太阳能LED照明系统的设计(最终方案).doc

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I
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 引言
1.1选题的背景和意义................................1
1.2国内外光伏发电发展现状......................
1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点..............
1.2.2我国光伏产业发展现状........................
1.3光伏电源具有以下优势......................
1.4新一代照明光源-白光LED......................
1.5论文的研究目的和意义......................

第二章 太阳能LED照明系统的总体设计...................
2.1太阳能LED照明系统的基本结构...................
2.2控制器的整体结构

第三章 太阳能电池板
3.1太阳能的工作原理和特性
3.1.1太阳能电池的基本原理
3.1.2太阳能电池的特性曲线
3.2太阳能电池的最大功率跟踪
3.2.1最大功率点跟踪原理
3.3本系统采用的MPPT控制方式
3.3.1功率比较法
3.3.1.1功率比较法原理
3.3.1.2功率比较法的算法设计
3.4本章小结

第四章 主体电路的设计
4.1整体电路设计
4.1.1电源电路设计
4.1.2 LED驱动电路
4.2单片机的算法实现
4.3 DC/DC变换器
式............................................................................25
4.3本系统采用的MPPT控制方式...................................................................................29
4.3.1功率比较法.............................................................................................................29
4.3.2最大功率的模糊控制...........................................................................................32
4.4本章小结........................................................................................................................33
第五章太阳能LED照明系统光源优化的研究.................................................................34
5.1超高亮白光LED的原理和特性..................................................................................34
5.1.1发光原理.................................................................................................................34
5.1.2工作特性................................................................................................................34
5.2 LED照明系统光源亮度的提高方案.........................................................................35
5.2.1光度量参数及其测量方法.....................................................................................35
5.2.2主要技术改进.........................................................................................................36
5.2.3 LED的布板..........................................................................................................37
5.3 LED照明光源散热问题的研究.................................................................................37
5.3.1半导体制冷的工作原理..........................................................................................38
5.3.2半导体制冷的散热效果..........................................................................................39
5.3.3半导体制冷的设计.................................................................................................40
5.4本章小结......................................................................................................................40
六章结束语......................................................................................................................41
6.1本文所做的工作及得到的结论........................................................41
有待于进一步研究的问题...........................................................................................41
考文献..................................................................................................................................43
谢......................................................................................................................................46
录......................................................................................................................................47
学期间发表的学术论文和参加的科研情况......................................................................52

第一章 引言

1.1选题的背景和意义
在世界能源短缺,环境污染日益严重的今天,充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能LED照明系统以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，可以方便安装在广场、校园、公园、街道等多方面的优点而越来越受重视。
我国在1996年提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解决与照明相关的能源供应和经济效益问题。绿色照明的科学定义为：绿色照明是指通过科学的照明设计采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品（电光源、灯用电器附近、灯具、配线器材，以及调光控制和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。照明的质量和水平已成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。
作为固体光源的LED发光二极管，真正点燃了“绿色照明”的光辉，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。LED照明的应用前景在全世界掀起了高潮，被给予了厚望。
目前照明消耗约占整个电力消耗的20%，大幅降低照明用电是节约能源的重要途径。开发和应用更高效，可靠，安全，使用寿命长的新型太阳能节能光源势在必行。一般的太阳能LED照明系统如下图1-1所示，其实质是一个小的独立光伏系统，主要由几大部分组成，即太阳能电池、蓄电池、控制器、LED光源。
太阳能电池板
蓄电池
LED光源
控制器

