高亮度LED太陽能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
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摘要：在傳統(tǒng)的太陽能路燈系統(tǒng)中，通常經(jīng)過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連，這將導(dǎo)致太陽能板的利用效率低，同時(shí)容易使蓄電池長期處于欠充滿狀態(tài)，造成其使用壽命的縮減。本文在研究太陽電池電路模型的基礎(chǔ)上，提出了一種數(shù)?；旌系淖畲蠊β庶c(diǎn)追蹤（Maxim Power Point Tracking,簡(jiǎn)稱MPPT）策略，它可最大程度地利用太陽能，同時(shí)對(duì)固態(tài)光源LED 的驅(qū)動(dòng)電路做了研究，最后用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的高效性和實(shí)用性。
1 引言
隨著固態(tài)光源的發(fā)展，LED 的應(yīng)用已不再僅僅局限于指示燈領(lǐng)域，它憑借壽命長，光效高等優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代照明體系中日益凸現(xiàn)優(yōu)越性。伴隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，大功率高亮度LED 更以其高效、節(jié)能而進(jìn)一步引起了社會(huì)各界對(duì)該光源的廣泛關(guān)注。但目前，LED 太陽能路燈還存在因燈驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)致LED 光衰現(xiàn)象及太陽能利用率不高等不足。業(yè)界普遍認(rèn)為LED的恒流驅(qū)動(dòng)對(duì)抑制光衰效果顯著。
傳統(tǒng)的太陽能路燈充電系統(tǒng)中，通常經(jīng)過防電流倒灌二極管將太陽能板與蓄電池直接相連，這將導(dǎo)致太陽能板的工作點(diǎn)偏移最大功率點(diǎn)（MaximPower Point,簡(jiǎn)稱MPP），而未有效利用太陽能板的可輸出功率；同時(shí)容易使蓄電池因供能不足而長期處于欠充滿狀態(tài)，造成壽命縮減。本文在研究太陽電池電路模型的基礎(chǔ)上，分析了恒壓追蹤[1]、擾動(dòng)觀察[2,3]等最大功率追蹤（MPP Tracking,即MPPT）法，提出了一種數(shù)模混合的MPPT 策略，它可使太陽電池的輸出穩(wěn)定在MPP 附近，從而有效利用了太陽能板可輸出的最大功率。
2 太陽電池的電路模型
圖1 示出太陽電池的電路模型。通常，材料內(nèi)部的等效并聯(lián)電阻Rsh 值大，而材料內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻Rs 值很小。
圖1 太陽電池的電路模型
圖中Is---由光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的電流
輸出負(fù)載RL 上的電壓電流關(guān)系為：
式中q,k---電子電荷量及波耳茲曼常數(shù)
A---太陽能板的理想因素，A=1~5
T---太陽能板的溫度
Ios---太陽能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)
由上述關(guān)于太陽能板電路模型的分析可見，太陽電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2示出太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 時(shí)的典型輸出特性。
式中q,k---電子電荷量及波耳茲曼常數(shù)
A---太陽能板的理想因素，A=1~5
T---太陽能板的溫度
Ios---太陽能板的逆向飽和電流，與T有關(guān)
由上述關(guān)于太陽能板電路模型的分析可見，太陽電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖2示出太陽電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，即光照1kW/m2 ,T=25℃ 時(shí)的典型輸出特性。
