0 引言
能源短缺是當今社會中的熱點問題，它直接制約著經濟和社會的發展，可再生能源的利用也就成了當今世界關注的焦點之一。太陽能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質能、風能、海洋能、水能等都來自太陽能。廣義地說，太陽能包含以上各種可再生能源。近年來太陽能的利用得到了世界各國的廣泛關注，美國、日本、德國相繼提出了“陽光計劃”、“節能計劃”等大力發展太陽能光伏發電技術。自“六五”以來我國政府也一直把研究開發太陽能和可再生能源技術列入國家科技攻關計劃，大大推動了我國太陽能和可再生能源技術和產業的發展。同時，照明作為日常生活中不可缺少的一部分，成為了世界各國的一項重要的能源消耗，據統計照明用電占我國總發電量的10％以上，綠色節能照明的應用越來越受到重視。我國在1996年就提出了“綠色照明工程”，主要就是為了解決與照明相關的能源供應問題，新型的照明光源LED發光產品在照明和裝飾領域逐漸受到世人的矚目。
太陽能電池板和LED都是由半導體材料構成的，隨著半導體材料技術的更加完善必將推動太陽能和LED的進一步發展。將太陽能和LED結合起來為節能照明技術提供了新的解決方案。
1 照明系統的總體結構
此系統由太陽能電池、蓄電池和LED照明系統三大部分組成。太陽能電池板將太陽能轉變成電能，一部分用來給直流負載LED供電，另一部分儲存在蓄電池中。當沒有太陽光或者光線暗時，LED照明系統所需要的能量不夠的部分由蓄電池提供。LED照明部分不僅可以實現晝夜照明，同時采用了自動調光技術，可以使室內的光線保持恒定。如圖1所示，其中的控制器1采用的是Boost電路，實現太陽能電池板的最大功率點跟蹤。控制器2采用的是雙向DC—DC變換電路，實現對蓄電池的充放電控制。控制器3是LED燈的恒流驅動和PWM自動調光控制。下面將分別介紹各部分的工作原理。
2 太陽能的MPPT算法
太陽能電池的輸出功率是周圍外部環境(光照、溫度)的非線性函數。圖2為太陽能電池P-V特性曲線。當光線一定時，太陽能電池的輸出功率存在唯一的最大功率點；當光線變化時，太陽能電池的輸出功率也隨著改變，光線增強最大功率增大。太陽能電池的輸出功率特性曲線還與溫度有關，溫度升高最大功率降低。使光伏電池工作于最大功率點，是提高光伏電池的最有效途徑。最常見的MPVF算法有：恒電壓控制法，此方法雖然簡單，但不適于溫度變化比較大的地區。擾動觀察法，在光線變化比較大時擾動觀察法可能出現跟蹤方向判斷錯誤等問題。電導增量法的缺點是對傳感器靈敏度要求較高，系統響應速度快從而造成硬件成本比較高。
針對擾動觀察法在光線變化比較快時不能準確跟蹤，采用了一種改進的擾動觀察法，在光伏電池的P—V特性曲線的頂點處任意取三點，可以得到如圖3(a)所示的五種情況。設定一個比較符號足，初始化為0，比較三點功率。當C點功率比曰大或者相等時K=K+1，C比B小時K=K-1；同樣比較日和A，比較完之后，若K=2，工作電壓擾動往右移，若K=-2，工作電壓擾動往左移，K=O說明此時工作電壓對應的正是最大功率點，保持不變。當光線變化時所得到的A、B、C三點關系如圖3(b)所示。此時計算出K=0，這樣當光線變化時不進行最大功率點的跟蹤，光線穩定后繼續跟蹤最大功率點，從而可以避免擾動觀察法在光線變化后的跟蹤方向判斷失誤。程序流程如圖4所示。
采用Boost電路作為MPPT控制器，其原理如圖5所示，輸出端電壓由負載決定，是個定值，通過改變開關管占空比就可以改變輸入端太陽能池板所提供的電壓，在每個采樣周期對光伏電池的輸出電壓和電流采樣，根據上文提出的MPPT算法調節MOS管占空比就可以進行最大功率點跟蹤。
3蓄電池的充電策略
光伏系統對蓄電池充電考慮的因素是：①盡量應用MPPT充分利用光伏電池；②充電特性曲線要滿足蓄電池的要求，從而延長蓄電池的使用壽命。傳統的充電方法有恒流充電、恒壓充電等"1。恒流充電的缺點是充電后期電流相對蓄電池來說比較大。
恒壓充電，雖然電流隨著蓄電池端電壓的增大而減小，但充電初期充電電流相對來說還是很大的。制約著這兩種控制方法的最主要因素就是充電電流，所以．可以從控制電流的角度來對蓄電池充電進行有效地控制。
