太阳能led照明系统的设计最终方案

I目录中文摘要ABSTRACT第一章 引言1.1 选题的背景和意义11.2 国内外光伏发电发展现状1.2.1 世界光伏产业的新进展及应用特点1.2.2 我国光伏产业发展现状1.3 光伏电源具有以下优势1.4 新一代照明光源- 白光 LED1.5 论文的研究目的和意义第二章 太阳能 LED 照明系统的总体设计.2.1 太阳能 LED 照明系统的基本结构.2.2 控制器的整体结构第三章 太阳能电池板3.1 太阳能的工作原理和特性3.1.1 太阳能电池的基本原理3.1.2 太阳能电池的特性曲线3.2 太阳能电池的最大功率跟踪3.2.1 最大功率点跟踪原理3.3 本系统采用的 MPPT 控制方式3.3.1 功率比较法3.3.1.1 功率比较法原理3.3.1.2 功率比较法的算法设计3.4 本章小结第四章 主体电路的设计4.1 整体电路设计4.1.1 电源电路设计4.1.2 LED 驱动电路4.2 单片机的算法实现4.3 DC/DC 变换器式254.3 本系统采用的 MPPT 控制方式.294.3.1 功率比较法.294.3.2 最大功率的模糊控制.324.4 本章小结 33第五章太阳能 LED 照明系统光源优化的研究.345.1 超高亮白光 LED 的原理和特性345.1.1 发光原理.345.1.2 工作特性345.2 LED 照明系统光源亮度的提高方案 .355.2.1 光度量参数及其测量方法.355.2.2 主要技术改进.365.2.3 LED 的布板375.3 LED 照明光源散热问题的研究 .375.3.1 半导体制冷的工作原理385.3.2 半导体制冷的散热效果395.3.3 半导体制冷的设计.405.4 本章小结 40六章结束语416.1 本文所做的工作及得到的结论41有待于进一步研究的问题.41考文献43谢46录47学期间发表的学术论文和参加的科研情况52第一章 引言1.1 选题的背景和意义在世界能源短缺,环境污染日益严重的今天,充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能 LED 照明系统以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，可以方便安装在广场、校园、公园、街道等多方面的优点而越来越受重视。我国在 1996 年提出了“绿色照明工程” ，主要就是为了解决与照明相关的能源供应和经济效益问题。绿色照明的科学定义为：绿色照明是指通过科学的照明设计采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附近、灯具、配线器材，以及调光控制和控光器件） ，改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。照明的质量和水平已成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。作为固体光源的 LED 发光二极管，真正点燃了“绿色照明”的光辉，被认为是 21 世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。LED 照明的应用前景在全世界掀起了高潮，被给予了厚望。目前照明消耗约占整个电力消耗的 20%，大幅降低照明用电是节约能源的重要途径。开发和应用更高效，可靠，安全，使用寿命长的新型太阳能节能光源势在必行。一般的太阳能 LED 照明系统如下图 1-1 所示，其实质是一个小的独立光伏系统，主要由几大部分组成，即太阳能电池、蓄电池、控制器、LED 光源。太阳能电池板蓄电池LED 光源控制器图 1-1 太阳能 LED 照明系统结构图太阳能路灯控制器主要采用脉宽调制充电方式，具有过充、过放、短路保护和过充点的温度自动补偿功能。在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，应该既保证光伏阵列处于最佳工作状态，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。但在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，在设计充电控制时通常只顾及到一个方面，如何兼顾三者的关系，寻求最优充电控制策略，是一个设计难点。针对目前的太阳能照明路灯系统所存在的问题，本文通过对典型的照明控制器进行优化设计，将最大功率跟踪技术引入太阳能 LED 照明系统中，保证光伏阵列工作在最佳工作状态，以提高系统的工作效率。从而使整个路灯系统的可靠性得以提高。