李丽丽; 施伟
【期刊名称】《《电源技术》》
【年(卷),期】2012(036)005
【总页数】4页(P686-689)
【关键词】智能控制; 太阳能; 自动跟踪; 充电策略
【作 者】李丽丽; 施伟
【作者单位】辽宁工程技术大学电子与信息工程学院 辽宁阜新123000
【正文语种】中 文
【中图分类】TM914.4
随着社会的迅速发展，可再生能源消耗逐步加剧，能源燃烧造成的空气污染也是越来越严重，为了维持人类的可持续发展，利用可再生清洁能源已经成为现今人类的重要任务[1]。太阳能作为一种可再生的无污染能源自然成为了新时代能源的“新宠”，太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”的安全、环保的新能源，也是人类可以自由利用的能源。太阳能路灯集成了太阳能光伏发电与LED固态照明两种技术的优点，将新一代能源和新一代光源良好的结合[2-3]。与传统照明工具相比，太阳能路灯不需要设置输电线路和铺设电缆，也不需专人管理和控制，太阳能路灯仅需一次性投入，且维护成本低，短期即可收回投资成本，受益长久。太阳能路灯不存在安全隐患，绿环保。
1 设计方案
通过对现今已有的LED路灯与传统路灯数据的对比，结合太阳能路灯的自身特性，本设计需要实现的功能总结如下：
（1）电池板功率的计算与选用；
（2）自动跟踪太阳角度；
（4）连续阴雨三天时，路灯仍能照明；
（5）光线暗时，灯能自动点亮，为节约电能晚上24点时熄灭，早上五点路灯自动点亮，早上光线强时自动熄灭。
太阳能路灯控制器常用的有：单独光控制型、时钟控制型和经纬控制器型等，由于各自的工作原理不同，各有其优缺点。本文结合以上几种控制方式的优点，综合考虑节电、经济和实用等问题，将定时控制和光敏电阻控制方式相结合，来实现太阳能路灯的设计。
2 系统设计
2.1 系统总体结构
在白天，太阳能路灯通过太阳电池组件采集太阳光能量，将其转化为电能并储存起来，即给蓄电池充电；晚上光线较暗时，蓄电池由路灯控制处理器控制，点亮路灯实现照明。根据各部分电路的不同功能，整体电路可分为以下几部分：太阳电池板组件、过充过放电控
制电路、自动跟踪装置、单片机、蓄电池、时空光控电路、照明负载与时间显示电路等，系统总体框图如图1所示。太阳电池板通过稳压电路给单片机供电，同时为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时，其容量损耗将很快，使用的寿命也会变短，为了延长蓄电池的使用寿命，就要防止蓄电池出现过充或过放，因此在整个设计过程中需要过充过放的控制电路。
2.2 系统基本组成和设备选择
系统由太阳电池组件（包括支架）、控制器、LED灯头、蓄电池和灯杆等几部分组成，太阳电池板工作效率较高，是太阳能路灯的核心部分，更是太阳能路灯系统价值最高的部件。太阳电池板将太阳的辐射能转换为电能，并送至蓄电池中将其存储下来，对系统的抗风设计非常有利。太阳能LED灯是利用太阳电池组件实现发电，蓄电池储电，通过控制蓄电池的充放电工作。太阳能控制器主要功能是保护蓄电池，其必须具备过充保护、过放保护、光控、时控和防反接等基本功能。太阳能蓄电池组是太阳电池方阵的储能设备，主要作用是将方阵在日照多时发出的多余电能储存起来，在夜晚或阴雨天时供负载使用。
2.2.1 太阳电池组件
为使太阳电池组件一年中接受的太阳辐射能量尽可能的多，就要为太阳电池组件选择一个最佳的倾角，倾角可以通过Hay模型来计算，通过计算可以获得不同倾角平面的月平均太阳辐射量的变化情况。太阳电池板的倾角是指太阳电池板平面与水平面的夹角。通过查询辽宁省阜新市的维度为41.77度，最佳倾角41.77+1=42.77度，年平均日照时间是4.6小时。在不同角度倾斜面上，太阳的辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角才能使其获得最大的太阳辐照量。根据资料分析，设计系统默认初始倾斜角为50度。
太阳电池板主要有单晶硅和多晶硅两种，多晶硅面积较大，但发电效率没有单晶硅高，设计采用单晶硅太阳电池组件。
2.2.2 蓄电池和太阳能板
蓄电池用于给路灯供电，本设计的路灯工作电压为24 V，工作电流约1.2 A。由于路灯一天需要工作8个小时左右，考虑连续阴天3天情况下的系统供电，后备电源必须具有24 h的供电能力，且按80%的放电率进行计算，则蓄电池容量可通过公式（1）计算。
式中：Qx为蓄电池容量；Tx为蓄电池放电时间；Is为设备工作电流；
计算可知应选用24 V/36 Ah免维护蓄电池。
有日照时，需要太阳能板为蓄电池充电，每天有效充电时间为8 h，两天充满，可计算出太阳能板输出的功率，如式(2)：
式中：Qx为蓄电池容量；D为充满电需要的天数；Qs为日耗蓄电池容量；Vg为设备工作电压；Tc为充电满电所用时间。
通过计算可知太阳能板应选择24 V/70W。
2.2.3 照明负载
本设计采用高亮LED管作为系统的照明负载，其正常工作电压3.3 V，共选用28个1W高亮管，每7个高亮管串联为一组，共四组并联在电路中，这样可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障对其他高亮管的影响，由于高亮管的直射效果较好，因此灯具的体积要尽量小一些，这样可以增大高亮管的照射范围，应尽量选择照射角度大的高亮管。
2.3 系统设备性能指标
通过2.2节的介绍，本系统的设备性能指标如表1。
3 详细设计
3.1 硬件系统详细设计
3.1.1 MCU
本系统采用AT89S52单片机作为整个系统的控制核心。AT89S52是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8K在系统中可编程Flash存储器。使用Atmel公司的高密度、非易失性存储器技术制造，且与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适用于常规编程器。在单芯片上，具有灵巧的8位CPU与在系统可编程Flash，这使得AT89S52在众多的嵌入式控制系统中得到广泛应用。
3.1.2 电源电路
电源电路如图2所示。系统太阳能供电，24 V蓄电池电压经过7805稳压后产生5 V电压，作为控制器的主电源。电容C2、C3作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地[4]。同样的电容C1、C4为滤波电容。
图2 电源电路
3.1.3 显示电路
本设计电路采用单片机串口显示，由74LS164作为数码管驱动电路，二极管D1、D2和D3承担降压、保护数码管的作用，数码管选用四位，前两位显示小时，后两位显示分钟内容，显示电路如图3。STC12C2051单片机的串行口RXD，TXD作为一个全双工串行通信口，在工作方式0下可作同步移位寄存器使用，其数据由RXD(P3.0)端串行输出或输入；同步移位时钟由TXD（P3.1)端串行输出，在同步时钟的作用下，实现由串行到并行的数据通信。由于74LS164在低电平输出时允许电流达到8mA，因此不必添加驱动电路，亮度也较为理想。
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