自适应太阳能供电路灯的系统设计

收稿日期 2011 － 12 － 25．基金项目 辽宁省教育科学十二五规划 （ No 110068） ．作者简介 王强 （ 1954 － ） ， 男 ， 副教授 ， 从事太阳能光伏发电应用技术研究 ．自适应太阳能供电路灯的系统设计王 强 1 ， 张雅凡 2（ 1． 渤海大学数理学院 ， 辽宁 锦州 121013 ； 2． 天津英诺华微电子技术有限公司 ， 天津 3400457）摘 要 对于季节性负载光伏太阳能路灯照明系统 ， 既要保证光伏照明系统的长期可靠运行 ， 充分满足负载的用电需求 ， 又要节省投资获得最好的经济效益 。 目前还存在很多技术问题影响其成本和使用效果 。 本文提出了自适应太阳能供电路灯的系统设计 ， 延长使用寿命 ， 降低产品造价 ， 提高了系统可靠性 。关键词 自适应 ； 太阳能路灯 ； 可靠性 ； 电池管理 ； 最大功率跟踪中图分类号 TK514 文献标志码 A 文章编号 1673 － 0569（ 2012） 01 － 0083 － 090 引言我国幅员辽阔 ， 太阳能资源丰富 。 很多城市 、 乡镇正在大力推动太阳能路灯的应用 ， 尤其在没有电网的农村 ， 虽然太阳能路灯同常规电网供电的路灯相比有相当明显的优点 ， 但是 ， 太阳能路灯稳定性不高 、 成本还是偏高 ， 蓄电池的寿命偏低 、 LED 光源与太阳能电池寿命不匹配 。 尤其是一年四季太阳光能量分布不均等 ， 大大降低了太阳能路灯运行的可靠性 。 设计一种能够有效提高可靠性同时兼顾成本的自适应太阳能供电路灯的系统 ， 主要是第四代太阳能路灯的控制器的研发 、 蓄电池管理 、 LED 光源优化 、 zigbee无线通讯系统连网的使用 。 即在保持电池的最佳工作点和放电深度的同时 ， 解决太阳能路灯蓄电池管理和稳定性问题 ， 使成本大幅度降低 。1 单纯太阳能供电路灯系统现有问题1． 1 太阳能路灯蓄电池 、 光源寿命普遍不长太阳能路灯的成本主要集中在蓄电池 ， 电池板和光源 LED 上 ， 太阳电池板的寿命大概在 25 年 ， LED的寿命在 100kh（ 驱动器中因有电解电容的存在寿命仅约 10kh ） ， 一般太阳能路灯的蓄电池虽然多采用成本低廉的铅酸电池 ， 但一年左右就要更换一次 ， 不仅增加了使用成本 ， 而且提高了维护成本 。 经过研究发现 ， 如果蓄电池能长期保持工作在高电量值 ， 并且放电深度在 30 以下时 ， 可防止电池硫化 ， 延长使用寿命 4 到 5 倍 。1． 2 太阳能能量全年分布不均匀 ， 增加了太阳能供电路灯系统设计难度表 1 为我们搜集到的北京地区太阳辐射强度数据 ， 从表 1 中可以看出 ， 以北京气象台测得北京市内数据为例 ， 全年 5 月份太阳辐射最强 ， 12 月份太阳辐射最弱 ， 5 月份约为 12 月份太阳辐射量的 2． 9 倍 。 对于太阳能路灯系统来说 ， 发电量逐月变化 ， 使用电量变化不大 ， 想把夏天的电量储存到冬季是不可行的 ， 因为普通蓄电池不可能存储这么多电量 ， 而大容量蓄电池则大大增加成本 ， 而且在北方漫长的冬季 ， 大容量电池将长期处于欠电状态 ， 将大大缩短电池寿命 。第 33 卷 第 1 期2012 年 3 月渤海大学学报 （ 自然科学版 ）Journal of Bohai University（ Natural Science Edition）Vol ． 33， No． 1Mar． 2012如果以光强最弱月份 12 月的光强为设计基准 ， 则将大大增加设计成本 ； 如果以光强最强月份 6 月光强为设计基准 ， 则到了冬季不能满足照明时间 ， 大大降低可靠性 ； 所以最好以正常照明时间可以达到全年照明时间的 85 为设计标准 ， 这样可以兼顾可靠性和成本的问题 。