1   绪论
1.1 课题背景及意义
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 国内外的研究动态
对于太阳能LED照明系统的研究和开发，国际著名的照明公司均给予了其足够的重视，并斥巨资投入研究与开发，研究的焦点主要集中在新发光材料、封装材料等的开发：PHILPS公司与HP公司合资的Lumileds、德国的OSRAM、美国GE以及日本的日亚（Nichia）、美国EMCORE和GE联合、日本的Toshiba和Honda联合等均投入大量人力、物力、财力进行研究，以期在这一新世纪光源领域占领至高点。而在国内，约20余家研究机构和企业在进行GaN蓝绿光LED和白光LED的研究和开发，但目前与国外的差距还比较大。主要原因是目前在投入资金、设备和人才方面均无法与国外相比，而且研究机构相对比较分散。可是一些科研院所，如中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、北京有色金属研究院、石家庄十三所等单位也相继开展了这方面的研究工作，目前已取得了可喜的进步，正在缩短与国际先进水平的差距。
对于LED应用于照明的研究，国内外也都一直致力于光学结构设计、灯具开发和照明效果与视觉匹配等领域的创新和研究：奥地利的照明设计公司曾采用了14000只白光和彩色LED的混合照明整个房间，光照水平达到600－700勒克斯，足够一间普通办公室的照明；瑞典很多城市采用LED作交通信号灯，以减少对发热量大的传统交通信号灯的需求；美国GE公司、德国SIEMENS、OSRAM公司、日本SONY等公司也都致力于LED照明产品和照明系统的开发。而我国也正式启动了“国家半导体照明工程”，已经初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、江西及福建、北京及大连等北方地区四大LED照明研发区域。为实现LED从光色照明和特殊照明向普通照明的扩展，国家投入了大量的资金和人力。

2   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。
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。而且由于蓄电池对电压的波动具有“缓冲”作用，还可使得负载系统的运行更加平稳可靠。虽然铅酸蓄电池具有容量大、价格低等优点，但若使用不当，很容易加速蓄电池的老化，具体表现为:电池的容量下降很快、寿命缩短，因此对蓄电池的充、放电保护是光伏充电系统中必不可少的环节。
(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。
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。
2.3 太阳能LED照明系统的总体设计方案
太阳能电池发电的全部能量来自于太阳，也就是说，太阳能电池方阵面上所获得的辐射量决定了它的发电量。因此我们如果想要获得太阳能电池方阵面上的最大辐射量，首先应确定太阳能电池板的最佳倾斜角度。本文以太阳能照明系统为例，给出具体的太阳能LED照明优化系统总体实施方案。
太阳能照明系统的设计分为两部分。第一部分包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。第二部分包括：负载的选型及设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能电池发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。第一部分由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。
1、太阳能电池板最佳太阳辐射的获得
根据太阳能辐射原理，太阳能电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度，海拔，大气的污染程度或透明程度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳能电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化以及太阳能电池方阵表面的清洁程度等。
1）方位角
太阳能电池或方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳能电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球）30°时，方阵的发电量将减少约10%～15%；在偏离正南（北半球）60°时，方阵的发电量将减少约20%～30%；因为本文采用的是固定跟踪方式，选定方位角为0°，面向正南方。
2）光伏方阵倾角的选取
太阳能照明系统的发电能力与当地太阳能电池板接收到的太阳辐照度大小直接有关，为获得较佳效果，一般需将电池板面与入射阳光垂直，为此可倾斜安装太阳能电池板。但是，一般我们能得到当地气象站的太阳辐射数据均是水平面上的年平均日辐射量HL，对于同一地点，一天之内和一年之内的夏天和冬天差异很大。换言之，光强对时间而言是很不均匀的，北方地区尤为突出。因此，对于一个跟踪的固定方阵而言，太阳能电池板选取适当的倾角安装，可兼顾接收太阳辐射量的提高和全年各月辐射的均匀性的改善，从而最充分地利用太阳辐射能。
3   太阳能电池最大功率点跟踪电路设计
3.1 概述
常规恒压供电系统的运行特性可以用比较简单的数据来描述。由于阳光强度是自然环境的函数，受天气的影响，因此太阳能电池系统是一随机的、不稳定的供电系统，对系统的控制要比常规电网供电系统复杂得多。
