一種新型光伏照明系統控制器
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上傳人：admin 上傳時間： 2007-02-08 瀏覽次數： 316 |
關鍵詞：太陽能照明系統；控制器；蓄電池；無線收發模塊
引言
太陽能作為一種新興的綠色能源，以其取之不竭、無污染、不受地域資源限制等優點，受到人們越來越多的重視［1］。在我國，光伏產業還處于起步階段，大規模太陽能發電系統的應用推廣在短期內還難以實現，但小型的太陽能應用系統得到了快速的發展。近年來，太陽能路燈、庭院燈、草坪燈的市場發展很快，尤其在偏遠無電地區，太陽能照明系統有廣泛的應用前景。
太陽能照明系統通常由太陽能電池組件、蓄電池、控制器、照明燈具及支架組成。其中控制器是整個系統中最為關鍵的一環，它直接關系到整個系統的功能和可靠性。在現有的太陽能照明系統中，普遍存在不能有效地判斷蓄電池的充電狀態和太陽能路燈控制器在大面積使用時啟動時差較大的問題。針對這些問題，本文提出了一種新型的太陽能智能控制器。
此新型控制器采用優化的設計來提高整個系統的穩定性和可靠性。該控制器除了具有一般控制器的保護和控制功能外，還采用了一種新的檢測蓄電池充電狀態的方法——離線式檢測法，即采用更能反映蓄電池充電狀態的開路電壓作為切換充電方法的標準。另外在光控系統中，無論是將光敏電阻還是太陽能板的光電流作為光控信號，都會因太陽能電池或所處環境的不同而帶來啟停誤差，為此增加了基于PTR2000的無線收發模塊，來解決控制器大面積使用時的啟動時差問題。基于單片機的能量管理電路，通過檢測太陽能電池和蓄電池的電壓，并根據光敏元件和定時器的狀態來確定系統的工作狀態，從而實現整個系統的自動控制。
1、系統組成及功能
采用此新型控制器的太陽能路燈系統主要由太陽能電池方陣、蓄電池、控制器、燈具及其支架組成。系統結構框圖如圖1所示。
太陽能電池作為系統的輸入，為整個系統提供電能，其光電流作為光控電路中的光敏傳感器。蓄電池是系統中的儲能元件，白天將太陽能電池輸出的電能轉化為化學能儲存起來，晚上再轉化為電能輸出到負載。照明元件一般選取壽命長、發光效率高的節能燈。
系統的各個部分容量的選取要互相配合，要同時考慮到成本、效率、可靠性等。在整個系統中，太陽能電池是最昂貴的部分，它的容量直接影響到系統的成本。而蓄電池價格相對而言比較低廉，因此可以適當選取較大容量的蓄電池。
本系統中采用兩組蓄電池，主要出于以下的3點考慮:
(1) 充分利用太陽能電池所提供的能量；
(2）與負載的配合要充分考慮到連續陰雨天的情況，留出一定的容量裕度；
(3）配合控制器的離線式輪換檢測法，使蓄電池充電狀態的檢測更為準確有效；
系統的功能主要有：
(1）保護功能：蓄電池過充、過放保護，充電溫度補償，太陽能電池組件防反充（主回路中加入防反充二極管）、防熱斑效應（太陽能電池正負極間并聯一個旁路二極管），負載過流和短路保護等；
(2）控制功能：光控和時控編程開/關，無線通信控制開/關(多個控制器之間同步)；
(3）蓄電池充電狀態檢測。
系統的各個部分容量的選取要互相配合，要同時考慮到成本、效率、可靠性等。在整個系統中，太陽能電池是最昂貴的部分，它的容量直接影響到系統的成本。而蓄電池價格相對而言比較低廉，因此可以適當選取較大容量的蓄電池。
本系統中采用兩組蓄電池，主要出于以下的3點考慮:
(1) 充分利用太陽能電池所提供的能量；
(2）與負載的配合要充分考慮到連續陰雨天的情況，留出一定的容量裕度；