研究和开发光效更高、更节能、更能适合太阳能灯具发展的 LED 新型发光源就显得势在必行。新型 LED 发光源的开发与利用，可以提高光源亮度，降低功率消耗，提高发光效率，降低整体太阳能灯具的功率匹配，从而降低太阳能灯具成本，使其性价比提高，在节能环保和太阳能灯具的市场普及方面具有重大的现实意义。1.2 国内外光伏发电发展现状1839 年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，1954 年美国贝尔实验室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳电池。在可再生能源中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一。最近 10 年太阳电池产量年平均增长率为 37%，最近五年的年平均增长率为 45%。发展可再生能源的时代己经到来传统的化石能源日益枯竭，并且利用过程中严重污染环境制约了世界经济的可持续发展。能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战略物资。而太阳能是最有发展前景的可再生能源。1.2.1 世界光伏产业的新进展及应用特点。1997 年，美国提出“百万太阳能光伏屋顶”计划，预计 2010年完成。同年，日本“新阳光计划” ，到 2010 年将生产 43 亿瓦光伏电池。同年，欧盟提出“百万光伏屋顶计 1999 年，德国实施“十万光伏屋顶计划” ，并实行低息贷款。近年发达国家还制定了“研发路线图” 。在光伏应用和安装方面，德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场。年全球安装太阳电池组件 1460MW，比前一年增长了 34%。德国安装 837MW，比前一年增 53%;占世界安装量的 57%;日本安装 292MW，比前一年增长了 14%，占世界安装量的 2 美国安装102MW，占世界安装量的 7%;欧洲其它地区安装 88MW，占世界安装量的 6%;其它地区安装 146 姗，占世界安装量的 10%。1.2.2 我国光伏产业发展现状1958 年，我国开始研究太阳电池。1971 年，首次将光伏电池成功应用于东方红 2 星。1973 年，开始太阳电池地面应用。从上世纪70 年代初到 80 年代末，由于成本高，阳电池在地面的应用非常有限。90 年代以后，随着成本的降低，太阳电池向工业领域和村电气化应用方向发展。市场稳步扩大，国家和地方政府开始制订光伏计划。2002 年，家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速发展起来，总装机容量从 2 年的 23500kw 迅速增长到 2002年的 45000kw，至 2003 年达到 55000kw。20032005 年，德国巨大的市场需求影响，国内光伏企业产能迅速扩展，产量迅速增长。1.3 光伏电源具有以下优势(1)可靠。光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。目前己有数千套光伏系统的运行验，晶体硅的寿命可达 20 年以上。(2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体，液体和气体有害废弃物，噪音几没有，无环境污染和公害问题。(3)安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。(4)兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要而使光伏系统任增容。(5)标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要，通用性强。(6)太阳能无处不有，应用范围广。1.4 新一代照明光源一白光 LED近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用节能环保的新技术。而半导体照明正是具有这种魅力的新技术。所谓半导体照明，是以半导体发光二极管(Lightning Emitting Diode，LED)作为光源的照明。应用半导体 pN 结发光原理制成 LED 问世于 20 世纪 60 年代初。在早期，由于 LED 光色、发光效能、光通量、光功率和价格等方面的限制，主要应用于指示、显示领域，如电子电气、热工仪表、自动化系统、通信设置、宇航空间开发、家用电气、交通运输工具中作为指示灯、告示牌、警戒灯以及信息广告、显示牌等。