CN104507225A - 一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，太阳能电池组件、长工作周期储能电池、大容量储能电池、单片机、充电开关阵列和放电开关阵列、太阳能充电电路、蓄电池、单片机、采样电路，太阳能电池组件电能输出端连接太阳能充电电路电能输入端，所述太阳能充电电路电能输出端连接蓄电池接入端，所述太阳能充电电路电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，所述采样电路采样信号输出端连接单片机采样信号输入端，所述蓄电池电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，可以显著提高太阳路灯的使用寿命。使太阳路灯系统寿命增加一倍以上，并且还具有低成本，高可性，简单等特点，具有非常高的实用价值。

Description

一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统

技术领域

本发明涉及太阳能控制领域，尤其涉及一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统。

背景技术

太阳能路灯使用太阳能光伏电池提供电能，太阳能作为一种绿色环保的新能源，“取之不竭、用之不尽”。充分利用太阳能资源，对缓解常规能源紧张的情况有积极意义。太阳能路灯是以太阳能作为电能供给用来提供夜间道路照明具有：安装简便、免挖沟渠、免铺电缆、工作稳定可靠、等特点。太阳能路灯的安装简单、方便，无需像普通路灯那样做铺设电缆等大量基础工程，太阳能路灯在近几年发展迅速，每年在以30％的速度递增，在日照不好的地区，如华南和西南多阴雨的地区因日照时数少，光照强度低，被认为是不适合应用地区。在目前的市面的太阳能路灯系统有以下问题。

现有系统一般采用直接对蓄电池进行充电，并没有对太阳能转换环节进行控制，由于阵列的输出状态受到电池工作状态的限制，输出功率往往不在阵列的最大功率点，严重影响了发电效率。

现有的太阳能路灯寿命比较短一般只有1-2年，其中主要是蓄电池的寿命短，使用铅酸电池蓄电池只能使用1-2年，循环充放电次数300-500次。在整个路灯成本中电池的成本占整个系统的30％以上，如果使用寿命比较长的磷酸铁理电池，造价将会增加一倍以上。在实际使用中由于价格比较高应用比较少。

现在的太阳能路灯系统的输出，一般采用直通(开关)方式输出，及太阳能控制输出后，还需在LED灯具中增加驱动电源必然会增加功耗，给灯具适配造成困难，无法监测灯具的工作状态，无法控制负载功率。特别是在低日照地区应用时，会造成长期灯不亮，蓄电池亏电损坏。寿命短等问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其关键在于，太阳能电池组件、长工作周期储能电池、大容量储能电池、单片机、充电开关阵列和放电开关阵列、太阳能充电电路、蓄电池、单片机、采样电路，

太阳能电池组件电能输出端连接太阳能充电电路电能输入端，所述太阳能充电电路电能输出端连接蓄电池接入端，所述太阳能充电电路电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，所述采样电路采样信号输出端连接单片机采样信号输入端，所述蓄电池电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，连接蓄电池的采样电路采样信号输出端连接单片机采样信号输入端，所述单片机电压调整信号输出端连接电压调整电路信号输入端，所述电压调整电路信号输出端连接灯具，所述采样反馈电路信号输入端连接单片机采样反馈信号输入端，所述单片机控制充电开关阵列工作，使太阳能电池组件为长工作周期储能电池、大容量储能电池之一充电，单片机控制放电开关阵列工作，使长工作周期储能电池、大容量储能电池之一放电，为灯具供电；

所述电压调整电路包括：第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电感、第三晶体管、第四晶体管、第五三极管、第六三极管，

单片机电压降压调整端连接第八二极管负极和第十七电阻一端，所述第十七电阻另一端连接第六三极管基极，所述第八二极管正极连接第六三极管集电极，所述第六三极管发射极连接第二十三电阻一端和第三晶体管栅极，所述第三晶体管漏极连接蓄电池正极，所述第三晶体管源极连接第四晶体管源极和第一电感一端，所述第一电感一端还连接第六二极管负极，所述第六二极管正极连接采样电路，所述第六二极管正极还连接第四晶体管漏极，所述第四晶体管漏极还连接第二十一电阻一端，所述第二十一电阻另一端分别接地和连接第五三极管集电极，所述第五三极管发射极分别连接第二十电阻一端和第二十二电阻一端，所述第二十二电阻一端还连接第四晶体管栅极，所述第二十二电阻另一端连接第二十一电阻一端，所述第二十电阻另一端连接供电电源，所述第五三极管基极连接第十九电阻一端，所述第十九电阻另一端连接第十八电阻一端和单片机电压升压调整端，所述第一电感另一端连接第七二极管正极，所述第七二极管负极连接第七电容一端，所述第七电容另一端连接第六二极管正极，所述第七电容另一端还连接第二十五电阻一端，所述第二十五电阻另一端分别连接单片机电压直接输出端和第二十四电阻一端，第二十四电阻另一端连接LED灯正极和第七二极管负极，LED灯负极连接第二十五电阻一端。

