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1、浅析自适应太阳能路灯控制器的设计大阳能路灯以其无需铺设电缆，不消耗常规能源等优点得到了广泛认可。 然 而太阳能路灯还存在一些问题造成其成本偏高， 可靠性不稳定、比如电池往往不 到一年就需要更换，不仅提高了后期维护的费用，而且增加了客户的消费成本， 也造成了资源浪费。其次是太阳能属于不稳定能源，而且能量分布不均，夏天能 量充足，但路灯使用时间短，冬天有效光照时间短，但路灯使用时间长，大大降 低了运行的可靠性，其原因主要受到太阳能路灯控制器路灯控制器 性能的影 响。太阳能控制器是太阳能光伏系统中的核心部分，主要完成对蓄电池的充、放 电、调光和路灯的开、美控制，以及在过充、过放电、过载等情况发生时对
2、系统 进行及时和有效地保护，保证照明时间，确保可靠性，有效延长电池寿命，降低 成本。1太阳能路灯控制器的主要设计要求和发展阶段太阳能路灯控制器的技术和质量的主要要求有：1 ）供电系统，根据太阳能路灯蓄电池板特性，要设计成恒流输出：2）过充，过放保护；3）具有系统功率调节功能；4）建立网络控制系统；5）根据市场要求，产品模块化。太阳能路灯控制器的发展到日前为止已经经历了 3个阶段：第一代功能比较 简陋，开关灯控制需要外接光敏感应器，定时时间不可设置，没有电池保护电路， 系统寿命非常短暂，很快就被市场淘汰：第二代在第一代的基础上，设置了电池 保护电路，通过太阳能路灯蓄电池组件搜集光敏数据， 通过开
3、关或程序设置定时， 技术上有了阶跃式的发展，逐渐被市场接受：第三代路灯控制器在于多数商家采 用了 PWM充电控制功能，对蓄电池进行涓流充电，有效延长了电池寿命，降低 了使用成本，从而进一步扩大市场占有率。一个好的控制器可以弥补甚至解决纯太阳能路灯的诸多问题，提高其呵靠 性。白适应太阳能供电路灯需要开发第四代控制器，它的特点是具有白适应灯的功率调节功能，电量检测和剩余电量计算是必备的： 同时具有组网功能，这样可 以保持整条街的路灯亮度一致，并可以进行通讯。2、自适应自适应单纯太阳能供电路灯控制器的设计日前各种现代控制理论，如白适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经 网络控制等先进控制理论和算法
4、也大量应用在光伏发电系统中。其中自适应控制太阳能供电路灯控制器设计是值得推进的技术。2.1 设计目标白适应单纯太阳能供电路灯的设计目标： 主要针对支路和供行人和非机动车 通行的居住区道路和人行道路灯， 对于南风能供电或风光互补的路灯系统本设计 同样适合： 由于太阳能的不可靠性以及主干道的照明设计标准的严格性， 单纯太 阳能供电比市电供电的路灯控制器的设计更为复杂， 如系统控制需要太阳能和市 电切换，则在本设计的基础上进行精简就好了。目标地点位于北京市内。2.2 自适应单纯太阳能供电路灯控制器设计特点及功能白适应单纯太阳能供电路灯控制器设计方案的宗旨： 通过精确控制， 达到降 低成本，提高可靠性
5、的日的。 主要具有以下几个特点及功能 （以太阳能路灯储能 器件为铅酸电池为例） ：1）MPPT电路根据太阳能路灯蓄电池板的特性， 如将太阳能路灯蓄电池阵列的输出电压控 制在某个恒定电压值附近， 则太阳电池在整个工作过程中近似日标在最大功率点 处，太阳能电池组件的能量转换效率最高。利用 PWM技术并通过对负载稳压来 实现对的恒流，从而保证了 LED的可靠使用141.采用意法半导体公司的MPPT 专用芯片 SPV1020. 跟踪效率可达 98%, 能量转换效率为 95%. 理论上，使用 MPPT技术会比传统方法效率提高 50%,实际测试中，由于周围环境影响与各神 能量损失，最终的效率也可以提高 2