以北京为例 ， 太阳能路灯电池板的倾斜角度是根据冬季的最佳照射角度而定的 ， 同时考虑到免清洁的问题 ， 所以太阳能路灯电池板的倾斜角度非常大 ， 大约与垂直面有 30 的角度 ， 所以夏季的发电量并不比冬天大很多 ， 经调研 ， 夏季的发电率仅约为冬季的 2 倍 ， 如果发生连续数天阴天降雨的情况 ， 夏季也要合理分配能量 。表 1 北京地区太阳辐射强度数据表单位 RW/m 2地区 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 全年北京 79． 0 94． 2 141 159 193 187 161 150 137 110 76． 7 66． 2 1533延庆 82． 5 97． 6 144 157 188 184 161 153 136 111 79． 0 72． 1 1585昌平 79． 0 93． 0 139 153 184 181 152 144 133 109 74． 4 69． 7 1520房山 76． 7 91． 8 136 152 184 179 152 144 132 105 73． 2 66． 2 1502朝阳 75． 5 89． 5 136 148 182 179 148 140 132 104 72． 1 63． 9 1486霞云岭 65． 1 79． 0 113 133 188 157 132 124 111 88． 3 63． 9 56． 9 1306注 北京地区各月总辐射量 （ RW /m 2 ） ， 北京太阳辐射量全年平均为 1306 － 1585RW /m 2。总的来说 ， 当前太阳能路灯的所有主要矛盾和问题都和系统能量合理分配有着直接或间接的关系 ， 成本和可靠性问题不能兼顾往往被当前推广太阳能路灯的 “ 瓶颈 ” 所困扰 。 而亮度自适应调节 ， 就是针对这个 “ 瓶颈 ” 问题 ， 通过智能调节灯的亮度 ， 以提高可靠性和降低成本为前提 ， 达到精确合理分配能量的目的 。2 太阳能供电路灯核心是太阳能路灯控制器的设计控制器是太阳能供电路灯系统的 “ 大脑 ” ， 控制器技术和质量直接影响太阳能供电路灯系统的运行 。控制器设计首先要考虑太阳能供电路灯系统是独立的光伏供电系统 ， 该系统必须是恒流输出 ； 其次是蓄电池必须有过充 ， 过放保护 ； 再次是具有系统功率自动化的调节功能 ； 再其次是现在已经进入了网络控制阶段 ； 模块化的新产品已经广泛得到应用 。早期的第一代控制器功能比较简单 ， 没有保护电路 ， 故障多 ， 很快就被新产品取代了 ； 第二代控制器主要设置了蓄电池充 、 放电保护电路 ， 采用光开时关控制 ， 技术上有了较大的飞跃 ， 广泛应用于太阳能路灯安装与运行 ； 第三代路灯控制器在于多数商家采用了 PWM 充电控制功能 ， 对蓄电池进行涓流充电 ， 有效延长了电池寿命 ， 降低了使用成本 ， 从而进一步扩大市场占有率 〔 1 〕 。目前太阳能供电路灯系统期待更好的控制器及解决方案出现 ， 以提高太阳能路灯的可靠性 、 寿命和成本问题 。 太阳能路灯控制器作为太阳能路灯系统的核心部分 ， 其质量和功能好坏直接影响到整个工程的成败 ， 新开发自适应太阳能供电路灯的控制器 ， 属于第四代太阳能路灯控制器 。 其主要特点是具有功率调节功能 、 电量检测和剩余电量计算功能 、 组网功能等 ， 特别是可以进行通讯与智能控制 。3 自适应单纯太阳能供电路灯系统的解决方案与设计近年来 ， 关于光伏发电系统控制理论与实践发展很快 。 目前各种现代控制理论 ， 如自适应控制 、 自学习控制 、 模糊逻辑控制 、 神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用在光伏发电系统中 〔 2 〕 。 其中自适应控制太阳能供电路灯系统设计是可以解决目前太阳能路灯的主要存在的问题 。48 渤海大学学报 （ 自然科学版 ） 第 33 卷3． 1 设计方案的主体思路自适应单纯太阳能供电路灯的设计方案的目标 主要针对支路和供行人和非机动车通行的居住区道路和人行道路灯 〔 3〕 。 