太陽能LED路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：設(shè)計(jì)了一套基于STC12單片機(jī)的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法跟蹤太陽能電池板最大功率點(diǎn)，充分利用太陽能電池板的能量，對(duì)鉛酸蓄電池充電。同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉛酸蓄電池的電壓防止蓄電池過充、過放等現(xiàn)象；對(duì)LED路燈采用多段式的恒流控制，通過環(huán)境照度的監(jiān)測(cè)控制LED路燈在不同電流強(qiáng)度下工作，以增強(qiáng)LED路燈的使用壽命，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電的目的。

關(guān) 鍵 詞：太陽能；LED；最大功率跟蹤

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

一、引言

當(dāng)前，由于全球性能源危機(jī)，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都開始重視可再生能源的利用研究。在所有可再生能源利用中，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的無污染的潔凈能源，已被公認(rèn)為未來解決能源危機(jī)的最有效能源[1]；LED燈具有壽命長(zhǎng)、高效節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。因此，把太陽能與LED路燈有機(jī)地結(jié)合起來，開發(fā)出一套太陽能LED路燈控制系統(tǒng)非常重要[2]。

目前，在所有的太陽能利用中，光伏發(fā)電無疑是其中一項(xiàng)重要的解決方案。但是，太陽能電池具有非常明顯的非線性特性，造成太陽能電池與負(fù)載之間的不匹配， 從而降低了太陽能電池的輸出效率；同時(shí)光伏發(fā)電成本居高不下，制約了光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此為了充分利用太陽能，降低發(fā)電成本，提高發(fā)電效率的需要，急需研制一種能實(shí)時(shí)跟蹤太陽能最大功率點(diǎn)（MPPT）[3]的控制系統(tǒng)。

為此，設(shè)計(jì)了的基于STC12單片機(jī)的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用變步長(zhǎng)的導(dǎo)電增量法跟蹤太陽能電池板的最大功率點(diǎn)，充分利用太陽能電池板的能量，對(duì)鉛酸蓄電池充電，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉛酸蓄電池的電壓防止蓄電池過充、過放等現(xiàn)象；對(duì)LED路燈采用多段式的恒流控制，通過環(huán)境照度的監(jiān)測(cè)控制LED路燈在不同電流強(qiáng)度下工作，以增強(qiáng)LED路燈的使用壽命，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電的目的。

二、系統(tǒng)原理

基于STC12單片機(jī)的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)原理圖如圖1所示。系統(tǒng)主要由太陽能光伏板、太陽能電流電壓采集、Buck充電電路、鉛酸蓄電池、Boost放電電路、蓄電池電壓采集、放電電路電流采集、LED路燈及STC12單片機(jī)等部分組成。通過采集太陽能光伏板的電壓來判定充電和分段式恒流負(fù)載輸出。當(dāng)檢測(cè)到太陽能板電壓高于蓄電池電壓一定值時(shí)開始MPPT充電模式，這時(shí)STC單片機(jī)通過采樣到的太陽能板電壓和電流值通過變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法計(jì)算最大功率點(diǎn)，通過PWM信號(hào)的占空比調(diào)節(jié)太陽能板充電電壓大小達(dá)到最佳充電功率點(diǎn)，充電同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池電壓防止過充電；當(dāng)檢測(cè)到太陽能板電壓低于一定值時(shí)，停止充電進(jìn)入分段式恒流負(fù)載輸出控制模式，此時(shí)主要根據(jù)不同的太陽能板電壓值，通過Boost放電電路控制PWM信號(hào)的占空比方式控制負(fù)載輸出電路輸出不同的電流值。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.Buck MPPT充電控制主電路

太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤控制電路主要采用如圖2所示的Buck斬波降壓電路。其中，Q1、Q2就是通過PWM信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)太陽能板的充電電壓大小，Q3、Q4主要起防反充的作用（當(dāng)蓄電池電壓高于太陽能板時(shí)要及時(shí)關(guān)閉），壓敏電阻TVS管防雷擊和浪涌電壓，U1（ACS712）是霍爾電流傳感器，通過它來檢測(cè)太陽能板的輸出電流。

2.負(fù)載開關(guān)控制電路

負(fù)載開關(guān)控制電路主要有MOS管Q7、Q8和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1、F2、F3組成，可以和后級(jí)的負(fù)載Boost電路構(gòu)成簡(jiǎn)單的恒流分段式控制電路控制LED路燈工作在不同的恒流電流值下。

