方式

太阳能LED路灯节能控制系统在应用过程中最大的优势就是能在满足应用需求的基础上节省能源，建立更加和谐规范的能源处理方式，减少功率损耗。

一方面，借助MPPT充电处理方式能有效实现太阳能电池的能量输出处理，并且配合脉冲充电就能减少极化现象造成的能源损耗，在维持其节能效果的基础上，延长了铅酸蓄电池的使用寿命。

另一方面，设备在实现放电的过程中，铅酸蓄电池的具体电压和全功率放电、半功率放电所需要的时间有关联，因此，能建立充分匹配的能量处理模式，并且设备的控制器选取的是 ，其实际功耗较低，真正意义上打造了节能管理方案，为系统综合管理控制提供了保障^[2]。

除此之外，太阳能LED路灯节能控制系统中LED灯具本身就具备电压参数地且电流较小的特质，相较于传统光源，同等照明效果的情况下，能量节约会控制在80%到90%。

二、太阳能LED路灯节能控制系统设计方案

基于太阳能LED路灯系统的节能特质，在具体系统设计方案中要确保对应的元件都能发挥其实际作用，有效维持系统框架运行的合理性，并且维持联合控制的标准。

（一）总体框架

具体框架见图1：

图1：整体框架设计图

第一，整个太阳能LED路灯节能控制系统的充电电路包括T1和T2，其中，T1表示的是充电控制场的效应管体系、T2表示的是整个系统防止反冲控制场的效应管体系。另外，借助T3放电控制场的效应管体系就能建立完整的运行框架结构，保证电能管理的完整性^[3]。

第二，系统的充电电路和放电电路对应的通/断都依托场效应管完成，栅极和控制电路连接形成控制模式，匹配相应的单片机就能借助控制电路完成信号的分辨和处理，从而判定通断。

（二）软件设计

1.识别功能软件

为了匹配太阳能LED路灯节能控制系统运行的需求，在系统软件结构设计工作中，能建立12V和24V识别功能模块，在识别工作结束后就能建立对应的服务模式和流程，从而保证运行的合理性。并且，无论是太阳能富集状态还是太阳能不足状态，都能利用铅酸蓄电池的实际电压完成判定。例如，若是在实际采集工作中，采集的次数设定为5次，但是平均电压数值在4V以下，就说明太阳能处于短缺状态，整个系统就进入到夜间服务模式。而若是在4V以上，则进入到白昼服务模式^[4]。而在白昼服务模式中，程序还要兼顾过放保护功能，依据铅酸蓄电池电压参数判定脉冲宽度调制（PWM）占空比，从而开启防反充功能或者是充电功能。另外，依据软件的实时性数据分析还能结合不同的季节判定亮度，最大化满足节能降耗的目标。具体识别流程如下：

1）识别服务模式开启；

2）太阳能电池电压数值测定分析，并且求和，利用 获取平均数值；

3）平均数值和4V对比，判定白昼服务模式or夜间服务模式^[5]。

2.PC机上位软件

上位机的设置是为了建立更加和谐的远程监控体系，确保人机交互界面运行的合理性和规范性，系统选取QT开发环境，建立平台编程特性较好的模式，按照系统连接网络服务器端口的处理方式，配置TCP/IP协议完成转发数据的接收处理，并且能结合定义协议完成数据的解析，从而评估路灯节点数据信息，针对路灯工作参数完成分析工作。

需要注意的是，在系统开发的上位机PC软件模式中，能有效查找终端路灯的历史数据、电池欠压次数以及路灯的地理位置，并且依据实际情况结合定义判定全功率运行、半功率运行、停止放电等环节。

3.综控器软件

借助综控器软件就能对监控的路灯系统进行终端节点数据的分析，从而配合ZigBee技术落实无线网络中心协调器数据的接收和分析处理，并且保证监控范围内的数据最优化。本文选取的是ARM架构的微处理器作为基础核心器件，能在综合考量成本参数和运行稳定性的基础上，建立更加合理的系统，减少冗余产生的影响，为系统效率和运行稳定性优化提供保障。与此同时，配合Linux操作系统完成源码处理，提升控制的实时性。