图1-1 太阳能LED照明系统结构图

太阳能路灯控制器主要采用脉宽调制充电方式，具有过充、过放、短路保护和过充点的温度自动补偿功能。在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，应该既保证光伏阵列处于最佳工作状态，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。但在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，在设计充电控制时通常只顾及到一个方面，如何兼顾三者的关系，寻求最优充电控制策略，是一个设计难点。针对目前的太阳能照明路灯系统所存在的问题，本文通过对典型的照明控制器进行优化设计，将最大功率跟踪技术引入太阳能LED照明系统中，保证光伏阵列工作在最佳工作状态，以提高系统的工作效率。从而使整个路灯系统的可靠性得以提高。研究和开发光效更高、更节能、更能适合太阳能灯具发展的LED新型发光源就显得势在必行。新型LED发光源的开发与利用，可以提高光源亮度，降低功率消耗，提高发光效率，降低整体太阳能灯具的功率匹配，从而降低太阳能灯具成本，使其性价比提高，在节能环保和太阳能灯具的市场普及方面具有重大的现实意义。
1.2国内外光伏发电发展现状
1839年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，1954年美国贝尔实验室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳电池。在可再生能源中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一。最近10年太阳电池产量年平均增长率为37%，最近五年的年平均增长率为45%。发展可再生能源的时代己经到来传统的化石能源日益枯竭，并且利用过程中严重污染环境制约了世界经济的可持续发展。能源的需求有增无减，能源资源已成为重要的战略物资。而太阳能是最有发展前景的可再生能源。
1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点。
1997年，美国提出“百万太阳能光伏屋顶”计划，预计2010年完成。同年，日本“新阳光计划”，到2010年将生产43亿瓦光伏电池。同年，欧盟提出“百万光伏屋顶计1999年，德国实施“十万光伏屋顶计划”，并实行低息贷款。近年发达国家还制定了“研发路线图”。
在光伏应用和安装方面，德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场。年全球安装太阳电池组件1460MW，比前一年增长了34%。德国安装837MW，比前一年增53%;占世界安装量的57%;日本安装292MW，比前一年增长了14%，占世界安装量的2美国安装102MW，占世界安装量的7%;欧洲其它地区安装88MW，占世界安装量的6%;其它地区安装146姗，占世界安装量的10%。
1.2.2我国光伏产业发展现状
1958年，我国开始研究太阳电池。1971年，首次将光伏电池成功应用于东方红2星。1973年，开始太阳电池地面应用。从上世纪70年代初到80年代末，由于成本高，阳电池在地面的应用非常有限。90年代以后，随着成本的降低，太阳电池向工业领域和村电气化应用方向发展。市场稳步扩大，国家和地方政府开始制订光伏计划。2002年，家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速发展起来，总装机容量从2年的23500kw迅速增长到2002年的45000kw，至2003年达到55000kw。2003~2005年，德国巨大的市场需求影响，国内光伏企业产能迅速扩展，产量迅速增长。
1.3光伏电源具有以下优势
(1)可靠。光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。目前己有数千套光伏系统的运行验，晶体硅的寿命可达20年以上。
(2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体，液体和气体有害废弃物，噪音几没有，无环境污染和公害问题。
(3)安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。
(4)兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要而使光伏系统任增容。
(5)标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要，通用性强。
(6)太阳能无处不有，应用范围广。
1.4新一代照明光源一白光LED
近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用节能环保的新技术。而半导体照明正是具有这种魅力的新技术。所谓半导体照明，是以半导体发光二极管(Lightning Emitting Diode，LED)作为光源的照明。应用半导体pN结发光原理制成LED问世于20世纪60年代初。在早期，由于LED光色、发光效能、光通量、光功率和价格等方面的限制，主要应用于指示、显示领域，如电子电气、热工仪表、自动化系统、通信设置、宇航空间开发、家用电气、交通运输工具中作为指示灯、告示牌、警戒灯以及信息广告、显示牌等。90年代以来，随着氮化稼为代表的第三代半导体的兴起，以及白色LED的成功研制，使LED照明成为可能。白光LED被认为是21世纪最有价值的新光源，白光LED照明取代传统照明而成为人类照明的主要方式，将是大势所趋。“绿色照明”是九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。照明的质量和水平己成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。作为固体光源的白光LED，真正点燃了“绿色照明”的光辉。白光LED照明的应用在全世界掀起了高潮，被寄予了厚望。美国能源部预测，到2010年将会有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每年可节电350亿美元。而我国科技部有关领导提出:我们要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机，推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照明工程”计划2007年半导体照明逐步取代白炽灯，2012年后取代荧光灯。目前，白光LED在发光强度方面，轴向已达到ZOcd以上，光效达50一70lm/W;色温可在5000K一10000K之间任意选择;显色指数在80以上。完全能符合普通照明之需要。
1.5论文的研究目的和意义
在光伏应用领域，太阳能照明占有重要的地位和份额，而LED太阳能路灯是一个具体而有价值的应用。太阳能与半导体LED照明的有机结合，能有效发挥二者的优势。在该照明系统中，包括硬件和软件两方面，从硬件上来说，要配备性能可靠、价格合理的光伏配套部件，如太阳能电池、蓄电池、控制器及灯具等。在软件方面，则要对光伏系统进行优化设计，包括确定合适的太阳能电池输出功率和蓄电池的容量、负载的大小、控制方式等。这项工作十分重要，如果设计不当.即使光伏配套部件再好，结果要么光伏系统不能正常运行，要么就是容量过大，造成很大浪费。所以，从一定意义上来讲，光伏系统设计要比光伏器件更加重要。
目前，光伏照明难以大面积推广的瓶颈不在于技术问题，而在于成本价格问题。本课题拟在太阳能电池、蓄电池和LED负载三者间进行合理测算、设计和实施以确定最佳匹配方案，优化系统设计，旨在保证同样照明要求的前提下降低运行成本，提高性能价格比。

