李 峰，唐志航，劉鐵武，張益星

（湖南工程學(xué)院計算機與通信學(xué)院，湘潭411104）

太陽能驅(qū)動的路燈系統(tǒng)早已出現(xiàn)，由于成本和低功耗轉(zhuǎn)換效率，卻沒有廣泛使用.我們設(shè)計的太陽能路燈照明系統(tǒng)能自動追蹤太陽光照強度，通過優(yōu)化算法獲取最大功率，具有低功效和轉(zhuǎn)換效率高的特點.產(chǎn)生恒定電流驅(qū)動白光LED燈，具有亮度高、功耗低、壽命長等優(yōu)點.

1 系統(tǒng)組成

圖1為本系統(tǒng)的組成框圖.下面就圖1中的太陽能自動追蹤電路部分、脈沖控制驅(qū)動電路部分、白光LED保護電路部分作出分析［1］.

圖1 太陽能路燈照明系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計組成框圖

2 太陽能自動追蹤電路部分

2.1 太陽能電池板

太陽能電池板白天和夜間都能提供電能.同晶體管一樣，其由半導(dǎo)體組成的，主要成份是硅.當(dāng)受到光的照射時，能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，一般就可發(fā)出相當(dāng)于所接收光能1／10的電能.在太陽能面板上蒙上了一層防止光反射的膜，所以表面呈紫色［2］.

太陽能供電部分主要由充電電路、太陽能電池板和蓄電池組成.光伏組件在白天吸收光照，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能儲存在太陽能電池內(nèi).在晴天時，一般充滿電只要4h.我們采用15V太陽能電池板，實際測得電池板兩端供電電壓為17～20V.充電電流為200～800 mA［3］.

2.2 自動追蹤電路部分

不同地區(qū)日照強度和水平方向夾角是不同的，表1給出了我國南方某地的日照強度和水平方向夾角參照表.

表1 我國南方某地某月的日照強度和水平方向夾角參照表

從表中可以看出：日照強度隨時間變化.早晨和下午產(chǎn)生的功率小于中午.自動追蹤電路部分有一個小光電管，會按照以下步驟自動追蹤最大太陽光照強度.①按照表1小型電機驅(qū)動小光電管在相應(yīng)的時間段轉(zhuǎn)動到相應(yīng)的角度；②采用步長搜索程序驅(qū)使小光電管微調(diào)轉(zhuǎn)動搜索最大太陽光照強度.基本思想是每一次搜索都改變步長，若第k次搜索中沿某一方向搜索成功，則獲得的光照功率增大，那么第k＋1次則仍沿這一方向搜索，并可擴大步長；若第k次搜索失敗，則第k＋1次應(yīng)沿反方向搜索，并縮小步長，直至找到最大太陽光照強度對應(yīng)的傾斜角；③步進電機驅(qū)動大型太陽能電池板到相同角度；④每隔1h，重復(fù)以上步驟.

2.3 智能控制充電部分

圖2 簡單的太陽能單元電池等效電路圖

圖2表示簡單的太陽能單元電池等效電路圖，其中有Pmp＝Toff＊Vmp，其中Iph是光電流（單位：A），Is是逆向飽和電流，V是二極管電壓（單位：V），M是理想?yún)?shù)，理想情況下M＝1［4］.

太陽能電池輸出功率由負(fù)載和太陽能材料決定.在圖3中表示其I－V關(guān)系圖.非常重要的是其最大功率點Pmp＝Imp＊Vmp.Imp.Imp是最大電流，Vmp是最大電壓.

圖3 太陽能電池的I－V特性

實際上，一旦太陽能電池升溫，功率就會下降，所以我們很難獲得最大充電功率.在這里我們使用DC／DC轉(zhuǎn)換和MPPT（最大功率追蹤）方法.控制采用基于占空比為控制變量的擾動觀察法，將DC／DC轉(zhuǎn)換和MPPT結(jié)合起來，用高效率的轉(zhuǎn)換器起太陽能光伏電池負(fù)載的阻抗變換作用，在不同溫度和不同輻射強度下尋找太陽能最大功率點.

實踐中采用試探搜索程序搜索最大功率點，其基本思想是：①朝任意方向試探搜索最大功率點；②若功率變小，則反方向搜索；③若功率變大則繼續(xù)該方向搜索；④若功率又變小則二分法搜索，直到搜索到最大功率點［5］.

