一种新型光伏照明系统控制器
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上传人：admin 上传时间： 2007-02-08 浏览次数： 316 |
关键词：太阳能照明系统；控制器；蓄电池；无线收发模块
引言
太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其取之不竭、无污染、不受地域资源限制等优点，受到人们越来越多的重视［1］。在我国，光伏产业还处于起步阶段，大规模太阳能发电系统的应用推广在短期内还难以实现，但小型的太阳能应用系统得到了快速的发展。近年来，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯的市场发展很快，尤其在偏远无电地区，太阳能照明系统有广泛的应用前景。
太阳能照明系统通常由太阳能电池组件、蓄电池、控制器、照明灯具及支架组成。其中控制器是整个系统中最为关键的一环，它直接关系到整个系统的功能和可靠性。在现有的太阳能照明系统中，普遍存在不能有效地判断蓄电池的充电状态和太阳能路灯控制器在大面积使用时启动时差较大的问题。针对这些问题，本文提出了一种新型的太阳能智能控制器。
此新型控制器采用优化的设计来提高整个系统的稳定性和可靠性。该控制器除了具有一般控制器的保护和控制功能外，还采用了一种新的检测蓄电池充电状态的方法——离线式检测法，即采用更能反映蓄电池充电状态的开路电压作为切换充电方法的标准。另外在光控系统中，无论是将光敏电阻还是太阳能板的光电流作为光控信号，都会因太阳能电池或所处环境的不同而带来启停误差，为此增加了基于PTR2000的无线收发模块，来解决控制器大面积使用时的启动时差问题。基于单片机的能量管理电路，通过检测太阳能电池和蓄电池的电压，并根据光敏元件和定时器的状态来确定系统的工作状态，从而实现整个系统的自动控制。
1、系统组成及功能
采用此新型控制器的太阳能路灯系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池、控制器、灯具及其支架组成。系统结构框图如图1所示。
太阳能电池作为系统的输入，为整个系统提供电能，其光电流作为光控电路中的光敏传感器。蓄电池是系统中的储能元件，白天将太阳能电池输出的电能转化为化学能储存起来，晚上再转化为电能输出到负载。照明元件一般选取寿命长、发光效率高的节能灯。
系统的各个部分容量的选取要互相配合，要同时考虑到成本、效率、可靠性等。在整个系统中，太阳能电池是最昂贵的部分，它的容量直接影响到系统的成本。而蓄电池价格相对而言比较低廉，因此可以适当选取较大容量的蓄电池。
本系统中采用两组蓄电池，主要出于以下的3点考虑:
(1) 充分利用太阳能电池所提供的能量；
(2）与负载的配合要充分考虑到连续阴雨天的情况，留出一定的容量裕度；
(3）配合控制器的离线式轮换检测法，使蓄电池充电状态的检测更为准确有效；
系统的功能主要有：
(1）保护功能：蓄电池过充、过放保护，充电温度补偿，太阳能电池组件防反充（主回路中加入防反充二极管）、防热斑效应（太阳能电池正负极间并联一个旁路二极管），负载过流和短路保护等；
(2）控制功能：光控和时控编程开/关，无线通信控制开/关(多个控制器之间同步)；
(3）蓄电池充电状态检测。
系统的各个部分容量的选取要互相配合，要同时考虑到成本、效率、可靠性等。在整个系统中，太阳能电池是最昂贵的部分，它的容量直接影响到系统的成本。而蓄电池价格相对而言比较低廉，因此可以适当选取较大容量的蓄电池。
本系统中采用两组蓄电池，主要出于以下的3点考虑:
(1) 充分利用太阳能电池所提供的能量；
(2）与负载的配合要充分考虑到连续阴雨天的情况，留出一定的容量裕度；
(3）配合控制器的离线式轮换检测法，使蓄电池充电状态的检测更为准确有效；
系统的功能主要有：
(1）保护功能：蓄电池过充、过放保护，充电温度补偿，太阳能电池组件防反充（主回路中加入防反充二极管）、防热斑效应（太阳能电池正负极间并联一个旁路二极管），负载过流和短路保护等；
(2）控制功能：光控和时控编程开/关，无线通信控制开/关(多个控制器之间同步)；
(3）蓄电池充电状态检测。
