中心議題：
解決方案：
- MPPT電路介紹
- 過充過放保護(hù)介紹
- 智控開關(guān)，實時監(jiān)測,，預(yù)警功能介紹
- 亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)介紹
大陽能路燈以其無需鋪設(shè)電纜,，不消耗常規(guī)能源等優(yōu)點得到了廣泛認(rèn)可。然而太陽能路燈還存在一些問題造成其成本偏高,，可靠性不穩(wěn)定,，、比如電池往往不到一年就需要更換,，不僅提高了后期維護(hù)的費用,，而且增加了客戶的消費成本，也造成了資源浪費,。其次是太陽能屬于不穩(wěn)定能源,，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路燈使用時間短,，冬天有效光照時間短,，但路燈使用時間長，大大降低了運行的可靠性,，其原因主要受到太陽能路燈控制器性能的影響,。太陽能控制器是太陽能光伏系統(tǒng)中的核心部分，主要完成對蓄電池的充,、放電,、調(diào)光和路燈的開、美控制,，以及在過充,、過放電、過載等情況發(fā)生時對系統(tǒng)進(jìn)行及時和有效地保護(hù),，保證照明時間,，確保可靠性,，有效延長電池壽命,，降低成本。
1 太陽能路燈控制器的主要設(shè)計要求和發(fā)展階段
太陽能路燈控制器的技術(shù)和質(zhì)量的主要要求有：
1）供電系統(tǒng),，根據(jù)太陽能路燈蓄電池板特性,，要設(shè)計成恒流輸出：
2）過充，過放保護(hù),；
3）具有系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)功能,；
4）建立網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；
5）根據(jù)市場要求,，產(chǎn)品模塊化,。
太陽能路燈控制器的發(fā)展到日前為止已經(jīng)經(jīng)歷了3個階段：第一代功能比較簡陋，開關(guān)燈控制需要外接光敏感應(yīng)器,，定時時間不可設(shè)置,，沒有電池保護(hù)電路，系統(tǒng)壽命非常短暫,，很快就被市場淘汰：第二代在第一代的基礎(chǔ)上,，設(shè)置了電池保護(hù)電路，通過太陽能路燈蓄電池組件搜集光敏數(shù)據(jù),，通過開關(guān)或程序設(shè)置定時,，技術(shù)上有了階躍式的發(fā)展,，逐漸被市場接受：第三代路燈控制器在于多數(shù)商家采用了PWM充電控制功能,，對蓄電池進(jìn)行涓流充電，有效延長了電池壽命，降低了使用成本,，從而進(jìn)一步擴(kuò)大市場占有率,。
一個好的控制器可以彌補(bǔ)甚至解決純太陽能路燈的諸多問題，提高其呵靠性,。白適應(yīng)太陽能供電路燈需要開發(fā)第四代控制器,，它的特點是具有白適應(yīng)燈的功率調(diào)節(jié)功能，電量檢測和剩余電量計算是必備的：同時具有組網(wǎng)功能,，這樣可以保持整條街的路燈亮度一致,，并可以進(jìn)行通訊。
2 自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器的設(shè)計
日前各種現(xiàn)代控制理論,，如白適應(yīng)控制,、自學(xué)習(xí)控制、模糊邏輯控制,、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等先進(jìn)控制理論和算法也大量應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,。其中自適應(yīng)控制太陽能供電路燈控制器設(shè)計是值得推進(jìn)的技術(shù)。
2.1設(shè)計目標(biāo)
白適應(yīng)單純太陽能供電路燈的設(shè)計目標(biāo)：主要針對支路和供行人和非機(jī)動車通行的居住區(qū)道路和人行道路燈,，對于南風(fēng)能供電或風(fēng)光互補(bǔ)的路燈系統(tǒng)本設(shè)計同樣適合：由于太陽能的不可靠性以及主干道的照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格性,，單純太陽能供電比市電供電的路燈控制器的設(shè)計更為復(fù)雜，如系統(tǒng)控制需要太陽能和市電切換,，則在本設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行精簡就好了,。目標(biāo)地點位于北京市內(nèi)。
2.2 自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計特點及功能
白適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計方案的宗旨：通過精確控制,，達(dá)到降低成本,，提高可靠性的日的。主要具有以下幾個特點及功能（以太陽能路燈儲能器件為鉛酸電池為例）：
1）MPPT電路
根據(jù)太陽能路燈蓄電池板的特性,，如將太陽能路燈蓄電池陣列的輸出電壓控制在某個恒定電壓值附近,，則太陽電池在整個工作過程中近似日標(biāo)在最大功率點處，太陽能電池組件的能量轉(zhuǎn)換效率最高,。利用PWM技術(shù)并通過對負(fù)載穩(wěn)壓來實現(xiàn)對LED的恒流,，從而保證了LED的可靠使用141.采用意法半導(dǎo)體公司的MPPT專用芯片SPV1020.跟蹤效率可達(dá)98%,能量轉(zhuǎn)換效率為95%.理論上，使用MPPT技術(shù)會比傳統(tǒng)方法效率提高50%,實際測試中,，由于周圍環(huán)境影響與各神能量損失,，最終的效率也可以提高20%-30%.
