摘 要: 針對太陽能控制系統(tǒng)的特點，探討了太陽能路燈控制系統(tǒng)各部件的選用，設(shè)計了一種基于PIC16F877單片機的智能控制器。提出了可行的太陽能電池最大功率點跟蹤方法和合理的蓄電池充放電策略。該控制器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、實用性強等特點。
關(guān)鍵詞：太陽能電池；蓄電池；控制器；最大功率點跟蹤；充電策略
太陽能是取之不盡、用之不竭的綠色能源。太陽能光伏發(fā)電以其安全可靠、無噪聲、無污染、隨處可見、無機械傳動的部件、規(guī)模大小隨意、可無人值守等優(yōu)點受到越來越多的重視。
目前，太陽能路燈在推廣應(yīng)用中遇到的主要問題一是太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率低；二是蓄電池的使用壽命有限，從而提高了太陽能路燈的成本。本文針對以上問題設(shè)計了一套先進的智解控制器。
1 太陽能路燈控制系統(tǒng)
太陽能路燈控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，虛線框所示即為所提出的控制器的主要部分。整個系統(tǒng)用Michrochip 的PIC16F877單片機實現(xiàn)控制，并利用單片機輸出的PWM波控制BUCK型降壓電路來改變太陽電池陣列的等效負(fù)載，實現(xiàn)太陽能電池的最大功率跟蹤。D1為太陽能電池板防反接、反充二極管，采用快恢復(fù)二極管，C1、C2為濾波電容，Q為場效應(yīng)開關(guān)管，L為儲能電感，D2為續(xù)流二極管。
1.1 太陽能電池
太陽能電池陣列是太陽能路燈控制系統(tǒng)的輸入[1]，為整個系統(tǒng)提供照明和控制所需電能，白天將太陽能電池陣列所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，對蓄電池進行充電；晚上，太陽能電池停止充電，輸出端開路。在眾多太陽能電池中較常用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池3種。多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單，價格比單晶低，適合用于太陽光充足日照好的東西部地區(qū)。單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定，適合用于陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)。非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低，適合室外陽光不足的情況下使用。目前單晶硅和多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為12%～15%左右，如何提高轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前太陽能應(yīng)用的研究重點之一。太陽能電池方陣工作電壓一般為負(fù)載工作電壓的1.4倍。
1.2 蓄電池
蓄電池是太陽能照明系統(tǒng)的儲能環(huán)節(jié)。白天，蓄電池將太陽能電池輸出的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能儲存起來，到夜間再轉(zhuǎn)換回電能輸出給照明負(fù)載。目前在太陽能路燈系統(tǒng)中常用的蓄電池是閥控式密封鉛酸（VRLA）蓄電池，它具有不需補加酸水、無酸霧析出、可任意放置使用、使用清潔等優(yōu)點。VRLA蓄電池的容量可用式(1)進行估算[2]：
蓄電池用量=(安全系數(shù)) 1.4 × (蓄電池放電容量修正系數(shù))1.5×負(fù)載工作電流×日工作時數(shù)×最長連續(xù)陰雨天數(shù) (1)
蓄電池容量過小，不能夠滿足夜晚照明的需要；蓄電池過大，則始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、用電負(fù)荷（路燈）相匹配。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20%~30%，才能保證給蓄電池正常負(fù)電。
1.3 照明負(fù)載
一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、LED光源。
(1)低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，使用壽命可達2 000h，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈；