上述技术方案的有益效果为：无需考虑系统电压电流的适配等技术瓶颈，在太阳能路灯控制器使用中只需要设定太阳能路灯灯具的功率，太阳能路灯控制器就能够自动适应路灯灯具的电压，电流等工作参数，本太阳能路灯控制器能实现DC0V-300V宽电压输出。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述太阳能充电电路包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一晶体管、第二三级管、第一二极管、第二二极管，

第一电容一端连接太阳能电池组件正极，所述太阳能电池组件负极连接第一电容另一端，第一电容一端还连接第一二极管正极，所述第一二极管负极分别连接第一电阻一端和第一晶体管漏极，所述第一晶体管漏极连接第一电阻另一端，所述第一晶体管源极连接第二电容一端，所述第二电容另一端接地，所述第一电阻另一端还连接第二三级管集电极，所述第二三级管基极连接第二电阻一端，所述第二电阻另一端连接单片机充电信息管理端，所述第二场效应管发射极连接地，第一电容正极连接太阳能组件整机，第一电容负极接地，所述第二电容正极还连接蓄电池正极，所述第二电容负极接地，第四电阻一端连接蓄电池正极，所述第四电阻另一端连接第三电容正极，所述第三电容负极接地，第三电容负极连接第三电阻一端，所述第三电阻另一端连接蓄电池负极，所述第三电容正极还连接第九稳压管正极，所述第九二极管负极接地，所述第九稳压管正极还连接稳压电路输入端，所述稳压电路输出端连接第四电容一端，所述第四电容另一端接地。

上述技术方案的有益效果为：通过充电电路的设计，保证充电安全稳定，充电流畅，电路设计合理。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述采样电路包括：电压采样电路和电流采样电路，

所述电压采样电路信号输入端连接太阳能充电电路电压信号输出端，所述电压采样电路信号输出端连接单片机电压信号输入端；所述电流采样电路信号输入端连接太阳能充电电路电流信号输出端，所述电流采样电路信号输出端连接单片机电流信号输入端。

上述技术方案的有益效果为：通过电压采样电路和电流采样电路进行采样处理工作，从而实时获取电压和电流的工作数据。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述电压采样电路包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第二二极管、第三二极管、电压比较器，

第五电阻一端连接蓄电池，所述第五电阻另一端连接电压比较器电源输入端，所述第六电阻一端接地，所述第六电阻另一端分别连接电压比较器反相输入端和第九电阻一端，所述第九电阻另一端分别连接第十电阻一端和电压比较器正向输入端，所述第十一电阻一端连接电压调整电路，所述第十一电阻另一端连接电压比较器电压信号输入端，所述第十电阻另一端分别连接单片机信号输入端和第二二极管正极，所述第二二极管负极接地，所属第六电阻一端还连接第七电阻一端，所述第七电阻另一端分别连接电压比较器输出端和第八电阻一端，所述第八电阻另一端连接第十二电阻一端所述第十二电阻另一端连接单片机信号输入端，所述第十二电阻另一端连接第三二极管正极，所述第三二极管负极接地。

上述技术方案的有益效果为：所述电压采样电路电路布图合理，运行稳定可靠。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述电流采样电路包括：第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第五电容、第六电容、第四二极管、第五二极管，

太阳能电池组件电流信号端连接第十三电阻一端，所述第十三电阻另一端分别连接第十四电阻一端和第五电容一端，所述第五电容一端还连接第四二极管负极和单片机电流信号输入端，所述第五电容另一端连接第十四电阻另一端和第四二极管正极，所述第四二极管正极还连接第五二极管负极，所述第五二极管正极连接单片机信号输入端，所述第五二极管正极还分别连接第六电容一端和第十六电阻一端，所述第六电容另一端分别连接第五二极管负极和第十六电阻另一端，所述第十六电阻一端还连接第十五电阻一端，所述第十五电阻另一端连接电压调整电路。

