【正文】 energy magazine．2009，7(3)：22～33.12 于靜，車俊鐵，張吉月．太陽能發(fā)電技術(shù)綜述．世界科技研究與發(fā)展．2008，30（1）：56～5913 王長(zhǎng)江．基于MATLAB的光伏電池通用數(shù)學(xué)模型．電力科學(xué)與工程．2009，25（4）：111414 孟昭淵．光伏發(fā)電對(duì)蓄電池的基本要求及理想儲(chǔ)能方法．陽光能源．2011，（3）：60～6415 普平貴．太陽能路燈系統(tǒng)中蓄電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理．太陽能．2011，（15）：44～4616 陳維，沈輝，鄧幼?。柲芄夥鼞?yīng)用中的儲(chǔ)能系統(tǒng)研究．蓄電池．2006，（1）：21～2717 朱虹，劉廷章，王建．基于太陽能發(fā)電的LED照明控制技術(shù)．工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置．2008，（1）：82～8418 李甫元． LED燈．電氣時(shí)代．2004，（10）：128～12919 劉宏，張曉晶．高亮度白光LED直流照明燈的研究．節(jié)能與環(huán)保．2005，（8）：5～720 陳維，沈輝，王東海等．太陽能半導(dǎo)體照明驅(qū)動(dòng)技術(shù)研究．照明工程學(xué)報(bào)．2005，（3）：7～1021 王雅芳．大功率LED照明電路特性與驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)．電子與封裝．2009，9（4）：20～2422 楊曉光，寇臣銳，汪友華．太陽能LＥD照明路燈充電器的研制．太陽能學(xué)報(bào)．2010，31（1）：67～7123 胡寅．太陽能發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)方案設(shè)計(jì)．上海建設(shè)科技．2。本文還對(duì)部分電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果基本符合要求，并設(shè)計(jì)了主要器件的硬件電路。流程圖如圖63所示。進(jìn)入放電子程序后首先點(diǎn)亮LED燈，然后判斷此時(shí)的蓄電池端口電壓是否大于最小閾值電壓U。充電控制流程如圖62所示。本文根據(jù)太陽能電池的輸出特性和蓄電池的輸入特性，采用最大功率充電(MPPT)、恒壓充電和浮充充電三種充電控制方式。流程圖如圖61所示。系統(tǒng)上電后首先進(jìn)行初始化，包括各存儲(chǔ)單元初始化、外部時(shí)鐘初始化和溫度傳感器初始化等。系統(tǒng)等待狀態(tài)是指：太陽能既不滿足對(duì)蓄電池的充電條件，也沒有到照明設(shè)定時(shí)間，此時(shí)蓄電池只對(duì)控制系統(tǒng)供電。負(fù)載工作時(shí)，還應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)負(fù)載電路中電流，避免發(fā)生過載或短路，若發(fā)生過載或短路，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)采取相應(yīng)的措施，保護(hù)電路。結(jié)合蓄電池的電壓狀態(tài)和充電電流情況，充電流程又分為MPPT、恒電壓充電和浮充三個(gè)子流程，給蓄電池快速而有效得補(bǔ)充能量。在夜間，周期性的采集蓄電池的端電壓及LED燈側(cè)的供電電流，完成路燈的不同功率控制以及蓄電池的放電保護(hù)。首先完成系統(tǒng)初始化，包括對(duì)內(nèi)部資源模塊寄存器和對(duì)有關(guān)標(biāo)志位的初始設(shè)置。 本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)思路，包括主控電路，充電電路，放電電路，信號(hào)采集電路及保護(hù)電路。 保護(hù)電路系統(tǒng)的保護(hù)主要靠單片機(jī)完成，在充電回路和放電回路的環(huán)路上都接有一個(gè)開關(guān)管，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)超過保護(hù)設(shè)定值時(shí)芯片控制斷開開關(guān)，從而保護(hù)電路。具體電路如圖59所示。充放電電路閉環(huán)都采用PI調(diào)節(jié)，參數(shù)由仿真試湊得到。這樣，調(diào)節(jié)占空比D就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，并可以在輸入變動(dòng)時(shí)穩(wěn)定輸出電壓。當(dāng)開關(guān)斷開后，由于電感中的電流不能突變，將產(chǎn)生左負(fù)右正極性的電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)與輸入電源疊加并迫使二極管導(dǎo)通將電感儲(chǔ)能饋送至輸出端。開關(guān)閉合時(shí)能量從電源注入并存儲(chǔ)于電感L之中。其電路組成如圖56所示。圖55 放電回路電路結(jié)構(gòu)圖（1）Boost電路工作原理 Boost型變換器也叫并聯(lián)開關(guān)變換器。電路結(jié)構(gòu)如圖55所示。求得C的值為215F，取300μF。取1mH。因此調(diào)節(jié)占空比D就可以改變輸出電壓，并保持電壓穩(wěn)定。