(3）配合控制器的離線式輪換檢測法，使蓄電池充電狀態的檢測更為準確有效；
系統的功能主要有：
(1）保護功能：蓄電池過充、過放保護，充電溫度補償，太陽能電池組件防反充（主回路中加入防反充二極管）、防熱斑效應（太陽能電池正負極間并聯一個旁路二極管），負載過流和短路保護等；
(2）控制功能：光控和時控編程開/關，無線通信控制開/關(多個控制器之間同步)；
(3）蓄電池充電狀態檢測。
2、蓄電池充放電的控制策略
蓄電池的使用,最重要的是有效利用其充放電特性。有效、科學地使用蓄電池,不僅對提高其使用效率、延長其使用壽命十分關鍵,同時也可以提高整個系統的工作效 率。
2.1、蓄電池充電狀態的檢測
準確判斷蓄電池的充電狀態是有效利用蓄電池的充放電特性和選擇適當的充電方法的前提。目前，絕大多數的太陽能控制器采用的是在線檢測蓄電池的端電壓,并以此作為自動切換充電方法的依據。但眾所周知,蓄電池的端電壓受到很多因素的影響，尤其在充電過程中，蓄電池的端電壓受到太陽能電池端電壓的制約，不能準確反映其荷電狀態。比如，當系統所處溫度較高時，容易出現蓄電池容量未滿卻已不能充入的現象，即 “虛滿”，這樣就很難檢測出蓄電 池的準確荷電狀態，影響整個系統的正常工作。為此提出了一種新的檢測方法——離線式檢測。在鉛酸蓄電池的理論中，蓄電池的電動勢可表示為［4］：
式中：E——電池電動勢，V；
E0——所有反應物的活度或壓力等于1時的電動勢，稱為標準電動勢,V；
R——摩爾氣體常數；
T——溫度,K；
F——法拉第常數；
n——電化學反應中的電子得失數目。
從(1)式可以看出，電動勢與硫酸濃度有關，也就是與荷電狀態有關。而蓄電池的開路電壓在數值上接近電動勢。根據有關文獻，蓄電池的穩態開路電壓與其荷電狀態有良好的線性關系。因此，由蓄電池的開路電壓可以估算出其荷電狀態。
在充電過程中，蓄電池的端電壓不能準確地反映蓄電池的充電狀態，但從充電回路斷開后，蓄電池的端電壓會自動回落，經過一段時間后蓄電池端電壓能相對準確地反映出蓄電池的充電狀態。由此可以在太陽能照明系統中，由一個太陽能電池對兩個蓄電池輪流充電，使每個蓄電池的端電壓在充電回路斷開后都有一定的時間恢復正常，從而相對準確地判定蓄電池的充電狀態，其簡單的原理圖如圖2所示。
蓄電池的使用,最重要的是有效利用其充放電特性。有效、科學地使用蓄電池,不僅對提高其使用效率、延長其使用壽命十分關鍵,同時也可以提高整個系統的工作效 率。
2.1、蓄電池充電狀態的檢測
準確判斷蓄電池的充電狀態是有效利用蓄電池的充放電特性和選擇適當的充電方法的前提。目前，絕大多數的太陽能控制器采用的是在線檢測蓄電池的端電壓,并以此作為自動切換充電方法的依據。但眾所周知,蓄電池的端電壓受到很多因素的影響，尤其在充電過程中，蓄電池的端電壓受到太陽能電池端電壓的制約，不能準確反映其荷電狀態。比如，當系統所處溫度較高時，容易出現蓄電池容量未滿卻已不能充入的現象，即 “虛滿”，這樣就很難檢測出蓄電 池的準確荷電狀態，影響整個系統的正常工作。為此提出了一種新的檢測方法——離線式檢測。在鉛酸蓄電池的理論中，蓄電池的電動勢可表示為［4］：
式中：E——電池電動勢，V；
E0——所有反應物的活度或壓力等于1時的電動勢，稱為標準電動勢,V；
R——摩爾氣體常數；
T——溫度,K；
F——法拉第常數；
n——電化學反應中的電子得失數目。
從(1)式可以看出，電動勢與硫酸濃度有關，也就是與荷電狀態有關。而蓄電池的開路電壓在數值上接近電動勢。根據有關文獻，蓄電池的穩態開路電壓與其荷電狀態有良好的線性關系。因此，由蓄電池的開路電壓可以估算出其荷電狀態。