上述技术方案的有益效果为：所述电流采样电路电路布图合理，运行稳定可靠。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述电压调整电路包括：第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电感、第三晶体管、第四晶体管、第五三极管、第六三极管，

单片机电压降压调整端连接第八二极管负极和第十七电阻一端，所述第十七电阻另一端连接第六三极管基极，所述第八二极管正极连接第六三极管集电极，所述第六三极管发射极连接第二十三电阻一端和第三晶体管栅极，所述第三晶体管漏极连接蓄电池正极，所述第三晶体管源极连接第四晶体管源极和第一电感一端，所述第一电感一端还连接第六二极管负极，所述第六二极管正极连接采样电路，所述第六二极管正极还连接第四晶体管漏极，所述第四晶体管漏极还连接第二十一电阻一端，所述第二十一电阻另一端分别接地和连接第五三极管集电极，所述第五三极管发射极分别连接第二十电阻一端和第二十二电阻一端，所述第二十二电阻一端还连接第四晶体管栅极，所述第二十二电阻另一端连接第二十一电阻一端，所述第二十电阻另一端连接供电电源，所述第五三极管基极连接第十九电阻一端，所述第十九电阻另一端连接第十八电阻一端和单片机电压升压调整端，所述第一电感另一端连接第七二极管正极，所述第七二极管负极连接第七电容一端，所述第七电容另一端连接第六二极管正极，所述第七电容另一端还连接第二十五电阻一端，所述第二十五电阻另一端分别连接单片机电压直接输出端和第二十四电阻一端，第二十四电阻另一端连接LED灯正极和第七二极管负极，LED灯负极连接第二十五电阻一端。

上述技术方案的有益效果为：所述电压调整电路能够实现升压、降压和直通电源的功能。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述充电开关阵列包括第一晶体管和第三晶体管，

放电开关阵列包括第二晶体管和第四晶体管，单片机的第一充电信号输出端连接第一晶体管栅极，单片机的第二充电信号输出端连接第三晶体管栅极，单片机的第一放电信号输出端连接第二晶体管栅极，单片机的第二放电信号输出端连接第三四晶体管栅极；

所述第一晶体管漏极分别连接第二晶体管源极和大容量储能电池正极，所述第二晶体管漏极连接超级电容一端，所述超级电容另一端连接太阳能电池板负极；

所述第三晶体管漏极连接长工作周期储能电池正极，所述第三晶体管漏极还连接第四晶体管源极，所述第四晶体管漏极连接超级电容一端。

上述技术方案的有益效果为：充电开关阵列和放电开关阵列能够有效的对蓄电池电能进行充放电操作。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述长工作周期储能电池采用超级电容代替，

所述超级电容一端还连接路灯灯具正极，所述超级电容另一端连接路灯灯具负极，，所述长工作周期储能电池负极连接太阳能电池组件负极，所述大容量储能电池负极连接太阳能电池组件负极。

上述技术方案的有益效果为：所述超级电容能够进行电能积蓄，并且有效放电。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

无需考虑系统电压电流的适配等技术瓶颈，在太阳能路灯控制器使用中只需要设定太阳能路灯灯具的功率，太阳能路灯控制器就能够自动适应路灯灯具的电压，电流等工作参数，本太阳能路灯控制器能实现DC0V-300V宽电压输出。

可以显著提高太阳路灯的使用寿命。使太阳路灯系统寿命增加一倍一上，最长可达到15年。并且还具有低成本，高可性，简单等特点，具有非常高的实用价值。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统电路示意图；

图2是本发明自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统电压调整电路示意图；

图3-5为工作原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其关键在于，太阳能电池组件、长工作周期储能电池、大容量储能电池、单片机、充电开关阵列和放电开关阵列、太阳能充电电路、蓄电池、单片机、采样电路，

太阳能电池组件电能输出端连接太阳能充电电路电能输入端，所述太阳能充电电路电能输出端连接蓄电池接入端，所述太阳能充电电路电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，所述采样电路采样信号输出端连接单片机采样信号输入端，所述蓄电池电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，连接蓄电池的采样电路采样信号输出端连接单片机采样信号输入端，所述单片机电压调整信号输出端连接电压调整电路信号输入端，所述电压调整电路信号输出端连接灯具，所述采样反馈电路信号输入端连接单片机采样反馈信号输入端，所述单片机控制充电开关阵列工作，使太阳能电池组件为长工作周期储能电池、大容量储能电池之一充电，单片机控制放电开关阵列工作，使长工作周期储能电池、大容量储能电池之一放电，为灯具供电。

