發(fā)布時間:2018/8/20 9:02:07 來源:本站
能源短缺和環(huán)境污染的加劇,威脅著人類的正常生活和可持續(xù)發(fā)展。太陽能具有存在的普遍性、儲量的無限性、利用的清潔性和應(yīng)用的經(jīng)濟性等優(yōu)點,成為了較為理想的替代能源。另一方面,LED作為照明光源與傳統(tǒng)照明光源相比具有直流低電壓驅(qū)動、效率高、抗振動、壽命長、啟動快速、環(huán)保等優(yōu)點,被認為是新一代的綠色照明設(shè)備。因此,太陽能與半導(dǎo)體LED照明的有機結(jié)合可有效發(fā)揮二者的優(yōu)勢。
加入充放電控制器的目的是提高蓄電池充電效率、延長蓄電池壽命并保護負載。當(dāng)蓄電池電壓下降到一定電壓值以下時,要關(guān)斷負載,以保護蓄電池不能太過放電。當(dāng)蓄電池電壓高于一定值時要關(guān)斷負載,防止燒壞負載。在給蓄電池充電時,需要根據(jù)蓄電池的電壓范圍采用不同的充電方式,在不影響蓄電池壽命的前提下,在最短的時間內(nèi)將蓄電池充滿。
系統(tǒng)選用兩片6V/3.5W的太陽能電池板串聯(lián),總功率為7W,在不同的光強條件下輸出電壓在12V~13.6V之間變化。蓄電池選用免維護鉛酸蓄電池,其參數(shù)為6V/4.5AH(20HR),根據(jù)電量的不同,其輸出電壓在5.25V~7.05V之間變化。路燈選用6V/1.5W LED燈,亮度與25W的白熾燈亮度相當(dāng)。
2.1 硬件
系統(tǒng)硬件電路可以分為以下幾個模塊:充放電模塊、光耦連接模塊、系統(tǒng)工作狀態(tài)指示模塊、實時時鐘模塊、單片機最小系統(tǒng)。
1) 充放電模塊
充放電模塊主要實現(xiàn)太陽能電池板、蓄電池、負載三者之間的連接,穩(wěn)壓及電源電壓轉(zhuǎn)換。這一模塊包括太陽能電池板輸出電壓穩(wěn)壓部分、路燈供電部分、單片機系統(tǒng)供電部分。
太陽能電池板輸出電壓穩(wěn)壓部分電路的主要功能是將太陽能電池板輸出的變化的電壓穩(wěn)定下來,給蓄電池充電,該部分電路如圖1所示。其中header2接太陽能電池板,LM7805、AD8615、R1、R2組成可調(diào)穩(wěn)壓電路,通過調(diào)節(jié)變阻器R2的阻值就可以改變輸出電壓。R3和R4組成分壓電路,用于檢測充電電壓。二極管D1是為了防止蓄電池的電流反向流向電池板造成電量損耗。Q1為MOS管,通過控制MOS管的閉合和斷開,就可以控制是否充電。電容C1和C2分別對輸入和輸出電壓濾波,保持電壓的穩(wěn)定性。太陽能電池板的輸出電壓經(jīng)過這一部分電路后電壓穩(wěn)定在6.75V,給蓄電池充電。
圖1 太陽能電池板輸出電壓穩(wěn)壓部分電路
路燈供電部分電路如圖2所示。R5和R6組成分壓電路,用于檢測蓄電池電壓,lamp為路燈,Q2為MOS管,控制這個MOS管的開關(guān)狀態(tài)就可以控制路燈的亮滅。
圖2 路燈供電部分電路
單片機系統(tǒng)供電部分的主要作用是將太陽能電池板和蓄電池輸出的變化的電壓穩(wěn)定在5V,保證單片機和其他的芯片工作在最佳狀態(tài),該部分的電路如圖3所示。555定時器和電容C6,C7,組成升壓電路,將蓄電池電壓升為兩倍,在10.5V~14.1V范圍內(nèi)變化,這個電壓就可以輸入到三端穩(wěn)壓電源LM7805進行穩(wěn)壓,經(jīng)過倍壓和穩(wěn)壓處理后,就可以得到非常穩(wěn)定的5V電壓。
圖3 單片機供電系統(tǒng)電路
2) 光耦連接模塊
用光耦將控制單元與充放電電路隔離以提高系統(tǒng)的可靠性。
3) 系統(tǒng)狀態(tài)指示模塊
用于指示系統(tǒng)的當(dāng)前工作狀態(tài)。如正在充電、蓄電池欠壓、蓄電池過壓、電池板反接、蓄電池反接等。
