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太陽(yáng)能是一種清潔高效的可再生能源。在陽(yáng)光充足的白天，屋頂的光伏電池將太陽(yáng)能轉化成電能，供人們在夜晚使用。據專(zhuān)家預測，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(yáng)能路燈以太陽(yáng)光為能源，不需要鋪設復雜的管線(xiàn)，安全節能無(wú)污染。白天利用太陽(yáng)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(kāi)過(guò)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(yáng)能，提高太陽(yáng)能光電池的效率，以降低路燈系統的成本。最大功點(diǎn)跟蹤(Maximum Power PointTracking，MPPT)系統是一種通過(guò)調節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。 1 硬件組成 太陽(yáng)能路燈控制系統的組成如圖1所示。 1.1 Buck電路及其驅動(dòng)電路 Buck電路工作原理是通過(guò)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(guò)調節其輸出電壓來(lái)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(diǎn)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(kāi)關(guān)管的開(kāi)通占空比。由于光伏陣列的軟特性，并不是簡(jiǎn)單的增大開(kāi)關(guān)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(shí)，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(guò)調節蓄電池的端電壓實(shí)現蓄電池的充電控制，使用單片機智能控制方法，可以實(shí)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(yáng)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(kāi)關(guān)頻率為80 kHz。電路工作在電流連續模式時(shí)電感量： 式中Ui為太陽(yáng)能光伏電池輸出電壓；D為PWM脈沖占空比；f為開(kāi)關(guān)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(shí)際電感器的設計必須符合相關(guān)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(chǎn)品，可滿(mǎn)足絕大多數的設計標準要求。 Buck電路為實(shí)現最大功率技術(shù)的主電路，采用C8051F330單片機進(jìn)行控制，采用有效的算法通過(guò)軟件編程由單片機輸出不同占空比的PWM信號，經(jīng)由U4，U5處理，如圖3所示，驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管Q1的導通與關(guān)斷。由于單片機C8051F330的驅動(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(mén)驅動(dòng)FOD3181，滿(mǎn)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(yè)級等特點(diǎn)；同時(shí)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(yáng)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(guò)流時(shí)對電路的關(guān)斷，P1.0～P1.4接撥碼開(kāi)關(guān)，為路燈設置定時(shí)，其定時(shí)長(cháng)短由撥碼開(kāi)關(guān)的狀態(tài)決定，四位撥碼開(kāi)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(yáng)能發(fā)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(wǎng)電未涉及的地域，所以整個(gè)系統的工作需要太陽(yáng)能電池板所產(chǎn)生的電能量經(jīng)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(yáng)C8051F330單片機進(jìn)行控制，故系統需要提供+3.3 V的電源。 3 軟件設計 整個(gè)系統的控制流程如圖5所示。 路燈的接人以太陽(yáng)能板的電壓為依據，當采樣電壓＜3 V時(shí)，太陽(yáng)光已暗，接入路燈，開(kāi)始定時(shí)，定時(shí)時(shí)間值由撥碼開(kāi)關(guān)設置。同時(shí)停止MPPT，以減小夜間的能量損耗。當定時(shí)時(shí)間到后，斷開(kāi)路燈。在整個(gè)系統工作過(guò)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(fā)生蓄電池過(guò)放現象，單片機P0.4引腳輸出高電平，斷開(kāi)路燈，保護蓄電池。待蓄電池通過(guò)充電電壓升高后，如滿(mǎn)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(shù)，使輸入功率提高了20％。由于蓄電池的容量遠大于太陽(yáng)能光伏陣列的充電能力，蓄電池充電時(shí)未采用防過(guò)充措施。 4 結 語(yǔ) 經(jīng)實(shí)際運行表明，該控制系統具有電路結構簡(jiǎn)單、工作穩定可靠、實(shí)用性強等優(yōu)點(diǎn)，較好地將太陽(yáng)能光伏技術(shù)與路燈控制技術(shù)結合起來(lái)，并實(shí)現了智能控制。 |