2、蓄电池充放电的控制策略
蓄电池的使用,最重要的是有效利用其充放电特性。有效、科学地使用蓄电池,不仅对提高其使用效率、延长其使用寿命十分关键,同时也可以提高整个系统的工作效 率。
2.1、蓄电池充电状态的检测
准确判断蓄电池的充电状态是有效利用蓄电池的充放电特性和选择适当的充电方法的前提。目前，绝大多数的太阳能控制器采用的是在线检测蓄电池的端电压,并以此作为自动切换充电方法的依据。但众所周知,蓄电池的端电压受到很多因素的影响，尤其在充电过程中，蓄电池的端电压受到太阳能电池端电压的制约，不能准确反映其荷电状态。比如，当系统所处温度较高时，容易出现蓄电池容量未满却已不能充入的现象，即 “虚满”，这样就很难检测出蓄电 池的准确荷电状态，影响整个系统的正常工作。为此提出了一种新的检测方法——离线式检测。在铅酸蓄电池的理论中，蓄电池的电动势可表示为［4］：
式中：E——电池电动势，V；
E0——所有反应物的活度或压力等于1时的电动势，称为标准电动势,V；
R——摩尔气体常数；
T——温度,K；
F——法拉第常数；
n——电化学反应中的电子得失数目。
从(1)式可以看出，电动势与硫酸浓度有关，也就是与荷电状态有关。而蓄电池的开路电压在数值上接近电动势。根据有关文献，蓄电池的稳态开路电压与其荷电状态有良好的线性关系。因此，由蓄电池的开路电压可以估算出其荷电状态。
在充电过程中，蓄电池的端电压不能准确地反映蓄电池的充电状态，但从充电回路断开后，蓄电池的端电压会自动回落，经过一段时间后蓄电池端电压能相对准确地反映出蓄电池的充电状态。由此可以在太阳能照明系统中，由一个太阳能电池对两个蓄电池轮流充电，使每个蓄电池的端电压在充电回路断开后都有一定的时间恢复正常，从而相对准确地判定蓄电池的充电状态，其简单的原理图如图2所示。
蓄电池的使用,最重要的是有效利用其充放电特性。有效、科学地使用蓄电池,不仅对提高其使用效率、延长其使用寿命十分关键,同时也可以提高整个系统的工作效 率。
2.1、蓄电池充电状态的检测
准确判断蓄电池的充电状态是有效利用蓄电池的充放电特性和选择适当的充电方法的前提。目前，绝大多数的太阳能控制器采用的是在线检测蓄电池的端电压,并以此作为自动切换充电方法的依据。但众所周知,蓄电池的端电压受到很多因素的影响，尤其在充电过程中，蓄电池的端电压受到太阳能电池端电压的制约，不能准确反映其荷电状态。比如，当系统所处温度较高时，容易出现蓄电池容量未满却已不能充入的现象，即 “虚满”，这样就很难检测出蓄电 池的准确荷电状态，影响整个系统的正常工作。为此提出了一种新的检测方法——离线式检测。在铅酸蓄电池的理论中，蓄电池的电动势可表示为［4］：
式中：E——电池电动势，V；
E0——所有反应物的活度或压力等于1时的电动势，称为标准电动势,V；
R——摩尔气体常数；
T——温度,K；
F——法拉第常数；
n——电化学反应中的电子得失数目。
从(1)式可以看出，电动势与硫酸浓度有关，也就是与荷电状态有关。而蓄电池的开路电压在数值上接近电动势。根据有关文献，蓄电池的稳态开路电压与其荷电状态有良好的线性关系。因此，由蓄电池的开路电压可以估算出其荷电状态。
在充电过程中，蓄电池的端电压不能准确地反映蓄电池的充电状态，但从充电回路断开后，蓄电池的端电压会自动回落，经过一段时间后蓄电池端电压能相对准确地反映出蓄电池的充电状态。由此可以在太阳能照明系统中，由一个太阳能电池对两个蓄电池轮流充电，使每个蓄电池的端电压在充电回路断开后都有一定的时间恢复正常，从而相对准确地判定蓄电池的充电状态，其简单的原理图如图2所示。
其中太阳能板的功率是40Wp。蓄电池组1和蓄电池组2采用容量为50Ah的12V铅酸蓄电池, 以并联的方式连接。
整个轮换检测控制过程如下：
开始时太阳能电池同时对两个蓄电池1、2充电（u1、k2闭合），并对它们的端电压进行监测。设定一个比过充电压略低的次过充电压值V1，当蓄电池的端压高于V1时，切断其中一个蓄电池（如1)的充电回路，而对另一个蓄电池（如2）进行浮充,同时启动定时器。过了一段时间后，当蓄电池1的端电压下降到能相对准确地反映 电池容量时，再对其开路电压进行检测。由其近似稳态开路电压\$换算得出其充电状态，若还未充满，则可接通其充电回路，继续充电；若已充满，则控制其进入浮充阶段。当定时器达到设定时间后，自动切换开关并重新启动定时器，使蓄电池2的充电回路断开而对蓄电池1进行浮充，对蓄电池2重复以上的操作，如此不断循环。这样，就能相对准确地判断蓄电池的充电状态，并能有效地利用太阳能电池提供的能源。