上述技术方案的有益效果为：无需考虑系统电压电流的适配等技术瓶颈，在太阳能路灯控制器使用中只需要设定太阳能路灯灯具的功率，太阳能路灯控制器就能够自动适应路灯灯具的电压，电流等工作参数，本太阳能路灯控制器能实现DC0V-300V宽电压输出。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述太阳能充电电路包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一晶体管、第二三级管、第一二极管、第二二极管，

第一电容一端连接太阳能电池组件正极，所述太阳能电池组件负极连接第一电容另一端，第一电容一端还连接第一二极管正极，所述第一二极管负极分别连接第一电阻一端和第一晶体管漏极，所述第一晶体管漏极连接第一电阻另一端，所述第一晶体管源极连接第二电容一端，所述第二电容另一端接地，所述第一电阻另一端还连接第二三级管集电极，所述第二三级管基极连接第二电阻一端，所述第二电阻另一端连接单片机充电信息管理端，所述第二场效应管发射极连接地，第一电容正极连接太阳能组件整机，第一电容负极接地，所述第二电容正极还连接蓄电池正极，所述第二电容负极接地，第四电阻一端连接蓄电池正极，所述第四电阻另一端连接第三电容正极，所述第三电容负极接地，第三电容负极连接第三电阻一端，所述第三电阻另一端连接蓄电池负极，所述第三电容正极还连接第九稳压管正极，所述第九二极管负极接地，所述第九稳压管正极还连接稳压电路输入端，所述稳压电路输出端连接第四电容一端，所述第四电容另一端接地。

上述技术方案的有益效果为：通过充电电路的设计，保证充电安全稳定，充电流畅，电路设计合理。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述采样电路包括：电压采样电路和电流采样电路，

所述电压采样电路信号输入端连接太阳能充电电路电压信号输出端，所述电压采样电路信号输出端连接单片机电压信号输入端；所述电流采样电路信号输入端连接太阳能充电电路电流信号输出端，所述电流采样电路信号输出端连接单片机电流信号输入端。

上述技术方案的有益效果为：通过电压采样电路和电流采样电路进行采样处理工作，从而实时获取电压和电流的工作数据。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述电压采样电路包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第二二极管、第三二极管、电压比较器，

第五电阻一端连接蓄电池，所述第五电阻另一端连接电压比较器电源输入端，所述第六电阻一端接地，所述第六电阻另一端分别连接电压比较器反相输入端和第九电阻一端，所述第九电阻另一端分别连接第十电阻一端和电压比较器正向输入端，所述第十一电阻一端连接电压调整电路，所述第十一电阻另一端连接电压比较器电压信号输入端，所述第十电阻另一端分别连接单片机信号输入端和第二二极管正极，所述第二二极管负极接地，所属第六电阻一端还连接第七电阻一端，所述第七电阻另一端分别连接电压比较器输出端和第八电阻一端，所述第八电阻另一端连接第十二电阻一端所述第十二电阻另一端连接单片机信号输入端，所述第十二电阻另一端连接第三二极管正极，所述第三二极管负极接地。

上述技术方案的有益效果为：所述电压采样电路电路布图合理，运行稳定可靠。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述电流采样电路包括：第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第五电容、第六电容、第四二极管、第五二极管，

太阳能电池组件电流信号端连接第十三电阻一端，所述第十三电阻另一端分别连接第十四电阻一端和第五电容一端，所述第五电容一端还连接第四二极管负极和单片机电流信号输入端，所述第五电容另一端连接第十四电阻另一端和第四二极管正极，所述第四二极管正极还连接第五二极管负极，所述第五二极管正极连接单片机信号输入端，所述第五二极管正极还分别连接第六电容一端和第十六电阻一端，所述第六电容另一端分别连接第五二极管负极和第十六电阻另一端，所述第十六电阻一端还连接第十五电阻一端，所述第十五电阻另一端连接电压调整电路。

上述技术方案的有益效果为：所述电流采样电路电路布图合理，运行稳定可靠。

如图2所示，所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述电压调整电路包括：第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电感、第三晶体管、第四晶体管、第五三极管、第六三极管，