控制思想為M1：充電初期，給蓄電池設定一個比較大的充電限制電流，只要充電電流不超過這個限定值，都可以應用MPPT。同時，不斷檢測蓄電池的端電壓，以判斷蓄電池所處的充電狀態，當端電壓達到過充電壓時，減小充電限制電流。重復上述過程，直到充電電流達到浮充電流(C／100)，說明蓄電池已充滿。此后，以浮充電流對蓄電池充電，來彌補蓄電池反相自放電造成的能量損失。在此充電過程中，只要充電電流在所設定的范圍內均可采用MPPT控制方法，從而大大提高了太陽能電池的利用率。
蓄電池充放電的控制是通過雙向DC／DC變換器來執行的，如圖6所示，此電路通過調節開關管導通和關斷的占空比，可以實現升降壓。所以不用考慮輸入輸出端的電壓匹配問題，就可以使高低壓端相互隔離，效率高控制靈活。當太陽光充足時開關Q2斷開，通過控制開關Q1，來給蓄電池充電。當太陽能提供的能量不夠LED照明系統用時，開關Q1斷開，通過控制開關Q2，來給照明系統提供能量。
4 LED恒流及自動調光控制
隨著半導體技術的不斷發展，白光LED正逐漸進人到日常照明領域，LED是一種能夠將電能轉化成光能的半導體器件，它是依靠材料中的正負電荷復合來發光，現實中沒有可以直接發出白光的半導體材料，白光LED的實現方法中最常用的就是利用RGB三種LED混合成白光。因此，將白光LED應用到照明中，可以根據需要配制成各種不同色溫、色度的LED燈，將給人們帶來極大的自由空間。同時，LED的驅動電壓大大地降低，能源節省將近90％。
圖7為LED I-V特性曲線，可近似認為正向電流，與正向電壓y的n次方成正比。白色LED工作電壓的較小波動就會導致工作電流的急劇變化，控制不當可能會使PN結燒壞。另外，LED的亮度、壽命等特性，都與電流有直接的關系，所以要對LED進行恒流驅動。采用圖8所示的恒流驅動電路，圖中的運放A和B構成一個閉環反饋電路，流過LED的電流在采樣電阻R，上產生采樣電壓，該采樣電壓經過反饋運放B送到前向通道運放A中與參考電壓V比較，產生控制電壓對MOS管的柵源電壓進行調節，從而可以達到恒流的作用。分析該電路，可得所恒定的電流為：Io=R2×Vt／R3(R1+R2)。其中E為基準電壓；R1和R2為反饋電阻；最為采樣電阻。
常用的白光LED亮度調節方法有：①改變電流調節；②PWM(脈沖寬度調制)方法。由LED本身的特性決定，它的亮度與通過的電流大小有關，即通過的電流增大，LED的亮度增強。但是這兩者之間不是線性的關系，雖然通過改變電流可以調節亮度，但是，當電流增大到一定程度時白光LED會變色，而且電流過大對LED壽命也有影響。鑒于此，采用PWM方法進行調光，即在恒流和恒定頻率的情況下，通過調節MOS開關管的導通時間，來調節平均亮度。這種方法不但可以使通過LED的電流恒定，而且還有助于LED的散熱。
5 試驗及結果
采用2塊15 W／17 V太陽能蓄電池、1塊12 V7AH蓄電池、9支1 W白光LED(3并3串)。控制器為1rI公司的TMS320LF2407A，此款DSP芯片多用于控制領域，可以輸出多路PWM，自身帶有lO位AD采樣，運行速度快、處理能力強。
圖9為采用本文介紹的充電控制策略對蓄電池充電得到的結果曲線。開始階段，設定最大充電電流為C／IO=0．7 A，當蓄電池端電壓達到過充電壓14．8 V時，減小最大充電電流為C／20=0．35 A。重復上述過程，直到充電電流為浮充電流，說明此時蓄電池已充滿。總的來說，充電環節滿足了本系統的設計要求。
圖10為LED恒流實測曲線，橫坐標為LED加入的電壓，縱坐標為流過LED的電流，可以看出，LED端加入的電壓從12 V變化到17 V，基本上可以保證流過LED的電流為0．98 A左右，恒流精度可以達到0．03以內，完全滿足LED恒流的要求。
6 結束語
本文所設計的系統充分考慮了光伏電池的最大功率點跟蹤，提高了太陽能電池板的利用率。對LED燈進行了恒流驅動，保證了LED的壽命和發光效率。將二者結合起來真正實現了節能環保，具有很好的實用價值。