一种基于MPPT的太阳能路灯开关控制装置的制作方法

本实用新型涉及照明设备控制技术领域，尤其是涉及一种基于mppt的太阳能路灯开关控制装置。

背景技术：

目前太阳能电池中晶体硅电池占据了大量的市场份额，在实际应用中，在无法改变室外温度、辐射照度以及更换光伏电池的情况下，需充分发挥光伏电池的能力，尽可能地将光能转换为电能，降低发电成本，而解决这个问题的一个重要方式是采用最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,mppt)技术。现阶段，太阳电池广泛应用于路灯供电，且已经实现最大功率点跟踪，使光能尽可能的转换为电能。mppt控制器除了能够使太阳能电池达到最大的充电功率之外，也蕴含着更多的可以被利用的信息。

目前有关路灯控制大部分是利用光敏电阻的特性，根据光线强弱的不同传送给单片机不同的信号，再结合声音传感器、红外光电传感器和红外人体识别传感器将检测到的信息传送给单片机，在单片机中经过相关运算处理，给出路灯亮、灭的信号，还有小部分是利用定时开关。这两种控制方式中前者控制较为复杂，成本较高，后者虽为简单但是不仅耗费人力物力，更是对操作人员的安全没有保障。

对光伏电池板充电特性的充分利用为解决太阳能路灯根据光照强度适时开关提供了解决思路，这对路灯照明的人性化、智能化、有效节约能源、降低成本等方面有重要的意义。目前，针对太阳能路灯开关的控制方式有定时开关和利用光线传感器控制开关两种方式，还没有充分考虑并利用光伏电池板充电特性来实现开关的智能控制的案例。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于mppt的太阳能路灯开关控制装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于mppt的太阳能路灯开关控制装置，包括依次连接的光伏电池、dc/dc转换器、蓄电池、开关控制器，所述开关控制器连接路灯；该装置还包括采用mppt控制方法的数字信号处理器，所述数字信号处理器通过电压电流采集模块与所述光伏电池连接、通过驱动电路与所述dc/dc转换器连接，并与所述开关控制器连接。

优选的，所述光伏电池为多晶硅太阳能电池板组件。

优选的，所述dc/dc转换器包括n沟道mos场效应管。

优选的，所述电压电流采集模块包括霍尔电压传感器和霍尔电流传感器。

优选的，所述开关控制器包括继电器开关。

优选的，还包括连接所述数字信号处理器的显示屏和按键。

优选的，还包括连接所述数字信号处理器的gps模块。

与现有技术相比，本实用新型除利用太阳能电池通过dc/dc转换电路和mppt控制技术将太阳能储存在蓄电池中对路灯进行供电外，可利用最大功率点跟踪的特性或者根据日出日落时刻，代替路灯定时开关和光线传感器的功能，实现路灯智能开关控制，改善了传统路灯定时开关时间过早或过晚的问题，同时也在一定程度上节约了成本；对光伏电池板充电特性的充分利用为解决太阳能路灯根据光照强度适时开关提供了解决思路，这对路灯照明的人性化、智能化、有效节约能源、降低成本等方面有重要的意义。

附图说明

图1为本实用新型路灯开关控制装置的结构示意图；

图2为开关控制器结构图；

图3为光照强度不同情况下i-v特性曲线；

图4为光照强度不同情况下p-v特性曲线；

图5为光伏电池板电路等效模型；

图6为本实用新型路灯开关控制策略框图；

图7为最大功率随光照强度变化曲线；

图8为最大功率随光照强度变化曲线局部放大图；

图9为本实用新型开关控制过程流程图；

图10为本实用新型中路灯开启过程流程图；

图11为本实用新型中路灯关闭过程流程图；

图12为本实用新型中数据更新过程流程图。

图中标注：1、光伏电池，2、dc/dc转换器，3、蓄电池，4、开关控制器，5、路灯，6、数字信号处理器，7、电压电流采集模块，8、驱动电路，9、按键，10、显示屏，11、gps模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图1所示，本申请提出一种基于mppt的太阳能路灯开关控制装置，包括依次连接的光伏电池1、dc/dc转换器2、蓄电池3、开关控制器4，开关控制器4连接路灯5。该装置还包括数字信号处理器6(dsp)，数字信号处理器6通过电压电流采集模块7与光伏电池1连接、通过驱动电路8与dc/dc转换器2连接，并与开关控制器4连接。数字信号处理器6采用mppt控制方法，并通过采集光伏电池1的电压和电流得到最大功率，通过比较最大功率与设定阈值的大小来控制开关控制器4。

其中，光伏电池1为多晶硅太阳能电池板组件，采用ht60-156p-4bb-265型号。dc/dc转换器2包括n沟道mos场效应管，具体采用25n60mosfet。蓄电池3采用24v锂电池。电压电流采集模块7包括型号为lem-lv25-p的霍尔电压传感器和lem-la25-np的霍尔电流传感器。开关控制器4包括继电器开关，其构成如图2，dsp给出高低电平控制信号，控制继电器jk的开关，进而控制路灯5的开启和关闭。数字信号处理器6包括dsp主控芯片和与dsp主控芯片连接的程序存储器、数据存储器、输入接口、输出接口、a/d转换模块、d/a转换模块、uart接口等构成的外围电路，且数字信号处理器6还可以接有显示屏10和按键9。