2）過充過放保護(hù)
采用充電限壓，電池溫升檢測策略,，如蓄電池電36 V,充電截止電壓42.5-43 V,充電截止溫度80℃,，充電截止溫升30℃。不過絕大部分時間蓄電池基本處于欠充狀態(tài),。同時通過對電池電壓的數(shù)據(jù)實時采集,，利用軟件控制對電池采取限壓保護(hù)：通過實時計算電池電量進(jìn)行防過充過放保護(hù),，電量為100%時停止充電，電量為20%時停止放電,，為延長其壽命,，做了第二道防線。圖1 為蓄電池過充保護(hù)流程圖,。
3）智控開關(guān),，實時監(jiān)測，預(yù)警功能
進(jìn)行太陽能路燈電池板電流檢測,，蓄電池電壓檢測,，蓄電池電量監(jiān)測，以及環(huán)境溫度的檢測,，采用光開時關(guān),，并實時上傳工作環(huán)境及狀態(tài)數(shù)據(jù)，預(yù)警故障,，保證系統(tǒng)的可靠性,。圖2為太陽能路燈的開、關(guān)控制流程網(wǎng),。
圖2 路燈的開,、關(guān)控制流程圖
4）亮度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)
通常太陽能路燈廠家為了保證連續(xù)陰雨天的正常工作，只一味地加大蓄電池容量,，一般蓄電池的容量可達(dá)電池板容量的5倍,，其實這樣做并不能解決問題。因為陰雨天工作的可靠性并不取決于電池的容量,，而是由很多因素平衡而定的,。根據(jù)當(dāng)前地理位置，季節(jié),，時間,，氣象條件，光的輻射量,，浮塵濃度,，工作環(huán)境以及剩余電量，自適應(yīng)調(diào)節(jié)燈的亮度,，合理分配能量,。由于設(shè)計為純太陽能供電，不考慮雙電源情況,，所以要想提高系統(tǒng)可靠性,，唯一的方案就是犧牲燈的亮度。
根據(jù)當(dāng)天用電前的剩余電量和當(dāng)天的充電量來進(jìn)行白適應(yīng)調(diào)節(jié),，在保證正常照明的同時,，使電池的工作點長期保持在高電位,，并且使充放電深度在30%以下，根據(jù)電池循環(huán)壽命曲線,，可以延長電池壽命4-5倍，有效降低太陽能路燈的成本,，提高可靠性,。以下將分別闡述剩余電量和充電量的計算過程。
2.2.1 電池電量檢測
1）電量檢測的算法
大量的實驗數(shù)據(jù)表明,，電池老化時蓄電池的內(nèi)阻與電荷之間有較高的相關(guān)性（0.88左右）,，蓄電池完全充電和完全放電時的內(nèi)阻相差2-4倍，所以通過測量電池內(nèi)阻可較準(zhǔn)確地檢測電池電量,。
2）建立內(nèi)阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線
為了得到實時剩余電量值,，要建立一個電量和內(nèi)阻之間關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。
以時間為標(biāo)準(zhǔn),，就可以建立起內(nèi)阻一電量一循環(huán)周期的關(guān)系曲線,，然后通過Matlab的曲線擬合功能得出內(nèi)阻，電量以及循環(huán)周期的關(guān)系式,。蓄電池內(nèi)阻與剩余電量關(guān)系曲線如
圖3所示,，剩余電量隨著內(nèi)阻的增大而成指數(shù)趨勢減小。
3）在線檢測電量
在太陽能路燈工作開始之前檢測出剩余電量,，采用交流壓降內(nèi)阻測量法測得內(nèi)阻值,，通過查做好的數(shù)據(jù)表，并進(jìn)行數(shù)據(jù)校正,，得到對應(yīng)的電量值,。
給電池施加一個固定頻率和固定電流（日前一般使用l kHz頻率、50 mA小電沆）,，然后對其電壓進(jìn)行采樣,，經(jīng)過整流、濾波等一系列處理后通過運放電路計算出該電池的內(nèi)阻值,。圖4為在線測量剩余電量硬件框圖,。
2.2.2充電量計算
充電量是通過太陽能電池板接收輻射強(qiáng)度和電池板面積計算得到的。太陽能電池板接收輻射強(qiáng)度為單日輻射強(qiáng)度與sin a的乘積,，其中a為正午太陽輻射與電池板的平均夾角,。電池板面積可參考配置計算部分的內(nèi)容，并且經(jīng)過優(yōu)化得到的,。
