太阳能LED路灯系统Word文档下载推荐.docx
《太阳能LED路灯系统Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能LED路灯系统Word文档下载推荐.docx（23页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
的太阳能电池的光生电流值约为15～30mA。
光生电流的值随环境温度的变化影响比较小，温度每下降1℃，光生电流减小78uA。
光生电压的开路值与太阳能电池的面积无关，与太阳光的辐射强度成正比，光生电压的开路值随环境温度的变化也不大，温度每下降1℃，光生电压减小2mV左右。
在无光照时，光伏电池等效于一个普通的二极管。
光伏电池的电气特性主要是指电流——电压特性，即伏安特性曲线[16]（图2-3为光伏电池的伏安特性曲线图）。
如图所示，短路电流Isc指当光伏组件短路时的电流，开路电压Voc指光伏组件开路时的电压。
根据功率定义，光伏组件的输出功率为光伏组件的电压和流经的电流乘积，即P=V•I。
在光伏特性曲线中，必有一点m,在该点处，I与V的所包裹的面积最大，改点的电流值Im为光伏组件的最佳输出电流，电压值Vm为光伏组件的最佳电压输出值，该点功率为光伏电池的最大功率输出点Pm，可由式2_2而得：
Pm=Im*Vm=Ff*Isc*Uoc
蓄电池特性
太阳能照明系统中,太阳能电池板把光能转化为电能,蓄电池则是用来储存电能的器件。
在太阳光足够强烈的情况下,太阳能照明系统通过控制器向蓄电池存储电能;
当太阳光线不足情况下,蓄电池放电输出电能给LED负载。
因此,蓄电池在太阳能照明系统中既要储存多余的电能,又要保证系统正常工作电压。
1）蓄电池的结构
典型铅酸蓄电池由正、负极板,电解液和电解槽组成,其基本结构如图2-6所示。
其中,正极板的活性物质是二氧化铅（PbO2）,负极板的活性物质是灰色海绵状的金属铅（Pb）,电解液是浓度为27%一37%的硫酸水溶液。
将金属插入含有金属盐的溶液中时,由于荷电粒子在两极之间的转移而产生了一定的界面电位差,这就形成了铅酸蓄电池的电极电位。
2）蓄电池容量
蓄电池的蓄电能力通常用来表示蓄电池的容量,其值可用充足电后的蓄电池使其放电到一定程度,即其端电压到终止电压,此时电池所释放出来的总电量来表示。
当蓄电池放电时的电流为恒定值时,则满足容量（Ah）=放电电流（A）*持续时间（h）,即:
Q=It
3）蓄电池的荷电状态
反映蓄电池的剩余容量时,通常用蓄电池的荷电状态Soc来表示。
在数值上其定义为蓄电池剩余容量与其总容量的比值,即:
Soc=
式中:
QR是当前条件下电池还能输出的容量,即剩余容量;
QSUM是在当前条件下电池所能放出的最大容量.
如果定义SOC=1为电池充满电状态,并且满足:
QSUM=Q+QR
式中Q表示电池已放出的容量,则式可以表示为
4）放电深度
放电深度表征的是蓄电池放出的容量与其输出总容量的百分比关系,即
DOD=
，DOD=1-SOC
5）蓄电池的影响因素
影响铅酸蓄电池寿命的因素主要有下面几点
（1）过充电
对阀控式铅酸蓄电池的维护需要建立精确的充电制度并加以实施,才能使蓄电池达到最优的性能和最长的使用时间。
国内外大量的研究结果表明,充电方式决定了蓄电池的使用寿命,有些电池说是使用坏的,不如说是因充电方式的不妥而损坏的。
实践证明,过充电是影响铅酸蓄电池寿命的主要因素。
当蓄电池过充电时,电解水会产生大量的气体,这些气体从电极表面逸出,增大了壳内压力,并且析出的气体会使铅板上的活性物质脱落,影响蓄电池的使用寿命。
（2）放电深度
放电深度是指铅酸电池在使用过程中放电到何种程度停止,100%的放电深度是指放出全部电量。
放电深度对铅酸蓄电池容量的影响很大。
放电电流越小,放电深度越小,铅酸蓄电池的寿命越长。
如图2-10所示为铅酸蓄电池的循环使用次数及其放电深度的关系。
因此在设计光伏照明系统时即要合理的使用蓄电池的容量,又要避免过放,延长蓄电池的使用时间。
（3）温度的影响
每种铅酸蓄电池在出厂时厂方都给出了一个相应的工作环境温度,在此温度范围内蓄电池能发挥出最佳效能。
温度对铅酸蓄电池的影响很大,在环境温度为15°
C~35°
C时,铅酸蓄电池的放电能力有所提高,但是当环境温度一旦超过25°