3.STC單片機(jī)采樣控制電路

STC單片機(jī)采樣控制電路如圖4所示，主要完成對(duì)太陽能板的電流電壓的采樣、蓄電池電壓的采樣以及負(fù)載輸出電流的采樣等。通過采樣的信號(hào)完成MPPT控制信號(hào)和負(fù)載多段式恒流輸出控制信號(hào)的產(chǎn)生及各個(gè)指示燈控制信號(hào)的產(chǎn)生。

4.MPPT充電控制電路

MPPT充電控制電路如圖5所示，主要把STC單片機(jī)產(chǎn)生的MPPT充電控制PWM信號(hào)通過高速光耦U4（P521）轉(zhuǎn)換成MOS的控制信號(hào)，來實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)之間的隔離，減少電路噪聲干擾等作用，同時(shí)也有助于增加驅(qū)動(dòng)MOS的能力。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。此次設(shè)計(jì)采用的STC12單片機(jī)有2路8位PWM發(fā)生器和8路10位AD轉(zhuǎn)換器，可直接實(shí)現(xiàn)PWM輸出和AD轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集太陽能板電壓和蓄電池的電壓，當(dāng)檢測(cè)到的太陽能板電壓大于蓄電池電壓加上0.4V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入充電模式，通過判斷當(dāng)蓄電池電壓低于14.5V時(shí)進(jìn)入最大功率點(diǎn)充電子程序，否則關(guān)閉充電；而當(dāng)檢測(cè)到太陽能板電壓低于6V時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入放電模式，通過判斷當(dāng)蓄電池電壓低于10.5V時(shí)停止放電，否則進(jìn)入分段式放電子程序。

最大功率點(diǎn)充電子程序流程圖如圖7所示。相比于光照的突變，光伏太陽能板表面溫度的變化是非常的緩慢的，因此，在研究最大功率點(diǎn)跟蹤時(shí)，可以近似的認(rèn)為光伏板表面的溫度是不變的。當(dāng)dU=0時(shí)，光照的變化必然引起功率P的變化；當(dāng)dU<0時(shí)，若dI<=0，則光照降低；當(dāng)dU>0時(shí)，若dI>=0，則光照增強(qiáng)。對(duì)于其他情況，可以設(shè)定一個(gè)閾值δ，當(dāng)|dI|>δ時(shí)，認(rèn)為光照發(fā)生了較大變化。

基于以上原理設(shè)計(jì)了一種變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法，未檢測(cè)到光照發(fā)生變化時(shí)，若dU≠0，系統(tǒng)沒有工作在最大功率點(diǎn)。在最大功率點(diǎn)的左側(cè)（dP/dU>0）時(shí)，應(yīng)該提高工作點(diǎn)的電壓，即減小占空比（增大Duty值dD>0）。該區(qū)域遠(yuǎn)離最大功率點(diǎn)，dP/dU變化速度小，為了加快逼近速度可取，其中M1、N設(shè)置為適當(dāng)?shù)某?shù)，當(dāng)N>1時(shí)，可以放大dP/dU>1時(shí)的步長(zhǎng)，并縮小dP/dU<1時(shí)的步長(zhǎng)。在最大功率點(diǎn)的右側(cè)（dP/dU<0）時(shí)，應(yīng)當(dāng)降低工作點(diǎn)電壓，即增加占空比（減小Duty值dD<0）。該區(qū)域內(nèi)dP/dU變化速率較大，取dD=M2*dP/dU。檢測(cè)到光照發(fā)生變化時(shí)，出于電流的變化方向和最大功率點(diǎn)電壓變化方向一致，因此可以取dD=M3*dI作為步長(zhǎng)數(shù)據(jù)，可以快速追蹤由輻照度變化引起的最大功率點(diǎn)電壓變化。

五、總結(jié)

設(shè)計(jì)了一套基于STC12單片機(jī)的太陽能LED路燈控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用變步長(zhǎng)的電導(dǎo)增量法跟蹤太陽能電池板最大功率點(diǎn)，并可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鉛酸蓄電池的電壓防止蓄電池過充、過放等的現(xiàn)象；對(duì)LED路燈采用多段式的恒流控制，通過環(huán)境照度的監(jiān)測(cè)使LED路燈在不同電流強(qiáng)度下工作，以增強(qiáng)LED路燈的使用壽命，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用電。

參考文獻(xiàn)

[1] 高峰，孫成權(quán)，劉全根.太陽能開發(fā)利用的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).世界科技研究與發(fā)展[J].2001，23（4）：35-39.

[2] 劉永璽.功率型白光LED的熒光粉涂覆工藝及散熱技術(shù)研究[D].廈門：廈門大學(xué).2008，2-5.

[3] Cullen R.A.http：//www.blueskyenergyinc.com/uploads/pdf/BSE_What_is_MPPT.pdf.