摘 要: 針對(duì)太陽(yáng)能控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，探討了太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)各部件的選用，設(shè)計(jì)了一種基于PIC16F877單片機(jī)的智能控制器。提出了可行的太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法和合理的蓄電池充放電策略。該控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；蓄電池；控制器；最大功率點(diǎn)跟蹤；充電策略
太陽(yáng)能是取之不盡、用之不竭的綠色能源。太陽(yáng)能光伏發(fā)電以其安全可靠、無(wú)噪聲、無(wú)污染、隨處可見(jiàn)、無(wú)機(jī)械傳動(dòng)的部件、規(guī)模大小隨意、可無(wú)人值守等優(yōu)點(diǎn)受到越來(lái)越多的重視。
目前，太陽(yáng)能路燈在推廣應(yīng)用中遇到的主要問(wèn)題一是太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率低；二是蓄電池的使用壽命有限，從而提高了太陽(yáng)能路燈的成本。本文針對(duì)以上問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套先進(jìn)的智解控制器。
1 太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)
太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，虛線框所示即為所提出的控制器的主要部分。整個(gè)系統(tǒng)用Michrochip 的PIC16F877單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，并利用單片機(jī)輸出的PWM波控制BUCK型降壓電路來(lái)改變太陽(yáng)電池陣列的等效負(fù)載，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率跟蹤。D1為太陽(yáng)能電池板防反接、反充二極管，采用快恢復(fù)二極管，C1、C2為濾波電容，Q為場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)關(guān)管，L為儲(chǔ)能電感，D2為續(xù)流二極管。
1.1 太陽(yáng)能電池
太陽(yáng)能電池陣列是太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)的輸入[1]，為整個(gè)系統(tǒng)提供照明和控制所需電能，白天將太陽(yáng)能電池陣列所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；晚上，太陽(yáng)能電池停止充電，輸出端開(kāi)路。在眾多太陽(yáng)能電池中較常用的有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池及非晶硅太陽(yáng)能電池3種。多晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格比單晶低，適合用于太陽(yáng)光充足日照好的東西部地區(qū)。單晶硅太陽(yáng)能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定，適合用于陰雨天比較多、陽(yáng)光相對(duì)不是很充足的南方地區(qū)。非晶硅太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光照條件要求比較低，適合室外陽(yáng)光不足的情況下使用。目前單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為12%～15%左右，如何提高轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前太陽(yáng)能應(yīng)用的研究重點(diǎn)之一。太陽(yáng)能電池方陣工作電壓一般為負(fù)載工作電壓的1.4倍。
1.2 蓄電池
蓄電池是太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。白天，蓄電池將太陽(yáng)能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，到夜間再轉(zhuǎn)換回電能輸出給照明負(fù)載。目前在太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中常用的蓄電池是閥控式密封鉛酸（VRLA）蓄電池，它具有不需補(bǔ)加酸水、無(wú)酸霧析出、可任意放置使用、使用清潔等優(yōu)點(diǎn)。VRLA蓄電池的容量可用式(1)進(jìn)行估算[2]：
蓄電池用量=(安全系數(shù)) 1.4 × (蓄電池放電容量修正系數(shù))1.5×負(fù)載工作電流×日工作時(shí)數(shù)×最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù) (1)
蓄電池容量過(guò)小，不能夠滿足夜晚照明的需要；蓄電池過(guò)大，則始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費(fèi)。蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)能電池、用電負(fù)荷（路燈）相匹配。太陽(yáng)能電池的電壓要超過(guò)蓄電池的工作電壓20%~30%，才能保證給蓄電池正常負(fù)電。
1.3 照明負(fù)載
一般太陽(yáng)能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無(wú)極燈、LED光源。
(1)低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，使用壽命可達(dá)2 000h，一般適合太陽(yáng)能草坪燈、庭院燈；
(2)低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高，但需逆變器，因而價(jià)格貴，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)高，采用較少；
(3)無(wú)極燈：功率小，光效較高。該燈在220V普通市電條件下使用，壽命可以達(dá)到50 000 h，但在太陽(yáng)能燈具上使用時(shí)壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不多；
