发布时间：2018/8/20 9:02:07 来源：本站
能源短缺和环境污染的加剧,威胁着人类的正常生活和可持续发展。太阳能具有存在的普遍性、储量的无限性、利用的清洁性和应用的经济性等优点,成为了较为理想的替代能源。另一方面,LED作为照明光源与传统照明光源相比具有直流低电压驱动、效率高、抗振动、寿命长、启动快速、环保等优点,被认为是新一代的绿色照明设备。因此,太阳能与半导体LED照明的有机结合可有效发挥二者的优势。
加入充放电控制器的目的是提高蓄电池充电效率、延长蓄电池寿命并保护负载。当蓄电池电压下降到一定电压值以下时,要关断负载,以保护蓄电池不能太过放电。当蓄电池电压高于一定值时要关断负载,防止烧坏负载。在给蓄电池充电时,需要根据蓄电池的电压范围采用不同的充电方式,在不影响蓄电池寿命的前提下,在最短的时间内将蓄电池充满。
系统选用两片6V/3.5W的太阳能电池板串联,总功率为7W,在不同的光强条件下输出电压在12V～13.6V之间变化。蓄电池选用免维护铅酸蓄电池,其参数为6V/4.5AH(20HR),根据电量的不同,其输出电压在5.25V～7.05V之间变化。路灯选用6V/1.5W LED灯,亮度与25W的白炽灯亮度相当。
2.1 硬件
系统硬件电路可以分为以下几个模块:充放电模块、光耦连接模块、系统工作状态指示模块、实时时钟模块、单片机最小系统。
1) 充放电模块
充放电模块主要实现太阳能电池板、蓄电池、负载三者之间的连接,稳压及电源电压转换。这一模块包括太阳能电池板输出电压稳压部分、路灯供电部分、单片机系统供电部分。
太阳能电池板输出电压稳压部分电路的主要功能是将太阳能电池板输出的变化的电压稳定下来,给蓄电池充电,该部分电路如图1所示。其中header2接太阳能电池板,LM7805、AD8615、R1、R2组成可调稳压电路,通过调节变阻器R2的阻值就可以改变输出电压。R3和R4组成分压电路,用于检测充电电压。二极管D1是为了防止蓄电池的电流反向流向电池板造成电量损耗。Q1为MOS管,通过控制MOS管的闭合和断开,就可以控制是否充电。电容C1和C2分别对输入和输出电压滤波,保持电压的稳定性。太阳能电池板的输出电压经过这一部分电路后电压稳定在6.75V,给蓄电池充电。
图1 太阳能电池板输出电压稳压部分电路
路灯供电部分电路如图2所示。R5和R6组成分压电路,用于检测蓄电池电压,lamp为路灯,Q2为MOS管,控制这个MOS管的开关状态就可以控制路灯的亮灭。
图2 路灯供电部分电路
单片机系统供电部分的主要作用是将太阳能电池板和蓄电池输出的变化的电压稳定在5V,保证单片机和其他的芯片工作在最佳状态,该部分的电路如图3所示。555定时器和电容C6,C7,组成升压电路,将蓄电池电压升为两倍,在10.5V～14.1V范围内变化,这个电压就可以输入到三端稳压电源LM7805进行稳压,经过倍压和稳压处理后,就可以得到非常稳定的5V电压。
图3 单片机供电系统电路
2) 光耦连接模块
用光耦将控制单元与充放电电路隔离以提高系统的可靠性。
3) 系统状态指示模块
用于指示系统的当前工作状态。如正在充电、蓄电池欠压、蓄电池过压、电池板反接、蓄电池反接等。
4) 实时时钟模块
由于路灯只是在晚上的某一个时间段内点亮,因此需要采集当前时间。本系统选用高精度实时时钟芯片DS12C887来提供当前时间。
5) 单片机最小系统
本系统中选用了STC12C5A60S2单片机作为主控单元的核心。主控单元负责采集电压信号并进行A/D转换,控制MOS开关,控制追日系统中的舵机,实现追日算法。
2.2 软件
充放电控制系统软件算法主要是实现对蓄电池的智能充放电。控制系统软件可以划分为:主程序、充电控制模块、供电控制模块。主程序根据不同的时间段让系统进入不同的工作模式,白天启动电池充电模块,给蓄电池充电;晚上启动路灯供电模块,点亮路灯;深夜让系统进入空闲模式,以降低功耗。充电策略采用二阶段充电法。第一阶段是恒压直冲充电,第二阶段是PWM脉冲充电。脉冲充电减少了充电时的析气量,降低了蓄电池的内压,使蓄电池可以吸收更多的电能。供电控制模块主要作用是保护蓄电池不至过充或者过放,延长蓄电池使用寿命。