在充電過程中，蓄電池的端電壓不能準確地反映蓄電池的充電狀態，但從充電回路斷開后，蓄電池的端電壓會自動回落，經過一段時間后蓄電池端電壓能相對準確地反映出蓄電池的充電狀態。由此可以在太陽能照明系統中，由一個太陽能電池對兩個蓄電池輪流充電，使每個蓄電池的端電壓在充電回路斷開后都有一定的時間恢復正常，從而相對準確地判定蓄電池的充電狀態，其簡單的原理圖如圖2所示。
其中太陽能板的功率是40Wp。蓄電池組1和蓄電池組2采用容量為50Ah的12V鉛酸蓄電池, 以并聯的方式連接。
整個輪換檢測控制過程如下：
開始時太陽能電池同時對兩個蓄電池1、2充電（u1、k2閉合），并對它們的端電壓進行監測。設定一個比過充電壓略低的次過充電壓值V1，當蓄電池的端壓高于V1時，切斷其中一個蓄電池（如1)的充電回路，而對另一個蓄電池（如2）進行浮充,同時啟動定時器。過了一段時間后，當蓄電池1的端電壓下降到能相對準確地反映 電池容量時，再對其開路電壓進行檢測。由其近似穩態開路電壓\$換算得出其充電狀態，若還未充滿，則可接通其充電回路，繼續充電；若已充滿，則控制其進入浮充階段。當定時器達到設定時間后，自動切換開關并重新啟動定時器，使蓄電池2的充電回路斷開而對蓄電池1進行浮充，對蓄電池2重復以上的操作，如此不斷循環。這樣，就能相對準確地判斷蓄電池的充電狀態，并能有效地利用太陽能電池提供的能源。
2.2、蓄電池的充電方法及自動切換
對蓄電池而言，選擇合適的充電方法不僅有利于提高蓄電池的充電效率，而且還可以延長其使用壽命。該智能控制器的充電電路采用了快充、過充、浮充3個階段的充電方法[2]：
1） 快充階段：充電電路的輸出等效于電流源。在充電過程中，通過檢測電路監測蓄電池的開路端電壓，當蓄電池的端電壓超過轉換門限電壓后，充電電路切換到過充階段。
2） 過充階段：在此階段，充電電路對蓄電池提供一個較高電壓，同時檢測蓄電池的充電電流，當充電電流降低到轉換門限值時，認為蓄電池已經充滿，充電電路切換到浮充階段。
3） 浮充階段：該階段，充電電路為蓄電池提供一個精確的、帶有溫度補償的浮充電壓。
充電電路可以根據蓄電池的狀態選取不同的充電方式進行分階段充電。
整個輪換檢測控制過程如下：
開始時太陽能電池同時對兩個蓄電池1、2充電（u1、k2閉合），并對它們的端電壓進行監測。設定一個比過充電壓略低的次過充電壓值V1，當蓄電池的端壓高于V1時，切斷其中一個蓄電池（如1)的充電回路，而對另一個蓄電池（如2）進行浮充,同時啟動定時器。過了一段時間后，當蓄電池1的端電壓下降到能相對準確地反映 電池容量時，再對其開路電壓進行檢測。由其近似穩態開路電壓\$換算得出其充電狀態，若還未充滿，則可接通其充電回路，繼續充電；若已充滿，則控制其進入浮充階段。當定時器達到設定時間后，自動切換開關并重新啟動定時器，使蓄電池2的充電回路斷開而對蓄電池1進行浮充，對蓄電池2重復以上的操作，如此不斷循環。這樣，就能相對準確地判斷蓄電池的充電狀態，并能有效地利用太陽能電池提供的能源。
2.2、蓄電池的充電方法及自動切換
對蓄電池而言，選擇合適的充電方法不僅有利于提高蓄電池的充電效率，而且還可以延長其使用壽命。該智能控制器的充電電路采用了快充、過充、浮充3個階段的充電方法[2]：
1） 快充階段：充電電路的輸出等效于電流源。在充電過程中，通過檢測電路監測蓄電池的開路端電壓，當蓄電池的端電壓超過轉換門限電壓后，充電電路切換到過充階段。
