太陽能" target="_blank">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?shù)?a class="innerlink" href="http://theprogrammingfactory.com/tags/光伏" title="光伏" target="_blank">光伏電池將太陽能轉(zhuǎn)化成電能，供人們在夜晚使用。據(jù)專家預(yù)測，到2040年，全球的光伏發(fā)電量將占世界總發(fā)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(shè)復(fù)雜的管線，安全節(jié)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(dòng)路燈工作。路燈的關(guān)／開過程采用光控，采用最大功率跟蹤技術(shù)，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(tǒng)的成本。最大功點(diǎn)跟蹤(Maximum Power PointTracking，MPPT)系統(tǒng)是一種通過調(diào)節(jié)電氣模塊的工作狀態(tài)，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統(tǒng)。
1 硬件組成
太陽能路燈控制系統(tǒng)的組成如圖1所示。
1.1 Buck電路及其驅(qū)動(dòng)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(diào)節(jié)其輸出電壓來達(dá)到調(diào)節(jié)負(fù)載之目的，以保持光伏陣列輸出電壓在其最大功率點(diǎn)的電壓和電流處。這里控制目標(biāo)是輸出功率為最大，調(diào)節(jié)手段是改變開關(guān)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(guān)管占空比就能增大光伏陣列輸出功率。當(dāng)Buck電路負(fù)載為蓄電池時(shí)，其構(gòu)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(diào)節(jié)蓄電池的端電壓實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電控制，使用單片機(jī)智能控制方法，可以實(shí)現(xiàn)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(guān)頻率為80 kHz。電路工作在電流連續(xù)模式時(shí)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(guān)頻率；k為k=△I／2Io；△I為紋波電流；Io為負(fù)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(shí)際電感器的設(shè)計(jì)必須符合相關(guān)電氣標(biāo)準(zhǔn)、系統(tǒng)尺寸和安裝方式等限制。許多磁性元件供應(yīng)商均提供各種型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，可滿足絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。
Buck電路為實(shí)現(xiàn)最大功率技術(shù)的主電路，采用C8051F330單片機(jī)進(jìn)行控制，采用有效的算法通過軟件編程由單片機(jī)輸出不同占空比的PWM信號(hào)，經(jīng)由U4，U5處理，如圖3所示，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管Q1的導(dǎo)通與關(guān)斷。由于單片機(jī)C8051F330的驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)FOD3181，滿足MOS管工作的要求。
1.2 單片機(jī)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(yè)級(jí)等特點(diǎn)；同時(shí)還具有多通道10位AD轉(zhuǎn)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(hào)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(hào)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(hào)輸出，P0.4輸出控制負(fù)載的接入及過流時(shí)對(duì)電路的關(guān)斷，P1.0～P1.4接撥碼開關(guān)，為路燈設(shè)置定時(shí)，其定時(shí)長短由撥碼開關(guān)的狀態(tài)決定，四位撥碼開關(guān)共24=16個(gè)狀態(tài)，分別可定時(shí)1～16個(gè)小時(shí)。
2 電 源
目前太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要為了節(jié)能，采用綠色能源而不接入市電，或者用于網(wǎng)電未涉及的地域，所以整個(gè)系統(tǒng)的工作需要太陽能電池板所產(chǎn)生的電能量經(jīng)轉(zhuǎn)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(yùn)算放大電路或晶體管的工作。12 V電源主要是給系統(tǒng)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(jī)進(jìn)行控制，故系統(tǒng)需要提供+3.3 V的電源。
3 軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)系統(tǒng)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(jù)，當(dāng)采樣電壓<3 V時(shí)，太陽光已暗，接入路燈，開始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間值由撥碼開關(guān)設(shè)置。同時(shí)停止MPPT，以減小夜間的能量損耗。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到后，斷開路燈。在整個(gè)系統(tǒng)工作過程中，單片機(jī)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(fā)生蓄電池過放現(xiàn)象，單片機(jī)P0.4引腳輸出高電平，斷開路燈，保護(hù)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(shè)計(jì)中，加入了最大功率跟蹤技術(shù)，使輸入功率提高了20％。由于蓄電池的容量遠(yuǎn)大于太陽能光伏陣列的充電能力，蓄電池充電時(shí)未采用防過充措施。
4 結(jié) 語
經(jīng)實(shí)際運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，較好地將太陽能光伏技術(shù)與路燈控制技術(shù)結(jié)合起來，并實(shí)現(xiàn)了智能控制。