圖2 太陽能板的典型輸出特性曲線 太陽能板的輸出開路電壓uoc 和輸出短路電流isc的值由生產(chǎn)廠給出。 3 電路工作原理 目前，市場(chǎng)上絕大部分太陽能路燈都是通過防電流倒灌二極管將蓄電池與太陽能板直接相連以充電的。圖3 示出傳統(tǒng)的充電電路。 圖3 傳統(tǒng)的充電電路 這種做法的弊端是它將使太陽能板的輸出電壓Uarr 被蓄電池箝位在其電動(dòng)勢(shì)12V 左右，也即其工作點(diǎn)被限制在圖2 的Q 點(diǎn)，這將使太陽能板的輸出功率Parr 大幅度降低。 在太陽能板與蓄電池組中加入DC/DC電路，通過對(duì)其進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)Uarr,從而使其穩(wěn)定在圖2 的P 點(diǎn)，以便能有效利用太陽能板的可輸出功率。在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，太陽電池的最佳工作電壓與其開路電壓之間存在一個(gè)特定的比例關(guān)系，基于該思想產(chǎn)生了恒壓跟蹤MPPT策略，但在非標(biāo)準(zhǔn)條件下，其實(shí)用性較差。利用擾動(dòng)開關(guān)管的工作占空比D,直至輸出功率Parr 達(dá)到最大的擾動(dòng)觀察法，在尋找MPP 上更具通用性。 對(duì)于Buck 電路，存在UarrD=Ubat 關(guān)系，所以： 式中Ubat ---蓄電池電壓 式（1）代入得： 因此，輸出功率和D 的關(guān)系與圖2 中的P 和U關(guān)系相似。從而可通過擾動(dòng)D,實(shí)現(xiàn)輸出功率的變化，并尋找出MPP.由于輸出電壓即蓄電池的充電電壓短期內(nèi)變化不大，在進(jìn)行D 擾動(dòng)尋找MPP 期間可近似認(rèn)為恒定，因此輸出功率的大小直接反應(yīng)在輸出電流即蓄電池的充電電流上，通過采樣該充電電流值，從而判斷出輸出功率隨D 擾動(dòng)的變化情況，以便進(jìn)行MPPT.為了提高控制精度和驅(qū)動(dòng)能力，單片機(jī)與開關(guān)管間加入了D/A 轉(zhuǎn)換和PWM芯片，圖4 示出其主電路拓?fù)洹?/p>
4 最大功率點(diǎn)追蹤（MPPT） 電路尋找MPP 的工作原理可簡(jiǎn)述為：通過不斷改變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)的D,直至蓄電池的充電電流達(dá)到最大，此刻即可認(rèn)為太陽電池的輸出功率達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率點(diǎn)追蹤。在尋找MPP 過程中，根據(jù)D 的擾動(dòng)情況，輸出功率有3 類模式，對(duì)應(yīng)9 種大小關(guān)系。 圖5 示出輸出功率隨D 擾動(dòng)的變化情況 根據(jù)上述模式變化，擾動(dòng)開關(guān)管的D,當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前輸出功率與D 的大小關(guān)系為模式2 時(shí)，即可認(rèn)為已搜尋到MPP,同時(shí)將以該D 進(jìn)行工作。 考慮到溫度及光照條件的改變，太陽電池的輸出參數(shù)不斷變化，同時(shí)導(dǎo)致MPP 的漂移，單片機(jī)在經(jīng)過設(shè)定時(shí)間后，將再一次做D的擾動(dòng)，搜尋新的MPP,以保證太陽電池的最大功率輸出，從而有效利用太陽能。 根據(jù)上述分析，編制了相關(guān)程序。圖6 示出其設(shè)計(jì)流程。 圖6 軟件設(shè)計(jì)流程圖 通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在晴日里不同時(shí)刻的MPP 處，電路工作的D 均變化不大。因此，為了避免搜尋過程中造成尋找時(shí)間太久及帶來的能量浪費(fèi)，下一時(shí)刻進(jìn)行MPP 追蹤的搜尋起點(diǎn)設(shè)定為上一次MPP 時(shí)的D 值。 5 MPPT 策略實(shí)驗(yàn)結(jié)果 主電路的工作頻率為100kHz,當(dāng)搜尋到輸出電流達(dá)到最大時(shí)，即認(rèn)為該點(diǎn)為電路工作的MPP,圖7 示出此刻的驅(qū)動(dòng)信號(hào)Ugs 實(shí)驗(yàn)波形?？梢?，此時(shí)開關(guān)管的D≈0.65,這與理論分析結(jié)果很吻合。表1 給出由上述分析得到的傳統(tǒng)電路與MPPT 電路的對(duì)比性試驗(yàn)結(jié)果。
圖7 輸出最大功率時(shí)的ugs 波形
表1 傳統(tǒng)充電電路與MPPT 充電電路的實(shí)驗(yàn)結(jié)果
由表1 可見，傳統(tǒng)太陽能充電電路中，15W的Parr 最大值出現(xiàn)在早上溫度不高、光照比較強(qiáng)的時(shí)刻，但此時(shí)的利用率僅僅約為68.4%;而采用帶有MPPT 功能的DC 變換電路后，輸出功率明顯上升。
6 結(jié)論
LED 燈的恒流驅(qū)動(dòng)，對(duì)抑止光衰現(xiàn)象起到了很有效的作用；通過數(shù)?；旌偷姆椒ǎ苊饬藛渭償?shù)字控制所帶來的控制精度不高等問題，且單片機(jī)的智能控制，使得能夠較快的尋找到最大功率點(diǎn)，提高了太陽能板的利用率及整個(gè)路燈照明系統(tǒng)的性能價(jià)格比。
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