C,温度每升高10°
C度,铅酸蓄电池的使用寿命缩短一半,例如如果铅酸蓄电池的使用寿命是6年,环境温度为35°
C时,其使用寿命就只有3年了。
另外铅酸蓄电池的电压具有负的温度系数,当温度每升高1°
C时,单体铅酸蓄电池的电压下降约3mv,所以在很宽的温度范围内保证铅酸蓄电池能充好电,同时避免过充,充电器的转化温度必须随着蓄电池的电压温度系数的变化而变化。
（4）长期浮充电
目前,阀控式铅酸蓄电池大多数都长期处于浮充状态,大量的运行资料统计表明,这样会造成铅酸蓄电池的正极板钝化,使蓄电池内阻急剧增大容量大幅下降,使铅酸蓄电池实际的供电时间大大缩短。
（5）充电不足
铅酸蓄电池的充电不足会导致硫酸铅形成坚硬致密的晶体,不易在转化为二氧化铅和铅,失去可逆作用,从而使蓄电池容量降低。
3MPPT控制算法
MPPT实际上就是一个自寻优过程。
当负载特性与太阳能电池阵列特性的交点在阵列最大功率点相应电压Um之左时,MPPT的作用就是使交点处的电压升高;
而当交点在阵列最大功率点相应电压Um之右时,MPPT的作用就是使交点处的电压下降,原理如图3.4所示
目前经常使用的MPPT算法可以分为以下几种:
（1）恒定电压控制法
我们知道,太阳能电池的最大功率点电压是其开路电压的76%左右。
确定最大功率点时,先将负载断开,通过对开路电压进行采样和保持以作为控制部分的参考电压值。
因为太阳能在光照条件相似的情况下其最大功率点的电压变化不大,接近于恒定,因此这种方法对日照和环境变化不大的地区比较适用。
这种方法的优点是实现起来比较容易且成本低廉,但是其误差比较大。
（2）曲线拟合法
这是先将太阳能电池组件的输出特性测量出来,同时用数学表达式进行描述的方法。
其方法的缺点是受限于复杂因素的影响,比如温度!
老化以及电池的击穿等,不容易测量。
（3）导纳微分法
这种方法也被称为增量电导法。
它认为在太阳能电池阵列的最大功率点处,输出功率对输出电压的一阶导数为零。
所以当环境的光强发生变化时,就可以根据dI/dV的运算结果是否和-I/V相等来判定是否需要继续对输出电压进行调整,这样就实现了最大功率点的跟踪。
（4）扰动观察法
扰动观察法是截止目前最为成熟且应用最大的方法。
其基本思想就是控制充电电路开关信号的占空比,使之增大或者减少,从而改变电路的输出功率,根据功率的变化来决定对占空比的控制,是让其减小还是让其增大。
在结构图中,扰动观察法不需要太多的硬件电路,A/D转换器需求的较少,因此制造时可以大大节省成本。
但是这种方法也存在一些缺点,比如在对最大功率点进行跟踪的过程中,响应速度不能根据大气条件的迅速改变而进行相应调整,使得跟踪的速度变慢,引起功率的损失。
上面所介绍的四种方法,总结起来,各有利弊,都不能够同时具有成本低、稳定性高、追踪速度快等特点。
比较起来,第一种方法只能对最大功率点的位置进行粗略估计,当光强变化到非常大或非常小时将会产生较大的误差。
第二种方法使用前必须要弄清楚当地的环境和气候,同时还要对太阳能电池的工作状态进行实际测量,因此可移植性比较差。
第三种方法对系统的检测精度要求较高,在一般的单片机系统中无法实现。
通过分析比较,本课题采用了第四种方法,即首先判定当前的工作点是不是最大功率点,然后再根据判断结果来决定是否要继续调整,以及调整的方向。
扰动法实现MPPT原理
画出扰动分析法的原理结构图,如图3.5所示。
扰动观察法是一种实时控制的最大功率跟踪方法,它每隔一定的时间控制太阳能光伏电池输出电压的增加或者减少,观察太阳能光伏电池输出功率的变化规律。
扰动观察法的控制原理是控制太阳能光伏电池输出电压朝着使太阳能光伏电池输出功率变大的方向变化,其实质是一个自适应的寻优过程。
扰动观察法通过改变太阳能光伏电池的输出电压,并实时的采集太阳能光伏电池的输出电流,计算出功率。
该方法需要引入一个小的电压扰动变化量,然后进行观察,并与前一个状态进行比较,根据功率比较的结果来调节太阳能光伏电池的工作电压。
如果当前的功率大于上一时刻的功率,则说明当前工作电压使功率输出增大了,应控制太阳能光伏电池输出电压维持相同的方向变化;
若当前的功率小于上一时刻的功率,则说明当前工作电压使得功率输出降低了,则应控制太阳能光伏电池输出电压按相反的方向变化。
如此反复的扰动!