第二章 太阳能LED照明系统的总体设计

2.1太阳能LED照明系统的基本结构
太阳能LED照明优化系统主要由以下部分组成，即太阳能电池、控制器、蓄电池、DC/DC、驱动电路、LED光源，如图2-1所示。
太阳能电池板
蓄电池
LED光源
控制器
驱动电路
DC/DC

图 2-1 太阳能照明系统结构框图

太阳能LED照明系统在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，在晚上点亮LED用于照明，是现代化绿色环保节能产品。具有智能控制系统，全天候供电无需管理人员。在系统设计时考虑连雨天气，把平时多余的电能储存到蓄电池内，确保用于阴雨天有足够的电能使用。系统各个组成部分的主要功能如下:
(1)太阳能电池阵列
由许多太阳能电池组件串、并联而成，其合成的容量可以是数百峰瓦(WP),也可达数个兆峰瓦(WP)甚至更大，组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的太阳能电池组成。一般来说，光伏阵列由于多为半导体器件构成，其特性(伏安特性)具有强烈的非线性。
(2)DC/DC（直流-直流变换器）环节
DC/DC环节是本系统的关键组成部分，它是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。在该环节中，由于太阳能电池阵列具有强烈的非线性特性，通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM—脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。
(3)驱动电路
驱动电路对输出的控制信号进行放大，产生满足功率器件正常工作要求的驱动电压。
(4)蓄电池组
蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配。该部分的主要作用是储存太阳能阵列所产生的电能，以备不时之需。而且由于蓄电 节。
(5)控制器
太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳能电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。
为保证太阳能电池阵列在任何日照和环境温度下始终以相应的最大功率输出，引入了太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT-Maximum Power Point Tracking)控制策略。在芯片内部写上由程序所构成的控制软件，配合外围的相关电路完成主要控制功能。
(6)LED光源
应保证亮度高，亮度辐射范围大且均匀，所使用的超高亮LED数量少。在太阳能照明灯具中，发光体所使用的LED数量从一个到上千个不等，一定数量的LED组合成一个发光体时，其排列和组合是一个非常重要的问题。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在LED排列组合上依据光学原理及数学模型，最有效的发挥超高亮LED的发光效率，并使得单位面积LED灯的数量少以降低成本。
2.2控制器的整体结构
在太阳能LED照明系统中，太阳能充放电控制器是整个照明系统中的核心部件，它的性能在一定程度上决定了整个照明系统的性能好坏。目前，市场上有各种各样的太阳能LED照明系统，典型的太阳能充放电控制器结构框图如图2-2所示：

