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太陽能是一種清潔高效的可再生能源。在陽光充足的白天，屋頂的光伏電池將太陽能轉化成電能，供人們在夜晚使用。據專家預測，到2040年，全球的光伏發電量將占世界總發電量的26％，2050年后將成為世界能源的支柱。太陽能路燈以太陽光為能源，不需要鋪設復雜的管線，安全節能無污染。白天利用太陽光給蓄電池充電，晚上蓄電池提供能量帶動路燈工作。路燈的關／開過程采用光控，采用最大功率跟蹤技術，最大程度的吸收太陽能，提高太陽能光電池的效率，以降低路燈系統的成本。最大功點跟蹤(Maximum Power PointTracking，MPPT)系統是一種通過調節電氣模塊的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統。 1 硬件組成 太陽能路燈控制系統的組成如圖1所示。 1.1 Buck電路及其驅動電路 Buck電路工作原理是通過斬波形式將平均輸出電壓予以降低，可以將輸入接在光伏電池輸出端，通過調節其輸出電壓來達到調節負載之目的，以保持光伏陣列輸出電壓在其最大功率點的電壓和電流處。這里控制目標是輸出功率為最大，調節手段是改變開關管的開通占空比。由于光伏陣列的軟特性，并不是簡單的增大開關管占空比就能增大光伏陣列輸出功率。當Buck電路負載為蓄電池時，其構成了蓄電池充電電路，將蓄電池直接接在Buck電路的輸出端，通過調節蓄電池的端電壓實現蓄電池的充電控制，使用單片機智能控制方法，可以實現蓄電池的智能化充放電控制。 Buck電路為主電路，如圖2所示，太陽能光伏陣列輸出額定電壓為35 V，輸出額定電流為4.65 A，蓄電池額定電壓為24 V，開關頻率為80 kHz。電路工作在電流連續模式時電感量： 式中Ui為太陽能光伏電池輸出電壓；D為PWM脈沖占空比；f為開關頻率；k為k=△I／2Io；△I為紋波電流；Io為負載上的輸出電流。 允許的紋波電流△I越小，即k越小，電感L越大，電流紋波越小，可以選擇較小的濾波電容；反之，電感L較小，但電容較大。一般選取k=0.05～0.1。 將電感值確定以后，實際電感器的設計必須符合相關電氣標準、系統尺寸和安裝方式等限制。許多磁性元件供應商均提供各種型號的標準產品，可滿足絕大多數的設計標準要求。 Buck電路為實現最大功率技術的主電路，采用C8051F330單片機進行控制，采用有效的算法通過軟件編程由單片機輸出不同占空比的PWM信號，經由U4，U5處理，如圖3所示，驅動開關管Q1的導通與關斷。由于單片機C8051F330的驅動電流太小，且Buck電路中MOS管與主電路不共地，故采用隔離作用的B1215LS和輸出電流為0.5 A的高速光電耦合的MOS門驅動FOD3181，滿足MOS管工作的要求。 1.2 單片機控制電路 控制板采用C8051F330作為主控制器，該MCU具有高速、微型封裝、低功耗、工業級等特點；同時還具有多通道10位AD轉換器、PWM輸出等豐富的片上資源。 C8051F330(如圖4所示)的P0.2為太陽能光伏陣列的電壓采樣信號輸入，P0.3為蓄電池電壓采樣值的輸入，P0.5為主電路中電流信號采樣值的輸入，P1.6為溫度傳感器值的輸入，P0.6為8位PWM信號輸出，P0.4輸出控制負載的接入及過流時對電路的關斷，P1.0～P1.4接撥碼開關，為路燈設置定時，其定時長短由撥碼開關的狀態決定，四位撥碼開關共24=16個狀態，分別可定時1～16個小時。 2 電 源 目前太陽能發電系統主要為了節能，采用綠色能源而不接入市電，或者用于網電未涉及的地域，所以整個系統的工作需要太陽能電池板所產生的電能量經轉換或處理后的電源的支持，在本課題中欲采用+3.3 V和12 V電源，以支持控制芯片和集成運算放大電路或晶體管的工作。12 V電源主要是給系統電路中的三極管等元件的正常工作提供能量，由于采用了凌陽C8051F330單片機進行控制，故系統需要提供+3.3 V的電源。 3 軟件設計 整個系統的控制流程如圖5所示。 路燈的接人以太陽能板的電壓為依據，當采樣電壓＜3 V時，太陽光已暗，接入路燈，開始定時，定時時間值由撥碼開關設置。同時停止MPPT，以減小夜間的能量損耗。當定時時間到后，斷開路燈。在整個系統工作過程中，單片機始終采集蓄電池的端電壓，路燈是否接入以及接入后，一旦發生蓄電池過放現象，單片機P0.4引腳輸出高電平，斷開路燈，保護蓄電池。待蓄電池通過充電電壓升高后，如滿足接人條件，再接人路燈。在本設計中，加入了最大功率跟蹤技術，使輸入功率提高了20％。由于蓄電池的容量遠大于太陽能光伏陣列的充電能力，蓄電池充電時未采用防過充措施。 4 結 語 經實際運行表明，該控制系統具有電路結構簡單、工作穩定可靠、實用性強等優點，較好地將太陽能光伏技術與路燈控制技術結合起來，并實現了智能控制。 |