观察及比较,使太阳能光伏电池达到最大功率输出点。
图3.3是太阳能光伏电池的功率电压特性曲线
如图3.3,假设A点是当前时刻的状态,对应的太阳能光伏电池输出电压和功率分别是UA、PA,引入了电压扰动
u,计算下一时刻B点状态下的太阳能光伏电池输出的,并与A点状态比较,得PB>
PA,则扰动继续按增大电压的方向进行。
当从C点继续增加扰动电压
u,到E点时,PE>
PC扰动应继续按增大电压的方向进行。
从E点到F点,PE>
PF,扰动应按原来相反的方向进行,则扰动将按相反方向退回到C点。
由图3.3功率特性曲线可以明显的看出最大功率点电压UD处在C、F两点之间,太阳能光伏电池将在最大功率点D点左右振荡工作。
MPPT控制流程
MPPT控制流程如图3.9所示。
整个控制的核心是微处理器,首先对太阳能电池阵列的输出电流IP,和输出电压UP,进行采集,计算后得到其输出功率,通过对开关S占空比的控制来实现MPPT调节
最大功率点跟踪程序设计
4Buck型充电器的建模分析
根据本文实际情况,太阳能光伏电池输出电压大于蓄电池电压,可以选用的充电控制主电路有Buck。
Buck电路模型简单且电感电流即为蓄电池的充电电流,通过检查瞬时的充电电流即可检测功率,因此选用Buck电路作为最大功率跟踪的主电路是最合适的。
由于DC/DC变化器中包含有功率开关器件或二极管等非线性元件,因此是一个非线性系统。
但是当DC/DC变换器在某一稳态工作点附近,电路状态变量的小信号扰动之间的关系程线性特征。
因此,尽管DC/DC变换器为非线性电路,但在研究它在某一稳态工作点附近的动态特征时,可以把它当作线性系统来近似处理,这就要用到状态平均的概念。
在DC/DC变换器的动态建模中,通常会忽略一些次要因素,保留系统的主要行为,以简化模型。
忽略开关频率与其边频带就是为了简化模型,一般这种简化都是合理的。
本文以下的建模都是忽略开关频率分量和开关频率谐波分量及其边带分量,建立占空比、输入电压的低频扰动对变换器中的电压、电流影响的小信号线性化模型。
图1-1BUCK变换器主电路
BUCK型变换器是一种单开关非隔离变换器，其电路组成如图1-1所示，它由一个电子开关S，二极管D，电感L，电容C和一个基本负载R构成。
如果让开关S周期性导通、关断，对输入电压进行斩波，在二极管的两端可以得到一连串方波电压VD。
经过串联电感滤波电路的滤波，在输出端就可以得到平稳的输出电压VO了。
控制开关S开通和断开的比例，就可以控制输出电压VO的高低了。
占空比定义：
为了叙述和分析问题方便，设开关的闭合导通时间为Ton，断开的时间为Toff，开关的周期为Ts，我们用占空比D来描述开关S接通的时间和工作周期的比例关系，占空比D定义为：
其中Ts是开关的动作周期，（Ts=Ton+Toff）。
电感电流连续时的情况：
图1-2BUCK变换器两种开关状态下等效电路
开关闭合时电感电流增加，得到开关闭合时的原始微分方程：
考虑初始条件iLo≠0，可以解出电感电流的表达式：
当t=Ton时电感电流有最大增量ΔiLp=iL（Ton）-iLo:
当开关断开时，电感电流将下降。
开关断开时的原始微分方程式：
由此不难得出开关断开期间电感电流的的（负）增量ΔiLm：
由电感电流的连续性可知稳态工作时一个周期内电感电流的净波动量应为零（否则就不是稳态）。
所以由式（1.4）（1.6）必有ΔILp+ΔILp=0,。