6、0%-30%.2）过充过放保护采用充电限压，电池温升检测策略，如蓄电池电36 V, 充电截止电压42.5-43 V,充电截止温度80 C,充电截止温升30 C。不过绝大部分时间蓄电 池基本处于欠充状态。 同时通过对电池电压的数据实时采集， 利用软件控制对电 池采取限压保护：通过实时计算电池电量进行防过充过放保护，电量为100%时停止充电，电量为 20%时停止放电，为延长其寿命，做了第二道防线。图 1 为 蓄电池过充保护流程图。3、自适应单纯太阳能路灯控制器的设计 （开始J否:也电圧 4 3V0池温度 80TC1余电蚩1007F sorit先充电f _1 *7 H是I停止充电数懈计算图1蓄电池过
7、充保护流程图3）智控开关，实时监测，预警功能进行太阳能路灯电池板电流检测， 蓄电池电压检测，蓄电池电量监测，以及 环境温度的检测，采用光开时关，并实时上传工作环境及状态数据，预警故障，保证系统的可靠性。图2为太阳能路灯的开、关控制流程网自适应单纯太阳能路灯控制器的设计退出九【采集 （电池皑圧，温度）紡始化否；Mr廿时列吐J倍坎态降敢齐否炉时討刃：5範mnE作w计般的务时0、Ji勢耘i世邑彊丹订 、请求丸许?/图2路灯的开、关控制流程图4）亮度的自适应调节通常太阳能路灯厂家为了保证连续阴雨天的正常工作，只一味地加大蓄电池容量，一般蓄电池的容量可达电池板容量的 5倍，其实这样做并不能解决问题。计算
8、抄.址直及各讯巫 灯的亮厦上乩并请审丹灯七心匚打；的沁 Mi段灯的臺度计算回城等持汁时因为阴雨天工作的可靠性并不取决于电池的容量，而是由很多因素平衡而定的。 根据当前地理位置，季节，时间，气象条件，光的辐射量，浮尘浓度，工作环境 以及剩余电量， 自适应调节灯的亮度， 合理分配能量。由于设计为纯太阳能供电， 不考虑双电源情况，所以要想提高系统可靠性，唯一的方案就是牺牲灯的亮度。根据当天用电前的剩余电量和当天的充电量来进行白适应调节， 在保证正常 照明的同时，使电池的工作点长期保持在高电位， 并且使充放电深度在 30%以下， 根据电池循环寿命曲线，可以延长电池寿命 4-5 倍，有效降低太阳能路灯的
9、成 本，提高可靠性。以下将分别阐述剩余电量和充电量的计算过程。2.2.1 电池电量检测1）电量检测的算法大量的实验数据表明， 电池老化时蓄电池的内阻与电荷之间有较高的相关性（ 0.88 左右），蓄电池完全充电和完全放电时的内阻相差 2-4 倍，所以通过测量电池内阻可较准确地检测电池电量。2）建立内阻一电量一循环周期的关系曲线为了得到实时剩余电量值，要建立一个电量和内阻之间关系的数据库。以时间为标准， 就可以建立起内阻一电量一循环周期的关系曲线， 然后通过 Matlab 的曲线拟合功能得出内阻，电量以及循环周期的关系式。 蓄电池内阻与 剩余电量关系曲线如3）在线检测电量在太阳能路灯工作开始之前检
10、测出剩余电量， 采用交流压降内阻测量法测得 内阻值，通过查做好的数据表，并进行数据校正，得到对应的电量值。给电池施加一个固定频率和固定电流（日前一般使用 l kHz 频率、 50 mA小电沆），然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电 路计算出该电池的内阻值。图 4 为在线测量剩余电量硬件框图。充电量是通过太阳能电池板接收辐射强度和电池板面积计算得到的。 太阳能 电池板接收辐射强度为单日辐射强度与 sin a 的乘积，其中 a 为正午太阳辐射 与电池板的平均夹角。 电池板面积可参考配置计算部分的内容， 并且经过优化得 到的。通过计算电流在时域上的积分， 可得出电量变化值，
