雙系統太陽能路燈控制系統的設計與實現

劉新英

（塔里木大學 機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾 843300）

隨著太陽能光伏發電技術的迅猛發展，太陽能路燈很快在廣大城市和農村得到了推廣和應用，尤其是在沒有電網的農村得到廣泛的重視。但是由于太陽能受天氣因素的制約比較大，具有隨機性、間歇性。要保證太陽能電池輸出電壓的穩定，必須要有蓄電池，在白天有陽光時對蓄電池充電，晚上蓄電池給負載放電。在選擇蓄電池的時候，可以考慮免維護閥控密封鉛酸蓄電池[1]。

本文設計了一種太陽能和市電互補供電的太陽能路燈控制系統，當天氣情況良好的時候，路燈就采用太陽能供電；如果遇到天氣情況不好的時候，就自動轉為市電供電。在進行系統設計的時候，只需要考慮一年中日照時間最長、而夜晚需要照明時間最短的時間段內的電能需求就可以了，其他的能量可以由市電補充。這樣，太陽電池的效能就可以得到最大的利用，蓄電池的容量可以用的最小、系統成本最小，而太陽能路燈的系統可靠性可以達到最高[1]。

太陽能路燈控制系統就是以太陽能電池發電為主，以普通220 V交流電補充電能為輔的路燈照明系統，采用此系統，光伏電池組和蓄電池容量可以設計得小一些，基本上是當天白天有陽光，當天就用太陽能發電同時給蓄電池充電，到天黑時蓄電池放電把路燈點亮。尤其是在我國的西部地區，天氣干旱、降雨量小，日照時間長，每年都有三分之二以上的晴朗天氣，這樣該系統全年就有三分之二以上的時間用太陽能照亮路燈，剩余時間用市電補充能量，既減小了太陽能光伏照明系統的一次性投資，又有著顯著的節能減排效果，是太陽能路燈照明在現階段推廣和普及的有效方法[2]。

1 系統控制設計

示本系統選擇的單片機為AT89S52。該系統包括太陽能電池供電電路、市電供電電路、蓄電池報警電路、單片機及路燈等構成。假設選用的蓄電池為選用48 V、40 Ah免維護閥控密封鉛酸蓄電池，路燈所需要的驅動電流為1.4 A，太陽能電池組的輸出電流為2.25 A[1]。太陽能電池的電流經電流檢測電路，當單片機檢測到電流＞1.4 A時（即陽光足夠強），單片機控制充電控制接入電源為太陽能電池；太陽能電池產生的電流經過DC/DC變換后向蓄電池充電。當單片機檢測到陽光較弱時，再檢測蓄電池電壓，若蓄電池電壓＞48 V時，即蓄電池電壓足夠高，則由蓄電池向路燈供電，系統停止向蓄電池充電；若蓄電池電壓<48 V時時，即蓄電池電壓較低，則單片機控制接入市電，市電經AC/DC變換后經充電控制電路向蓄電池充電，再由蓄電池向路燈供電。該系統還加入了報警電路，用于系統日常管理和自動報警系統[3]。本系統結構框圖如圖1所示，下面對系統的各個部分的功能做詳細的說明[3－4]。

2 系統各個部分的功能

2.1 充電控制器

圖1 系統結構框圖Fig.1 System structure diagram

控制器控制著整個太陽能路燈系統的正常運行，能自動防止蓄電池組過充電和過放電的設備。一般并具有簡單的測量功能。由于蓄電池組被過充電或過放電后將嚴重影響其性能和壽命，充放電控制器一般是不可缺少的。充放電控制器，按照開關器件在電路中的位置，可分為串聯控制型和分流控制型；按照控制方式，可分為開關控制(含單路和多路開關控制)型和脈寬調制(PWM)控制(含最大功率跟蹤控制)型。

2.2 太陽能電池板的設計和蓄電池的選擇

2.2.1 蓄電池的選用

太陽能路燈用蓄電池由于頻繁處于充電、放電循環中，而且會經常發生過充或深度放電等情況，因此蓄電池工作性能和循環壽命成為最受關注的問題。閥控式密閉型鉛酸電池具有不需要維護、不向空氣中排出氫氣和酸霧、安全性好、價格低等優點，因而被廣泛應用[6]。蓄電池過充電、過放電以及蓄電池環境溫度等都是影響蓄電池壽命的重要因素，所以在控制器中要重點采取保護措施。

2.2.2 太陽能電池方陣設計

太陽能電池組件以一定數目串聯起來，可獲得所需要的工作電壓。但是太陽能電池的串聯必須適當，串聯數太少，串聯電壓低于蓄電池浮充電壓，太陽能電池組方陣就不能對蓄電池充電；若串聯數太多，使輸出電壓遠高于浮充電壓時，充電電流也不會有明顯增加。因此，只有當太陽能電池組件串聯電壓等于合適充電電壓時，才能達到最佳狀態[3]。