實踐中最大功率變化頻繁，頻繁搜索耗能太多.所以應(yīng)選擇適宜的時間間隔搜索.

2.4 蓄電池部分

太陽能LED照明系統(tǒng)的重要部件是蓄電池，其最重要的是溫度、放電深度和充電程度3個方面，這3個方面極大影響蓄電池的工作壽命.我們通常是將蓄電池的管理MPPT的工作過程統(tǒng)一控制進行，采用集中控制管理.即進行蓄電池的MPPT充電管理.蓄電池控制和處理的內(nèi)容有電池容量、三階段充電電池端電壓和電流測控、放電深度控制、溫度補償控制等.

太陽能電池電源系統(tǒng)的儲能裝置主要是蓄電池.通常工作在浮充狀態(tài)下，電壓隨方陣發(fā)電量和負(fù)載用電量的變化而變化.它的容量比負(fù)載所需的電量大得多.為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長且維護簡單.蓄電池提供的能量還受環(huán)境溫度的影響.

過充保護：當(dāng)太陽能板給蓄電池充電，使蓄電池輸出電壓超過過充電壓時，過充電路啟動使太陽能電池板停止充電.蓄電池輸出電壓回落到過充電壓時，太陽能電池板重新啟動給蓄電池充電.

過放保護：當(dāng)蓄電池輸出電壓低于過放電壓時，蓄電池外電路供電停止.蓄電池電壓超過過放電壓時，向外電路供電重新開始［6］.

2.5 照明控制部分

本設(shè)計的LED照明驅(qū)動部分為恒壓恒流控制.若照明部分使用限流電阻，減少了成本，但降低了效率.若增加和LED串聯(lián)的電阻，會產(chǎn)生大量的熱量.所以，我們使用了PWM的技術(shù).使用PWM技術(shù)，PWM控制通過方波控制信號快速聯(lián)通、切斷LED燈的電能，減少發(fā)熱，提高效率.工作周期由D＝Ton／（Ton＋Toff）＊100%.Ton、Toff分別是打開和關(guān)閉時間.若頻率很高.我們可以使用平均值.開關(guān)頻率由f＝1／T決定.由于使用PWM技術(shù)和小型散熱器，大大降低了因熱量帶來的電能損耗.

2.6 LED光源

白光由不同顏色的光組成.圖4表示不同色光的I－V特性，不同的LED燈發(fā)出的色光都有類似I－V特性.

圖4 不同色光的I－V特性

由于白光包含所有顏色，不能直接產(chǎn)生.所以我們使用的硅光電管被正向?qū)〞r，只能產(chǎn)生一系列波長的非白色可見光，但合成后為視覺上為白光［1］.

3 結(jié)束語

我們的太陽能路燈具有以下特點：

（1）全自動追蹤太陽能.

（2）采用最大功率追蹤和DC－DC轉(zhuǎn)化控制.

（3）采用PWM法控制照明電路.

現(xiàn)在我們的系統(tǒng)是單軸的，只能在一個方向追蹤太陽能 ，我們推薦使用雙軸追蹤.另外，有部分能量損失在步進電機，所以此系統(tǒng)不適合于小型太陽能系統(tǒng).

［1］ F.J.Lopez，et al.Low－Cost Diffuse Wireless Optical Communication System based on White LED［J］.IEEE Tenth International Symposium on Consumer Electronics，June 2006.

［2］ T.Komine，M.Nakagawa.Fundamental Analysis for Visible－Light Communication System Using LED Lights［J］.IEEE Trans.Cons.Elect.vol 50Feb，2004.

［3］ T.Komine.，M.Nakagawa.Integrated System of White LED Visible－Light Communication and Power－Line Communication［J］.IEEE Trans.Cons.Elect.vol.49，F(xiàn)eb 2003.

［4］ Nadarajah Narendran，Yimin Gu.Life of LED－Based White Light Sources［J］.IEEE／OSA Journal of Display Technology.

［5］ 周建民 .三種太陽能最大功率跟蹤電路分析比較［J］.江漢大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2010，38（1）.

［6］ 劉 聰，蔣念東，夏愛華.太陽能供電的高亮度白光LED閃光電路的設(shè)計［J］.國外電子元器，2006（11）.