双系统太阳能路灯控制系统的设计与实现

刘新英

（塔里木大学 机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔 843300）

随着太阳能光伏发电技术的迅猛发展，太阳能路灯很快在广大城市和农村得到了推广和应用，尤其是在没有电网的农村得到广泛的重视。但是由于太阳能受天气因素的制约比较大，具有随机性、间歇性。要保证太阳能电池输出电压的稳定，必须要有蓄电池，在白天有阳光时对蓄电池充电，晚上蓄电池给负载放电。在选择蓄电池的时候，可以考虑免维护阀控密封铅酸蓄电池[1]。

本文设计了一种太阳能和市电互补供电的太阳能路灯控制系统，当天气情况良好的时候，路灯就采用太阳能供电；如果遇到天气情况不好的时候，就自动转为市电供电。在进行系统设计的时候，只需要考虑一年中日照时间最长、而夜晚需要照明时间最短的时间段内的电能需求就可以了，其他的能量可以由市电补充。这样，太阳电池的效能就可以得到最大的利用，蓄电池的容量可以用的最小、系统成本最小，而太阳能路灯的系统可靠性可以达到最高[1]。

太阳能路灯控制系统就是以太阳能电池发电为主，以普通220 V交流电补充电能为辅的路灯照明系统，采用此系统，光伏电池组和蓄电池容量可以设计得小一些，基本上是当天白天有阳光，当天就用太阳能发电同时给蓄电池充电，到天黑时蓄电池放电把路灯点亮。尤其是在我国的西部地区，天气干旱、降雨量小，日照时间长，每年都有三分之二以上的晴朗天气，这样该系统全年就有三分之二以上的时间用太阳能照亮路灯，剩余时间用市电补充能量，既减小了太阳能光伏照明系统的一次性投资，又有着显著的节能减排效果，是太阳能路灯照明在现阶段推广和普及的有效方法[2]。

1 系统控制设计

示本系统选择的单片机为AT89S52。该系统包括太阳能电池供电电路、市电供电电路、蓄电池报警电路、单片机及路灯等构成。假设选用的蓄电池为选用48 V、40 Ah免维护阀控密封铅酸蓄电池，路灯所需要的驱动电流为1.4 A，太阳能电池组的输出电流为2.25 A[1]。太阳能电池的电流经电流检测电路，当单片机检测到电流＞1.4 A时（即阳光足够强），单片机控制充电控制接入电源为太阳能电池；太阳能电池产生的电流经过DC/DC变换后向蓄电池充电。当单片机检测到阳光较弱时，再检测蓄电池电压，若蓄电池电压＞48 V时，即蓄电池电压足够高，则由蓄电池向路灯供电，系统停止向蓄电池充电；若蓄电池电压<48 V时时，即蓄电池电压较低，则单片机控制接入市电，市电经AC/DC变换后经充电控制电路向蓄电池充电，再由蓄电池向路灯供电。该系统还加入了报警电路，用于系统日常管理和自动报警系统[3]。本系统结构框图如图1所示，下面对系统的各个部分的功能做详细的说明[3－4]。

2 系统各个部分的功能

2.1 充电控制器

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

控制器控制着整个太阳能路灯系统的正常运行，能自动防止蓄电池组过充电和过放电的设备。一般并具有简单的测量功能。由于蓄电池组被过充电或过放电后将严重影响其性能和寿命，充放电控制器一般是不可缺少的。充放电控制器，按照开关器件在电路中的位置，可分为串联控制型和分流控制型；按照控制方式，可分为开关控制(含单路和多路开关控制)型和脉宽调制(PWM)控制(含最大功率跟踪控制)型。

2.2 太阳能电池板的设计和蓄电池的选择

2.2.1 蓄电池的选用

太阳能路灯用蓄电池由于频繁处于充电、放电循环中，而且会经常发生过充或深度放电等情况，因此蓄电池工作性能和循环寿命成为最受关注的问题。阀控式密闭型铅酸电池具有不需要维护、不向空气中排出氢气和酸雾、安全性好、价格低等优点，因而被广泛应用[6]。蓄电池过充电、过放电以及蓄电池环境温度等都是影响蓄电池寿命的重要因素，所以在控制器中要重点采取保护措施。

2.2.2 太阳能电池方阵设计

太阳能电池组件以一定数目串联起来，可获得所需要的工作电压。但是太阳能电池的串联必须适当，串联数太少，串联电压低于蓄电池浮充电压，太阳能电池组方阵就不能对蓄电池充电；若串联数太多，使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显增加。因此，只有当太阳能电池组件串联电压等于合适充电电压时，才能达到最佳状态[3]。