2.2、蓄电池的充电方法及自动切换
对蓄电池而言，选择合适的充电方法不仅有利于提高蓄电池的充电效率，而且还可以延长其使用寿命。该智能控制器的充电电路采用了快充、过充、浮充3个阶段的充电方法[2]：
1） 快充阶段：充电电路的输出等效于电流源。在充电过程中，通过检测电路监测蓄电池的开路端电压，当蓄电池的端电压超过转换门限电压后，充电电路切换到过充阶段。
2） 过充阶段：在此阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测蓄电池的充电电流，当充电电流降低到转换门限值时，认为蓄电池已经充满，充电电路切换到浮充阶段。
3） 浮充阶段：该阶段，充电电路为蓄电池提供一个精确的、带有温度补偿的浮充电压。
充电电路可以根据蓄电池的状态选取不同的充电方式进行分阶段充电。
整个轮换检测控制过程如下：
开始时太阳能电池同时对两个蓄电池1、2充电（u1、k2闭合），并对它们的端电压进行监测。设定一个比过充电压略低的次过充电压值V1，当蓄电池的端压高于V1时，切断其中一个蓄电池（如1)的充电回路，而对另一个蓄电池（如2）进行浮充,同时启动定时器。过了一段时间后，当蓄电池1的端电压下降到能相对准确地反映 电池容量时，再对其开路电压进行检测。由其近似稳态开路电压\$换算得出其充电状态，若还未充满，则可接通其充电回路，继续充电；若已充满，则控制其进入浮充阶段。当定时器达到设定时间后，自动切换开关并重新启动定时器，使蓄电池2的充电回路断开而对蓄电池1进行浮充，对蓄电池2重复以上的操作，如此不断循环。这样，就能相对准确地判断蓄电池的充电状态，并能有效地利用太阳能电池提供的能源。
2.2、蓄电池的充电方法及自动切换
对蓄电池而言，选择合适的充电方法不仅有利于提高蓄电池的充电效率，而且还可以延长其使用寿命。该智能控制器的充电电路采用了快充、过充、浮充3个阶段的充电方法[2]：
1） 快充阶段：充电电路的输出等效于电流源。在充电过程中，通过检测电路监测蓄电池的开路端电压，当蓄电池的端电压超过转换门限电压后，充电电路切换到过充阶段。
2） 过充阶段：在此阶段，充电电路对蓄电池提供一个较高电压，同时检测蓄电池的充电电流，当充电电流降低到转换门限值时，认为蓄电池已经充满，充电电路切换到浮充阶段。
3） 浮充阶段：该阶段，充电电路为蓄电池提供一个精确的、带有温度补偿的浮充电压。
充电电路可以根据蓄电池的状态选取不同的充电方式进行分阶段充电。
3、负载启停控制及多个控制器的启停协调
为提高整个太阳能照明系统的自动化程度及可靠性，并解决控制器大面积使用时的启停时差问题，此系统中采用了主从控制的方式。主控制器采用光控和时控相结合的启停控制方式，从控制器则是根据主控制器中无线收发数传MODEM发出的启停信号来动作，从而达到整个系统的启停一致。
3.1、负载启停的控制策略
主控制器光控和时控相结合的方式。在一定范围内太阳能电池的短路电流与光强成正比，太阳能电池的光电流随光线强弱的变化很灵敏，可以直接作为光敏传感器。光控可以自动控制光源，不存在天未黑就工作和天已黑光源还不工作的情况，但若只采用光控会造成放电 时间长，光源整夜工作，可能造成蓄电池充电不足的问题。加上时控则可以准确控制光源启动和停止的时间。
主控制器采用的控制流程是：光控开→时控关→时控开→光控关。即天黑时由光控电路启动光源（路灯）开始工作，同时计时电路开始计时，当达到预先设定的时间后由时控电路控制光源（路灯）关闭，同时计时电路重新开始计时，经过一段时间后，再由时控电 路启动光源（路灯）开始工作，直到天亮时由光控电路控制光源关闭。也就是在上半夜和凌晨启动照明，而在夜间人员活动较少时关闭照明，这样就可以有效地节省能源。
3.2、多个控制器之间的启停一致性控制
太阳能路灯控制器在大面积使用时存在启动时差较大的问题，因太阳能电池组件的特性不同，加上环境光线的干扰等因素，误差有时高达十几甚至几十分钟。针对这个问题，此新型控制器 加上了基于PTR2000的无线收发模块，来解决整个照明系统的启停一致性问题。