即有如下等式：
消去L，并注意到Ton=DTs和Toff=Ts-Ton=（1-D）Ts，可以得到输入电压Vi、输出电压Vo和占空比D三者的关系式如下：
Vo=ViD
按照通常习惯用Vo/Vi表示电路关于输入电压到输出电压的变换增益。
因此电流连续时BUCK变换器的电压增益为：
Vo/Vi=M（D）=D
由于总有D≤1，所以总有Vo≤Vi，因此BUCK变换器又叫做降压变换器。
5蓄电池控制策略
根据上述分析,蓄电池在整个路灯系统中较为贵重,是储能供电组件,是影响照明系统寿命的关键部件。
在蓄电池的充电过程中,既要保证充电效率,快速充电,又要防止过充。
同时考虑充电副反应对蓄电池的影响,温度对蓄电池容量的影响。
铅酸蓄电池放电控制方法
系统总体控制如图4-9所示。
系统上电后首先进行初始化。
初始化完成后首先检查太阳能板输出电压,根据检测到的电压Vs来准确切换系统的三个工作状态。
其判断过程是当太阳能板输出电压VS<
1V时,则此时系统处于夜晚,蓄电池驱动LED照明;
如果此时Vs>
lV,则进一步判断VS>
3V是否成立,如果成立则系统正处于白天LED媳灭,否则继续检查太阳能板电压。
当判断当前处于白天时,继续判断太阳能板输出电压VS>
VON是否成立,如果成立则太阳能板开始给蓄电池充电,否则系统继续检测太阳能板电压。
本论文采用实时跟踪、温度补偿、PWM控制的充电控制方案:
（1）蓄电池的容量与蓄电池的电压是成比例关系的,把容量随温度变化的关系按电压的变化关系来处理:
实时、准确测试蓄电池的工作温度,以25oC为基准,按-5mV/oC/2V进行补偿。
（2）采用PWM控制技术。
本文根据铅酸蓄电池的充电特性以及太阳能输出功率特性,选择最大功率（MPPT）、恒压充电、浮充充电三阶段的控制方式。
太阳能极板的电压要超过蓄电池的工作电压20-30%,才能保证给蓄电池正常充电。
具体过程是先检测蓄电池电压VS,、电流,当检测到蓄电池电压VBAT<
V1（11.2V）充电方式切换至MPPT充电状态;
当VBAT>
V1（11.2V）时,进一步判断充电电流是否大于蓄电池的最小充电电流Imin（1.5A），如果充电电流大于Imin则进入恒压充电模式；
否则充电状态进入浮充充电模式,补偿蓄电池自放电而损失的电量。
从铅酸蓄电池的放电曲线（图2.5所示）可以看出，放电过程中，铅酸蓄电池电压不断下降。
造成这种现象的原因主要有三个：
（1）随着放电的进行，蓄电池内部的电解液稀硫酸的浓度不断降低，电动势降低。
（2）放电过程中，正负电极的活性物质会不断消耗，化学反应面积减小，极化增加。
（3）随着放电过程化学反应的进行，生成的PbSO4越来越多，蓄电池内阻不断变大，内部压降变高。
如图2-5所示，铅酸蓄电池的放电分为三个阶段。
在OE（放电初期）阶段电压下降速度较快。
在EG（放电中期）电压缓慢下降，这个过程持续时间比较长。
G点开始即进入放电末期，电压急剧下降。
G点电压的出现，标志着铅酸蓄电池放电的结束。
此时应立即关掉负载，结束放电，否则会造成过放电而造成铅酸蓄电池的彻底损坏。
单个阀控密闭型铅酸蓄电池，标准状态（25℃，0.1C充电率）下的停止放电的阙值电压约为1.78～1.82V。
6太阳能照明系统控制器的硬件实现
系统功能简介及其工作原理
本文设计的太阳能控制器以单片机为控制核心,外围电路主要由时钟电路、蓄电池电压及环境温度检测与充放电控制电路!