输出驱动模块

微处理器
电源和复位模块
太阳能电池
电压采样模块
蓄电池电压采样模块
温度采样模块

电阻分压网络
显示模块
时钟电路模块

图2-2 控制器的结构框图

该控制器为脉宽调制型控制器，即太阳能电池对蓄电池充电采用脉宽调制方式，具有如下功能：
1)采用容量控制法防止蓄电池的过放电。容量控制方式：双灯控制（调整负载和工作时间）。
2)该控制器具备蓄电池充满点温度补偿功能：以25℃为基准，每2V蓄电池，温度补偿为-0.3mV/℃。
3)防止任何负载短路的电路保护。
4)防止夜间蓄电池向太阳能电池组件反向放电的保护。
5)防止蓄电池极性反接的电路保护。
6)该控制器最大自身耗电电流不得超过50mA。
7)该控制器充、放电回路的压降不得超过系统额定电压的5%。
8)该控制器的耐冲击电压为：在一小时内可承受高于太阳能电池组件开路电压的1.25倍的电压，而自身不损坏。
9)该控制器的耐冲击电流为：在一小时内可承受太阳能电池组件短路电流1.25倍的电流的冲击，而自身不损坏。
该控制器具有较高的价格性能比,安装维护简单,且工作稳定可靠。此控制器的电路特点是：
1、由于系统对转换速度要求不高，该控制器电路采用价格便宜的LM331构成A/D转换器，调节参数，可使LM331的转换精度达到4mv,如果采用12位的A/D转换器，其精度为10mv,而高精度的A/D转换器价格较贵。如果采用内部集成有A/D转换模块的PIC单片机，其A/D转换模块为10位，精度只能达到40mv，不能满足系统的精度要求。
2、充放电开关管采用功率MOSFET，只要保证开关的栅源电压，具有好的开关特性，而且采用继电器作为比较开关，耗能小。
3、单片机与开关管之间采用光电耦合器作为驱动和隔离元件，这样可以避免输出部分电源变化对单片机的影响，减少系统所受的干扰，提高系统的可靠性。此路灯控制器采用了脉宽调制充电方式，并且具有过充点的温度自动补偿功能。在独立太阳能发电系统中，为了降低成本、提高效率和可靠性，既保证太阳能电池阵列处于最佳工作状态，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，在设计充电控制通常只顾及到一个方面，如何兼顾三者的关系，寻求最优充电控制策略，这也是一个设计难点，也是本文所重点研究的内容。

第三章 太阳能电池板

3.1太阳能的工作原理和特性
3.1.1太阳能电池的基本原理
太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转化为电能。所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应和外观。
可将半导体太阳能电池的发电过程概述如下：①首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。②太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）—电子—空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。③这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的作用下，电子—空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在p-n结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。④在太阳能电池p-n结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能。

图3-1太阳能电池的电路及等效电路

太阳能电池的电路及等效电路如图3-1所示，其中中为电池的外负载电阻。当=0时，所测的电流为电池的短路电流，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。当趋于无穷时，所测得的电压为电池的开路电压。所谓开路电压，就是将太阳能电池置于100的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。（二极管电流）为通过p-n结的总扩散电流，其方向与相反。为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成。为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。一个理想的太阳能电池，串联电阻很小，而并联电阻很大。由于和是分别串联和并联在电路中的，所以在进行理想的电路设计时，它们可以忽略不计。此时，流过负载的电流为:
（3-1）
理想的p-n结特性曲线方程为
（3-2）
式中—太阳能电池在无光照时的饱和电流，A;
q—电子电荷，C；
K—玻尔兹曼常数；
T—热力学温度，K；
A—常数因子（正偏电压大时A值为1，正偏电压小时A值为2）；
e—自然对数的底。
当=0时，电压U即为可用下式表示：
（3-3）
3.1.2太阳能电池的特性曲线
根据（3-2）（3-3）两式作图，及坐标变换可得到太阳能电池的电流—电压关
系曲线，如图3-2所示.这个曲线，可简称为I—U曲线，或伏—安曲线。

图3-2 太阳能电池特性曲线
太阳能电池的I-V特性曲线包含其绝大多数技术特性，是系统分析最重要的方面。太阳能电池的I-V特性是指在某一确定的日照强度和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流之间的关系，如图3-2所示。I-V特性曲线表明:太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。曲线上的每一点都唯一对应着太阳能电池在该一工作电压下的输出功率，表示对应于该日照强度和环境温度下的太阳能电池所能输出的最大功率，和则表示太阳能电池输出最大功率时所对应的工作点电压和电流。也就是说，在一定的温度和日照强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率点，当太阳能电池工作在该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。在最大功率点左侧，
太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而增大;在最大功率点右侧，太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。
根据特性曲线可以定义出太阳能电池的几个重要技术参数:
(1)短路电流()在给定温度照度下所能输出的最大电流。
(2)开路电压()在给定温度照度下所能输出的最大电压。
(3)最大功率点电流()在给定温度照度下最大功率点对应的电流。
(4)最大功率点电压()在给定温度照度下最大功率点对应的电压。
(5)最大功率点功率()在给定温度照度下所能输出的最大功率， =× 。
此外，P-V特性曲线可以更直观的确定、和，它是利用I-V特性曲线数据通过计算后作出的，如图3-3中虚线所示。
图3-3(a)和图3-3(b)分别为太阳能电池在温度变化和日照强度变化下的P-V特性曲线，从图中可以看一出，太阳能电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时，太阳能电池的开路电压下降，短路电流略有增加，最大输出功率减小;当日照强度增加时，太阳能电池的开路电压变化不大，短路电流增加明显，最大输出功率增加。