目前的追日系统有很多种,但是大体上可以分为两大类:单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。双轴跟踪系统是在南北方向和东西方向同时实现追日,使太阳能电池板时刻正对太阳光,这种系统的发电效率最高,但其结构复杂,成本较高,一般用于那些对追日精度要求非常高的场合,比如聚光光伏发电系统中。单轴追日系统是只在一个方向上跟踪太阳,一般是固定南北方向,在东西方向跟踪。这种系统的发电效率低于双轴跟踪系统,但是其成本和功耗大大低于双轴系统,适用于那些对追日精度要求不高的场合。
图4 追日系统机械结构侧视图
本系统中采用的太阳能电池是多晶硅电池,多晶硅电池对追日精度的要求并不高,因此本系统中采用单轴追日系统,南北方向固定不动,在东西方向上实现间歇跟踪,以降低追日系统的功耗。综合考虑各方面因素,追日系统的机械结构侧视图如图4所示。图中SN为转轴,在实际使用时,SN指向南北方向(N指向正北方向,S指向正南方向),太阳能电池板就固定在这根转轴上,控制电池板的转动就可以在东西方向上实现追日。转轴SN是倾斜放置的,这是由于太阳并不是位于系统的正上方,在一年中,太阳的高度角(太阳光线与地球赤道的夹角)每天都在改变,但是变化范围在±23°27′(以北为正)以内。夏至日太阳高度角达到一年中的最大值+23°27′,冬至日达到反向最大值-23°27′,春分和秋分时均为0°。因此如果将转轴SN设置为与地球赤道垂直,那么在春分和秋分时,太阳光线就与SN垂直,此时太阳光线垂直入射到电池板上;而在夏至和冬至时,太阳光线与电池板的夹角达到最大,分别为+23°27′和-23°27′(以北为正)。这样在一年当中的任何一天,太阳光线与电池板的夹角都不会超过23°27′,这样就可以保证一年中电池板在南北方向获得最大的光照效率。根据这一原理,图中的转轴SN是与地球赤道面垂直的,由此可以推算出SN与水平面的夹角约为30°(实际上就是武汉武昌地区的地理纬度,为30.33°,近似取为30°)。为了降低功耗,采用间歇式追日。在一天中,太阳的方位角(太阳光线与当地子午线的夹角)从-90°变到+90°(以中午12:00时太阳的位置为0°,东为负,西为正),所以一天中太阳在东西方向会转过180°。假设从日出到日落要经过12个小时(近似处理,实际情况有一定误差),那么每个小时太阳会转过15°,由此可以推出太阳方位角β计算公式为β=(T-12)×15°,式中T表示当前时间,单位为小时。根据以上原理,系统从时钟芯片中采集当前时间,然后由以上公式计算出太阳的方位角,再指挥电机转到相应的角度,从而实现了间歇式单轴追日。
追日型太阳能路灯的样机模型如图5所示。
图5 追日型太阳能路灯的样机模型
实验证明,在正常工作情况下,路灯模型中的太阳能板在一天之内可以给蓄电池充入约3AH的电量,可以维持蓄电池处于电量饱满状态。按照路灯一晚上亮6小时计算,蓄电池充满电(4.5AH)后,可供路灯持续工作三个晚上。因此即使连续三天都是阴雨天,系统也可以正常工作,较好地满足了实际的要求。
图6 太阳能路灯实物结构示意图
在完成路灯模型的设计测试之后,下面针对实际路灯照明需求进行设计。由于路灯的作用主要是道路照明,因此须满足CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》,本设计的所有参数都是依据该标准计算出来的。该标准中规定:城市主干道路照明平均照度为20lx～30lx,次干公路10lx～15lx,支路8lx～10lx。本系统以次干公路照明标准为依据来设计。本系统选用的LED路灯参数为12V/5W,路灯距离路面3.5m(适用于宽度为7m的双车道城市道路),其结构示意图如图6所示。
