0 引言
能源短缺是當今社會中的熱點問題,，它直接制約著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，可再生能源的利用也就成了當今世界關(guān)注的焦點之一,。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源,，生物質(zhì)能、風能,、海洋能,、水能等都來自太陽能。廣義地說,，太陽能包含以上各種可再生能源,。近年來太陽能的利用得到了世界各國的廣泛關(guān)注，美國,、日本,、德國相繼提出了“陽光計劃”、“節(jié)能計劃”等大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù),。自“六五”以來我國政府也一直把研究開發(fā)太陽能和可再生能源技術(shù)列入國家科技攻關(guān)計劃,，大大推動了我國太陽能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時,，照明作為日常生活中不可缺少的一部分,，成為了世界各國的一項重要的能源消耗，據(jù)統(tǒng)計照明用電占我國總發(fā)電量的10％以上,，綠色節(jié)能照明的應用越來越受到重視,。我國在1996年就提出了“綠色照明工程”，主要就是為了解決與照明相關(guān)的能源供應問題，新型的照明光源LED發(fā)光產(chǎn)品在照明和裝飾領(lǐng)域逐漸受到世人的矚目,。
太陽能電池板和LED都是由半導體材料構(gòu)成的,，隨著半導體材料技術(shù)的更加完善必將推動太陽能和LED的進一步發(fā)展。將太陽能和LED結(jié)合起來為節(jié)能照明技術(shù)提供了新的解決方案,。
1 照明系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
此系統(tǒng)由太陽能電池,、蓄電池和LED照明系統(tǒng)三大部分組成。太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)變成電能,，一部分用來給直流負載LED供電,，另一部分儲存在蓄電池中。當沒有太陽光或者光線暗時,，LED照明系統(tǒng)所需要的能量不夠的部分由蓄電池提供,。LED照明部分不僅可以實現(xiàn)晝夜照明，同時采用了自動調(diào)光技術(shù),，可以使室內(nèi)的光線保持恒定,。如圖1所示，其中的控制器1采用的是Boost電路,，實現(xiàn)太陽能電池板的最大功率點跟蹤?？刂破?采用的是雙向DC—DC變換電路,，實現(xiàn)對蓄電池的充放電控制?？刂破?是LED燈的恒流驅(qū)動和PWM自動調(diào)光控制,。下面將分別介紹各部分的工作原理。
2 太陽能的MPPT算法
太陽能電池的輸出功率是周圍外部環(huán)境(光照,、溫度)的非線性函數(shù),。圖2為太陽能電池P-V特性曲線。當光線一定時,，太陽能電池的輸出功率存在唯一的最大功率點,；當光線變化時，太陽能電池的輸出功率也隨著改變,，光線增強最大功率增大,。太陽能電池的輸出功率特性曲線還與溫度有關(guān)，溫度升高最大功率降低,。使光伏電池工作于最大功率點,，是提高光伏電池的最有效途徑。最常見的MPVF算法有：恒電壓控制法,，此方法雖然簡單,，但不適于溫度變化比較大的地區(qū)。擾動觀察法,，在光線變化比較大時擾動觀察法可能出現(xiàn)跟蹤方向判斷錯誤等問題,。電導增量法的缺點是對傳感器靈敏度要求較高,，系統(tǒng)響應速度快從而造成硬件成本比較高。
針對擾動觀察法在光線變化比較快時不能準確跟蹤,，采用了一種改進的擾動觀察法,，在光伏電池的P—V特性曲線的頂點處任意取三點，可以得到如圖3(a)所示的五種情況,。設定一個比較符號足,，初始化為0，比較三點功率,。當C點功率比曰大或者相等時K=K+1,，C比B小時K=K-1；同樣比較日和A,，比較完之后,，若K=2，工作電壓擾動往右移,，若K=-2,，工作電壓擾動往左移，K=O說明此時工作電壓對應的正是最大功率點,，保持不變,。當光線變化時所得到的A、B,、C三點關(guān)系如圖3(b)所示,。此時計算出K=0，這樣當光線變化時不進行最大功率點的跟蹤,，光線穩(wěn)定后繼續(xù)跟蹤最大功率點,，從而可以避免擾動觀察法在光線變化后的跟蹤方向判斷失誤。程序流程如圖4所示,。
采用Boost電路作為MPPT控制器,，其原理如圖5所示，輸出端電壓由負載決定,，是個定值,，通過改變開關(guān)管占空比就可以改變輸入端太陽能池板所提供的電壓，在每個采樣周期對光伏電池的輸出電壓和電流采樣,，根據(jù)上文提出的MPPT算法調(diào)節(jié)MOS管占空比就可以進行最大功率點跟蹤,。
3蓄電池的充電策略
光伏系統(tǒng)對蓄電池充電考慮的因素是：①盡量應用MPPT充分利用光伏電池；②充電特性曲線要滿足蓄電池的要求,，從而延長蓄電池的使用壽命,。傳統(tǒng)的充電方法有恒流充電、恒壓充電等"1。恒流充電的缺點是充電后期電流相對蓄電池來說比較大,。