4) 實時時鐘模塊
由于路燈只是在晚上的某一個時間段內(nèi)點亮,因此需要采集當(dāng)前時間。本系統(tǒng)選用高精度實時時鐘芯片DS12C887來提供當(dāng)前時間。
5) 單片機最小系統(tǒng)
本系統(tǒng)中選用了STC12C5A60S2單片機作為主控單元的核心。主控單元負責(zé)采集電壓信號并進行A/D轉(zhuǎn)換,控制MOS開關(guān),控制追日系統(tǒng)中的舵機,實現(xiàn)追日算法。
2.2 軟件
充放電控制系統(tǒng)軟件算法主要是實現(xiàn)對蓄電池的智能充放電?刂葡到y(tǒng)軟件可以劃分為:主程序、充電控制模塊、供電控制模塊。主程序根據(jù)不同的時間段讓系統(tǒng)進入不同的工作模式,白天啟動電池充電模塊,給蓄電池充電;晚上啟動路燈供電模塊,點亮路燈;深夜讓系統(tǒng)進入空閑模式,以降低功耗。充電策略采用二階段充電法。第一階段是恒壓直沖充電,第二階段是PWM脈沖充電。脈沖充電減少了充電時的析氣量,降低了蓄電池的內(nèi)壓,使蓄電池可以吸收更多的電能。供電控制模塊主要作用是保護蓄電池不至過充或者過放,延長蓄電池使用壽命。
目前的追日系統(tǒng)有很多種,但是大體上可以分為兩大類:單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。雙軸跟蹤系統(tǒng)是在南北方向和東西方向同時實現(xiàn)追日,使太陽能電池板時刻正對太陽光,這種系統(tǒng)的發(fā)電效率最高,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,一般用于那些對追日精度要求非常高的場合,比如聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)中。單軸追日系統(tǒng)是只在一個方向上跟蹤太陽,一般是固定南北方向,在東西方向跟蹤。這種系統(tǒng)的發(fā)電效率低于雙軸跟蹤系統(tǒng),但是其成本和功耗大大低于雙軸系統(tǒng),適用于那些對追日精度要求不高的場合。
圖4 追日系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖
本系統(tǒng)中采用的太陽能電池是多晶硅電池,多晶硅電池對追日精度的要求并不高,因此本系統(tǒng)中采用單軸追日系統(tǒng),南北方向固定不動,在東西方向上實現(xiàn)間歇跟蹤,以降低追日系統(tǒng)的功耗。綜合考慮各方面因素,追日系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)側(cè)視圖如圖4所示。圖中SN為轉(zhuǎn)軸,在實際使用時,SN指向南北方向(N指向正北方向,S指向正南方向),太陽能電池板就固定在這根轉(zhuǎn)軸上,控制電池板的轉(zhuǎn)動就可以在東西方向上實現(xiàn)追日。轉(zhuǎn)軸SN是傾斜放置的,這是由于太陽并不是位于系統(tǒng)的正上方,在一年中,太陽的高度角(太陽光線與地球赤道的夾角)每天都在改變,但是變化范圍在±23°27′(以北為正)以內(nèi)。夏至日太陽高度角達到一年中的最大值+23°27′,冬至日達到反向最大值-23°27′,春分和秋分時均為0°。因此如果將轉(zhuǎn)軸SN設(shè)置為與地球赤道垂直,那么在春分和秋分時,太陽光線就與SN垂直,此時太陽光線垂直入射到電池板上;而在夏至和冬至?xí)r,太陽光線與電池板的夾角達到最大,分別為+23°27′和-23°27′(以北為正)。這樣在一年當(dāng)中的任何一天,太陽光線與電池板的夾角都不會超過23°27′,這樣就可以保證一年中電池板在南北方向獲得最大的光照效率。