2） 過充階段：在此階段，充電電路對蓄電池提供一個較高電壓，同時檢測蓄電池的充電電流，當充電電流降低到轉換門限值時，認為蓄電池已經充滿，充電電路切換到浮充階段。
3） 浮充階段：該階段，充電電路為蓄電池提供一個精確的、帶有溫度補償的浮充電壓。
充電電路可以根據蓄電池的狀態選取不同的充電方式進行分階段充電。
3、負載啟停控制及多個控制器的啟停協調
為提高整個太陽能照明系統的自動化程度及可靠性，并解決控制器大面積使用時的啟停時差問題，此系統中采用了主從控制的方式。主控制器采用光控和時控相結合的啟停控制方式，從控制器則是根據主控制器中無線收發數傳MODEM發出的啟停信號來動作，從而達到整個系統的啟停一致。
3.1、負載啟停的控制策略
主控制器光控和時控相結合的方式。在一定范圍內太陽能電池的短路電流與光強成正比，太陽能電池的光電流隨光線強弱的變化很靈敏，可以直接作為光敏傳感器。光控可以自動控制光源，不存在天未黑就工作和天已黑光源還不工作的情況，但若只采用光控會造成放電 時間長，光源整夜工作，可能造成蓄電池充電不足的問題。加上時控則可以準確控制光源啟動和停止的時間。
主控制器采用的控制流程是：光控開→時控關→時控開→光控關。即天黑時由光控電路啟動光源（路燈）開始工作，同時計時電路開始計時，當達到預先設定的時間后由時控電路控制光源（路燈）關閉，同時計時電路重新開始計時，經過一段時間后，再由時控電 路啟動光源（路燈）開始工作，直到天亮時由光控電路控制光源關閉。也就是在上半夜和凌晨啟動照明，而在夜間人員活動較少時關閉照明，這樣就可以有效地節省能源。
3.2、多個控制器之間的啟停一致性控制
太陽能路燈控制器在大面積使用時存在啟動時差較大的問題，因太陽能電池組件的特性不同，加上環境光線的干擾等因素，誤差有時高達十幾甚至幾十分鐘。針對這個問題，此新型控制器 加上了基于PTR2000的無線收發模塊，來解決整個照明系統的啟停一致性問題。
3.2.1PTR2000簡介
PTR2000是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發數傳MODEM，其工作頻率為國際通用的數傳頻段433MHz,FSK調制，抗干擾能力強，采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩定性很好；可以和單片機的串口或I/O口直接連接。PTR2000的DI接單片機的I/O口的發送，DO接單片機的I/O口接收。TXEN是發射接受控制端，TXEN＝1時模塊為發射狀態，TXEN＝0時為接受狀態。PWR為節能控制端，PWR=1正常工作狀態，PWR＝0待機微功耗狀態（此時不能接收、發射數據）。CS為頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，即43392MHz；CS=1選擇工作頻道2，即434.33MHz。直接用單片機的I/O口控制模塊的發射控制、頻道轉換和低功耗模式[3]。其硬件連接如圖3。
為提高整個太陽能照明系統的自動化程度及可靠性，并解決控制器大面積使用時的啟停時差問題，此系統中采用了主從控制的方式。主控制器采用光控和時控相結合的啟停控制方式，從控制器則是根據主控制器中無線收發數傳MODEM發出的啟停信號來動作，從而達到整個系統的啟停一致。
3.1、負載啟停的控制策略