(2)低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高，但需逆變器，因而價格貴，整個系統(tǒng)造價高，采用較少；
(3)無極燈：功率小，光效較高。該燈在220V普通市電條件下使用，壽命可以達到50 000 h，但在太陽能燈具上使用時壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不多；
(4)LED燈光源：壽命長，可達1 000 000 h，工作電壓低，光效較高。隨著技術(shù)進步，LED的性能將進一步提高，LED作為太陽能路燈的光源將是一種趨勢。
2 控制器硬件設(shè)計
作為太陽能路燈控制系統(tǒng)的核心，太陽能控制器設(shè)計的好壞關(guān)系到整個系統(tǒng)能否正常運行。本文所提出的智能控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
控制器的核心是PIC16F877，它是目前世界上片內(nèi)集成外圍模塊最多、功能最強的單片機品種之一，是高性能的8位單片機[3]。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)和RISC技術(shù)，指令執(zhí)行效率高，功耗極低，帶有FLASH程序存儲器，配置有5個端口33個雙向輸入輸出引腳，這些引腳大部分有第二、第三功能，內(nèi)嵌8個10位數(shù)字量精度的AD轉(zhuǎn)換器，配有2個可實現(xiàn)脈寬調(diào)制波形輸出的CCP模塊。控制器主要的工作是白天實現(xiàn)太陽能電池板對蓄電池充電的控制，晚上實現(xiàn)蓄電池對負(fù)載放電的控制，同時具有光控、時控功能，能夠在白天夜間自動切換。
2.1 電流電壓采集
控制器采集太陽能電池的電壓電流，用以實現(xiàn)太陽能電池最大功率點MPPT的跟蹤；采集蓄電池的端電壓，防止蓄電池的過充及過放；采集溫度，用以實現(xiàn)溫度補償。電壓采集可用霍爾電壓傳感器或電阻分壓法實現(xiàn)，電流采集可用霍爾電流傳感器或分流器實現(xiàn)。
2.2 顯示模塊
顯示模塊有工作正常提示，蓄電池過充、蓄電池欠壓等顯示功能，可采用兩個雙色LED發(fā)光二極管實現(xiàn)，分別顯示充電和放電狀態(tài)。當(dāng)電壓由低到高變化時，指示燈由紅色到橙色到綠色漸變顏色顯示電壓高低。充電狀態(tài)：當(dāng)蓄電池電壓低于13.0 V時，LED1顯示綠色；當(dāng)蓄電池電壓在13.4 V～14.4 V之間時，LED1顯示橙色；當(dāng)蓄電池電壓高14.4 V時，LED1顯示紅色。放電狀態(tài)：當(dāng)蓄電池電壓低于11.0 V時，LED2顯示紅色；當(dāng)蓄電池電壓在12.2 V～12.4 V之間時，LED2顯示橙色；當(dāng)蓄電池電壓高于12.4 V時，LED2顯示綠色。
3 蓄電池充放電策略
作為太陽能路燈照明系統(tǒng)儲能用的蓄電池由于存在過放、過充、使用壽命短等問題，要選擇合適的充放電策略。所有的蓄電池充電過程都有快充、過充和浮充3個階段，每個階段都有不同的充電要求。現(xiàn)行的充電方法主要有恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、間隙式充電法等，這些充電方法各有利弊。本文設(shè)計的控制器采取綜合使用各充電方法應(yīng)用于3階段充電。
(1)快充階段：蓄電池能夠接受最大功率時，采取太陽能電池最大功率點跟蹤對蓄電池進行充電。當(dāng)蓄電池端電壓達到轉(zhuǎn)換門限值后，進入過充階段。
(2)過充階段：采用恒壓充電法，給蓄電池一個較高的恒定電壓，同時檢測充電電流。當(dāng)充電電流降到低于轉(zhuǎn)換門限值時，認(rèn)為蓄電池電量已充滿，充電電路轉(zhuǎn)到浮充階段。
(3)浮充階段：蓄電池一旦接近全充滿時，其內(nèi)部的大部分活性物質(zhì)已經(jīng)恢復(fù)成原來的狀態(tài), 這時候為防止過充，采用比正常充電更低的充電電壓進行充電。浮充電壓根據(jù)蓄電池的實際要求設(shè)定，對12 V的VRLA蓄電池來說，一般在13.4V～14.4 V之間。此時，在溫差較大的地區(qū)，還應(yīng)該進行適當(dāng)?shù)臏囟妊a償。合理考慮溫度變化范圍, 充電器應(yīng)該根據(jù)蓄電池的溫度系數(shù)給予某種形式的補償。因此，實際可采取式(2)確定浮充電壓Vf[4]:
Vf =V0＋(T－25)c (2)
其中V0為基準(zhǔn)點的電壓，即未進行溫度補償時的電壓，T為檢測到的當(dāng)前溫度，25℃為設(shè)定的基準(zhǔn)溫度，c為電壓溫度系數(shù)，這里可設(shè)置為0.013 2。
4 最大功率點控制策略