单片机电压降压调整端连接第八二极管负极和第十七电阻一端，所述第十七电阻另一端连接第六三极管基极，所述第八二极管正极连接第六三极管集电极，所述第六三极管发射极连接第二十三电阻一端和第三晶体管栅极，所述第三晶体管漏极连接蓄电池正极，所述第三晶体管源极连接第四晶体管源极和第一电感一端，所述第一电感一端还连接第六二极管负极，所述第六二极管正极连接采样电路，所述第六二极管正极还连接第四晶体管漏极，所述第四晶体管漏极还连接第二十一电阻一端，所述第二十一电阻另一端分别接地和连接第五三极管集电极，所述第五三极管发射极分别连接第二十电阻一端和第二十二电阻一端，所述第二十二电阻一端还连接第四晶体管栅极，所述第二十二电阻另一端连接第二十一电阻一端，所述第二十电阻另一端连接供电电源，所述第五三极管基极连接第十九电阻一端，所述第十九电阻另一端连接第十八电阻一端和单片机电压升压调整端，所述第一电感另一端连接第七二极管正极，所述第七二极管负极连接第七电容一端，所述第七电容另一端连接第六二极管正极，所述第七电容另一端还连接第二十五电阻一端，所述第二十五电阻另一端分别连接单片机电压直接输出端和第二十四电阻一端，第二十四电阻另一端连接LED灯正极和第七二极管负极，LED灯负极连接第二十五电阻一端。

上述技术方案的有益效果为：所述电压调整电路能够实现升压、降压和直通电源的功能。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述充电开关阵列包括第一晶体管和第三晶体管，

放电开关阵列包括第二晶体管和第四晶体管，单片机的第一充电信号输出端连接第一晶体管栅极，单片机的第二充电信号输出端连接第三晶体管栅极，单片机的第一放电信号输出端连接第二晶体管栅极，单片机的第二放电信号输出端连接第三四晶体管栅极；

所述第一晶体管漏极分别连接第二晶体管源极和大容量储能电池正极，所述第二晶体管漏极连接超级电容一端，所述超级电容另一端连接太阳能电池板负极；

所述第三晶体管漏极连接长工作周期储能电池正极，所述第三晶体管漏极还连接第四晶体管源极，所述第四晶体管漏极连接超级电容一端。

上述技术方案的有益效果为：充电开关阵列和放电开关阵列能够有效的对蓄电池电能进行充放电操作。

所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，优选的，所述长工作周期储能电池采用超级电容代替，

所述超级电容一端还连接路灯灯具正极，所述超级电容另一端连接路灯灯具负极，，所述长工作周期储能电池负极连接太阳能电池组件负极，所述大容量储能电池负极连接太阳能电池组件负极。

上述技术方案的有益效果为：所述超级电容能够进行电能积蓄，并且有效放电。

系统采用Buck DC/DC电压转换器以实现最大电流跟踪，以场效应管作为电子开关器件；采用PWM控制方式，工作频率为20-100kHz。在场效应管开关的一个周期内，电感的电流是连续的，则Buck DC/DC转换器的降压比等于PWM控制信号的占空比。所以MPPT的控制策略是通过调整PWM的占空比D来调整Buck DC/DC转换器的降压比，以达到调整发电设备工作电压为最大功率点(MPP)电压的目的。太阳能最高效的充电，最大限度的利用太阳能却保低日照地区太阳应用。

采用两种电池供电，充分发挥两种电池的充放电特性，使用容量小寿命长的磷酸铁理电池或具有50万次充放电的超级电容作为一号电池，一号电池负责每天的充放电及保证路灯一晚上的用电量。二号电池使用容量较大价格比较便宜的铅酸电池作为电能仓库。二号电池负责储存多余的电量和在天气不好时的备用电量，充分发挥两种不同电池的特性，延长太阳能路灯的使用寿命一倍以上。

采用Boost升压式和Buckt降压式转换电路的组合的构成输出电路实现宽电压输出自适应灯具参数。

光伏系统工作时，由于季节温度和日照强度的不同，每个季节太阳资源是不一样的，每天太阳能电池板所产生的电能量多少也不一样，为了能充分的利用好这些电能，需要不同的充放电策略。本发明采用收集每天的充电的电能量数据，判断系统处于那个季节，跟据季节的不同实行不同的充放电策略。达到能量的动态平衡。以适应不同的环境不同的季节太阳能应用。实现太阳能路灯全年365天正常亮灯。