恒壓充電,，雖然電流隨著蓄電池端電壓的增大而減小，但充電初期充電電流相對來說還是很大的,。制約著這兩種控制方法的最主要因素就是充電電流,，所以．可以從控制電流的角度來對蓄電池充電進行有效地控制。
控制思想為M1：充電初期,，給蓄電池設定一個比較大的充電限制電流,，只要充電電流不超過這個限定值，都可以應用MPPT,。同時,，不斷檢測蓄電池的端電壓，以判斷蓄電池所處的充電狀態(tài),，當端電壓達到過充電壓時,，減小充電限制電流。重復上述過程,，直到充電電流達到浮充電流(C／100),，說明蓄電池已充滿。此后,，以浮充電流對蓄電池充電,，來彌補蓄電池反相自放電造成的能量損失。在此充電過程中,，只要充電電流在所設定的范圍內(nèi)均可采用MPPT控制方法，從而大大提高了太陽能電池的利用率,。
蓄電池充放電的控制是通過雙向DC／DC變換器來執(zhí)行的,，如圖6所示，此電路通過調(diào)節(jié)開關(guān)管導通和關(guān)斷的占空比,，可以實現(xiàn)升降壓,。所以不用考慮輸入輸出端的電壓匹配問題，就可以使高低壓端相互隔離,，效率高控制靈活,。當太陽光充足時開關(guān)Q2斷開，通過控制開關(guān)Q1,，來給蓄電池充電,。當太陽能提供的能量不夠LED照明系統(tǒng)用時，開關(guān)Q1斷開,，通過控制開關(guān)Q2,，來給照明系統(tǒng)提供能量。
4 LED恒流及自動調(diào)光控制
隨著半導體技術(shù)的不斷發(fā)展，白光LED正逐漸進人到日常照明領(lǐng)域,，LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化成光能的半導體器件,，它是依靠材料中的正負電荷復合來發(fā)光，現(xiàn)實中沒有可以直接發(fā)出白光的半導體材料,，白光LED的實現(xiàn)方法中最常用的就是利用RGB三種LED混合成白光,。因此，將白光LED應用到照明中,，可以根據(jù)需要配制成各種不同色溫,、色度的LED燈，將給人們帶來極大的自由空間,。同時,，LED的驅(qū)動電壓大大地降低，能源節(jié)省將近90％,。
圖7為LED I-V特性曲線,，可近似認為正向電流，與正向電壓y的n次方成正比,。白色LED工作電壓的較小波動就會導致工作電流的急劇變化,，控制不當可能會使PN結(jié)燒壞。另外,，LED的亮度,、壽命等特性，都與電流有直接的關(guān)系,，所以要對LED進行恒流驅(qū)動,。采用圖8所示的恒流驅(qū)動電路，圖中的運放A和B構(gòu)成一個閉環(huán)反饋電路,，流過LED的電流在采樣電阻R,，上產(chǎn)生采樣電壓，該采樣電壓經(jīng)過反饋運放B送到前向通道運放A中與參考電壓V比較,，產(chǎn)生控制電壓對MOS管的柵源電壓進行調(diào)節(jié),，從而可以達到恒流的作用。分析該電路,，可得所恒定的電流為：Io=R2×Vt／R3(R1+R2),。其中E為基準電壓；R1和R2為反饋電阻,；最為采樣電阻,。
常用的白光LED亮度調(diào)節(jié)方法有：①改變電流調(diào)節(jié)；②PWM(脈沖寬度調(diào)制)方法,。由LED本身的特性決定,，它的亮度與通過的電流大小有關(guān),，即通過的電流增大，LED的亮度增強,。但是這兩者之間不是線性的關(guān)系,，雖然通過改變電流可以調(diào)節(jié)亮度，但是,，當電流增大到一定程度時白光LED會變色,，而且電流過大對LED壽命也有影響。鑒于此,，采用PWM方法進行調(diào)光,，即在恒流和恒定頻率的情況下，通過調(diào)節(jié)MOS開關(guān)管的導通時間,，來調(diào)節(jié)平均亮度,。這種方法不但可以使通過LED的電流恒定，而且還有助于LED的散熱,。
5 試驗及結(jié)果
采用2塊15 W／17 V太陽能蓄電池,、1塊12 V7AH蓄電池、9支1 W白光LED(3并3串),?？刂破鳛?rI公司的TMS320LF2407A，此款DSP芯片多用于控制領(lǐng)域,，可以輸出多路PWM,，自身帶有l(wèi)O位AD采樣，運行速度快,、處理能力強,。
圖9為采用本文介紹的充電控制策略對蓄電池充電得到的結(jié)果曲線。開始階段,，設定最大充電電流為C／IO=0．7 A,，當蓄電池端電壓達到過充電壓14．8 V時，減小最大充電電流為C／20=0．35 A,。重復上述過程，直到充電電流為浮充電流,，說明此時蓄電池已充滿,。總的來說,，充電環(huán)節(jié)滿足了本系統(tǒng)的設計要求,。
圖10為LED恒流實測曲線，橫坐標為LED加入的電壓,，縱坐標為流過LED的電流,，可以看出,，LED端加入的電壓從12 V變化到17 V，基本上可以保證流過LED的電流為0．98 A左右,，恒流精度可以達到0．03以內(nèi),，完全滿足LED恒流的要求。
6 結(jié)束語
本文所設計的系統(tǒng)充分考慮了光伏電池的最大功率點跟蹤,，提高了太陽能電池板的利用率,。對LED燈進行了恒流驅(qū)動，保證了LED的壽命和發(fā)光效率,。將二者結(jié)合起來真正實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保,，具有很好的實用價值。