一般说来主干道的路灯照明设计标准的比较严格 ， 而单纯太阳能供电的路灯系统的技术和控制更为复杂 ， 如果采用双电源供电 ， 也就是系统控制可以做到太阳能和市电相互切换 ， 那么本设计会更加实用 。3． 2 设计方案的主要内容要实现设计方案的基本目标 ， 关键实现在控制上精准与合理 ， 成本上达到尽量的低 ， 运行上必须提高可靠性 。 必须具备完整的设计特点及功能 （ 储能器件为铅酸电池 ） （ 1） 先进的最大功率跟踪 MPPT电路由于太阳能路灯电池板的电压与电流是非线性关系 ， 在自适应单纯太阳能供电路灯的设计方案中一定要做到使太阳电池在整个工作过程中近似工作在最大功率点处 ， 太阳能路灯太阳电池板的能量转换效率最高 。 利用 PWM 技术并通过对负载稳压来实现对 LED 的恒流 ， 从而保证了 LED 的可靠使用 〔 4 〕 。（ 2） 可靠的保护电路设计过充保护电路采用了充电限压和蓄电池温升控制设计 ， 事实上蓄电池大部分时间基本处于欠充状态 。在设计对蓄电池管理时是对蓄电池电压的数据实时采集 ， 对蓄电池设置限压保护程序 ； 采用实时计算与测试蓄电池电量 ， 并对其采取防过充和过放保护 。 图 1 为太阳能路灯控制系统蓄电池过充 、 过放保护应用程序流程图 ， 电量为 100 时开启停止充电程序 ， 电量为 70 时开启停止放电程序 ， 这样就为延长蓄电池寿命 ， 做了必要的防护措施 。图 1 蓄电池过充保护应用程序流程图（ 3） 采用智能开关设置 、 实时参数监测 、 故障预警功能的电路设计图 2 所示为太阳能路灯控制系统部分应用程序灯的开 、 关控制流程图 。 采用智能开关设置 ， 实时检测太阳能路灯太阳电池板电流参数 、 蓄电池的电压参数 、 蓄电池电量参数 、 环境温度参数等 ， 管理软件对于这些参数进行处理与自动控制 ， 系统设置了故障预警及自动恢复功能 。 提高了系统的运行可靠性 。58第 1 期 王 强 1 ， 张雅凡 2 自适应太阳能供电路灯的系统设计图 2 控制器的开 、 关流程图（ 4） 光源亮度的智能调节如果是连续阴雨天 ， 太阳能路灯要保障还能正常工作 ， 设计者都将太阳能电池板的功率设置为光源功率的 4 倍 ， 将蓄电池容量加大为光源功率的 5 倍 。 即使如此也不能解决全部问题 ， 问题在于蓄电池的容量只是诸多因素之一 ， 关键是使诸多因素得到合理控制与调节 ， 如地理位置 、 季节 、 气象条件 、 工作环境 、 太阳光的辐照量 、 照明时间 、 蓄电池的电量状态等 ， 调节路灯的亮度 ， 科学分配能量 。 如果是单纯太阳能供电路灯系统 ， 牺牲路灯的亮度是提高系统可靠性唯一合理的选择 。（ 5） 大功率无电解无频闪 LED 光源的匹配采用 LED 驱动电源 IC， 具有不需要 DC 电源特性中所必须的电解电容 。 利用高电压功率 MOS 管及控制电路 ， 因去除了电解电容而实现了小型化 、 低成本 、 LED 光源与驱动器寿命相匹配和高效能 。 自适应调节灯的亮度也可以在 LED 光源模块与驱动器上实现 。3． 2． 1 电池电量检测根据当天用电前的剩余电量和当天的充电量来进行控制系统运行 ， 在保证正常照明的同时 ， 还要使蓄电池的工作点在高电位上 ， 严格控制蓄电池充放电深度 ， 根据蓄电池循环寿命特性曲线 ， 蓄电池充放电深度最好控制在 20 以内 ， 这样可以延长电池寿命 。 既降低太阳能路灯的成本 ， 又提高路灯运行的可靠性 。3． 2． 1． 1 电量检测的方法通过实验发现 ， 蓄电池其内阻与电量之间有一定的关联性 ， 特别是蓄电池进入老化阶段这种相关性更突出 。 比如蓄电池充满电和完全放电状态时的内阻相差 2 － 4 倍 ， ， 检测电池的电量 ， 可以通过测量电池内阻的方法来实现 。3． 2． 1． 2 建立蓄电池等效阻抗模型蓄电池交流等效阻抗模型如图 3 所示 。 