主控制器光控和時控相結合的方式。在一定范圍內太陽能電池的短路電流與光強成正比，太陽能電池的光電流隨光線強弱的變化很靈敏，可以直接作為光敏傳感器。光控可以自動控制光源，不存在天未黑就工作和天已黑光源還不工作的情況，但若只采用光控會造成放電 時間長，光源整夜工作，可能造成蓄電池充電不足的問題。加上時控則可以準確控制光源啟動和停止的時間。
主控制器采用的控制流程是：光控開→時控關→時控開→光控關。即天黑時由光控電路啟動光源（路燈）開始工作，同時計時電路開始計時，當達到預先設定的時間后由時控電路控制光源（路燈）關閉，同時計時電路重新開始計時，經過一段時間后，再由時控電 路啟動光源（路燈）開始工作，直到天亮時由光控電路控制光源關閉。也就是在上半夜和凌晨啟動照明，而在夜間人員活動較少時關閉照明，這樣就可以有效地節省能源。
3.2、多個控制器之間的啟停一致性控制
太陽能路燈控制器在大面積使用時存在啟動時差較大的問題，因太陽能電池組件的特性不同，加上環境光線的干擾等因素，誤差有時高達十幾甚至幾十分鐘。針對這個問題，此新型控制器 加上了基于PTR2000的無線收發模塊，來解決整個照明系統的啟停一致性問題。
3.2.1PTR2000簡介
PTR2000是一種超小型、低功耗、高速率的無線收發數傳MODEM，其工作頻率為國際通用的數傳頻段433MHz,FSK調制，抗干擾能力強，采用DDS+PLL頻率合成技術，頻率穩定性很好；可以和單片機的串口或I/O口直接連接。PTR2000的DI接單片機的I/O口的發送，DO接單片機的I/O口接收。TXEN是發射接受控制端，TXEN＝1時模塊為發射狀態，TXEN＝0時為接受狀態。PWR為節能控制端，PWR=1正常工作狀態，PWR＝0待機微功耗狀態（此時不能接收、發射數據）。CS為頻道選擇，CS=0選擇工作頻道1，即43392MHz；CS=1選擇工作頻道2，即434.33MHz。直接用單片機的I/O口控制模塊的發射控制、頻道轉換和低功耗模式[3]。其硬件連接如圖3。
傳送數據之前需將模塊置于發射模式，TXEN=1,至少5ms之后可以發送任意長度數據，發送結束之后將模塊置于接收狀態，TXEN=0。
3.2.2數據傳輸協議
測試和試驗結果表明，0xFF后跟0x00在噪聲中不容易發生。因此，發送協議的開始應該以一個任意內容的字節（這是因為第一個字節的數據在發送時容易丟失），然后是0xFF后跟0x00；接收協議規定只接收以0xFF后跟00X0開始的包。
錯誤糾正：可以采用一種適合于許多無線數傳的前向錯誤糾正方法。數據在包中復制兩次（總共3份），在接收端，第一個拷貝進行檢錯，如果有錯，剩下的兩個備份用來改正錯誤。改正是通過比較三個備份數據中的每位，如果兩位或更多位是0，則正確位應為0。如：
一旦經改正，它們將重新送到檢驗步驟認證它是否有效，如果不是，數據沒有改正，否則數據可用。
簡單數據傳輸協議將傳送數據集中在一個包中，如下所示：
[頭1][頭2][包類型][數據0][數據1]...[數據n][校驗]
頭1是0xFF，頭2是0x00。包類型是指傳送包的類型，在目前的協議中，它包含兩種類型：正確和不正確。正確的包含有三個拷貝，不正確的只有一個拷貝。不正確包需要較少的開銷，但不可靠。
錯誤檢測可以通過8位檢驗和來實現。當接收機接收到頭時，接收端決定包的類型，并將其送入接收緩沖器進行檢驗，如果數據錯誤且為正確包，則進行改正。
3.2.3多個控制器之間的啟停控制策略
方案一：采用如圖（4）所示的主分站模式。在無線數傳MODEM的有效距離內，設置一個主站，別的設為分站，采用點對多點的數據傳輸方式，即一個主控制器周圍有幾個從控制器。主控制器發出啟停控制信號，這樣就可以使這幾個從控制器的啟停基本一致。如果超出有效控制距離，可以再設置一個主控制器。