图3-3 太阳能电池的P-V特性曲线
3.2太阳能电池的最大功率跟踪
3.2.1最大功率点跟踪原理
由于目前太阳能电池的成本高、转换效率低，并且其输出功率易受日照强度、环境温度等因素的影响，因此，为了提高太阳能照明系统的效率，在现在的太阳能照明系统中，通常要求太阳能电池的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪太阳能电池的最大功率点。
最大功率点跟踪控制（MPPT）策略实时检测太阳能电池阵列的输出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使太阳能电池的结温升高使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态。
3.3本系统采用的MPPT控制方式
太阳能电池的输出呈非线性，随着光照强度和电池表面温度的改变，它的输出也发生改变。为了避免能量的损失，国内外提出了多种实现办法。本论文采用功率比较法以此来提高系统的跟踪效率。
3.3.1功率比较法
3.3.1.1原理
让流通率α连续变化，即可得出功率的输出特性如图3-4所示，由图可见，输出最大功率值。

由于用变换器的太阳能发电系统其输出特性具有上述特征，故可取实时的发电功率，把α作定量(△α)增减，以决定最大功率。这是一种最简单的求取最佳工作点方法，称为功率比较法。
当变换器流通率的变化量△α值恒定时，功率比较法的核心是用前后功率大小的比较来确定最佳工作点。
该方法的特点是:
(1)当α增加△α时，P单调增加，则应当让α进一步增加△α(图4-9中的A区);
(2)当α增加△α时，P单调减少，则应当让α减少△α(图4-9中的B区)
(3)当α减少△α时，P单调增加，则应当让α进一步减少△α(图4-9中的C区);
(4)当α减少△α时，P单调减少，则应当让α增加△α(图4-9中的D区)
如图3-4所示的P-α特性曲线是一条凸形的非线性曲线，只要选定初始值。和适当的△α，可以逐步逼近到值。此外，检测的信息只是发电功率大小，因此硬件结构简单是其优点。该方案的最大缺陷是不能适应日照量的急剧变化，在短时间内寻找出正确的最佳工作点。此外，当△α固定时，该值的大小将对最佳工作点的跟踪时间和发电功率的脉动值有影响。因此，△α的选择要十分慎重。
4.3.1.2功率比较法的算法设计
α初始值设定为0.5,△α初取为0.01，设程序的控制周期T为70（ms）,则控制流程图如图3-5所示。
开始

PWM输出
采集U、I数据，A/D转换
计算
计算

采集U、I数据，A/D转换

PWM输出

图3-5功率比较法跟踪最大功率流程图
3.4本章小结
本章对太阳能发电系统中重要的环节—“太阳能电池最大功率点的跟踪方案”进行原理的阐述和实验论证。证明不管日照量是恒定还是急变，均能高速而稳定地跟踪最大功率点。本方案的另一优点是确定变换器通流率α的检测信息只是发电功率，因此，控制硬件简单，只要用单片机即可构成简单、廉价装置，对于小规模太阳能发电系统非常适用。同时在最大功率点跟踪策略中引入模糊控制理论，并对这一思想进行简要介绍。

第四章 主体电路的设计
为了使路灯亮度能够调节，本文采用由多个LED组成一盏路灯的方法，控制各个LED的亮灭来达到调节路灯亮度的目的。为了使分析简单明了，在本文以下的分析中暂且假设一盏路灯内部包含三个LED。
4.1整体电路设计
整个太阳能路灯系统的原理示意图如图4-1所示，其中的太阳能电源电路采用光伏电池和超级电容器作为能量转化与储能系统；微控制器采用AT公司生产的AT89C51；单盏路灯中暂设为包含三个LED，可以通过控制LED亮灭的个数调节路灯的亮度；驱动电路为恒流LED驱动电路，可以保证电流稳定和LED亮度恒定。