2.3 太陽能電池的電流檢測電路和蓄電池的電壓檢測電路

在系統中還設計了太陽能電池的電流檢測電路和蓄電池的電壓檢測電路，可以對太陽能電流、蓄電池電壓等數據的采集和相應條件的設定，通過結果判斷來控制太陽能供電控制電路或市電供電控制電路的輸入是否能正常工作。由于本系統采用兩路供電，保證在長期陰雨天氣時由市電供電，晴天時由太陽能供電，起到環保、節能的效果，真正把環保節約型能源應用于民用，打破了路燈利用市電作為唯一供電來源的狀況，又有效解決了太陽能又可能因為長期陰雨天氣而法使用的情況，真正做到惠于民又利于國。

2.4 日常管理和自動報警系統

雖然太陽能光伏電力與市電互補形式的太陽能路燈克服了普通太陽能路燈的不足，系統的可靠性非常高，但是市電的可靠性有時候會掩蓋了太陽能路燈的故障；也就是說，可能太陽能路燈壞了，管理者還不知道。所以我們應該對太陽能光伏電力與市電互補形式的太陽能路燈的日常管理提出更高的要求，首先要配備一定的硬件設施。在硬件設施中，最簡單的是在路燈的明顯位置安裝太陽能光伏系統工作顯示裝置。通常是用綠顏色或紅顏色的LED在太陽能路燈頂端或者太陽電池板邊沿組成顯示器，表示太陽能路燈是由太陽能光伏系統供電能；否則說明是市電供電。由于太陽能光伏電力與市電互補形式的太陽能路燈系統中有電力線路的存在，所以利用電力線載波對其進行日常管理和自動報警是最理想的方法。目前各種電力線載波通信模塊已經比較成熟，價格也比較低，它和單片計算機可以很方便地組合成太陽能光伏電力與市電互補形式的太陽能路燈系統中的日常管理和自動報警系統[5]。

2.5 市電切入的依據

在太陽能與市電互補照明系統中，只有在太陽電池所提供的能量不足以驅動光源的情況下才能夠讓市電切入。檢驗蓄電池的端電壓應該是判斷太陽電池所提供的能量是不是足夠最簡單有效的方法。由于光源的功率是不變的，蓄電池的放電電流基本恒定，太陽能光伏系統的狀態，尤其是其存儲能量的大小，都可以反映在蓄電池的端電壓上，所以可以通過檢驗蓄電池的端電壓來控制市電的切入[3-4]。

3 系統軟件設計

系統軟件流程如圖 2所示。本系統軟件采用模塊化設計，所有控制量集中處理，以便各功能模塊的編程及修改。為提高系統穩定性，在軟件上采取了軟件陷阱、看門狗、軟件冗余等措施[6]。

圖2 系統程序流程圖Fig.2 System program flow chart

該系統軟件工作流程圖如下：

1)上電初始化，設置單片機寄存器的初始值和各狀態量的初始值；

2)檢測蓄電池的電壓 U；

3)檢測太陽能電池電流I；

4)當蓄電池電壓大于等于 48 V時，說明蓄電池處于飽合狀態，單片機市控制電、太陽能電池均不向蓄電池充電；

5)當蓄電池電壓小于 48 V時，且檢測電路測定電流大于等于2.25 A時，單片機向充電控制電路發出指令，太陽能電池經經DC/DC變換器輸出后向蓄電池充電；

6)當太陽能電池電流小于2.25 A時，單片機啟動市電經AC/DC變換器后經充電控制電路向蓄電池充電。

4 結論

經過調試，本系統可實現預期的功能。本設計具有較高性價比和廣闊的應用前景。太陽能和市電有機結合的供電裝置可以方便安裝在電動門控產品、路燈、戶外廣告牌等各種場所。此外，本裝置也可作為無線傳感設備的電源，還能進行逆變成市電供家用電器使用，對本裝置繼續完善，將具有更廣闊的市場前景。

[1]ZHAO Zhi-wen.The status of PV industry and the challenge faced with in China[J].Solar Energy,2004(3):4-6.

[2]周志敏，紀愛華.LED照明技術與工程應用[M]．北京:中國電力出版社，2010．

[3]王琳基．電子與電氣控制應用技術[M]．福州:福建科學技術出版社，2009.

[4]高偉，基于電力載波技術的LED路燈監控系統研制[D]．浙江：浙江大學，2012.

[5]QI Li-min,YIN Cheng-qiang,CHEN Bo.Design of LED solar street lamp controller[J].Science and Technology Innovation Herald,2011(12):1-2.

[6]WANG Min-hua,ZHANG Zhen-guo.Design of a new type of solar street lamp controller[J].Electronics Today,2012(2):2-3.