3.2.1PTR2000简介
PTR2000是一种超小型、低功耗、高速率的无线收发数传MODEM，其工作频率为国际通用的数传频段433MHz,FSK调制，抗干扰能力强，采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性很好；可以和单片机的串口或I/O口直接连接。PTR2000的DI接单片机的I/O口的发送，DO接单片机的I/O口接收。TXEN是发射接受控制端，TXEN＝1时模块为发射状态，TXEN＝0时为接受状态。PWR为节能控制端，PWR=1正常工作状态，PWR＝0待机微功耗状态（此时不能接收、发射数据）。CS为频道选择，CS=0选择工作频道1，即43392MHz；CS=1选择工作频道2，即434.33MHz。直接用单片机的I/O口控制模块的发射控制、频道转换和低功耗模式[3]。其硬件连接如图3。
为提高整个太阳能照明系统的自动化程度及可靠性，并解决控制器大面积使用时的启停时差问题，此系统中采用了主从控制的方式。主控制器采用光控和时控相结合的启停控制方式，从控制器则是根据主控制器中无线收发数传MODEM发出的启停信号来动作，从而达到整个系统的启停一致。
3.1、负载启停的控制策略
主控制器光控和时控相结合的方式。在一定范围内太阳能电池的短路电流与光强成正比，太阳能电池的光电流随光线强弱的变化很灵敏，可以直接作为光敏传感器。光控可以自动控制光源，不存在天未黑就工作和天已黑光源还不工作的情况，但若只采用光控会造成放电 时间长，光源整夜工作，可能造成蓄电池充电不足的问题。加上时控则可以准确控制光源启动和停止的时间。
主控制器采用的控制流程是：光控开→时控关→时控开→光控关。即天黑时由光控电路启动光源（路灯）开始工作，同时计时电路开始计时，当达到预先设定的时间后由时控电路控制光源（路灯）关闭，同时计时电路重新开始计时，经过一段时间后，再由时控电 路启动光源（路灯）开始工作，直到天亮时由光控电路控制光源关闭。也就是在上半夜和凌晨启动照明，而在夜间人员活动较少时关闭照明，这样就可以有效地节省能源。
3.2、多个控制器之间的启停一致性控制
太阳能路灯控制器在大面积使用时存在启动时差较大的问题，因太阳能电池组件的特性不同，加上环境光线的干扰等因素，误差有时高达十几甚至几十分钟。针对这个问题，此新型控制器 加上了基于PTR2000的无线收发模块，来解决整个照明系统的启停一致性问题。
3.2.1PTR2000简介
PTR2000是一种超小型、低功耗、高速率的无线收发数传MODEM，其工作频率为国际通用的数传频段433MHz,FSK调制，抗干扰能力强，采用DDS+PLL频率合成技术，频率稳定性很好；可以和单片机的串口或I/O口直接连接。PTR2000的DI接单片机的I/O口的发送，DO接单片机的I/O口接收。TXEN是发射接受控制端，TXEN＝1时模块为发射状态，TXEN＝0时为接受状态。PWR为节能控制端，PWR=1正常工作状态，PWR＝0待机微功耗状态（此时不能接收、发射数据）。CS为频道选择，CS=0选择工作频道1，即43392MHz；CS=1选择工作频道2，即434.33MHz。直接用单片机的I/O口控制模块的发射控制、频道转换和低功耗模式[3]。其硬件连接如图3。
传送数据之前需将模块置于发射模式，TXEN=1,至少5ms之后可以发送任意长度数据，发送结束之后将模块置于接收状态，TXEN=0。
3.2.2数据传输协议
测试和试验结果表明，0xFF后跟0x00在噪声中不容易发生。因此，发送协议的开始应该以一个任意内容的字节（这是因为第一个字节的数据在发送时容易丢失），然后是0xFF后跟0x00；接收协议规定只接收以0xFF后跟00X0开始的包。
错误纠正：可以采用一种适合于许多无线数传的前向错误纠正方法。数据在包中复制两次（总共3份），在接收端，第一个拷贝进行检错，如果有错，剩下的两个备份用来改正错误。改正是通过比较三个备份数据中的每位，如果两位或更多位是0，则正确位应为0。如：
一旦经改正，它们将重新送到检验步骤认证它是否有效，如果不是，数据没有改正，否则数据可用。