2.2.3剩余電量計算
通過計算電流在時域上的積分,，可得出電量變化值，在路燈工作前檢測到的電池電量作為初始電量,，則剩余電量為初始電量減去電量變化值,。同時通過對MPPT電路的輸出電流做積分,，作為電量變化的校正值，從而得到較準(zhǔn)確的剩余電量值,。圖5為剩余電量計算流程圖,。
1）Zighee無線通訊系統(tǒng)連網(wǎng)
保證整條路的路燈的開，關(guān)時間一致,，馬路亮度均勻,，保證駕駛安全，避免駕駛員視覺疲勞,；實時傳送數(shù)據(jù),，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制：在線軟件升級，降低維護(hù)及調(diào)試成本：待機(jī)睡眠,，降低系統(tǒng)功耗,。將Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于蓄電池牛產(chǎn)過程中的充放電參數(shù)檢測中，將極大地提高產(chǎn)品測試的靈活性和可靠性,，對提高蓄電池牛產(chǎn)質(zhì)量和效率具有重要意義問,。
2）模塊化可擴(kuò)展性
設(shè)計的控制器的供電系統(tǒng)可以是模塊化的，設(shè)計采用恒流充電方式,，所以電池板可擴(kuò)展,，LED模組可根據(jù)系統(tǒng)功率進(jìn)行并聯(lián)擴(kuò)展。
根據(jù)如上計算,，具體設(shè)計框圖如圖6所示,，為太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架。圖7為太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖,。
圖6 太陽能路燈控制系統(tǒng)硬件框架
圖7 太陽能路燈控制系統(tǒng)電路原理圖
3 自適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器設(shè)計方案模擬
開關(guān)燈的時間根據(jù)天安門升降旗時間而定,，如表1所示，全年最長點燈時長茌12月為14.52小時,，最短為9.13小時,。照明時間分為3個時段，第一個時段從當(dāng)天天安門降旗時刻開始,，為5個小時,，第二個時段到早上5點，第三個時段從5點到滅安門升旗時刻,，燈光亮度各時段權(quán)重比為5:2:3,如果以100 W光源為設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),，則光源功耗最大為1.068 5 kW-h。
圖8顯示根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)得m的各月太陽能電池板面積排列柱形罔,，從而可以選定電池板的面積為柱形途中的拐點處2月的畫積值,，太陽電池板面積為2.2 IT12.蓄電池為115 Ah.這樣選擇的原因是這樣可以保證全年85%的照明時間，剩下的15%為過放,，不過要給白適應(yīng)調(diào)節(jié)留下一個調(diào)節(jié)余量,，所以選擇以2月數(shù)據(jù)計算fn的太陽能面積的值,，即2.216 2 m2,過放的情況為3個月，過放比率為25%,從而有100/e的調(diào)節(jié)空間,。
圖8 各月太陽能電池板對應(yīng)面積排列柱形圖
4 結(jié) 論
白適應(yīng)單純太陽能供電路燈控制器的設(shè)計,，實現(xiàn)了以MPPT電路為控制核心的智能太陽能路燈控制器，具有外圍電路簡單,，可靠性高的特點,，實現(xiàn)了太陽能電池的最大功率點跟蹤，采用了合理的蓄電池充放電策略,，實現(xiàn)算法簡單，既提高了太陽能電池板的使用效率,，又延長了蓄電池的使用壽命,，對于個別過分欠充、過充燈根據(jù)問題加大,、減小電池板面積,，更換電池或燈珠，根據(jù)每盞路燈的實際情況靈活調(diào)整其配置,，可使每盞燈都工作在最佳狀態(tài),，不但保證了正常照明，而且避免了資源浪費,，也降低了產(chǎn)品造價,，具有一定的參考和推廣應(yīng)用價值。