图中的 R1， R2 为正 ， 负电极的极化电阻 ； C1， C2 为正 ， 负电极的极化电容 ； L 为引线电感 ； RΩ 为电池欧姆电阻 。68 渤海大学学报 （ 自然科学版 ） 第 33 卷蓄电池欧姆电阻 RΩ 表征了电池的荷电程度 。 为了简化测量 ， 通常从等效阻抗 Z 中仅分离纯电阻 R（ R 由 RΩ ， R1 ， R2 组成 ） ， R 和 RΩ 之间呈线性关系 。 故可用 R 间接表征电池荷电程度 〔 6〕 。图 3 蓄电池交流等效阻抗模型3． 2． 1． 3 建立内阻 － 电量 － 循环周期的关系曲线为了得到实时剩余电量值 ， 用电流积分法 ， 对电池电量进行循环监测 ， 并建立起内阻 － 电量 － 循环周期的关系曲线 ， 通过 Matlab 的曲线拟合功能而得出内阻 ， 电量以及循环周期的关系式 。 图 4 为蓄电池内阻与剩余电量关系曲线 。 可见剩余电量随着内阻的增大而成指数趋势减小 。图 4 蓄电池内阻与剩余电量关系曲线3． 2． 1． 4 在线检测电量为了实现电量的在线检测 ， 要在 100 毫秒左右短时间内 ， 给电池施加一个频率固定的稳定电流 （ 1kHz频率 、 50mA） ， 对其电压进行采样 ， 再经过整流 、 滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值 。 如图 5 所示为在线测量剩余电量硬件框图 。图 5 在线测量剩余电量示意图3． 2． 2 系统充电量的计算根据太阳能电池板的有效面积和其接收辐射强度可以得到充电量 。 而太阳的辐射强度一般是指垂直地面的辐射强度 ， 计算时要用单日辐射强度与正午太阳光线与电池板平面的平均夹角 α 的正弦相乘 。3． 2． 3 蓄电池剩余电量的计算78第 1 期 王 强 1 ， 张雅凡 2 自适应太阳能供电路灯的系统设计蓄电池剩余电量的计算 ， 是对放电电流在时域上的积分 ， 计算出电量随时间的变化量 ， 路灯开启时蓄电池已有的电量记为初始电量 ， 路灯开启后蓄电池的剩余电量一定是初始电量减去电量变化量 。 通过对MPPT 电路的输出电流做时域上的积分 ， 以此作为电量变化的校正值 ， 从而得到剩余电量准确的量值 。 图6 为太阳能路灯控制系统电量检测及剩余电量计算流程图图 6 电量检测及剩余电量计算流程图3． 2． 4 Zigbee无线通讯控制系统自适应单纯太阳能供电路灯要做到整条路的路灯的开 ， 关时间一致 ， 保证整条路的路灯的亮度均匀 ；必须实时传送数据 ， 进行远程通讯 、 监测和控制 ； 系统可以在线软件升级 ， 达到降低维护及调试成本的目的 ； 系统具有待机睡眠功能 ， 以减少系统的功耗 。 带有 Zigbee 无线模块 ， 能够采集蓄电池的充放电电压 、电流和温度 ， 并且按照一定协议通过 Zigbee 无线将数据发送给协调者 〔 6〕 。此外 ， 设计的控制器的供电系统应设计成模块化 ， 使其具有可扩展性 。 供电系统采用恒流充电方式设计 ， 使电池板也具有扩展性 ， 光源 LED 模组设计成模块化 ， 可进行并联扩展以适应不同功率照明的需要 。3． 3 自适应单纯太阳能供电路灯系统电路原理及控制流程图根据上述设计方案的目标 ， 要实现其设计功能与特点 ， 控制系统硬件框架设计 、 控制系统电路原理如图 7、 图 8 所示 。88 渤海大学学报 （ 自然科学版 ） 第 33 卷图 7 自适应太阳能路灯控制系统硬件框图图 8 自适应太阳能路灯控制系统电路原理图98第 1 期 王 强 1 ， 张雅凡 2 自适应太阳能供电路灯的系统设计3． 4 自适应单纯太阳能供电路灯设计模拟与评估3． 4． 1 确立照明策略的基准开关灯的时间根据天安门升降旗时间而定 〔 8 〕 ， 全年在冬季点灯时间较长 ， 如在 12 月为 14． 52 小时为最长 ， 夏季点灯时间较短 ， 平均为 9． 13 小时 。 