(4)LED燈光源：壽命長(zhǎng)，可達(dá)1 000 000 h，工作電壓低，光效較高。隨著技術(shù)進(jìn)步，LED的性能將進(jìn)一步提高，LED作為太陽(yáng)能路燈的光源將是一種趨勢(shì)。
2 控制器硬件設(shè)計(jì)
作為太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)的核心，太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。本文所提出的智能控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
控制器的核心是PIC16F877，它是目前世界上片內(nèi)集成外圍模塊最多、功能最強(qiáng)的單片機(jī)品種之一，是高性能的8位單片機(jī)[3]。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)和RISC技術(shù)，指令執(zhí)行效率高，功耗極低，帶有FLASH程序存儲(chǔ)器，配置有5個(gè)端口33個(gè)雙向輸入輸出引腳，這些引腳大部分有第二、第三功能，內(nèi)嵌8個(gè)10位數(shù)字量精度的AD轉(zhuǎn)換器，配有2個(gè)可實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制波形輸出的CCP模塊?？刂破髦饕墓ぷ魇前滋鞂?shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板對(duì)蓄電池充電的控制，晚上實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)負(fù)載放電的控制，同時(shí)具有光控、時(shí)控功能，能夠在白天夜間自動(dòng)切換。
2.1 電流電壓采集
控制器采集太陽(yáng)能電池的電壓電流，用以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)MPPT的跟蹤；采集蓄電池的端電壓，防止蓄電池的過(guò)充及過(guò)放；采集溫度，用以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。電壓采集可用霍爾電壓傳感器或電阻分壓法實(shí)現(xiàn)，電流采集可用霍爾電流傳感器或分流器實(shí)現(xiàn)。
2.2 顯示模塊
顯示模塊有工作正常提示，蓄電池過(guò)充、蓄電池欠壓等顯示功能，可采用兩個(gè)雙色LED發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，分別顯示充電和放電狀態(tài)。當(dāng)電壓由低到高變化時(shí)，指示燈由紅色到橙色到綠色漸變顏色顯示電壓高低。充電狀態(tài)：當(dāng)蓄電池電壓低于13.0 V時(shí)，LED1顯示綠色；當(dāng)蓄電池電壓在13.4 V～14.4 V之間時(shí)，LED1顯示橙色；當(dāng)蓄電池電壓高14.4 V時(shí)，LED1顯示紅色。放電狀態(tài)：當(dāng)蓄電池電壓低于11.0 V時(shí)，LED2顯示紅色；當(dāng)蓄電池電壓在12.2 V～12.4 V之間時(shí)，LED2顯示橙色；當(dāng)蓄電池電壓高于12.4 V時(shí)，LED2顯示綠色。
3 蓄電池充放電策略
作為太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)儲(chǔ)能用的蓄電池由于存在過(guò)放、過(guò)充、使用壽命短等問(wèn)題，要選擇合適的充放電策略。所有的蓄電池充電過(guò)程都有快充、過(guò)充和浮充3個(gè)階段，每個(gè)階段都有不同的充電要求?，F(xiàn)行的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、間隙式充電法等，這些充電方法各有利弊。本文設(shè)計(jì)的控制器采取綜合使用各充電方法應(yīng)用于3階段充電。
(1)快充階段：蓄電池能夠接受最大功率時(shí)，采取太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到轉(zhuǎn)換門(mén)限值后，進(jìn)入過(guò)充階段。
(2)過(guò)充階段：采用恒壓充電法，給蓄電池一個(gè)較高的恒定電壓，同時(shí)檢測(cè)充電電流。當(dāng)充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門(mén)限值時(shí)，認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。
(3)浮充階段：蓄電池一旦接近全充滿時(shí)，其內(nèi)部的大部分活性物質(zhì)已經(jīng)恢復(fù)成原來(lái)的狀態(tài), 這時(shí)候?yàn)榉乐惯^(guò)充，采用比正常充電更低的充電電壓進(jìn)行充電。浮充電壓根據(jù)蓄電池的實(shí)際要求設(shè)定，對(duì)12 V的VRLA蓄電池來(lái)說(shuō)，一般在13.4V～14.4 V之間。此時(shí)，在溫差較大的地區(qū)，還應(yīng)該進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償。合理考慮溫度變化范圍, 充電器應(yīng)該根據(jù)蓄電池的溫度系數(shù)給予某種形式的補(bǔ)償。因此，實(shí)際可采取式(2)確定浮充電壓Vf[4]:
Vf =V0＋(T－25)c (2)
其中V0為基準(zhǔn)點(diǎn)的電壓，即未進(jìn)行溫度補(bǔ)償時(shí)的電壓，T為檢測(cè)到的當(dāng)前溫度，25℃為設(shè)定的基準(zhǔn)溫度，c為電壓溫度系數(shù)，這里可設(shè)置為0.013 2。
4 最大功率點(diǎn)控制策略
由于太陽(yáng)能電池的輸出電壓和輸出電流隨著日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫的變化具有強(qiáng)烈的非線性，因此在特定的工作環(huán)境下存在著一個(gè)唯一的最大功率輸出點(diǎn)MPP(Max Power Point )。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了在同樣的日照強(qiáng)度和電池結(jié)溫下獲得盡可能多的電能，就存在著一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)跟蹤MPPT (MPP Tracking)的問(wèn)題。MPPT指為充分利用太陽(yáng)能，控制改變太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓或電流的方法使陣列始終工作在最大功率點(diǎn)附近。