(1)、太阳电池的最大功率点跟踪控制方法，如图3所示，

在光伏系统中一般要求太阳电池始终输出最大功率，即系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。上图为太阳电池阵列的输出功率特性P2V曲线。由图可知，当太阳电池工作电压小于最大功率点电压Umax时，输出功率随太阳电池端电压V上升而增加；工作电压大于最大功率点电压Umax时，输出功率随V上升而减少。实现最大功率点跟踪实质上是一个自寻优过程，即通过控制太阳电池端电压V，使电池能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率，不断获得最大功率输出，这就完成太阳电池的最大功率跟踪。

线性电路原理如下图。图中负载上的功率为:PRo＝I2Ro＝(ViRi+Ro)/2×Ro，如图4所示，

将式(1)对Ro求导，因为Vi、Ri都是常数，所以可得:dPRo*dRo＝V2i(Ri-Ro)/(Ri+Ro)当Ro＝Ri时，PRo有最大值。对于线性电路来说，当负载电阻等于电源内阻时，电源有最大功率输出。虽然太阳电池和DC到DC变换电路都是强非线性的，但在极短的时间内，可认为是线性电路。因此，只要调节DC到DC转换电路的等效电阻使它始终等于太阳电池的内阻，就可实现太阳电池的最大功率输出，也就实现了太阳电池的最大功率点跟踪。从图2中可以看出，当Ro＝Ri时，Ro两端的电压是Vi2，这表明若Ro两端的电压等于Vi2，Po同样也是最大值。

通过调节负载两端的电压实现太阳电池的最大功率点跟踪。但是由于在太阳能路灯系统中负载是蓄电池，要调节负载两端的电压是做不到的，在我们的设计中通过一个DC到DC变换器来调节负载端的电流来实现最大功率跟踪。跟根P＝VI功式得知，在电压不变的情况下，电流增大，功率也会增大并成线性关系。在系统中只要保证在不同的情况下维持电流最大，就能保证太阳能板工作在最大功率点上。

我们在设计中将DC到DC变换器接入太阳电池的输入回路，并将对DC到DC变换器的输入、输出电压和电流测量结果通过单片机的分析运算，由单片机输出PWM脉冲调节DC到DC转换器内部开关管占空比的变化等值改变其负载大小，控制太阳电池的输出电流以实现最大功率点跟踪。由于采用了升降压式(Buck2Boost)DC到DC转换电路来实现最大功率点跟踪，所以该方法电路简单、软硬件结合、控制方法灵活，可以跟随环境的变化，准确地光照太阳电池输出的最大功率点，同时在跟踪过程中引起输出电能的振荡和波动极小。

(2)、双电池的存能装置

太阳能路灯由于它工作性质白天充电晚上放电的这种工作模式，理论上只要太阳能电池板每天的发电量够一晚上的用电量，系统就可以永远的运行，但由于季节和天气的因数，一年中太阳能资金源分布置不均。由于成本和安全考虑太阳能电池板不可能用的很大，为保证在冬天或长期阴雨天能正常使用。电池一般配置的比较大。常规的储能装置一般采用一只铅酸电池或锂电池作为能量储存装置，采有铅酸电池价格便宜，但是寿命很短，般使用铅酸电池蓄电池只能使用1-2年，循环充放电次数300-500次。如采用锂电池可以提高寿命，但高昂的价格往往让人望而却步。本专利采用两块电池供电一号电池容量小负责每天的充放电及保证路灯一晚上的用电量。二号电池容量大作为电能仓库。只在1号电池不够用时，才使用2号电池的电量，充分发挥两种不同电池的特性，延长太阳能路灯的使用寿命一倍以上。

(3)、根据季节的光照条件，灵活地变更充放电参数

采用负载功率控制实现在低日照地区，根据当前地理位置，季节，时间，气象条件，光的辐射量，浮尘浓度，工作环境以及剩余电量，灵活地变更充放电参数，以自适应调节灯的亮度，合理分配能量以不同的充放电策略达到能源的最大利用，并保证低日照地区或长期阴雨天的路灯正常照明。

进行太阳能路灯电池板电流检测，蓄电池电压检测，蓄电池电量监测，以及环境温度的检测，并实时检测这些动态数据。通过计算电流在时域上的积分，就可得出充放电量变化值存于系统中。系统首先根据30个充电周期(既30天)的数据，既可判断出所处的季节。