本装置中的日出时刻和日落时刻可以通过经纬度和日期计算得到，经纬度信息通过连接数字信号处理器6的gps模块11得到，可以在日出时刻和日落时刻控制路灯关闭和开启。

在路灯开关控制系统中，由光伏电池1将光能转化为电能，输出电压经boost升压电路，获得较高的直流母线电压，并将电能储存在蓄电池3中。其中dsp主控芯片能采集光伏电池1输出的电压、电流并输出pwm来控制boost升压电路，使光伏电池1工作在最大功率点，并将最大功率与设定值相比较从而输出信号控制蓄电池3充放电。

本装置还可以利用最大功率点会随光照强度的变化而改变的特点，当最大功率低于某个值时可以说明光照强度也低于某个值，就可以利用路灯控制装置将路灯5开启。利用光伏电池1的充电特性实现路灯5智能开关的控制装置，将填补国内有关路灯智能控制方面的空白。

在太阳能光伏电池板发电系统中，由于外界环境因素，如光照强度、温度以及所带负载对光伏电池1造成影响，因此其输出电压、电流之间呈现出非线性关系，从而导致光伏并网系统不确定性增加，继而导致光伏电池1发电的效率有所降低。基于以上原因，需要对光伏电池1的输出功率进行实时地调节，使其在任何外界环境下都能达到最大功率输出，也即最大功率点跟踪(mppt)。其中，光伏电池1的伏安特性受光照强度影响的i-v、p-v特性曲线分别如图3、图4所示。

本装置的mppt算法是采用电导增量法控制策略。电导增量法原理如下：由输出电压和光伏电池1输出功率之间的关系曲线可知如下判断条件：

当工作点在最大功率点处时有

当工作点在最大功率点右侧处有

当工作点在最大功率点左侧处时有

光伏电池1的输出功率为：

p＝ui

将上式两边对u求导可得

当光伏电池1工作在最大功率点时，有我们可以得出

光伏电池1电路等效模型如图5所示，其中u和i可由光伏电池1的电压电流关系式可以由图5推导得到：

i＝iph-id-i3(3-3)

ud＝u+ir1(3-6)

理想情况下r1约为零，r3可视为无穷大，此时上式可简化为：

光伏电池1的输出功率为：

其中，iph为光伏电池1内部经光照所产生的电流；i为输出电流；id为光伏电池1内部的暗电流，可以反映光伏电池p-n结产生的总扩散电流受当前环境温度变化的影响；r1是光伏电池1的等效电阻；r2为光伏电池1的外接负载电阻；r3是光伏电池1的旁路电阻；ud为等效二极管的端电压；u为光伏电池1的开路电压。io为反向饱和电流，isc为光伏电池1短路电流，q为电子电荷，k为玻尔兹曼常数，t为绝对温度，a为p-n结曲线常数。

如图6所示，mppt算法的原理是通过将mppt控制器内控制算法的结果传递给pi控制器，产生不断变化的占空比d，占空比的变化又会使得太阳能电池的输出电压、输出电流发生变化，这时光伏电池1就是根据mppt策略寻找最大功率点的位置，使其一直工作在最大功率点。通过传感器检测其输出电压及输出电流，计算出光伏电池1的发电功率，用于与设定值的比较。

一天内，光照强度随时间变化，而光伏电池1输出的最大功率也会随光照强度变化。这种路灯控制是利用最大功率点会随光照强度的变化而改变的特点，当最大功率低于某个值时可以说明光照强度也低于某个值，就可以利用路灯控制装置将路灯5开启。

由图7和图8所知，最大功率在实际中确实会随光照强度的变化而变化，图8中水平直线为本申请的功率设定值，即开关阈值，当光照强度处于可接受范围时，最大功率也会大于功率设定值，由此控制路灯5关闭。

如图9所示，本实施例中，路灯开关控制装置利用最大功率点的开关控制方法包括：

s1、初始化：记录一周内每天的日落时刻t1和日出时刻t2，得到平均日落时刻和平均日出时刻导入数据存储器中；

s2、路灯5状态监测：监测到路灯5当前状态为关闭时，进行步骤s3的路灯5开启控制，否则，进行步骤s4的路灯5关闭控制；

s3、路灯5开启控制：如图10所示，在平均日落时刻前的30分钟开始持续检测光伏电池1的最大功率，当最大功率小于开关阈值时开始计时，每隔2分钟检测一次，连续监测5次，若计时期间出现最大功率大于开关阈值时，则重新计时，若计时期间连续5次的最大功率都小于开关阈值，则记录计时结束时刻为路灯5开启时刻t1，并控制路灯5开启；

s4、路灯5关闭控制：如图11所示，在平均日出时刻前后的30分钟内不断判断光伏电池1的最大功率是否大于开关阈值，若是，则记录该时刻为路灯5关闭时刻t2，并控制路灯5关闭，若该期间内检测到的最大功率都小于开关阈值，则判定为特殊天气，控制路灯5关闭；

s4、数据更新，如图12所示：

根据当日的路灯5开启时刻更新日落时刻的数据，计算若|δ1|＜ε1，则将t1作为新的日落时刻，更新到数据存储器中，且重新计算平均日落时刻若|δ1|≥ε1，则不改变数据存储器的数据，其中ε1为第一设定误差；

根据当日的路灯5关闭时刻更新日出时刻的数据，计算若|δ2|＜ε2，则将t2作为新的日出时刻更新到数据存储器中，且重新计算平均日出时刻若|δ2|≥ε2，则不改变数据库数据，其中ε2为第二设定误差。

由于电力能源的短缺，国内外都在对新能源发电进行深入研究，其中太阳能发电技术已经趋于成熟。通过本申请的实施，可以进一步利用太阳能发电技术为太阳能路灯的智能开关提供全新的、低成本的技术解决方案，将能有效节约能源甚至可以采用更小容量电池从而达到节约成本的目的，带来十分显著的社会和经济效益。