90 年代以来，随着氮化稼为代表的第三代半导体的兴起，以及白色 LED 的成功研制，使 LED 照明成为可能。白光 LED 被认为是 21 世纪最有价值的新光源，白光 LED 照明取代传统照明而成为人类照明的主要方式，将是大势所趋。 “绿色照明”是九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。照明的质量和水平己成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。作为固体光源的白光 LED，真正点燃了“绿色照明”的光辉。白光LED 照明的应用在全世界掀起了高潮，被寄予了厚望。美国能源部预测，到 2010 年将会有 55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每年可节电 350 亿美元。而我国科技部有关领导提出:我们要以 2008年北京奥运会和 2010 年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照明工程”计划 2007 年半导体照明逐步取代白炽灯，2012 年后取代荧光灯。目前，白光 LED 在发光强度方面，轴向已达到 ZOcd 以上，光效达 50 一 70lm/W;色温可在 5000K 一 10000K 之间任意选择;显色指数在 80 以上。完全能符合普通照明之需要。1.5 论文的研究目的和意义在光伏应用领域，太阳能照明占有重要的地位和份额，而 LED太阳能路灯是一个具体而有价值的应用。太阳能与半导体 LED 照明的有机结合，能有效发挥二者的优势。在该照明系统中，包括硬件和软件两方面，从硬件上来说，要配备性能可靠、价格合理的光伏配套部件，如太阳能电池、蓄电池、控制器及灯具等。在软件方面，则要对光伏系统进行优化设计，包括确定合适的太阳能电池输出功率和蓄电池的容量、负载的大小、控制方式等。这项工作十分重要，如果设计不当.即使光伏配套部件再好，结果要么光伏系统不能正常运行，要么就是容量过大，造成很大浪费。所以，从一定意义上来讲，光伏系统设计要比光伏器件更加重要。目前，光伏照明难以大面积推广的瓶颈不在于技术问题，而在于成本价格问题。本课题拟在太阳能电池、蓄电池和 LED 负载三者间进行合理测算、设计和实施以确定最佳匹配方案，优化系统设计，旨在保证同样照明要求的前提下降低运行成本，提高性能价格比。第二章 太阳能 LED 照明系统的总体设计2.1 太阳能 LED 照明系统的基本结构太阳能 LED 照明优化系统主要由以下部分组成，即太阳能电池、控制器、蓄电池、DC/DC、驱动电路、LED 光源，如图 2-1 所示。太阳能电池板蓄电池LED 光源控制器驱动电路DC/DC图 2-1 太阳能照明系统结构框图太阳能 LED 照明系统在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，在晚上点亮 LED 用于照明，是现代化绿色环保节能产品。具有智能控制系统，全天候供电无需管理人员。在系统设计时考虑连雨天气，把平时多余的电能储存到蓄电池内，确保用于阴雨天有足够的电能使用。系统各个组成部分的主要功能如下:(1)太阳能电池阵列由许多太阳能电池组件串、并联而成，其合成的容量可以是数百峰瓦(WP),也可达数个兆峰瓦(WP)甚至更大，组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的太阳能电池组成。一般来说，光伏阵列由于多为半导体器件构成，其特性(伏安特性)具有强烈的非线性。(2)DC/DC（直流-直流变换器）环节DC/DC 环节是本系统的关键组成部分，它是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。在该环节中，由于太阳能电池阵列具有强烈的非线性特性，通过控制开关闭合跟断开的时间（即 PWM脉冲宽度调制） ，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。(3)驱动电路驱动电路对输出的控制信号进行放大，产生满足功率器件正常工作要求的驱动电压。(4)蓄电池组蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配。该部分的主要作用是储存太阳能阵列所产生的电能，以备不时之需。而且由于蓄电 节。(5)控制器太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳能电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。