根據(jù)這一原理,圖中的轉(zhuǎn)軸SN是與地球赤道面垂直的,由此可以推算出SN與水平面的夾角約為30°(實際上就是武漢武昌地區(qū)的地理緯度,為30.33°,近似取為30°)。為了降低功耗,采用間歇式追日。在一天中,太陽的方位角(太陽光線與當(dāng)?shù)刈游缇的夾角)從-90°變到+90°(以中午12:00時太陽的位置為0°,東為負,西為正),所以一天中太陽在東西方向會轉(zhuǎn)過180°。假設(shè)從日出到日落要經(jīng)過12個小時(近似處理,實際情況有一定誤差),那么每個小時太陽會轉(zhuǎn)過15°,由此可以推出太陽方位角β計算公式為β=(T-12)×15°,式中T表示當(dāng)前時間,單位為小時。根據(jù)以上原理,系統(tǒng)從時鐘芯片中采集當(dāng)前時間,然后由以上公式計算出太陽的方位角,再指揮電機轉(zhuǎn)到相應(yīng)的角度,從而實現(xiàn)了間歇式單軸追日。
追日型太陽能路燈的樣機模型如圖5所示。
圖5 追日型太陽能路燈的樣機模型
實驗證明,在正常工作情況下,路燈模型中的太陽能板在一天之內(nèi)可以給蓄電池充入約3AH的電量,可以維持蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)。按照路燈一晚上亮6小時計算,蓄電池充滿電(4.5AH)后,可供路燈持續(xù)工作三個晚上。因此即使連續(xù)三天都是陰雨天,系統(tǒng)也可以正常工作,較好地滿足了實際的要求。
圖6 太陽能路燈實物結(jié)構(gòu)示意圖
在完成路燈模型的設(shè)計測試之后,下面針對實際路燈照明需求進行設(shè)計。由于路燈的作用主要是道路照明,因此須滿足CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計標準》,本設(shè)計的所有參數(shù)都是依據(jù)該標準計算出來的。該標準中規(guī)定:城市主干道路照明平均照度為20lx~30lx,次干公路10lx~15lx,支路8lx~10lx。本系統(tǒng)以次干公路照明標準為依據(jù)來設(shè)計。本系統(tǒng)選用的LED路燈參數(shù)為12V/5W,路燈距離路面3.5m(適用于寬度為7m的雙車道城市道路),其結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。
在滿足這些參數(shù)的條件下,路燈照射到地面的平均照度為12lx,符合次干公路照明標準。蓄電池采用免維護鉛酸蓄電池,參數(shù)為12V/8AH(20HR),充滿電后可供LED路燈持續(xù)工作三個晚上(按照每晚上亮6小時計算)。太陽能板參數(shù)為17.5V/16W,在晴天時每天可以給蓄電池充入約5AH的電量,可以維持蓄電池處于電量飽滿狀態(tài)。根據(jù)這些參數(shù),可以設(shè)計滿足如下要求的充放電控制系統(tǒng): 1) 能自動檢測當(dāng)前時間,當(dāng)時間處于晚上19:00~24:00時,啟動供電模塊,點亮路燈;當(dāng)時間處于0:00~6:00時,系統(tǒng)進入空閑模式以降低功耗;當(dāng)時間處于7:00~17:00時,啟動充電模塊。 2) 能自動檢測太陽能電池板電壓是否高于蓄電池電壓,若高于蓄電池電壓,則可開啟充電;若低于蓄電池電壓,則不能開啟充電,否則蓄電池電流會反向流向太陽能電池板而造成電量損耗。 3) 當(dāng)蓄電池電壓高于10.5V而低于13.5V時采取直充充電方式,到當(dāng)電池電壓高于13.5V而低于14V時采用PWM脈沖調(diào)制充電方式給蓄電池充電直到充滿。 4) 當(dāng)蓄電池電壓低于10.5V時,自動關(guān)斷負載(欠壓關(guān)斷),同時有報警功能;當(dāng)從低于10.5V回升到12V時才能再次接通負載。 