基于单片机的太阳能路灯控制器

吴奂潮

摘 要 随着人类社会的快速发展，人类对于不可再生能源的需求与日俱增，这不仅使得地球上所剩无几的能源面临枯竭，同时引发的各种环境问题也让人们疲于应对。太阳能是一种非常理想的清洁能源，随着各类能源问题的爆发，太阳能的运用和普及越来越受到人们的重视。

【关键词】单片机 光伏发电 控制系统

1 控制器研究设计的实现方案

AT89C51，它是一种携带4KB闪存存储器的高性能、低电压的8位微处理器。AT89C51单片机提供如下标准功能：4K字节的Flash闪存存储器，32个I/O端口，128字节内部RAM，两级中断结构，时钟电路及片内振荡，一个全双工串行通信接口。AT89C51能够实现大部分的控制和功能，完成太阳能路灯的智能化和自动化控制。在电流过充过放的设计电路中使用继电器完成对电路的充电保护，如果电池电压低于设置值则认为电池处于过放状态，此时需要停止继续供电，起到过放保护的作用；如果电池电压高于设置值则认为电池处于过充状态，此时需要停止充电，起到过充保护的作用。

在考虑蓄电池电容的选择时通常应遵循如下原则：在满足夜间照明的前提下，蓄电池应当尽量把太阳能电池组件在白天吸收的能量储存下来，同时还应当有足够多的电能来提供连续阴雨天气的夜间照明所需的能量。若蓄电池的容量太小，将无法满足夜间照明的需要，若蓄电池的容量太大，将会使蓄电池一直处于亏电状态，大大衰减蓄电池的寿命。常见的铅酸蓄电池维护繁杂，使用寿命不长，自动恢复能力不强，因此正渐渐被胶体蓄电池取代。胶体蓄电池具有使用寿命长、回充电性能强、抗干扰性强、内阻低自放电小、电解液不会分层、抗高温耐低温等诸多优点，综合考虑，优先考虑使用胶体蓄电池。

发光二极管的简称LED，LED具有光效高、工作电压低、寿命长、不需要逆变器等优点，为了使系统性能最优化，采用LED作为光源。

2 太阳能光伏发电的理论分析

实际上太阳能电池板就是一个面积很大的p-n结，通过吸收阳光的能量在其中产生大量的电子空穴对，电子和空穴这两者的电极性相反，前者带负电，后者带正电。在半导体p-n中的静电场作用下，这两种电极性不相同的载流子被分开，在p区聚集了大量的由太阳光激发的空穴，在n区聚集了大量由太阳能激发的电子，于是p区带有正电而n区带有负电。由此在p-n结的两边产生了由太阳光激发产生的电动势，也就是太阳能电池。电子和空穴分别朝着太阳能电池的正极和负极聚集，把太阳能电池接入到负载中就会有电流流过，从而有电功率输出。

光电池板组件安装角度的不同、光照强度、光电池板表面温度、光电池板面积等因素都会对光生电流产生影响。太阳能电池的发电效率由光生电流决定，所以合适的光电池组件安装角度至关重要，角度略有偏差都会使光电流下降不少。

3 控制器设计理论研究

控制器如同人体中的大脑，控制着整个系统的活动，太阳能路灯控制器决定了整个设计的好坏以及系统性能的优劣。除了防止蓄电池过放过充之外，控制器还需要有时控和光控的功能，以便于完成智能化和自动化控制，在阴雨的天气里能实现正常的照明工作。

检测太阳能电池板电压是控制模块实现控制的基本思想，白天时，太阳能电池板电压高，此时对蓄电池进行充电，LED不工作；在夜间，太阳能电池板电压低，控制电路被开启，LED进行照明工作。控制器同时还会检测蓄电池的电压，判断其充电的方式和对负载的供电方式。

太阳能控制器的主要功能：

（1）蓄电池的过充电、过放电保护；

（2）电池组件的反接保护、防反充保护；

（3）智能充电（恒压控制）；

（4）负载过压保护。

4 控制器设计理论计算

太阳能路灯无疑是非常理想的照明光源，而实际上，许多太阳能路灯无法满足普通照明的需要，尤其是在连续阴雨的天气。进行太阳能路灯设计所需要的相关设计：

4.1 太阳能路灯安装地点的经纬度

通过地理位置可以了解到一个地区的日照情况、气候特点、平均气温等，由此可确定安装太阳能电池板的方位角、倾斜角以及太阳能标准峰值时数。

4.2 系统所使用的照明光源的功率

4.3 光源在夜间照明的时长（H）

根据光源的夜间照明时长估算出负载每天消耗的电能以及太能点电池需要提供的电流。

4.4 路灯能够在连续阴雨的天气下工作的天数（d）

通过这一参数估计出蓄电池的容量和在天气放晴后蓄电池恢复电池容量需要的电池组件功率。

4.5 遇到两个连续阴雨天所间隔的天数（D）

假设需要安装一些太阳能路灯，LED光源的功率为9W，需要照明的时间为每天11个小时，能够维持照明工作的最大连续阴雨天数为7天。此地区的东经为114度，北纬为23度，年平均的日照太阳辐射为3.82KW.h/m2，年平均月气温为20度，连续两个阴雨天的间隔时长为25天。通过以上数据，计算出太阳能光电池组件的安装倾斜角为26度，标准光照峰值的小时数为4个小时左右。

（1）照明光源每天消耗的电量：

Q=W*H/U=9x11÷12=8.25Ah

其中U是蓄电池的标称电压值。

（2）照明光源日常使用情况下太阳能电池组件的充电电流：

I1=Q*1.05/h/0.85/0.9=2.83A

其中1.05是太阳能在充电过程中的综合损失系数，h是标准光照峰值小时数，0.85是蓄电池的充电效率，0.9是控制器的效率。

（3）蓄电池容量：

C=Q*（d+1）/0.75*1.2=8.25x8÷0.75x1.2=105.6Ah

其中0.75是蓄电池的放电深度，1.2是蓄电池的安全系数。

（4）连续阴雨天气过后蓄电池容量需要恢复所需要的太阳能电池组件充电电流：

I2=C*0.75÷h÷D=105.6x0.75÷4÷25=0.792A

其中0.75是蓄电池的放电深度。

（5）太阳能电池组件的功率：

P=（I1+ I2）*18=（2.83+0.792）x18=65.2Wp

其中18是太阳能电池的工作电压。

5 总结

本文是以运用单片机实现太阳能路灯控制为目的，介绍了其试验方案、理论研究、理论计算等方面，这些研究都能够为基于单片机的太阳能路灯控制器的设计打下基础。

参考文献

[1]李向欣.单片机的太阳能路灯控制器研究[C]//峡两岸第十六届照明科技与营销研讨会专题报告暨论文集.2014：15-19.

[2]吴正茂.基于单片机的太阳能路灯控制器研究[J].中国科技财富，2013（04）：36-38.

作者单位

华北科技学院 河北省廊坊市 065201