为保证太阳能电池阵列在任何日照和环境温度下始终以相应的最大功率输出，引入了太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT-Maximum Power Point Tracking)控制策略。在芯片内部写上由程序所构成的控制软件，配合外围的相关电路完成主要控制功能。(6)LED 光源应保证亮度高，亮度辐射范围大且均匀，所使用的超高亮 LED数量少。在太阳能照明灯具中，发光体所使用的 LED 数量从一个到上千个不等，一定数量的 LED 组合成一个发光体时，其排列和组合是一个非常重要的问题。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在 LED 排列组合上依据光学原理及数学模型，最有效的发挥超高亮 LED 的发光效率，并使得单位面积 LED 灯的数量少以降低成本。2.2 控制器的整体结构在太阳能 LED 照明系统中，太阳能充放电控制器是整个照明系统中的核心部件，它的性能在一定程度上决定了整个照明系统的性能好坏。目前，市场上有各种各样的太阳能 LED 照明系统，典型的太阳能充放电控制器结构框图如图 2-2 所示：输出驱动模块微处理器电源和复位模块太阳能电池电压采样模块蓄电池电压采样模块温度采样模块电阻分压网络显示模块时钟电路模块图 2-2 控制器的结构框图该控制器为脉宽调制型控制器，即太阳能电池对蓄电池充电采用脉宽调制方式，具有如下功能：1)采用容量控制法防止蓄电池的过放电。容量控制方式：双灯控制（调整负载和工作时间） 。2)该控制器具备蓄电池充满点温度补偿功能：以 25为基准，每 2V 蓄电池，温度补偿为-0.3mV/。3)防止任何负载短路的电路保护。4)防止夜间蓄电池向太阳能电池组件反向放电的保护。5)防止蓄电池极性反接的电路保护。6)该控制器最大自身耗电电流不得超过 50mA。7)该控制器充、放电回路的压降不得超过系统额定电压的 5%。8)该控制器的耐冲击电压为：在一小时内可承受高于太阳能电池组件开路电压的 1.25 倍的电压，而自身不损坏。9)该控制器的耐冲击电流为：在一小时内可承受太阳能电池组件短路电流 1.25 倍的电流的冲击，而自身不损坏。该控制器具有较高的价格性能比,安装维护简单,且工作稳定可靠。此控制器的电路特点是：1、由于系统对转换速度要求不高，该控制器电路采用价格便宜的 LM331 构成 A/D 转换器，调节参数，可使 LM331 的转换精度达到4mv,如果采用 12 位的 A/D 转换器，其精度为 10mv,而高精度的 A/D转换器价格较贵。如果采用内部集成有 A/D 转换模块的 PIC 单片机，其 A/D 转换模块为 10 位，精度只能达到 40mv，不能满足系统的精度要求。2、充放电开关管采用功率 MOSFET，只要保证开关的栅源电压，具有好的开关特性，而且采用继电器作为比较开关，耗能小。3、单片机与开关管之间采用光电耦合器作为驱动和隔离元件，这样可以避免输出部分电源变化对单片机的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。此路灯控制器采用了脉宽调制充电方式，并且具有过充点的温度自动补偿功能。在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，既保证太阳能电池阵列处于最佳工作状态，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，在设计充电控制通常只顾及到一个方面，如何兼顾三者的关系，寻求最优充电控制策略，这也是一个设计难点，也是本文所重点研究的内容。第三章 太阳能电池板3.1 太阳能的工作原理和特性3.1.1 太阳能电池的基本原理太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转化为电能。所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应和外观。可将半导体太阳能电池的发电过程概述如下：首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池 p-n 结内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在 p-n 结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。在太阳能电池 p-n 结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能。