開關(guān)斷開期間由于電感電流不能突變，電感反電勢(shì)呈現(xiàn)下正上負(fù)的極性，迫使二極管正偏導(dǎo)通，電感中的磁儲(chǔ)能經(jīng)二極管饋向輸出端，一方面向負(fù)載供電，一方面補(bǔ)充在開關(guān)閉合期間電容C泄放掉的電荷。BuckBoost變換器開關(guān)閉合時(shí)的等效電路如圖53，開關(guān)斷開時(shí)的等效電路如圖54。它的電感器同時(shí)起著濾波和升壓的雙重作用。電路結(jié)構(gòu)如圖51所示。該電路可以在多變的情況下實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，充分利用太陽能電池的能量，提高太陽能電池的利用率，并且在不損壞蓄電池的前提下，加快充電速度。其工作原理圖如圖41所示：圖41 路燈控制器工作原理圖 本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)各部分的參數(shù)計(jì)算及主要器件的選擇，闡述了控制器的主要功能及系統(tǒng)的工作原理。由于太陽能電池的最大功率點(diǎn)電壓高于蓄電池的充電電壓，為達(dá)到提高太陽能電池的利用率的目的，充電電路采用了基于BuckBoost型的DCDC降升壓電路的MPPT控制技術(shù)，同時(shí)DCDC變換器的引入還可以對(duì)蓄電池的充電方式加以控制，實(shí)現(xiàn)恒壓充電以及浮充的充電方法，提高蓄電池的充電速度，并延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。（5）LED 路燈自動(dòng)通斷功能與恒流控制功能[26]。（3）蓄電池過充電保護(hù)功能 白天，光伏板在控制器的控制下向蓄電池充電，控制器自動(dòng)切斷充電回路，防止過充電，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其壽命。 系統(tǒng)總體要求本系統(tǒng)為太陽能供電LED路燈控制器，控制芯片采用單片機(jī)進(jìn)行智能化管理和控制，具體要求如下：（1）采用科學(xué)有效的充電模式，在不影響蓄電池使用壽命的前提下充分利用太陽能電池，并保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)。120％=217 (42)算得的值為89W，選用12V，100W的單晶硅太陽電池。設(shè)計(jì)時(shí)一般是先通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定單位面積的太陽能電池，在工作地點(diǎn)實(shí)際日照條件下不同時(shí)間段的輸出電流值，再由此計(jì)算平均日照條件下的輸出電流值和平均日照時(shí)間值，結(jié)合蓄電池的容量確定需要的太陽能電池板面積。蓄電池的容量C由下式求得[24]： (41)式中 D——最長(zhǎng)無日照用電天數(shù)，取5天 F——蓄電池組放電效率的修正系數(shù)， Q——日均耗電量 ——蓄電池工作電壓 L——蓄電池組充放電效率，通常取0. 9 U——蓄電池組的放電深度，通常取0. 6 ——線路損失，通常取0. 98求得C的值為121A?h，選用12V，120 A?h的閥控密封式鉛酸蓄電池。（2）日均光照 以秦皇島為例，日均光照在5小時(shí)每天（3）每日放電時(shí)間 平均每日放電時(shí)間為10小時(shí)（傍晚7時(shí)到第二天5時(shí)），通過PWM控制LED的工作方式每日放電時(shí)間縮短為7小時(shí)。第4章 系統(tǒng)的參數(shù)及總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算 LED燈的參數(shù)計(jì)算根據(jù)路燈照明的要求，本文選用了3W的大功率LED燈7盞串聯(lián)，每盞燈的額定電流為700mA。然后闡述了最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的基本原理，介紹了幾種常用的跟蹤方法，總結(jié)了其他幾種較為復(fù)雜和先進(jìn)的跟蹤算法。圖34 最大功率點(diǎn)跟蹤仿真圖MPPT模塊為最大功率點(diǎn)跟蹤控制子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤算法調(diào)整PWM輸出占空比以控制MOSFET功率開關(guān)管的開通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，該子系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM波形的開關(guān)頻率為50kHz，其模型如圖35所示。而且由于增量電導(dǎo)法算法較為復(fù)雜，且在跟蹤的過程中需花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間去執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)需采用高速微處理器完成數(shù)據(jù)處理，所以本課題采用擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)太陽能電池最大功率差點(diǎn)跟蹤。固定電壓法優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，缺點(diǎn)在十精度不足。 