这样可将照明时间分为三个时段 ， 即从当天天安门降旗时刻开始算起经历 5 个小时为第一个时段 ； 第一个时段结束到早上 5 点为第二个时段 ； 从早上 5 点到天安门升旗时刻为第三个时段 。 设计灯光亮度三个时段权重比为 5 2 3。 显然 ， 自适应单纯太阳能供电路灯比传统固定调节路灯在节能方面优势明显 ， 充分体现了自适应调节的优点 。3． 4． 2 模拟配置地点 北京市设计基准线 全年照明时间中可容忍 15 过放比率和 15 的过充比率 。 超过容忍范围 ， 如果过放 ， 则关灯 ； 如果过充 ， 则进行过充保护 ， 停止充电 。 保留小数点后四位 。假设 （ 1） 电池板能量转换效率 18（ 2） MPPT 跟踪效率 98（ 3） MPPT 转换效率 95（ 4） 蓄电池能量转换效率 80（ 5） 太阳能电池板每平米的额定功率为 1000W（ 6） 理想充放电深度 30（ 7） 太阳能路灯蓄电池的额定电压 36V（ 8） 太阳能路灯蓄电池的最大电压为 42V， 最小电压为 30V（ 9） 根据照明保证线的要求 ， 12 0． 85 10． 2， 单日电池板接收最小辐射强度取值为 11 月和 1 月之间的值 ； 单日电池板接收最大辐射强度取值为 6 月和 4 月之间的值（ 10） 根据照明保证线的要求 ， 12 0． 85 10． 2， 根据表 1， 单日灯的最小功耗取值为 9 月和 4 月之间的值 ； 单日灯的最大功耗取值为 12 月和 7 月之间的值（ 11） 电池理想剩余电量百分比 60（ 12） 理想电池寿命终结时 ， 电量将比新电池衰减 20 ， 如果 30 为理想放电深度的话 ， 则设计放电深度基准为 （ 1 － 20 ） 30 24（ 13） 充电效率 电池板能量转换效率 MPPT跟踪效率 MPPT 转换效率 蓄电池能量转换效率 18 98 95 80 13． 4（ 14） LED 驱动效率 92图 9 是根据表 1 中的数据画出的各月需要配备太阳能电池板面积排列柱形图 ， 用来作为选取太阳能电池板的配置参考 。 从柱形图型来看 ， 2 月的面积值是柱形图中的拐点处 ， 以此面积为 2． 2m2 为最佳配置 ， 选蓄电池容量为 115Ah。 这样可以保证全年 85 的照明时间正常的 ， 而剩下的 15 时间会发生过放现象 ， 可通过自适应调节能够实现可靠运行 。 如果选择以 2 月数据计算出的太阳能电池板面积的值为参考 ， 考虑一些余量可确定为 2． 2162m2 ， 过放的时间是 3 个月 ， 其过放比率为 25 ， 自适应调节的空间为10 ， 在设计范围以内 。09 渤海大学学报 （ 自然科学版 ） 第 33 卷图 9 各月太阳能电池板对应面积排列柱形图4 结论自适应太阳能供电路灯的系统设计与优化运行 ， 关键是设计出以 MPPT 电路为核心太阳能路灯控制器 ， 控制器外围电路必须具备简单 ， 功能齐全 ， 智能控制 、 可靠性高等特点 ， 特别是实现了最大功率点跟踪 ，系统设计必须还要实现蓄电池充放电的管理 。 系统不仅节能还提高了可靠性 ， 重要的是实现了蓄电池智能化管理并延长了其使用寿命 ， 降低了成本 ， 提高了经济效益 。 系统采用了无线通讯控制及自适应调节技术 ， 根据需要灵活调整其配置和控制调光 。 系统设计方案具有一定的实用价值 。参考文献 〔 1〕 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its relia-bility ， to extend its operational length and to reduce its cost ．Key Words self － adaption； solar － energy street lamp； reliability ； storage cell management； maximumpower point tracking19第 1 期 王 强 1 ， 张雅凡 2 自适应太阳能供电路灯的系统设计