（三）硬件设计

在硬件设置的过程中，主要是针对电源、充电电路和放电电路，完成匹配的设计方案，保证不同模块都能发挥其实际作用。

1.电源

太阳能LED路灯节能控制系统中正极均处于并联状态，电路对应的节点相较于整个电路结构的参照点都处于负值状态，因此，为了保证电压的稳定性，采取 稳压芯片，维持整个系统电压参数的合理性。与此同时，配合 主控芯片就能及时采集太阳能，并且利用电阻分压的方式实现铅酸蓄电池和太阳能电池的区分处理，并且，充电电流的要利用霍尔电流传感器予以分析和管控。

2.放电电路

结合整体框架可知，T3是整个系统放电控制场的效应管，控制方式就是借助三极管完成对应驱动，并且在实际应用中要借助光耦的方式完成主回路和控制回路的隔离处理。而在太阳落山后，为了保证电能储备的合理性，铅酸蓄电池的运行电压就要超过放电压，从而维持T3的导通，电流直接从铅酸蓄电池向LED灯输出，保证LED灯处于放电状态，并且电流还会经过T3返回，形成了良性回路^[6]。

若是在实际应用中出现负载短路的问题，就会造成电压参数超出安全数值范围，此时，过流保护电路会利用切断功能直接断开T3的连接功能，维持整个系统运行的稳定性，避免因为负载短路产生的不良影响。

2.充电电路

在充电电路结构中，T1是整个充电控制场的效应管，而对应的T2是防反充控制场的效应管，两个结构配合并串联形成统一的充电电路体系。其中，T1借助三极管完成系统驱动处理，T2则是借助光耦实现通断处理，这就最大程度上维持了整个电路结构回路模式和主回路之间的隔离状态^[7]。

在太阳能LED路灯节能控制系统充电工作中，T1和T2形成联通状态，电流就会从太阳能电池的正极直接流向铅酸蓄电池，保证铅酸蓄电池处于充电状态，并且，借助T2和T1就实现了太阳能电池负极的回路结构。值得一提的是，在整个系统充电工作模式中，脉冲宽度调制（PWM）的占空比具有动态可调性，调节范围为0到100%^[8]。

三、太阳能LED路灯节能控制系统充放电

太阳能LED路灯节能控制系统运行过程中，要结合其运行动态完善充放电时限，并且保证对应方式的合理性，最大程度上提高转换效率和应用效率。

（一）铅酸蓄电池充电控制流程

对于太阳能LED路灯节能控制系统而言，要想保证铅酸蓄电池组运行的合理性和规范性，就要选择适宜的充电方式，从而维持使用规范性。本文采取的是脉冲宽度调制（PWM）波完成充电工作，在充电过程中要结合运行状态判定充电时长，并且保证电阻极化现象能适当减弱，从而减少浓度极差和电化学极化问题造成的影响。也就是说，适当暂停充电状态能最大程度上避免极化电压对整个系统运行产生的影响，维护充电的实效性。另外，对于铅酸蓄电池而言，电路中要完成两个场效应管的串联处理，确保对应的保护功能都能发挥作用^[9]。

例如，整个太阳能LED路灯节能控制系统中铅酸蓄电池的电压为12V，因为电压参数在13.7V以下，因此，借助MPPT的处理方式完成铅酸蓄电池充电过程。而若是电压参数在13.7以上，则要利用脉冲宽度调制（PWM）波进行充电，此时占空比接近100%。若是铅酸蓄电池的电压为24V，则要与27.4V相对比，在27.4V以上，利用脉冲宽度调制（PWM）波建立浮充模式^[10]。

在实际应用工序中，最大功率参数的跟踪情况要结合扰动观察法完成处理，并且利用 就能对太阳能电池板的电压参数予以采样分析，而霍尔电流传感器则对充电电路的电流参数展开采样，有效获得功率参数，此时功率参数若是比前一时刻功率有所降低，则适当降低占空比，若是功率参数比前一时刻功率有所提升，则适当升高或者是增大占空比。具体流程如下：