图 3-1 太阳能电池的电路及等效电路太阳能电池的电路及等效电路如图 3-1 所示，其中 中为电池LR的外负载电阻。当 =0 时，所测的电流为电池的短路电流 ，就是LR SCI将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。当 趋于无穷时，所测得的电压为电池的开路电压。所谓开路电压 ，就是将太阳能电池置于 100 的光源OCU2cmW照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。 （二极管电DI流）为通过 p-n 结的总扩散电流，其方向与 相反。 为串联电阻，SCISR它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。 为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体shR内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，串联电阻 很小，而并S联电阻 很大。由于 和 是分别串联和并联在电路中的，所以在shRSs进行理想的电路设计时，它们可以忽略不计。此时，流过负载的电流 为:LI（3-1）DSCLII理想的 p-n 结特性曲线方程为（3-2）)1(AKTqUeIIS式中 太阳能电池在无光照时的饱和电流，A;DIq电子电荷，C；K玻尔兹曼常数；T热力学温度，K；A常数因子（正偏电压大时 A 值为 1，正偏电压小时 A 值为 2） ；e自然对数的底。当 =0 时，电压 U 即为 可用下式表示：LI OC（3-3）)1ln(DSCOCIqAKTU3.1.2 太阳能电池的特性曲线根据（3-2） （3-3）两式作图，及坐标变换可得到太阳能电池的电流电压关系曲线，如图 3-2 所示.这个曲线，可简称为 IU 曲线，或伏安曲线。图 3-2 太阳能电池特性曲线太阳能电池的 I-V 特性曲线包含其绝大多数技术特性，是系统分析最重要的方面。太阳能电池的 I-V 特性是指在某一确定的日照强度和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流之间的关系，如图 3-2 所示。I-V 特性曲线表明:太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。曲线上的每一点都唯一对应着太阳能电池在该一工作电压下的输出功率， 表示对应于该日照强度和mP环境温度下的太阳能电池所能输出的最大功率， 和 则表示太阳mUI能电池输出最大功率时所对应的工作点电压和电流。也就是说，在一定的温度和日照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率点，当太阳能电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。在最大功率点左侧，太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而增大;在最大功率点右侧，太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。根据特性曲线可以定义出太阳能电池的几个重要技术参数:(1)短路电流( )在给定温度照度下所能输出的最大电流。SCI(2)开路电压( )在给定温度照度下所能输出的最大电压。OU(3)最大功率点电流( )在给定温度照度下最大功率点对应的电mI流。(4)最大功率点电压( )在给定温度照度下最大功率点对应的电压。(5)最大功率点功率( )在给定温度照度下所能输出的最大功率，mP= 。mPImU此外，P-V 特性曲线可以更直观的确定 、 和 ，它是利用mPUmII-V 特性曲线数据通过计算后作出的，如图 3-3 中虚线所示。图 3-3(a)和图 3-3(b)分别为太阳能电池在温度变化和日照强度变化下的 P-V 特性曲线，从图中可以看一出，太阳能电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时，太阳能电池的开路电压下降，短路电流略有增加，最大输出功率减小;当日照强度增加时，太阳能电池的开路电压变化不大，短路电流增加明显，最大输出功率增加。图 3-3 太阳能电池的 P-V 特性曲线3.2 太阳能电池的最大功率跟踪3.2.1 最大功率点跟踪原理由于目前太阳能电池的成本高、转换效率低，并且其输出功率易受日照强度、环境温度等因素的影响，因此，为了提高太阳能照明系统的效率，在现在的太阳能照明系统中，通常要求太阳能电池的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪太阳能电池的最大功率点。