4.1 MPPT控制方法
為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池最大功率點(diǎn)跟蹤，國(guó)內(nèi)外提出了許多種實(shí)現(xiàn)方法。主要方法有[5]增量電導(dǎo)法( incremental conductance,簡(jiǎn)稱IncCond法)、曲線擬合法( curve-fitting)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( neural network)、干擾觀測(cè)法(perturbation and observation,簡(jiǎn)稱P&O法)等。而且，每一種控制方法又有多種實(shí)現(xiàn)算法。
本控制器采用干擾觀測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT。干擾觀測(cè)法是通過(guò)不斷改變電池方陣的工作電壓，實(shí)時(shí)觀察、比較前后兩點(diǎn)輸出功率值，以便改變調(diào)節(jié)電壓的方向，最終穩(wěn)定在最大功率點(diǎn)。盡管系統(tǒng)工作點(diǎn)會(huì)在MPP兩側(cè)存在振蕩現(xiàn)象，造成一定的功率損失，但此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需測(cè)量電壓及電流兩個(gè)參數(shù)，因此易于實(shí)現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。
在電路的具體實(shí)現(xiàn)中，干擾觀測(cè)法可通過(guò)DC-DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)。DC-DC 轉(zhuǎn)換電路(也稱為斬波電路或斬波器) 是接在直流電源和負(fù)載之間，通過(guò)控制電壓將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路。從工作方式的角度，DC-DC 轉(zhuǎn)換電路又可分為升壓(Boost)、降壓(Buck)、升降壓(Boost-Buck)和丘克(Cuk)4種，其中降壓、升壓和升降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路是比較常用的類型。本控制器采用的是Buck型降壓電路。
4.2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)
Buck型降壓電路原理如圖3所示。電路由開(kāi)關(guān)K、續(xù)流二極管D、儲(chǔ)能電感L、濾波電容C等構(gòu)成。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電源通過(guò)開(kāi)關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲(chǔ)存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開(kāi)關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達(dá)到電源電壓值。一定時(shí)間后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，由于電感L的自感作用，將保持電路中的電流不變，電流流過(guò)負(fù)載，經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個(gè)回路。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)閉合跟斷開(kāi)的時(shí)間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。
將Buck型降壓電路應(yīng)用于太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)后如前文圖1所示，用IRF540 NMOS場(chǎng)效應(yīng)管Q代替此處的開(kāi)關(guān)K，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)采用TLP250，單片機(jī)輸出一個(gè)頻率為10 kHz的PWM波來(lái)控制開(kāi)關(guān)器件。由此，通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓改變了太陽(yáng)電池陣列的等效負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤[6]。
4.3 MPPT的控制流程
采用干擾觀測(cè)法，原則是電壓的變化始終能讓太陽(yáng)能輸出功率朝大的方向改變。因此，首先讓太陽(yáng)能電池以某個(gè)電壓輸出，采集電壓電流后計(jì)算得出它的輸出功率Pi，再與前一刻的輸出功率Pj進(jìn)行比較，若Pi＜Pj，則修改脈寬使U=U－△U；若Pi＞Pj，則使U=U＋△U。按照以上原則再測(cè)、再比、再修改脈寬，逐次逼近太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)。MPPT的控制流程如圖4所示。
5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
控制器軟件的主要任務(wù)是：實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電控制；完成電壓、電流的采集、處理和計(jì)算，實(shí)現(xiàn)MPPT控制算法；實(shí)現(xiàn)蓄電池對(duì)負(fù)載的放電控制?？刂葡到y(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法，使用MPLAB-IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)，其主程序流程圖如圖5所示。
本文所設(shè)計(jì)的以PIC16F877為控制核心的智能太陽(yáng)能路燈控制器，具有外圍電路簡(jiǎn)單、可靠性高的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤，采用了合理的蓄電池充放電策略，實(shí)現(xiàn)算法簡(jiǎn)單，既提高了太陽(yáng)能電池板的使用效率，又延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，具有一定的參考和推廣應(yīng)用價(jià)值。
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