5) 當(dāng)蓄電池電壓高于14.5V時,自動關(guān)斷負載(過壓關(guān)斷)和充電電路,同時有報警功能;當(dāng)從高于14.5V回落到低于14V時才能接通負載。 6) 當(dāng)蓄電池處于浮充充電狀態(tài)時電壓值控制在13.7V左右。 7) 當(dāng)用戶將太陽能電池板接反至控制器時,蜂鳴器報警,并且具有保護控制器不被毀壞的功能。 8) 當(dāng)用戶將蓄電池接反至控制器時,蜂鳴器報警,并且具有保護控制器不被毀壞的功能。這些功能與路燈模型中實現(xiàn)的功能相同,只是參數(shù)發(fā)生了變化。路燈實物的充放電模塊電路原理圖如圖7所示。圖中的LM7812CT為三端穩(wěn)壓電源,輸出電壓為12V,由于蓄電池浮充電壓為13.7V,調(diào)節(jié)滑動變阻器R2將輸出電壓調(diào)節(jié)為13.7V。右邊的三端穩(wěn)壓電源LM7805CT的作用將電池板和蓄電池的電壓轉(zhuǎn)換為5V,為單片機系統(tǒng)提供電源。這里沒有加升壓電路,是由于電池板和蓄電池的輸出電壓都大于7V,滿足LM7805的輸入電壓要求。圖中其他的元器件參數(shù)與路燈模型電路圖中相應(yīng)的參數(shù)相同,無需改動。而路燈實物的單片機模塊、實時時鐘模塊、光耦連接模塊、工作狀態(tài)指示模塊等都與路燈模型中的相應(yīng)模塊相同。
軟件部分,只需要修改路燈模型程序中的一些參數(shù)。
下面采用multisim12軟件對充放電控制電路進行仿真,電路中的其他部分與路燈模型中相應(yīng)的電路相同。
圖7 路燈實物充放電模塊電路圖
首先對充電電路仿真:充電電路的作用是將太陽能板輸出的變化的電壓穩(wěn)定下來,給蓄電池充電。在仿真時用一個直流電源代替太陽能板,改變直流電源的輸出電壓值,觀察經(jīng)過充電電路穩(wěn)壓后的充電電壓能否保持穩(wěn)定的13.75V不變。本系統(tǒng)中太陽能板的輸出電壓在17.5V左右波動,因此仿真時分別設(shè)置直流電源的電壓值為19V、17.5V、15V,仿真結(jié)果如圖8~圖10所示。由上面的仿真現(xiàn)象可以看出,當(dāng)太陽能板的輸出電壓在17.5V左右一定范圍內(nèi)波動時,充電電路的輸出都能保持穩(wěn)定的13.7V,這說明充電電路的效果較好,能充分滿足實際太陽能路燈的要求。
圖8 充電電路仿真結(jié)果1(電源電壓為19V)
下面再對單片機供電電路仿真:本系統(tǒng)中的單片機和其他的芯片都需要穩(wěn)定的5V電源,這樣才能保證控制系統(tǒng)正常工作,這個5V電源由太陽能板和蓄電池提供,太陽能板的輸出電壓在17.5V附近波動,蓄電池輸出電壓在12V左右波動。根據(jù)這些參數(shù)繪制出仿真電路圖,仿真結(jié)果如圖11所示。由圖可以看出,輸出電壓為穩(wěn)定的5V,這樣就可以為控制電路中的各個芯片提供穩(wěn)定的5V電源,保持控制電路的正常工作。
圖9 充電電路仿真結(jié)果2(電源電壓為17.5V)
圖10 充電電路仿真結(jié)果3(電源電壓為15V)
圖11 單片機供電電路仿真結(jié)果
上面的仿真結(jié)果驗證了路燈實物設(shè)計方案的可行性,符合《城市道路照明設(shè)計標準》,較好地滿足了實際的需求。
設(shè)計了追日型太陽能路燈系統(tǒng)的模型樣機,給出了硬件與軟件設(shè)計方案,并通過樣機測試證明了方案的有效性。依據(jù)CJJ45-2006《城市道路照明設(shè)計標準》,針對實際路燈照明需求對樣機模型進行了改進設(shè)計,對改進后的方案進行了仿真,仿真結(jié)果驗證了其可行性。
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