最大功率点跟踪控制（MPPT）策略实时检测太阳能电池阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使太阳能电池的结温升高使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。3.3 本系统采用的 MPPT 控制方式太阳能电池的输出呈非线性，随着光照强度和电池表面温度的改变，它的输出也发生改变。为了避免能量的损失，国内外提出了多种实现办法。本论文采用功率比较法以此来提高系统的跟踪效率。3.3.1 功率比较法3.3.1.1 原理让流通率 连续变化，即可得出功率的输出特性如图 3-4 所示，由图可见，输出最大功率值 。maxP由于用变换器的太阳能发电系统其输出特性具有上述特征，故可取实时的发电功率，把 作定量()增减，以决定最大功率。这是一种最简单的求取最佳工作点方法，称为功率比较法。当变换器流通率的变化量 值恒定时，功率比较法的核心是用前后功率大小的比较来确定最佳工作点。该方法的特点是:(1)当 增加 时，P 单调增加，则应当让 进一步增加(图 4-9 中的 A 区);(2)当 增加 时，P 单调减少，则应当让 减少(图4-9 中的 B 区)(3)当 减少 时，P 单调增加，则应当让 进一步减少(图 4-9 中的 C 区);(4)当 减少 时，P 单调减少，则应当让 增加(图4-9 中的 D 区)如图 3-4 所示的 P- 特性曲线是一条凸形的非线性曲线，只要选定初始值。和适当的，可以逐步逼近到 值。此外，检测的maxP信息只是发电功率大小，因此硬件结构简单是其优点。该方案的最大缺陷是不能适应日照量的急剧变化，在短时间内寻找出正确的最佳工作点。此外，当 固定时，该值的大小将对最佳工作点的跟踪时间和发电功率的脉动值有影响。因此， 的选择要十分慎重。4.3.1.2 功率比较法的算法设计 初始值设定为 0.5, 初取为 0.01，设程序的控制周期 T为 70（ms）,则控制流程图如图 3-5 所示。开始 5.0nPWM 输出采集 U、I 数据，A/D 转换计算 IPn计算 IUPn11n采集 U、I 数据，A/D 转换PWM 输出 nn10.nnP1nn11nP1nP图 3-5 功率比较法跟踪最大功率流程图3.4 本章小结本章对太阳能发电系统中重要的环节“太阳能电池最大功率点的跟踪方案”进行原理的阐述和实验论证。证明不管日照量是恒定还是急变，均能高速而稳定地跟踪最大功率点。本方案的另一优点是确定变换器通流率 的检测信息只是发电功率，因此，控制硬件简单，只要用单片机即可构成简单、廉价装置，对于小规模太阳能发电系统非常适用。同时在最大功率点跟踪策略中引入模糊控制理论，并对这一思想进行简要介绍。第四章 主体电路的设计为了使路灯亮度能够调节，本文采用由多个 LED 组成一盏路灯的方法，控制各个 LED 的亮灭来达到调节路灯亮度的目的。为了使分析简单明了，在本文以下的分析中暂且假设一盏路灯内部包含三个 LED。4.1 整体电路设计整个太阳能路灯系统的原理示意图如图 4-1 所示，其中的太阳能电源电路采用光伏电池和超级电容器作为能量转化与储能系统；微控制器采用 AT 公司生产的 AT89C51；单盏路灯中暂设为包含三个LED，可以通过控制 LED 亮灭的个数调节路灯的亮度；驱动电路为恒流 LED 驱动电路，可以保证电流稳定和 LED 亮度恒定。图 4-1 整体电路框图4.1.1 电源电路设计如图 4-2 所示，BT1 为光伏电池，C1 为超级电容器，为单片机以及 LED 提供电源，R1，R5 为分压电阻，R2，R3，R4 为限流电阻，C2 为滤波及稳压电容器。Q1 用来控制 Q2 的导通与关断，Q2 的发射极接单片机电源，控制单片机的开关。白天有太阳照射时，光伏电池产生电能，通过二极管 D0 将电能储存进超级电容器 C1，D0 可以保证超级电容器中的电流不倒灌入光伏电池。此时 A 点电位上升，三极管 Q1 基极为高电平，Q1 导通，B 点电位为低，致使三极管 Q2关断，超级电容器储存的电能无法送到单片机，单片机没有电源，处于未启动状态，路灯处于熄灭状态。当夜晚降临，阳光减少，光伏电池上储存的电量开始降低，致使 A 点电位降低，Q1 关断，超级电容器储存的电能开始令 B 点电位上升，Q2 开通，单片机上电，路灯被点亮，整个路灯系统开始运行。图 4-2 电源电路4.1.2 LED 驱动电路直接从单片机管脚输出的电平难以驱动高辉度的 LED 路灯，因此本文采用如图 4-3 所示的驱动电路。此驱动电路为恒流 LED 驱动电路，Q7 基极接单片机 PX（X=1，2，3）口。