其他跟蹤方法除上述方法外，MPPT算法還包括短路電流法、最優(yōu)梯度法、滯環(huán)比較法、間歇掃描法、實(shí)時(shí)監(jiān)控法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)在于在日照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，太陽能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動(dòng)觀察法小。 電導(dǎo)增量法光伏陣列的PV曲線是一個(gè)單峰曲線，在MPP點(diǎn)功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零。但是系統(tǒng)必須引入擾動(dòng)，尋優(yōu)的最后結(jié)果是系統(tǒng)在最大功率點(diǎn)附近的很小范圍內(nèi)來回振蕩，造成能量損失，降低太陽電池效率。擾動(dòng)觀察法流程圖如圖33所示。 擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法的原理是：在每個(gè)控制周期用較小的步長(zhǎng)改變太陽能電池陣列的輸出，改變的步長(zhǎng)是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對(duì)象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動(dòng)”。然而恒電壓法忽略了太陽能電池溫度對(duì)太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)的影響，一般硅太陽能電池的開路電壓都在較大程度上受結(jié)溫影響，當(dāng)太陽能電池溫度每升高1℃時(shí)，％．％，這說明太陽能電池的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓也隨電池溫度的變化而變化，其中對(duì)太陽能電池溫度影響最大的因素是環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度。從上面可以看出恒電壓法實(shí)際上是把最大功率點(diǎn)跟蹤簡(jiǎn)化為恒電壓跟蹤。 恒電壓法溫度一定時(shí)，在不同的日照強(qiáng)度下，太陽能電池陣列輸出曲線的最大功率點(diǎn)基本是分布在一條垂直線的附近，如圖32所示。[23]最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的過程，通過對(duì)光伏電池陣列當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè)，得到當(dāng)前光伏電池陣列輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻功率相比較，舍小取大，再檢測(cè)，再比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使光伏電池陣列動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。 最大功率點(diǎn)跟蹤原理光伏陣列的輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況等影響。當(dāng)蓄電池端電壓上升到轉(zhuǎn)換門限電壓Uc后, 充電電路轉(zhuǎn)為恒電壓充電，恒電壓充電期間，充電電流會(huì)繼續(xù)減小，直到小于某一閾值，就認(rèn)為充滿，然后采用浮充方式對(duì)蓄電池采取實(shí)時(shí)的補(bǔ)償[22]。所謂MPPT技術(shù)，既在電路中加入DC—DC阻抗變化網(wǎng)絡(luò)使太陽能電池輸出恒定在最大功率點(diǎn)。結(jié)合以上分析，本論文使用階段充電方法，這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠縮短充電時(shí)間。PWM調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)時(shí)問，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。 PWM充電法PWM調(diào)制充電方式首先對(duì)電池充電一段時(shí)問，然后讓電池停止充電一段時(shí)間，如此循環(huán)往復(fù)。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中因?yàn)樘柲茈姵乇旧碓谔囟l件下輸出能量有限，無法提供充電初期較大的電流。理論上經(jīng)過5小時(shí)的充電，蓄電池就能達(dá)到99％以上的荷電狀態(tài)。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線，如下圖所示。三階段充電就是恒壓充電致電流降至某一閾值后，再以恒微電流充電。二階段充電首先對(duì)鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，當(dāng)鉛酸蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓充電方式允電。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因?yàn)檫@種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流不會(huì)太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。