0 引言
能源短缺是當(dāng)今社會中的熱點問題，它直接制約著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展，可再生能源的利用也就成了當(dāng)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(fēng)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)體材料構(gòu)成的，隨著半導(dǎo)體材料技術(shù)的更加完善必將推動太陽能和LED的進(jìn)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(fù)載LED供電，另一部分儲存在蓄電池中。當(dāng)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。控制器2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。控制器3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(dāng)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(dāng)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(dǎo)增量法的缺點是對傳感器靈敏度要求較高，系統(tǒng)響應(yīng)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(zhǔn)確跟蹤，采用了一種改進(jìn)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(shè)定一個比較符號足，初始化為0，比較三點功率。當(dāng)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(yīng)的正是最大功率點，保持不變。當(dāng)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(dāng)光線變化時不進(jìn)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(fù)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(jìn)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(yīng)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(jìn)行有效地控制。
控制思想為M1：充電初期，給蓄電池設(shè)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(yīng)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(dāng)端電壓達(dá)到過充電壓時，減小充電限制電流。重復(fù)上述過程，直到充電電流達(dá)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(shè)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(dǎo)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(dāng)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(dāng)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(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，白光LED正逐漸進(jìn)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(dǎo)體器件，它是依靠材料中的正負(fù)電荷復(fù)合來發(fā)光，現(xiàn)實中沒有可以直接發(fā)出白光的半導(dǎo)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(yīng)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(rèn)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(dǎo)致工作電流的急劇變化，控制不當(dāng)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(jìn)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(jìn)行調(diào)節(jié)，從而可以達(dá)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(zhǔn)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(dāng)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(jìn)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(dǎo)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)。控制器為1rI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(shè)定最大充電電流為C／IO=0．7 A，當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)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(fù)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(shè)計要求。
圖10為LED恒流實測曲線，橫坐標(biāo)為LED加入的電壓，縱坐標(biāo)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(dá)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(shè)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(jìn)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。