方案二：采用級傳（接力）方式，即一個為主控制器，相鄰的為從控制器（點對點數據傳輸方式）。再由從控制器發射啟停控制信號來控制下一個控制器，以此來協調各個控制器的啟停，實現啟停一致。
用以上方法來實現整個照明系統負載啟停的自動控制和各個控制器之間的通信協調。
3.2.2數據傳輸協議
測試和試驗結果表明，0xFF后跟0x00在噪聲中不容易發生。因此，發送協議的開始應該以一個任意內容的字節（這是因為第一個字節的數據在發送時容易丟失），然后是0xFF后跟0x00；接收協議規定只接收以0xFF后跟00X0開始的包。
錯誤糾正：可以采用一種適合于許多無線數傳的前向錯誤糾正方法。數據在包中復制兩次（總共3份），在接收端，第一個拷貝進行檢錯，如果有錯，剩下的兩個備份用來改正錯誤。改正是通過比較三個備份數據中的每位，如果兩位或更多位是0，則正確位應為0。如：
一旦經改正，它們將重新送到檢驗步驟認證它是否有效，如果不是，數據沒有改正，否則數據可用。
簡單數據傳輸協議將傳送數據集中在一個包中，如下所示：
[頭1][頭2][包類型][數據0][數據1]...[數據n][校驗]
頭1是0xFF，頭2是0x00。包類型是指傳送包的類型，在目前的協議中，它包含兩種類型：正確和不正確。正確的包含有三個拷貝，不正確的只有一個拷貝。不正確包需要較少的開銷，但不可靠。
錯誤檢測可以通過8位檢驗和來實現。當接收機接收到頭時，接收端決定包的類型，并將其送入接收緩沖器進行檢驗，如果數據錯誤且為正確包，則進行改正。
3.2.3多個控制器之間的啟停控制策略
方案一：采用如圖（4）所示的主分站模式。在無線數傳MODEM的有效距離內，設置一個主站，別的設為分站，采用點對多點的數據傳輸方式，即一個主控制器周圍有幾個從控制器。主控制器發出啟停控制信號，這樣就可以使這幾個從控制器的啟停基本一致。如果超出有效控制距離，可以再設置一個主控制器。
方案二：采用級傳（接力）方式，即一個為主控制器，相鄰的為從控制器（點對點數據傳輸方式）。再由從控制器發射啟停控制信號來控制下一個控制器，以此來協調各個控制器的啟停，實現啟停一致。
用以上方法來實現整個照明系統負載啟停的自動控制和各個控制器之間的通信協調。
4、結論
本文介紹了一種新穎的應用于太陽能照明系統的智能控制器。該控制器基于單片機89C2051和無線收發數傳MODEM(PTR2000)，實現了整個系統的自動、穩定運行。除了具有一般控制器的功能外，該控制器采用了離線式檢測法來檢測蓄電池的充電狀態，使其能更準確地指導充電方法的自動切換。采用無線收發數傳MODEM則解決了大面積使用控制器時的啟停時差問題。試驗和運行結果表明，應用此控制器的太陽能照明系統運行穩定、高效，具有廣闊的應用前景。
本文介紹了一種新穎的應用于太陽能照明系統的智能控制器。該控制器基于單片機89C2051和無線收發數傳MODEM(PTR2000)，實現了整個系統的自動、穩定運行。除了具有一般控制器的功能外，該控制器采用了離線式檢測法來檢測蓄電池的充電狀態，使其能更準確地指導充電方法的自動切換。采用無線收發數傳MODEM則解決了大面積使用控制器時的啟停時差問題。試驗和運行結果表明，應用此控制器的太陽能照明系統運行穩定、高效，具有廣闊的應用前景。
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