自适应单纯太阳能路灯控制器的设计

大阳能路灯以其无需铺设电缆，不消耗常规能源等优点得到了广泛认可。然而太阳能路灯还存在一些问题造成其成本偏高，可靠性不稳定，、比如电池往往不到一年就需要更换，不仅提高了后期维护的费用，而且增加了客户的消费成本，也造成了资源浪费。其次是太阳能属于不稳定能源，而且能量分布不均，夏天能量充足，但路灯使用时间短，冬天有效光照时间短，但路灯使用时间长，大大降低了运行的可靠性，其原因主要受到太阳能路灯控制器性能的影响。太阳能控制器是太阳能光伏系统中的核心部分，主要完成对蓄电池的充、放电、调光和路灯的开、美控制，以及在过充、过放电、过载等情况发生时对系统进行及时和有效地保护，保证照明时间，确保可靠性，有效延长电池寿命，降低成本。

1 太阳能路灯控制器的主要设计要求和发展阶段

太阳能路灯控制器的技术和质量的主要要求有：

1）供电系统，根据太阳能路灯蓄电池板特性，要设计成恒流输出：

2）过充，过放保护；

3）具有系统功率调节功能；

4）建立网络控制系统；

5）根据市场要求，产品模块化。

太阳能路灯控制器的发展到日前为止已经经历了3个阶段：第一代功能比较简陋，开关灯控制需要外接光敏感应器，定时时间不可设置，没有电池保护电路，系统寿命非常短暂，很快就被市场淘汰：第二代在第一代的基础上，设置了电池保护电路，通过太阳能路灯蓄电池组件搜集光敏数据，通过开关或程序设置定时，技术上有了阶跃式的发展，逐渐被市场接受：第三代路灯控制器在于多数商家采用了PWM充电控制功能，对蓄电池进行涓流充电，有效延长了电池寿命，降低了使用成本，从而进一步扩大市场占有率。

一个好的控制器可以弥补甚至解决纯太阳能路灯的诸多问题，提高其呵靠性。白适应太阳能供电路灯需要开发第四代控制器，它的特点是具有白适应灯的功率调节功能，电量检测和剩余电量计算是必备的：同时具有组网功能，这样可以保持整条街的路灯亮度一致，并可以进行通讯。

2 自适应单纯太阳能供电路灯控制器的设计

日前各种现代控制理论，如白适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用在光伏发电系统中。其中自适应控制太阳能供电路灯控制器设计是值得推进的技术。

2.1设计目标

白适应单纯太阳能供电路灯的设计目标：主要针对支路和供行人和非机动车通行的居住区道路和人行道路灯，对于南风能供电或风光互补的路灯系统本设计同样适合：由于太阳能的不可靠性以及主干道的照明设计标准的严格性，单纯太阳能供电比市电供电的路灯控制器的设计更为复杂，如系统控制需要太阳能和市电切换，则在本设计的基础上进行精简就好了。目标地点位于北京市内。

2.2 自适应单纯太阳能供电路灯控制器设计特点及功能

白适应单纯太阳能供电路灯控制器设计方案的宗旨：通过精确控制，达到降低成本，提高可靠性的日的。主要具有以下几个特点及功能（以太阳能路灯储能器件为铅酸电池为例）：

1）MPPT电路

根据太阳能路灯蓄电池板的特性，如将太阳能路灯蓄电池阵列的输出电压控制在某个恒定电压值附近，则太阳电池在整个工作过程中近似日标在最大功率点处，太阳能电池组件的能量转换效率最高。利用PWM技术并通过对负载稳压来实现对LED的恒流，从而保证了LED的可靠使用141.采用意法半导体公司的MPPT专用芯片SPV1020.跟踪效率可达98%,能量转换效率为95%.理论上，使用MPPT技术会比传统方法效率提高50%,实际测试中，由于周围环境影响与各神能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%.

2）过充过放保护

采用充电限压，电池温升检测策略，如蓄电池电36 V,充电截止电压42.5-43 V,充电截止温度80℃，充电截止温升30℃。不过绝大部分时间蓄电池基本处于欠充状态。同时通过对电池电压的数据实时采集，利用软件控制对电池采取限压保护：通过实时计算电池电量进行防过充过放保护，电量为100%时停止充电，电量为20%时停止放电，为延长其寿命，做了第二道防线。图1 为蓄电池过充保护流程图。

图1 蓄电池过充保护流程图

3）智控开关，实时监测，预警功能

进行太阳能路灯电池板电流检测，蓄电池电压检测，蓄电池电量监测，以及环境温度的检测，采用光开时关，并实时上传工作环境及状态数据，预警故障，保证系统的可靠性。图2为太阳能路灯的开、关控制流程网。

图2 路灯的开、关控制流程图

4）亮度的自适应调节

通常太阳能路灯厂家为了保证连续阴雨天的正常工作，只一味地加大蓄电池容量，一般蓄电池的容量可达电池板容量的5倍，其实这样做并不能解决问题。因为阴雨天工作的可靠性并不取决于电池的容量，而是由很多因素平衡而定的。根据当前地理位置，季节，时间，气象条件，光的辐射量，浮尘浓度，工作环境以及剩余电量，自适应调节灯的亮度，合理分配能量。由于设计为纯太阳能供电，不考虑双电源情况，所以要想提高系统可靠性，唯一的方案就是牺牲灯的亮度。

根据当天用电前的剩余电量和当天的充电量来进行白适应调节，在保证正常照明的同时，使电池的工作点长期保持在高电位，并且使充放电深度在30%以下，根据电池循环寿命曲线，可以延长电池寿命4-5倍，有效降低太阳能路灯的成本，提高可靠性。以下将分别阐述剩余电量和充电量的计算过程。