电池板电压检测电路、负载电流检测与输出控制电路、时钟芯片电路、状态显示电路等构成。
太阳能控制器硬件结构图如图4.1所示。
太阳能电池板电压采集电路用于辨别太阳光照的强度,蓄电池电压采集电路采集蓄电池端电压。
太阳光照的强度直接关系到太阳能电池板的电压输出,因此可以通过采集太阳能电池板的输出电压来判断太阳光照的强度。
本文第二章确定了太阳能电池板的规格,功率25W、最大电压21.8V、短路电流为1.61A。
通过反复实验研究,当光线较弱,需要光照时,此规格的太阳能电池板的输出电压为4V左右。
因此,本文设计的太阳能控制器以太阳能电池板输出电压4V作为启动照明设备的判断条件。
当太阳能电池板输出电压大于4V时,判定光照强度较强,不需要启动照明设备来增加亮度,控制器开启充电开关向蓄电池充电;
当太阳能电池板输出电压小于4V时,判定光照强度较弱,控制器开启放电开关,蓄电池放电并启动LED照明设备来增加亮度。
太阳能控制器采用脉宽调制技术（PwM技术）驱动充电电路,结合最大功率跟踪算法（MPPT）控制蓄电池的最优充电,放电采取全功率和半功率相结合的方式。
另外,温度检采集电路实时采集环境温度,对蓄电池进行温度补偿,大大延长了蓄电池的使用寿命。
负载电流检测电路实时采集放电电流,过流时执行保护动作。
显示模块用于系统状态的显示,LED发光二极管指示当前电池板、蓄电池、负载的工作状态,。
另外,控制器还加入了时钟芯片,使得控制模式更加智能、人性化。
系统配置及功能设计
文设计的太阳能光伏照明系统的系统配置、功率等级及参数。
6.1.1系统配置
配置12V蓄电池系统；
4W的LED灯一盏。
1）电流＝4W÷
12V＝0.33A
2）计算出蓄电池容量需求：
路灯每夜累计照明时间需要为满负载10小时（h），需要满足连续阴雨天3天的照明需求
蓄电池＝0.33A×
10h×
3天＝10AH
另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90%左右；
放电余留20%左右。
所以24AH也只是应用中真正标准的70%左右。
蓄电池=10AH÷
70%=15AH
3）计算出电池板的需求峰值（WP）：
电池板平均每天接受有效光照时间为5小时（h）；
最少放宽对电池板需求20%的预留额。
太阳能平均电压为17V
WP÷
17V＝15AH*120%÷
5h
WP=61.2W。
6.1.2充放电预订参数
①太阳能板电压Vs<
=lV,LED灯亮;
太阳能板电压Vs>
=3V,LED灭;
②对于单节电池恒压充电电压V1=13.8V,浮充电压V2=14.4V,停充电压Voff=14.8V;
6.1.3蓄电池的充电电流大小限制
一个15AH的蓄电池，充电电流最大不能大于4.5A。
循环充电时，充电器提供的最高电压应有限制，12V电池充电电压为14.4—15V，充电最大电流不大于额定容量值的30%A（比如15A．H的蓄电池最大充电电流不能大于15×
0.3=4.6安培）；
以10小时充电率为宜（比如15A．H的蓄电池以1.5安培为宜），若充电电流过大，则蓄电池易发热，造成极板脱落、断裂、短路以致造成爆炸、燃烧等事故。
BUCK电路参数计算
1.计算电路中开关的周期Ｔ：
Ｔ=1/f=1/10
kHz=100μs
2.计算电路中开关的占空比Ｄ：
Ｄmin=Vo/Vin（max）=15V/
18V=0.83
3.
计算开关导通时间Ton：
Ton=ＴxＤmin=100μs×
0.83=83μs
4.
计算电感的波纹电流dI，一般不超过最大输出电流的30%：
dI=Io×
0.3=4.5A×
0.3=1.35A
5.
计算电感两端电压V：
V=Vin（max）-Vout=18V-15V=3V
6.
计算最小感应系数，由V=LdI/dt得出：
Lmin＝Vdt/
dI=3V×
83μs/1.35
A=184μH
7.
计算考虑误差的感应系数，考虑到标准之间20%的偏差和在额定电流下会有10-35%降幅，L=18.4μH/（0.8×
0.65）=35.4μH
再考虑到工作在连续电流模式下，因此感应系数调高到40μH
8.电容c=100uf
电源电路模块设计
系统正常工作电压为5V，系统采用12V的铅酸蓄电池供电，蓄电池电压不稳定，而且电压过高，所以需要对电源进行降压稳压。
本系统采用LM7805三端稳压器，其输入电压在5～24V时均可以保证输出为稳定的+5V。
LM7805组成稳压电源只需要很少的外围元件，使用起来非常方便，LM7805元件内部还有过流、过热及调整管等构成的保护电路，工作稳定可靠，而且该系列的稳压器非常便宜。
实际应用中，如果工作功率较高，稳压器发热量会很大，稳压效果变差，严重时甚至会烧毁器件，7805需要安装散热片。
蓄电池电压检测硬件电路设计
因
升级会员 