采用交流压降内阻测量法测得内阻值，给电池施加一个固定频率和固定电流，然后对其电压进行采样，经过整流、滤波等一系列处理后通过运放电路计算出该电池的内阻值。当根据这此以时间为标准，就可以建立起内阻一电量一循环周期的关系曲线，然后通过曲线拟合功能得出内阻电量以及循环周期的关系式。蓄电池内阻与剩余电量关系曲线如图，剩余电量随着内阻的增大而成指数趋势减小。在路灯工作前检测到的电池电量作为初始电量，则剩余电量为初始电量减去电量变化值。同时通过对MPPT电路的输出电流做积分，作为电量变化的校正值，从而得到较准确的剩余电量值。如图5所示。

根据季节和蓄电池的实时电量求出当天放电量。以自适应调节灯的亮度，合理分配能量以不同的充放电策略达到能源的最大利用，并保证低日照地区或长期阴雨天的路灯正常照明。

(4)、采用Boost升压式和Buckt降压式转换电路的组合的构成输出电路实现灯具宽电压输出自适应灯具参数。用户设定的负载的功率能过片机的串口或外部设定装置设定好以后。出厂时有相关初始设置，客户也可以进行自由设置。

系统先起动Buckt降压式转换电路，单片机控制PWM输出，使输出从0V逐渐升高，在过程中通过采样电路不断样输出的电压电流采样，通过微积分后进行乘积运算。求出实时功率，如小于设定功率。单片机继续控制PWM脉宽增加或减少。使电压继续上升。如接近设定功率。调整单片机控制步长使输出等于设定功率。如降压式转换电路无法达到设定功率则起动Boost升压式转换电路，直到达到设定功率后稳定输出。

所述单片机优选型号为STC15W408AS、STC12C5620AD、PIC16F687、PIC16F1783。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其特征在于，太阳能电池组件、长工作周期储能电池、大容量储能电池、单片机、充电开关阵列和放电开关阵列、太阳能充电电路、蓄电池、单片机、采样电路、电压调整电路，

太阳能电池组件电能输出端连接太阳能充电电路电能输入端，所述太阳能充电电路电能输出端连接蓄电池接入端，所述太阳能充电电路电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，所述采样电路采样信号输出端连接单片机采样信号输入端，所述蓄电池电能信号输出端连接采样电路采样信号输入端，连接蓄电池的采样电路采样信号输出端连接单片机采样信号输入端，所述单片机电压调整信号输出端连接电压调整电路信号输入端，所述电压调整电路信号输出端连接灯具，所述采样反馈电路信号输入端连接单片机采样反馈信号输入端，所述单片机控制充电开关阵列工作，使太阳能电池组件为长工作周期储能电池、大容量储能电池之一充电，单片机控制放电开关阵列工作，使长工作周期储能电池、大容量储能电池之一放电，为灯具供电；

所述电压调整电路包括：第十七电阻、第十八电阻、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻、第二十二电阻、第二十三电阻、第二十四电阻、第二十五电阻、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电感、第三晶体管、第四晶体管、第五三极管、第六三极管，

单片机电压降压调整端连接第八二极管负极和第十七电阻一端，所述第十七电阻另一端连接第六三极管基极，所述第八二极管正极连接第六三极管集电极，所述第六三极管发射极连接第二十三电阻一端和第三晶体管栅极，所述第三晶体管漏极连接蓄电池正极，所述第三晶体管源极连接第四晶体管源极和第一电感一端，所述第一电感一端还连接第六二极管负极，所述第六二极管正极连接采样电路，所述第六二极管正极还连接第四晶体管漏极，所述第四晶体管漏极还连接第二十一电阻一端，所述第二十一电阻另一端分别接地和连接第五三极管集电极，所述第五三极管发射极分别连接第二十电阻一端和第二十二电阻一端，所述第二十二电阻一端还连接第四晶体管栅极，所述第二十二电阻另一端连接第二十一电阻一端，所述第二十电阻另一端连接供电电源，所述第五三极管基极连接第十九电阻一端，所述第十九电阻另一端连接第十八电阻一端和单片机电压升压调整端，所述第一电感另一端连接第七二极管正极，所述第七二极管负极连接第七电容一端，所述第七电容另一端连接第六二极管正极，所述第七电容另一端还连接第二十五电阻一端，所述第二十五电阻另一端分别连接单片机电压直接输出端和第二十四电阻一端，第二十四电阻另一端连接LED灯正极和第七二极管负极，LED灯负极连接第二十五电阻一端。

2.根据权利要求1所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其特征在于，所述太阳能充电电路包括：第一电容、第二电容、第三电容、第四电容、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一晶体管、第二三级管、第一二极管、第二二极管，