图4-1 整体电路框图
4.1.1电源电路设计
如图4-2所示，BT1为光伏电池，C1为超级电容器，为单片机以及LED提供电源，R1，R5为分压电阻，R2，R3，R4为限流电阻，C2为滤波及稳压电容器。Q1用来控制Q2的导通与关断，Q2的发射极接单片机电源，控制单片机的开关。白天有太阳照射时，光伏电池产生电能，通过二极管D0将电能储存进超级电容器C1，D0可以保证超级电容器中的电流不倒灌入光伏电池。此时A点电位上升，三极管Q1基极为高电平，Q1导通，B点电位为低，致使三极管Q2关断，超级电容器储存的电能无法送到单片机，单片机没有电源，处于未启动状态，路灯处于熄灭状态。当夜晚降临，阳光减少，光伏电池上储存的电量开始降低，致使A点电位降低，Q1关断，超级电容器储存的电能开始令B点电位上升，Q2开通，单片机上电，路灯被点亮，整个路灯系统开始运行。

图4-2电源电路
4.1.2 LED驱动电路
直接从单片机管脚输出的电平难以驱动高辉度的LED路灯，因此本文采用如图4-3所示的驱动电路。此驱动电路为恒流LED驱动电路，Q7基极接单片机PX（X=1，2，3）口。D1为齐纳二极管，作为加在Q3的基极上，由于基极偏压稳定，集电极电流Ic也随着稳定，根据Ic=（VZD-VBE）/R10，即使电压源VDD变化Ic也不会变化，可以保证电流和亮度稳定。
4.1.3单片机的算法实现
本文从合理利用能源的角度出发，分析了太阳能路灯在一天内的运行状态，认为其工作过程可分为三个阶段：
（1）下午18点至晚上20点。此阶段是全天开始进入黑暗的时段，路面光线逐渐变暗，太阳能路灯开始投入运行，此时路灯的亮度不必达到最大，我们将其亮度等级划为C级；
（2）晚上20点至凌晨12点。此时段路面光线最暗，路灯亮度应调为最大。亮度等级为A级；
（3）零点至次日凌晨3点。此阶段间路上行人较少，因此路灯亮度可稍稍降低，亮度等级为B级；
（4）凌晨3点至5点。此阶段所需亮度也较低，亮度等级也为C级。
基于以上分析得出结论：太阳能路灯必须拥有智能化控制技术才能实现路灯亮度的自动调节。单片机控制LED亮度变化的算法如图4所示。

图4-3 单片机算法流程图
由图4-3算法可知，当单片机上电时，程序自动运行，当P1输出高电平时，驱动LED1发光，此时路灯亮度级别为C级，经延时2个小时后P2与P3口同时输出高电平，LED2与LED3也开始发光，路灯亮度级别为A级，依次类推直到P1，P2，P3口全部输出低电平，此时路灯彻底熄灭。

4.2 DC/DC变换器
目前DC/DC主要有Buck电路结构、Boost电路结构、Buck一Boost电路结构和Cuk电路结构四种，图4-4的a)、b)、c)、d)分别表示了这四种电路结构的拓扑，这四种结构都是由功率开关管、二极管、电感元件、电容元件组成的Dc一Dc变换电路。

图4-4四种主要充电电路拓扑结构
图a)为Buck电路，又称Buck变换器，其工作原理是:当开关管导通时，电流通过电感L对蓄电池和电容充电，二极管承受反向电压，电能转变为磁场能;当开关管闭合时，由于电感线圈电流不突变，负载电流方向不变，电容处于放电状态，从而继续维持输出电流和电压恒定，此时二极管承受正向偏压。Buck电路的输出电压v。满足 vo=Duty×vs，其中Duty为开关管的占空比。由于Buck变换器输出电压小于输入电源电压Vs，故又称为降压变换器。
图b)为Boost电路，其工作原理是:当开关管导通时，电流流过电感L，电能以磁场能形式储存在电感线圈中，电容C放电，二极管承受反向电压;