D1 为齐纳二极管，作为加在 Q3 的基极上，由于基极偏压稳定，集电极电流 Ic 也随着稳定，根据 Ic=（VZD-VBE）/R10，即使电压源 VDD 变化 Ic 也不会变化，可以保证电流和亮度稳定。4.1.3 单片机的算法实现本文从合理利用能源的角度出发，分析了太阳能路灯在一天内的运行状态，认为其工作过程可分为三个阶段：（1）下午 18 点至晚上 20 点。此阶段是全天开始进入黑暗的时段，路面光线逐渐变暗，太阳能路灯开始投入运行，此时路灯的亮度不必达到最大，我们将其亮度等级划为 C 级；（2）晚上 20 点至凌晨 12 点。此时段路面光线最暗，路灯亮度应调为最大。亮度等级为 A 级；（3）零点至次日凌晨 3 点。此阶段间路上行人较少，因此路灯亮度可稍稍降低，亮度等级为 B 级；（4）凌晨 3 点至 5 点。此阶段所需亮度也较低，亮度等级也为C 级。基于以上分析得出结论：太阳能路灯必须拥有智能化控制技术才能实现路灯亮度的自动调节。单片机控制 LED 亮度变化的算法如图 4 所示。图 4-3 单片机算法流程图由图 4-3 算法可知，当单片机上电时，程序自动运行，当 P1 输出高电平时，驱动 LED1 发光，此时路灯亮度级别为 C 级，经延时 2个小时后 P2 与 P3 口同时输出高电平，LED2 与 LED3 也开始发光，路灯亮度级别为 A 级，依次类推直到 P1，P2，P3 口全部输出低电平，此时路灯彻底熄灭。4.2 DC/DC 变换器目前 DC/DC 主要有 Buck 电路结构、Boost 电路结构、Buck 一Boost 电路结构和 Cuk 电路结构四种，图 4-4 的 a)、b)、c)、d)分别表示了这四种电路结构的拓扑，这四种结构都是由功率开关管、二极管、电感元件、电容元件组成的 Dc 一 Dc 变换电路。图 4-4 四种主要充电电路拓扑结构图 a)为 Buck 电路，又称 Buck 变换器，其工作原理是:当开关管导通时，电流通过电感 L 对蓄电池和电容充电，二极管承受反向电压，电能转变为磁场能;当开关管闭合时，由于电感线圈电流不突变，负载电流方向不变，电容处于放电状态，从而继续维持输出电流和电压恒定，此时二极管承受正向偏压。Buck 电路的输出电压v。满足 vo=Dutyvs，其中 Duty 为开关管的占空比。由于 Buck变换器输出电压小于输入电源电压 Vs，故又称为降压变换器。图 b)为 Boost 电路，其工作原理是:当开关管导通时，电流流过电感 L，电能以磁场能形式储存在电感线圈中，电容 C 放电，二极管承受反向电压;当开关管关闭时，由于电感线圈电不突变，电感线圈中产生与电流方向相反的感应电动势与电源电压串联，共同给电容和蓄电池充电，二极管正向导通。因为 Boost 的输出电压 vo 满足 vo 二 vs/(l 一 Duty)，输出电压大于输入电压，故又称为升压变化器。图 c)为 Buck 一 Boost 电路，又称降压一升压变换器或反号变换器，电路的工作过程为:当开关管导通时，电流流过电感 L，电能以磁场能形式储存在电感线圈中，电容向负载放电;当开关管关闭时，由于电感线圈电流不突变，电感线圈中产生与电流方向相反的感应电动势，下正上负，二极管正向导通，电容蓄电池充电。输出电压Vo 满足 VO=VsDuty/(l 一 Duty)。图 d)所示为 Cuk 电路，又称升降压变换器，其主要原理是把Boost 电路与 Buck 电路串联起来，即升压变换器后串接一个降压变换器。电路的工作过程为:当开关管导通时，二极管反向截止，电流通过电感将电能转换为磁场能储存在电感中，电容 C 向负载端放电;当开关管关闭时，二极管正向导通，由于电感线圈电流不突变，电感线圈中产生与电流方向相反的感应电动势，电感 Ll 和 L:分别给电容 C 和 C:充电，L:同时给负载供电。与前三个电路以电感作为能量的传递元件不同，Cuk 电路用电容 C 完成整个过程中的能量传递，输出电压 Vo 满足关系 Vo 二 VSDuty(l 一 Duty).。四种变换器参数的比较见下表 4-1表 4-1 四种基本 DC-DC 变换器特性参数比较再次考虑到外部电路的实现难易程度和可靠性分析，四个充电电路拓扑的连续和非连续状态的临界电感大小经过转换相差不大;但是因为 Cuk 电路使用电容做为能量转换器件，电容需要耐受的纹波电流较大，成高，可靠性稍差。这就是为什么 Cuk 电路虽然其他性能较好，但仍不被广泛使用的原因。4.2 DC/DC 变换器主电路 由于该 DC/DC 变换器的输入电压较高，主电路选取半桥式拓扑，如图 4-5 所示。V 1，V 2， C3， C4和主变压器 T 组成半桥式 DC/DC 变换电路。