简单数据传输协议将传送数据集中在一个包中，如下所示：
[头1][头2][包类型][数据0][数据1]...[数据n][校验]
头1是0xFF，头2是0x00。包类型是指传送包的类型，在目前的协议中，它包含两种类型：正确和不正确。正确的包含有三个拷贝，不正确的只有一个拷贝。不正确包需要较少的开销，但不可靠。
错误检测可以通过8位检验和来实现。当接收机接收到头时，接收端决定包的类型，并将其送入接收缓冲器进行检验，如果数据错误且为正确包，则进行改正。
3.2.3多个控制器之间的启停控制策略
方案一：采用如图（4）所示的主分站模式。在无线数传MODEM的有效距离内，设置一个主站，别的设为分站，采用点对多点的数据传输方式，即一个主控制器周围有几个从控制器。主控制器发出启停控制信号，这样就可以使这几个从控制器的启停基本一致。如果超出有效控制距离，可以再设置一个主控制器。
方案二：采用级传（接力）方式，即一个为主控制器，相邻的为从控制器（点对点数据传输方式）。再由从控制器发射启停控制信号来控制下一个控制器，以此来协调各个控制器的启停，实现启停一致。
用以上方法来实现整个照明系统负载启停的自动控制和各个控制器之间的通信协调。
3.2.2数据传输协议
测试和试验结果表明，0xFF后跟0x00在噪声中不容易发生。因此，发送协议的开始应该以一个任意内容的字节（这是因为第一个字节的数据在发送时容易丢失），然后是0xFF后跟0x00；接收协议规定只接收以0xFF后跟00X0开始的包。
错误纠正：可以采用一种适合于许多无线数传的前向错误纠正方法。数据在包中复制两次（总共3份），在接收端，第一个拷贝进行检错，如果有错，剩下的两个备份用来改正错误。改正是通过比较三个备份数据中的每位，如果两位或更多位是0，则正确位应为0。如：
一旦经改正，它们将重新送到检验步骤认证它是否有效，如果不是，数据没有改正，否则数据可用。
简单数据传输协议将传送数据集中在一个包中，如下所示：
[头1][头2][包类型][数据0][数据1]...[数据n][校验]
头1是0xFF，头2是0x00。包类型是指传送包的类型，在目前的协议中，它包含两种类型：正确和不正确。正确的包含有三个拷贝，不正确的只有一个拷贝。不正确包需要较少的开销，但不可靠。
错误检测可以通过8位检验和来实现。当接收机接收到头时，接收端决定包的类型，并将其送入接收缓冲器进行检验，如果数据错误且为正确包，则进行改正。
3.2.3多个控制器之间的启停控制策略
方案一：采用如图（4）所示的主分站模式。在无线数传MODEM的有效距离内，设置一个主站，别的设为分站，采用点对多点的数据传输方式，即一个主控制器周围有几个从控制器。主控制器发出启停控制信号，这样就可以使这几个从控制器的启停基本一致。如果超出有效控制距离，可以再设置一个主控制器。
方案二：采用级传（接力）方式，即一个为主控制器，相邻的为从控制器（点对点数据传输方式）。再由从控制器发射启停控制信号来控制下一个控制器，以此来协调各个控制器的启停，实现启停一致。
用以上方法来实现整个照明系统负载启停的自动控制和各个控制器之间的通信协调。
4、结论
本文介绍了一种新颖的应用于太阳能照明系统的智能控制器。该控制器基于单片机89C2051和无线收发数传MODEM(PTR2000)，实现了整个系统的自动、稳定运行。除了具有一般控制器的功能外，该控制器采用了离线式检测法来检测蓄电池的充电状态，使其能更准确地指导充电方法的自动切换。采用无线收发数传MODEM则解决了大面积使用控制器时的启停时差问题。试验和运行结果表明，应用此控制器的太阳能照明系统运行稳定、高效，具有广阔的应用前景。
本文介绍了一种新颖的应用于太阳能照明系统的智能控制器。该控制器基于单片机89C2051和无线收发数传MODEM(PTR2000)，实现了整个系统的自动、稳定运行。除了具有一般控制器的功能外，该控制器采用了离线式检测法来检测蓄电池的充电状态，使其能更准确地指导充电方法的自动切换。采用无线收发数传MODEM则解决了大面积使用控制器时的启停时差问题。试验和运行结果表明，应用此控制器的太阳能照明系统运行稳定、高效，具有广阔的应用前景。
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