在满足这些参数的条件下,路灯照射到地面的平均照度为12lx,符合次干公路照明标准。蓄电池采用免维护铅酸蓄电池,参数为12V/8AH(20HR),充满电后可供LED路灯持续工作三个晚上(按照每晚上亮6小时计算)。太阳能板参数为17.5V/16W,在晴天时每天可以给蓄电池充入约5AH的电量,可以维持蓄电池处于电量饱满状态。根据这些参数,可以设计满足如下要求的充放电控制系统: 1) 能自动检测当前时间,当时间处于晚上19:00～24:00时,启动供电模块,点亮路灯;当时间处于0:00～6:00时,系统进入空闲模式以降低功耗;当时间处于7:00～17:00时,启动充电模块。 2) 能自动检测太阳能电池板电压是否高于蓄电池电压,若高于蓄电池电压,则可开启充电;若低于蓄电池电压,则不能开启充电,否则蓄电池电流会反向流向太阳能电池板而造成电量损耗。 3) 当蓄电池电压高于10.5V而低于13.5V时采取直充充电方式,到当电池电压高于13.5V而低于14V时采用PWM脉冲调制充电方式给蓄电池充电直到充满。 4) 当蓄电池电压低于10.5V时,自动关断负载(欠压关断),同时有报警功能;当从低于10.5V回升到12V时才能再次接通负载。 5) 当蓄电池电压高于14.5V时,自动关断负载(过压关断)和充电电路,同时有报警功能;当从高于14.5V回落到低于14V时才能接通负载。 6) 当蓄电池处于浮充充电状态时电压值控制在13.7V左右。 7) 当用户将太阳能电池板接反至控制器时,蜂鸣器报警,并且具有保护控制器不被毁坏的功能。 8) 当用户将蓄电池接反至控制器时,蜂鸣器报警,并且具有保护控制器不被毁坏的功能。这些功能与路灯模型中实现的功能相同,只是参数发生了变化。路灯实物的充放电模块电路原理图如图7所示。图中的LM7812CT为三端稳压电源,输出电压为12V,由于蓄电池浮充电压为13.7V,调节滑动变阻器R2将输出电压调节为13.7V。右边的三端稳压电源LM7805CT的作用将电池板和蓄电池的电压转换为5V,为单片机系统提供电源。这里没有加升压电路,是由于电池板和蓄电池的输出电压都大于7V,满足LM7805的输入电压要求。图中其他的元器件参数与路灯模型电路图中相应的参数相同,无需改动。而路灯实物的单片机模块、实时时钟模块、光耦连接模块、工作状态指示模块等都与路灯模型中的相应模块相同。
软件部分,只需要修改路灯模型程序中的一些参数。
下面采用multisim12软件对充放电控制电路进行仿真,电路中的其他部分与路灯模型中相应的电路相同。
图7 路灯实物充放电模块电路图
首先对充电电路仿真:充电电路的作用是将太阳能板输出的变化的电压稳定下来,给蓄电池充电。在仿真时用一个直流电源代替太阳能板,改变直流电源的输出电压值,观察经过充电电路稳压后的充电电压能否保持稳定的13.75V不变。本系统中太阳能板的输出电压在17.5V左右波动,因此仿真时分别设置直流电源的电压值为19V、17.5V、15V,仿真结果如图8～图10所示。由上面的仿真现象可以看出,当太阳能板的输出电压在17.5V左右一定范围内波动时,充电电路的输出都能保持稳定的13.7V,这说明充电电路的效果较好,能充分满足实际太阳能路灯的要求。
图8 充电电路仿真结果1(电源电压为19V)
下面再对单片机供电电路仿真:本系统中的单片机和其他的芯片都需要稳定的5V电源,这样才能保证控制系统正常工作,这个5V电源由太阳能板和蓄电池提供,太阳能板的输出电压在17.5V附近波动,蓄电池输出电压在12V左右波动。根据这些参数绘制出仿真电路图,仿真结果如图11所示。由图可以看出,输出电压为稳定的5V,这样就可以为控制电路中的各个芯片提供稳定的5V电源,保持控制电路的正常工作。
图9 充电电路仿真结果2(电源电压为17.5V)
图10 充电电路仿真结果3(电源电压为15V)
图11 单片机供电电路仿真结果
上面的仿真结果验证了路灯实物设计方案的可行性,符合《城市道路照明设计标准》,较好地满足了实际的需求。
设计了追日型太阳能路灯系统的模型样机,给出了硬件与软件设计方案,并通过样机测试证明了方案的有效性。依据CJJ45-2006《城市道路照明设计标准》,针对实际路灯照明需求对样机模型进行了改进设计,对改进后的方案进行了仿真,仿真结果验证了其可行性。
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