1）分析开始；

2）对采样周期内的脉冲宽度调制（PWM）波进行分析，输入固定数值获取占空比，设为X；

3）测定光伏陈列的整个输出电压参数和电流参数，相乘获得功率P（k）；

4）以固定数值增加X，测定后续更改的电压数值和电流数值，相乘获得功率P（k+1）；

5）分析P（k）和P（k+1）的大小。若是P（k+1）>P（k），则继续增加X，得到目前的功率P（k+2）。若是P（k+1）

6）P（k+1）就是采样周期内最大的输出功率参数，此时采样周期内要将X（k+1）作为输出标准。

（二）LED灯组放电控制流程

具体流程如下：

1）夜间服务处理模式开启；

2）蓄电池电压参数在11V以上进行负载通路处理，若是不满足铅酸蓄电池电压高于11V，则要进行负载断路处理。

3）负载通路中分别针对5小时模式、6小时模式、7小时模式开展对应的工作。①进入5小时模式。判定蓄电池电压是否满足实际应用需求，若是满足标准，则全功率运行5个小时后灭LED灯组。若是不满足大功率运行标准，则全功率运行3个小时，后2个小时半功率运行，然后灭LED灯组。②进入6小时模式。判定蓄电池电压是否满足实际应用需求，若是满足标准，则全功率运行6个小时后灭LED灯组。若是不满足大功率运行标准，则全功率运行3个小时，后3个小时半功率运行，然后灭LED灯组^[11]。③进入7小时模式。判定蓄电池电压是否满足实际应用需求，若是满足标准，则全功率运行7个小时后灭LED灯组。若是不满足大功率运行标准，则全功率运行3个小时，后4个小时半功率运行，然后灭LED灯组。

综上所述，设计方案中采取的是LED灯组额定照明标准数据，功率为1W，额定电流为350mA，应用24个LED灯组串联的方式完成设置，并且保证11组能形成并联运行模式。在触发按键后利用外部情况作为指标，合理性判定LED灯组的具体亮灯时长，放电过程中要结合电池组的电压参数判定是采取全功率放电还是半功率放电，也就是依据时间节点分析5小时、6小时还是7小时模式，并合理均衡评估功率运行状态。与此同时，要借助A/D检测分析铅酸蓄电池的电压参数，确保能及时建立放电电路的断开或者是通路处理，满足能量均衡利用的要求，也能发挥过放保护的作用，维持整个太阳能LED路灯节能控制系统的运行效率。

四、太阳能LED路灯节能控制系统测试

在完成相应工作后，就要结合系统运行要求和环境标准落实对应的系统测试工序，以保证太阳能LED路灯节能控制系统在运行中能满足规范操作的标准。一般是结合采样获取的铅酸蓄电池电压分为12V和24V系统判定标准，配合A/D采样获取的太阳能电池电压参数转换程序完成分析^[12]。

一方面，在白昼服务模式中，要结合铅酸蓄电池的实际运行状态评估是采取MPPT充电处理还是借助涓流充电处理方式，维持运行动力的同时，减少能源的损耗。而在夜晚服务模式中，要结合外部实际中断对接次数判定实际的放电时间，从而维持对应节能系统运行的稳定性和基本质量效果。

另一方面，在实际放电处理工作中，要结合铅酸蓄电池的基本运行效率和操作规范判定对应情况，并且匹配电压了解是否需要建立全功率放电过程还是半功率放电过程。

基于此，在整个测试过程中设置多次采样求取平均值的方式保证采样数值更加接近真实数值。

结束语：

总而言之，太阳能LED路灯智能控制系统的应用要秉持规范标准和节能要求，确保能依据控制器收集的信息及时切换其运行状态，有效满足基础运行设计规范，并且在降低成本的同时贴合节能需求，维持节能控制工作的综合效率，也为行业健康可持续发展奠定坚实基础。

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