11、在路灯工作前检测到的 电池电量作为初始电量，则剩余电量为初始电量减去电量变化值。同时通过对MPPT电路的输出电流做积分，作为电量变化的校正值，从而得到较准确的剩余电量值。图 5 为剩余电量计算流程图。自适应单纯太阳能路灯控制器的设计 1) Zighee 无线通讯系统连网 保证整条路的路灯的开，关时间一致，马路亮度均匀，保证驾驶安全，避免 驾驶员视觉疲劳；实时传送数据，进行远程监测和控制：在线软件升级，降低维 护及调试成本： 待机睡眠， 降低系统功耗。 将 Zigbee 无线传感器网络技术应用 于蓄电池牛产过程中的充放电参数检测中， 将极大地提高产品测试的灵活性和可 靠性，对提高蓄电池牛产质量和
12、效率具有重要意义问。2)模块化可扩展性设计的控制器的供电系统可以是模块化的， 设计采用恒流充电方式， 所以电 池板可扩展， LED 模组可根据系统功率进行并联扩展。根据如上计算，具体设计框图如图 6 所示，为太阳能路灯控制系统硬件框架。图 7 为太阳能路灯控制系统电路原理图。自适应单纯太阳能路灯控制器的设计 3 自适应单纯太阳能供电路灯控制器设计方案模拟开关灯的时间根据天安门升降旗时间而定， 如表 1 所示，全年最长点灯时长 茌 12 月为 14.52 小时，最短为 9.13 小时。照明时间分为 3 个时段，第一个 时段从当天天安门降旗时刻开始，为 5 个小时，第二个时段到早上 5 点，第三
13、个时段从 5 点到灭安门升旗时刻， 灯光亮度各时段权重比为 5:2:3, 如果以 100 W光源为设计标准，则光源功耗最大为 1.068 5 kW-h 。自适应单纯太阳能路灯控制器的设计 显示根据表1中的数据得m的各月太阳能电池板面积排列柱形罔，从而可以选定电池板的面积为柱形途中的拐点处 2 月的画积值，太阳电池板面积为 2.2 IT12. 蓄电池为 115 Ah. 这样选择的原因是这样可以保证全年 85%的照明时间，剩下的 15%为过放，不过要给白适应调节留下一个调节余量，所以选择以2 月数据计算 fn 的太阳能面积的值，即 2.216 2 m2, 过放的情况为 3 个月，过放 比率为 25
14、%, 从而有 100/e 的调节空间。 自适应单纯太阳能路灯控制器的设计 4 结论白适应单纯太阳能供电路灯控制器的设计， 实现了以 MPPT 电路为控制核心 的智能太阳能路灯控制器， 具有外围电路简单， 可靠性高的特点， 实现了太阳能 电池的最大功率点跟踪， 采用了合理的蓄电池充放电策略， 实现算法简单， 既提 高了太阳能电池板的使用效率， 又延长了蓄电池的使用寿命， 对于个别过分欠充、 过充灯根据问题加大、 减小电池板面积， 更换电池或灯珠， 根据每盏路灯的实际 情况灵活调整其配置， 可使每盏灯都工作在最佳状态， 不但保证了正常照明， 而 且避免了资源浪费，也降低了产品造价，具有一定的参考和
15、推广应用价值。文章来源：太阳能路灯 转载请注明出处！仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur f u r den pers?nlichen f u r Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l e tude et la recherche uniquementa des fins personnelles; pasa des fins commerciales.to员bko gA.nrogeHKO TOpBieno 员 b3ymmcoi6yqeHu兄 cj egoB u HHue肉go 员冶hbiucno 员 B3OBaTbCEb KOMMepqeckux以下无正文