2.3 太阳能电池的电流检测电路和蓄电池的电压检测电路

在系统中还设计了太阳能电池的电流检测电路和蓄电池的电压检测电路，可以对太阳能电流、蓄电池电压等数据的采集和相应条件的设定，通过结果判断来控制太阳能供电控制电路或市电供电控制电路的输入是否能正常工作。由于本系统采用两路供电，保证在长期阴雨天气时由市电供电，晴天时由太阳能供电，起到环保、节能的效果，真正把环保节约型能源应用于民用，打破了路灯利用市电作为唯一供电来源的状况，又有效解决了太阳能又可能因为长期阴雨天气而法使用的情况，真正做到惠于民又利于国。

2.4 日常管理和自动报警系统

虽然太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯克服了普通太阳能路灯的不足，系统的可靠性非常高，但是市电的可靠性有时候会掩盖了太阳能路灯的故障；也就是说，可能太阳能路灯坏了，管理者还不知道。所以我们应该对太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯的日常管理提出更高的要求，首先要配备一定的硬件设施。在硬件设施中，最简单的是在路灯的明显位置安装太阳能光伏系统工作显示装置。通常是用绿颜色或红颜色的LED在太阳能路灯顶端或者太阳电池板边沿组成显示器，表示太阳能路灯是由太阳能光伏系统供电能；否则说明是市电供电。由于太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯系统中有电力线路的存在，所以利用电力线载波对其进行日常管理和自动报警是最理想的方法。目前各种电力线载波通信模块已经比较成熟，价格也比较低，它和单片计算机可以很方便地组合成太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯系统中的日常管理和自动报警系统[5]。

2.5 市电切入的依据

在太阳能与市电互补照明系统中，只有在太阳电池所提供的能量不足以驱动光源的情况下才能够让市电切入。检验蓄电池的端电压应该是判断太阳电池所提供的能量是不是足够最简单有效的方法。由于光源的功率是不变的，蓄电池的放电电流基本恒定，太阳能光伏系统的状态，尤其是其存储能量的大小，都可以反映在蓄电池的端电压上，所以可以通过检验蓄电池的端电压来控制市电的切入[3-4]。

3 系统软件设计

系统软件流程如图 2所示。本系统软件采用模块化设计，所有控制量集中处理，以便各功能模块的编程及修改。为提高系统稳定性，在软件上采取了软件陷阱、看门狗、软件冗余等措施[6]。

图2 系统程序流程图Fig.2 System program flow chart

该系统软件工作流程图如下：

1)上电初始化，设置单片机寄存器的初始值和各状态量的初始值；

2)检测蓄电池的电压 U；

3)检测太阳能电池电流I；

4)当蓄电池电压大于等于 48 V时，说明蓄电池处于饱合状态，单片机市控制电、太阳能电池均不向蓄电池充电；

5)当蓄电池电压小于 48 V时，且检测电路测定电流大于等于2.25 A时，单片机向充电控制电路发出指令，太阳能电池经经DC/DC变换器输出后向蓄电池充电；

6)当太阳能电池电流小于2.25 A时，单片机启动市电经AC/DC变换器后经充电控制电路向蓄电池充电。

4 结论

经过调试，本系统可实现预期的功能。本设计具有较高性价比和广阔的应用前景。太阳能和市电有机结合的供电装置可以方便安装在电动门控产品、路灯、户外广告牌等各种场所。此外，本装置也可作为无线传感设备的电源，还能进行逆变成市电供家用电器使用，对本装置继续完善，将具有更广阔的市场前景。

[1]ZHAO Zhi-wen.The status of PV industry and the challenge faced with in China[J].Solar Energy,2004(3):4-6.

[2]周志敏，纪爱华.LED照明技术与工程应用[M]．北京:中国电力出版社，2010．

[3]王琳基．电子与电气控制应用技术[M]．福州:福建科学技术出版社，2009.

[4]高伟，基于电力载波技术的LED路灯监控系统研制[D]．浙江：浙江大学，2012.

[5]QI Li-min,YIN Cheng-qiang,CHEN Bo.Design of LED solar street lamp controller[J].Science and Technology Innovation Herald,2011(12):1-2.

[6]WANG Min-hua,ZHANG Zhen-guo.Design of a new type of solar street lamp controller[J].Electronics Today,2012(2):2-3.