由于太陽能電池的輸出電壓和輸出電流隨著日照強度和電池結(jié)溫的變化具有強烈的非線性，因此在特定的工作環(huán)境下存在著一個唯一的最大功率輸出點MPP(Max Power Point )。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了在同樣的日照強度和電池結(jié)溫下獲得盡可能多的電能，就存在著一個最大功率輸出點跟蹤MPPT (MPP Tracking)的問題。MPPT指為充分利用太陽能，控制改變太陽能電池陣列的輸出電壓或電流的方法使陣列始終工作在最大功率點附近。
4.1 MPPT控制方法
為了實現(xiàn)太陽電池最大功率點跟蹤，國內(nèi)外提出了許多種實現(xiàn)方法。主要方法有[5]增量電導(dǎo)法( incremental conductance,簡稱IncCond法)、曲線擬合法( curve-fitting)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( neural network)、干擾觀測法(perturbation and observation,簡稱P&O法)等。而且，每一種控制方法又有多種實現(xiàn)算法。
本控制器采用干擾觀測法來實現(xiàn)MPPT。干擾觀測法是通過不斷改變電池方陣的工作電壓，實時觀察、比較前后兩點輸出功率值，以便改變調(diào)節(jié)電壓的方向，最終穩(wěn)定在最大功率點。盡管系統(tǒng)工作點會在MPP兩側(cè)存在振蕩現(xiàn)象，造成一定的功率損失，但此方法結(jié)構(gòu)簡單，只需測量電壓及電流兩個參數(shù)，因此易于實現(xiàn)并得到廣泛應(yīng)用。
在電路的具體實現(xiàn)中，干擾觀測法可通過DC-DC變換器來實現(xiàn)。DC-DC 轉(zhuǎn)換電路(也稱為斬波電路或斬波器) 是接在直流電源和負(fù)載之間，通過控制電壓將不可控的直流輸入變?yōu)榭煽氐闹绷鬏敵龅囊环N變換電路。從工作方式的角度，DC-DC 轉(zhuǎn)換電路又可分為升壓(Boost)、降壓(Buck)、升降壓(Boost-Buck)和丘克(Cuk)4種，其中降壓、升壓和升降壓式DC-DC轉(zhuǎn)換電路是比較常用的類型。本控制器采用的是Buck型降壓電路。
4.2 DC-DC轉(zhuǎn)換電路的實現(xiàn)
Buck型降壓電路原理如圖3所示。電路由開關(guān)K、續(xù)流二極管D、儲能電感L、濾波電容C等構(gòu)成。當(dāng)開關(guān)閉合時，電源通過開關(guān)K、電感L給負(fù)載供電，并將部分電能儲存在電感L以及電容C中。由于電感L的自感，在開關(guān)接通后，電流增大得比較緩慢，即輸出不能立刻達到電源電壓值。一定時間后，開關(guān)斷開，由于電感L的自感作用，將保持電路中的電流不變，電流流過負(fù)載，經(jīng)過續(xù)流二極管D，返回電感L的左端，從而形成了一個回路。通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時間（即PWM——脈沖寬度調(diào)制），就可以控制輸出電壓。
將Buck型降壓電路應(yīng)用于太陽能路燈控制系統(tǒng)后如前文圖1所示，用IRF540 NMOS場效應(yīng)管Q代替此處的開關(guān)K，開關(guān)管的驅(qū)動采用TLP250，單片機輸出一個頻率為10 kHz的PWM波來控制開關(guān)器件。由此，通過調(diào)節(jié)負(fù)載兩端的電壓改變了太陽電池陣列的等效負(fù)載，從而實現(xiàn)太陽能電池的最大功率點跟蹤[6]。
4.3 MPPT的控制流程
采用干擾觀測法，原則是電壓的變化始終能讓太陽能輸出功率朝大的方向改變。因此，首先讓太陽能電池以某個電壓輸出，采集電壓電流后計算得出它的輸出功率Pi，再與前一刻的輸出功率Pj進行比較，若Pi＜Pj，則修改脈寬使U=U－△U；若Pi＞Pj，則使U=U＋△U。按照以上原則再測、再比、再修改脈寬，逐次逼近太陽能電池的最大功率點。MPPT的控制流程如圖4所示。
5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
控制器軟件的主要任務(wù)是：實現(xiàn)蓄電池的充電控制；完成電壓、電流的采集、處理和計算，實現(xiàn)MPPT控制算法；實現(xiàn)蓄電池對負(fù)載的放電控制?？刂葡到y(tǒng)軟件采用模塊化程序設(shè)計方法，使用MPLAB-IDE集成開發(fā)環(huán)境進行程序開發(fā)，其主程序流程圖如圖5所示。
本文所設(shè)計的以PIC16F877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，具有一定的參考和推廣應(yīng)用價值。
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