CT 为初级电流检测用的电流互感器。 C5为防止变压器偏磁的隔直电容。变压器的副边采用全波整流加上两级滤波以满足低输出纹波的要求。 R1， C1， R2， C2， R5， C6和 R6， C7为吸收电路。 R3和 R4起到保证电容 C3及 C4分压均匀的作用。电阻 R7和 R8为输出电压的采样电阻。 图 4-5 DC/DC 变换器主电路 4.2.1 控制器的技术指标本论文光伏充放电控制器预期的技术指标如表 4-2表 4-2 光伏充放电控制器的技术指标以本论文光伏充放电控制器控制高效 LED 负载组成 50W 中小功率照明系统为例，说明光照明系统容量匹配设计方法。考虑到太阳能照明系统的特殊性，其能量取自于白天之光照，能量有限，因此光源功率不该选择太大。高效 LED 光源光效达50Lm/W，故 50W 的 LED 光通量达 2500Lm，相当于 250w 白炽灯，已经具有良好的照明效果。假设 LED 负载每天夜间照明时长为 10 个小时，并且要保证阴雨天能连续工作 3 天。上述情况下，每天 LED 消耗的能量为:50WX10h=500w.h太阳能组件配置的基本原理是使得组件每天所得到的电能等于或者略大于负载每天所消耗的电量。考虑到一定的损耗，对于有效光照保守估计为 3 小时的地区，选择 200W 的太阳能板，每天将产生600W 的电能，可以满足要求，并且有一定的裕度。本文选择 12V 的蓄电池，其配置要满足最长供电时间的要求，所以储能最小应该为500Wh3(天)=1500Wh,留取一定的裕量，将储能调整为 1600 Wh.故选择 12V 蓄电池时，蓄电池的容量不应该低于：1600 Wh/12133.3Ah,这样光伏电池，蓄电池，LED 负载容量的匹配设计就完成。4.3 控制器电路总体设计方案本论文所设计的光伏充放电控制器的总体结构如图 4-6 所示图 4-6 系统结构框图主控芯片选用 PIC16F877A 单片机，负责监控管理整个充放电过程。单片机根据反馈采样得到各种按电压、电流信息判断蓄电池和光伏电池的状态，以此作为依据，发送各控制器指令如给定充电回路的参考电压 u 和接通关断负载等，保证系统按设计需求正常工作。光伏电池输出的直流电压通过功率回路中 DC-DC 变换器按单片机控制给定的要求输出相应的直流电压、电流，完成能量的变换传递。系统 各个组成部分的主要功能如下：（1）光伏电池接口：接入光伏电池。光伏电池将光能转化为电能，是系统的能量最原始来源：(2)功率回路:DC/DC 功率变换单元。本论文采用 P 沟道 MOSFET组成的 BUCK 变换器作为功率回路;(3)电压、电流调节器:采用电压外环，电流内环的双环控制，含双调节器。电流调节器的输出改变 PWM 调制器的输出占空比实现对功率回路的控制。(4) PWM 调制器:采用 TL494 芯片。TL494 设计使用带使能端22V 射极输出器供电。可通过单片机控制使能端关断对 TL494 供电，光伏电池接口驱动电路 电流反馈电压反馈PWM 调制器MCUPIC16F877A负载接口蓄电池接口功率回路电压反馈电源模块电压调节器电流调节器显示电路按键输入D/A以实现关断充电主回路的功能。(5)蓄电池接口:接入蓄电池，蓄电池储存光伏电池所发出的能量，并向负载输送能量;(6)电源模块:将蓄电池电压转换成控制器工作需要的各种电压值;(7)采样电路:将系统中光伏电池的电压，蓄电池电压，反馈给调节器或转换为符合 MCU 端口电气特性规范的电压值，以供系统通过模数转换后把数据交给软件做控制、运算所用;(8)主控 MCU:监控系统的状态，完成人机交互，参考电压的给定，开关的通断、过压过流保护等功能。本设计采用 PIC16F877A 单片机作为主控 MCU;(9)驱动电路:给 DC/DC 变换器的开关管提供合适的驱动电压。(10)显示电路:采用 1602 液晶模块显示模块指示光伏充放电系统的各种工作状态参数。(l1)D/A 转换:单片机内部 PWM 输出，经运算放大器有源低通滤波实现。4.4 功率主回路的设计4.4.1 各主要元件参数设计与选型分析(l)输出滤波电感 L 设计电输出滤波电感 L 对应图 4-2 中的 L2，电感的选择应保证输出到而额定电流的 1/10 时，电感电流仍然保持连续。则:式（4-1）VIN 为光伏电池输出电压可取典型值 20V，接入 12V 蓄电池则Vo 可去 12V。FSW 为开关频率，开关频率提高可以降低对电感的要求，缩小电感的体积，但由于于驱动电路的局限性开关频率不可能无限高，这里折中考虑取:式（4-2）为输出的额定电流，根据设计预期指标 IoN 取 5A。代入式(4 一 1)得:式（4-3）但由(4 一 2)(4 一 3)(2)输出滤波电容 c