帶有溫控效應的太陽能路燈智能控制系統研究

韓文穎，趙明君，春 蘭

1.內蒙古工業大學工程訓練教學部，內蒙古 呼和浩特 010000

2.山西省電力公司檢修分公司，山西 太原 030000

0 引言

太陽能路燈系統是將太陽能作為電能量來源的路燈系統，其能源不受供電影響，而且具有資源豐富、適合遠距離供電、清潔、可再生等特點[1-3]，對照明行業的能源短缺問題起到一定的作用。目前，太陽能路燈已在國內受到廣泛應用，但大多沒有考慮到能源合理利用問題[4]?；诖?，文章設計了一種以C8051F320為主控制器的太陽能LED路燈系統，該系統采用帶有PID溫度保護的最大功率點跟蹤（MPPT）充電方法，既能實現對蓄電池充電的合理化化管理，又能防止控制器在充電過程中由于溫度過高而損壞，導致嚴重影響控制器的使用壽命。

1 系統的整體方案

太陽能路燈系統結構框圖如圖1所示。該系統由太陽能電池板、路燈控制器、蓄電池、LED負載、LoRa節點和LoRa網關組成?？刂破鞲鶕F場環境，選擇合適的時間充電或者放電，同時還采用PID溫控保護。此外，控制器與LoRa節點和網關相連，實現實時數據遠距離雙向傳輸。

圖1 太陽能路燈系統結構框圖

1.1 物聯網技術的選擇

目前，常用的物聯網技術為LoRa、NB-IoT與ZigBee。其中，ZigBee技術適合用于距離短的無線傳輸[5]；NB-IoT技術雖然在技術更新方面略強，但其運營成本較高；LoRa技術具有通信距離遠、運營成本低、續航時間長等優點。綜合考慮，選擇LoRa技術進行設計。

1.2 路燈控制器的設計

根據太陽能電池P/V特性曲線、鉛酸蓄電池的可接受充電電流曲線，選擇合適的充電方式，對能源合理化應用以及鉛酸蓄電池壽命起著決定性作用?；诖?，采用在符合蓄電池的可接受充電電流曲線條件下，進行帶有擾動觀察法的MPPT充電方式，統稱MPPT充電方式。在高溫天氣進行MPPT充電時，會增大控制器中芯片的表面溫度，在超過芯片溫度設定值時，會導致芯片無法正常工作，因此需實時觀測芯片表面溫度，若溫度高于設定值，需采用PID溫度控制方式充電。PID的輸出與輸入偏差的關系式如下：

式中：e(t)為控制偏差；Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td為微分時間常數；u(t)為輸出即偏差PID的線性組合。

從式（1）可以看出，采用PID控制，對溫控過程中產生的干擾有良好的控制效果。

路燈控制器的單片機選擇C8150F320，通過改變占空比實現合理充電。將太陽能轉換為鉛酸蓄電池所需要的充電電壓，還需要用到DC/DC變換器，選擇采用MAX668變換器。溫度傳感器選擇DS18B20，負責采集溫度并觀察是否超過設定值。以單片機為控制核心的控制系統，根據收集的信息，決定采用MPPT充電還是PID溫度控制充電，實現溫度保護的智能充電。

2 具有溫度保護的軟件設計

具有溫度保護的軟件設計流程如圖2所示。

圖2 具有溫度保護的軟件流程圖

該系統實時檢測充電電壓U、充電電流I、控制器芯片的溫度T，如果控制器芯片溫度T超過設定值溫度TC，啟動PID溫度控制方式充電，否則進行MPPT方式充電。在進行PID溫度控制方式充電時，系統輸出合適的占空比D，以降低輸出功率，從而使溫度下降，當溫度降低至設定的下限值時，啟動MPPT充電方式。在進行MPPT方式充電時，系統檢測充電電流I是否小于當前蓄電池可接受的充電電流IC，如果I＜IC，啟動帶有擾動觀察法的MPPT方式充電，否則采用IC充電。由此，通過采用帶有溫度保護充電方式，使該系統的溫度得到有效控制，同時提高控制系統的充電效率，延長其使用壽命。

3 仿真

選擇在夏季某一天進行仿真，采用MATLAB/Simulink仿真軟件搭建仿真模型，得出仿真結果。仿真對比不帶PID溫度保護的MPPT充電方式和帶有PID溫度保護的MPPT充電方式進行比較，結果如圖3所示。圖3中，P1、TI為不帶PID溫度保護MPPT的輸出功率和控制器芯片表面溫度，P2、T2為帶有PID溫度保護MPPT的輸出功率和控制器芯片表面溫度。

如圖3所示，在8：00～12：00，隨著光照強度的不斷增強和氣溫的不斷上升，系統所采集的輸出功率和芯片溫度也在不斷增加，隨后，在光照強度的不斷增強、地表溫度的不斷升高的情況下，芯片已經達到較高的溫度，如果此時繼續采用MPPT方式充電，芯片由于需要進行MPPT，會增加其功耗，將進一步加重芯片發熱的情況。由圖3可知，溫度可達85 ℃，但是芯片的工作溫度范圍一般為0～80 ℃，長時間的高溫將導致芯片受損，而該系統采用帶有PID溫度保護的充電方法，初始啟動MPPT充電方式進行充電，當檢測到芯片溫度上升至70 ℃時，啟動PID溫度控制，使太陽能電池的輸出功率和控制器芯片表面溫度形成動態平衡，在下午2:30左右，由于光照強度和氣溫的下降，系統又啟動MPPT方式充電。仿真結果表明，這種根據溫度的變化自動調整充電方式的智能控制系統符合設計要求。

圖3 兩種充電方式的仿真結果

4 結束語

綜上所述，帶有溫控效應的太陽能路燈智能控制系統能夠根據溫度的變化自動調整充電方式，當溫度超過設定溫度時系統采用PID溫控方式充電，可以在一定程度上保護DC/DC芯片硬件的使用壽命，延長路燈的使用周期；當溫度恢復正常時，啟動MPPT方式充電，從而有效保護芯片的使用壽命，降低路燈設備更換的頻率。