但是恒壓充電方法也有不足之處，在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電器的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷；如果鉛酸蓄電池電壓過高，后期充電電流又過小，充電時(shí)間過長(zhǎng)，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必調(diào)整電流。 恒電壓充電法恒壓充電就是以恒定電壓對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。這種方法適合于多個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長(zhǎng)時(shí)問的允電模式。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓允電、階段充電、智能充電和PWM充電等方法。第3章 蓄電池充電方式分析 常用充電方法比較 在獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池的充電控制方對(duì)系統(tǒng)性能有至關(guān)重要的影響。[10]本文通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池端電壓、太陽能端電壓、和環(huán)境溫度等值作為控制對(duì)象來對(duì)光伏系統(tǒng)中蓄電池充電過程進(jìn)行控制，包括光伏陣列MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤控制，恒壓限流充電和浮充控制。過流、短路保護(hù)主要是通過檢測(cè)電流值來判斷，當(dāng)電流值達(dá)到一定值時(shí)就切斷電路，達(dá)到保護(hù)的目的。由于蓄電池的電量與它的端電壓具有一定的關(guān)系，所以通過檢測(cè)蓄電池的端電壓可以得到蓄電池的電量。太陽能的電池板端電壓與外界光照條件有很大的關(guān)系，因?yàn)橐惶熘泄庹諒?qiáng)度時(shí)不斷變化，所以太陽能電池板的端電壓也是不斷變化的:早晨和傍晚電池板的端電壓低，中午左右端電壓最高。工作工程中進(jìn)行過充、過放保護(hù)，過流、短路保護(hù)，太陽能電池板、蓄電池反接保護(hù)等。在幾個(gè)組成部分中，控制器的作用是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)(太陽能電池電壓Voc，蓄電池端電壓Vba，環(huán)境溫度T等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，控制整個(gè)系統(tǒng)充放電回路的狀態(tài)，保證供電系統(tǒng)充放電合理，盡量減小對(duì)蓄電池的損害，能在長(zhǎng)期無人值守的情況下可靠地運(yùn)行，配以少量外圍電路，組成一個(gè)實(shí)用控制系統(tǒng)。根據(jù)以上介紹，結(jié)合本研究要求，采用恒流驅(qū)動(dòng)、脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)LED路燈亮度。圖28 電阻限流驅(qū)動(dòng)方式 圖29 恒流源驅(qū)動(dòng)方式比較兩種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，第二種方式更適合于太陽能半導(dǎo)體照明。通過對(duì)電流檢測(cè)電阻Rs的兩端電壓進(jìn)行檢測(cè)，若檢測(cè)到的電壓偏離控制IC設(shè)定的參考電壓，控制IC 輸出PWM 控制信號(hào)的脈寬也將發(fā)生改變，控制開關(guān)管的開關(guān)占空比也就發(fā)生變化，而使檢測(cè)電阻Rs 上的電壓保持在設(shè)定參考電壓上。(1)電阻限流驅(qū)動(dòng)方式，如圖28所示，在蓄電池和LED 通過串接一個(gè)電阻限流，這種方式是通常的LED 驅(qū)動(dòng)方式，廣泛應(yīng)用LED 指示電路。結(jié)合以上工作特性，得到LED的驅(qū)動(dòng)方式有:恒壓驅(qū)動(dòng)或稱為電阻限流驅(qū)動(dòng)方式和恒流驅(qū)動(dòng)方式兩種。LED的光通量隨著流過LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。由于這個(gè)特點(diǎn)，LED不能直接用電壓源供電，必須采用限流措施，否則隨著LED工作時(shí)溫度的升高，電流會(huì)越來越大，以至損壞LED。因此，流過LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。正常工作時(shí)的管壓降為3V～4V。（3）PWM 方式使用控制電路實(shí)現(xiàn)起來也比較容易 白光LED燈的驅(qū)動(dòng)方式白光LED的驅(qū)動(dòng)方式由它的工作特性決定，其工作特性為[21]：（1）LED是單向?qū)щ娖骷?，由于這個(gè)特點(diǎn)，要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。（2）現(xiàn)在通常使用的大功率白光LED 都是工作在大電流下，因此其在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。我們選擇200～3