第一电容一端连接太阳能电池组件正极，所述太阳能电池组件负极连接第一电容另一端，第一电容一端还连接第一二极管正极，所述第一二极管负极分别连接第一电阻一端和第一晶体管漏极，所述第一晶体管漏极连接第一电阻另一端，所述第一晶体管源极连接第二电容一端，所述第二电容另一端接地，所述第一电阻另一端还连接第二三级管集电极，所述第二三级管基极连接第二电阻一端，所述第二电阻另一端连接单片机充电信息管理端，所述第二场效应管发射极连接地，第一电容正极连接太阳能组件整机，第一电容负极接地，所述第二电容正极还连接蓄电池正极，所述第二电容负极接地，第四电阻一端连接蓄电池正极，所述第四电阻另一端连接第三电容正极，所述第三电容负极接地，第三电容负极连接第三电阻一端，所述第三电阻另一端连接蓄电池负极，所述第三电容正极还连接第九稳压管正极，所述第九二极管负极接地，所述第九稳压管正极还连接稳压电路输入端，所述稳压电路输出端连接第四电容一端，所述第四电容另一端接地。

3.根据权利要求1所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其特征在于，所述采样电路包括：电压采样电路和电流采样电路，

所述电压采样电路信号输入端连接太阳能充电电路电压信号输出端，所述电压采样电路信号输出端连接单片机电压信号输入端；所述电流采样电路信号输入端连接太阳能充电电路电流信号输出端，所述电流采样电路信号输出端连接单片机电流信号输入端。

4.根据权利要求1所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其特征在于，所述电压采样电路包括：第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、第十一电阻、第十二电阻、第二二极管、第三二极管、电压比较器，

第五电阻一端连接蓄电池，所述第五电阻另一端连接电压比较器电源输入端，所述第六电阻一端接地，所述第六电阻另一端分别连接电压比较器反相输入端和第九电阻一端，所述第九电阻另一端分别连接第十电阻一端和电压比较器正向输入端，所述第十一电阻一端连接电压调整电路，所述第十一电阻另一端连接电压比较器电压信号输入端，所述第十电阻另一端分别连接单片机信号输入端和第二二极管正极，所述第二二极管负极接地，所属第六电阻一端还连接第七电阻一端，所述第七电阻另一端分别连接电压比较器输出端和第八电阻一端，所述第八电阻另一端连接第十二电阻一端所述第十二电阻另一端连接单片机信号输入端，所述第十二电阻另一端连接第三二极管正极，所述第三二极管负极接地。

5.根据权利要求1所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其特征在于，所述电流采样电路包括：第十三电阻、第十四电阻、第十五电阻、第十六电阻、第五电容、第六电容、第四二极管、第五二极管，

太阳能电池组件电流信号端连接第十三电阻一端，所述第十三电阻另一端分别连接第十四电阻一端和第五电容一端，所述第五电容一端还连接第四二极管负极和单片机电流信号输入端，所述第五电容另一端连接第十四电阻另一端和第四二极管正极，所述第四二极管正极还连接第五二极管负极，所述第五二极管正极连接单片机信号输入端，所述第五二极管正极还分别连接第六电容一端和第十六电阻一端，所述第六电容另一端分别连接第五二极管负极和第十六电阻另一端，所述第十六电阻一端还连接第十五电阻一端，所述第十五电阻另一端连接电压调整电路。

6.根据权利要求1所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其特征在于，所述充电开关阵列包括第一晶体管和第三晶体管，

放电开关阵列包括第二晶体管和第四晶体管，单片机的第一充电信号输出端连接第一晶体管栅极，单片机的第二充电信号输出端连接第三晶体管栅极，单片机的第一放电信号输出端连接第二晶体管栅极，单片机的第二放电信号输出端连接第三四晶体管栅极；

所述第一晶体管漏极分别连接第二晶体管源极和大容量储能电池正极，所述第二晶体管漏极连接超级电容一端，所述超级电容另一端连接太阳能电池板负极；

所述第三晶体管漏极连接长工作周期储能电池正极，所述第三晶体管漏极还连接第四晶体管源极，所述第四晶体管漏极连接超级电容一端。

7.根据权利要求1所述的自适应低日照地区的长寿命太阳能路灯系统，其特征在于，所述长工作周期储能电池采用超级电容代替，

所述超级电容一端还连接路灯灯具正极，所述超级电容另一端连接路灯灯具负极，，所述长工作周期储能电池负极连接太阳能电池组件负极，所述大容量储能电池负极连接太阳能电池组件负极。