在常规的电气设备中，为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统(或电气设备)的内阻，此时负载上就可以获取最大功率。对于一些内阻不变的供电系统，可以用外阻等于内阻的简单方法就可以得到最大功率。
在太阳能电池供电系统中，太阳能电池的内阻不仅受日照强度的影响，而且受环境温度及负载的影响，故太阳能电池本身是一种极不稳定的电源。在工作时，由于太阳能电池的输出特性受负荷状态、日照量、环境温度等的影响而大幅度变化，其短路电流与日照量几乎成正比地增减，开路电压受温度变化的影响较大，约有正负5%程度的变化，以上的这些因素会促使输出功率产生很大变化，即最大功率点时刻在变化。另外，由于太阳能电池的输出特性是复杂的非线性形式，难以确定其数学模型，编制算法会碰到太阳能电池正确模型识别的困难，即无法用解析法求取最大功率。要想在光伏系统中高效利用太阳能，获取最大功率输出，就必须引入最大功率点跟踪控制策略。
对最大功率控制系统在性能方面提出如下要求：
(l)一般不采用复杂的硬件，要求建立一个简单(低价)的系统。
(2)能随环境的变化，高速地取得正确的最佳工作点。
(3)工作点跟踪踪过程中，发电功率的震荡小。
为满足上述要求，本系统在太阳能电池板阵列接入一个DC/DC变换器环节，采用DC/DC变换器实现最大功率点跟踪控制。这一跟踪控制是通过控制DC/DC变换器(亦称斩波器)流通率α的变化等值地改变其负载大小，以实现太阳能电池最大功率点的跟踪。
DC/DC变换器有四种基本类型;Buck变换器(降压型)，Boost变换器(升压型)，Buck-Boost(降压-升压型)，Cuk变换器(升压-降压型)。由于Cuk变换器可使输入电流和输出电流连续，而且通过将输入/输出电感偶合，可以达到“零纹波”，使体积小型化。因此，本文的DC/DC电路单元采用Cuk变换器。
3.2 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 目前各种常见MPPT控制方式
目前，太阳能电池的最大功率点跟踪(MPPT)控制技术，国内外已有一定程度的研究，也发展出各种控制方法，常用的有恒电压跟踪方法(CVT)、增量电导法(incremental conductance)、三点权位比较法等，下面将对这几种主要的MPPT控制方法的特点加以分析。
1、恒电压跟踪(CVT)
恒电压跟踪方法从严格的意义上来讲并不是一种真正意义上的最大功率跟踪方式，它属于一种曲线拟合方式，其工作原理是:当温度一定时，太阳能电池的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U=const的一根垂直线，亦即只要保持太阳能电池的输出端电压为常数且等于某一日照强度下相应于最大功率点的电压，就可以大致保证在该一温度下太阳能电池输出最大功率。把最大功率点跟踪简化为恒电压跟踪(CVT)，这就是CVT控制的理论依据。CVT方式具有控制简单，可靠性高，稳定性好，易于实现等优点，比一般太阳能系统可望多获得20%的电能，较之不带CVT的直接耦合要有利得多。但是，这种跟踪方式忽略了温度对太阳能电池开路电压的影响。以单晶硅太阳能电池为例，当环境温度每升高1℃时，其开路电压下降率为0.35%～0.45%。这表明太阳能电池最大功率点对应的电压也将随着环境温度的变化而变化。对于四季温差或日温差比较大的地区，CVT方式并不能在所有的温度环境下完全地跟踪到太阳能电池的最大功率点。
采用CVT以实现MPPT控制，由于其良好的可靠性和稳定性，目前在太阳能系统中仍被较多使用，但随着太阳能系统控制技术的计算机及微处理器化，该方法正在逐步被新方法所替代。
2、增量电导法(IncCond)
增量电导法则是根据太阳能电池p-u曲线为一条一阶连续可导的单峰曲线的特点，利用一阶导数求极值的方法。
这种方法是通过比较输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向，下面就几种情况加以分析：
(1)假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的左侧时，此时有dP/dU>0即dI/dU>-I/U，说明参考电压应向着增大的方向变化。
(2)同理，假设当前的太阳能电池的工作点位于最大功率点的右侧时，此时有dP/dU<0，即dI/dU<-I/U，说明参考电压应向着减小的方向变化。
(3)假设当前太阳能电池的工作点位于最大功率点处(附近)，此时将有dP/dU=0，此时参考电压将保持不变，即太阳能电池已工作在最大功率点上。
理论上这种方法比功率比较法好，因为它在下一时刻的变化方向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时负电导值的大小关系，而与前一时刻的工作点电压以及功率的大小无关，因而能够适应日照强度地快速变化，其控制精度较高，但是由于其中△I和△U的量值很小，这样就要求传感器的精度要求很高，实现起来相对比较困难。
3、三点权位比较法
在功率比较法基本设计思想中大都是两点比较，即目前的工作点与上一个扰动点比较，看功率是否往上移动再作换位比较，除了造成较多的扰动损失外，还可能发生“跑飞”现象。针对太阳日照量并不会快速变化的特点，多余的扰动可能带来较多的损失。这里提出的三点权位比较法，可在日照量快速变化时并不跟随著快速移动工作点(也许只是干扰或判读错误)，而是在日照量较稳定时再跟踪到最大功率点，以减少扰动损失。
4   技术改进设计
制造大功率半导体灯既可以用大功率发光管也可以用小功率发光管。但不管是用大功率管还是用小功率管，关键技术是解决好灯体的散热问题。本文使用的是小功率发光管，其原因是小功率发光管组成的光源更有利于降低管芯的温度，并且其光通量比大功率发光管发出的高。
由于传统LED光源开光角小，点面积亮度高，光的散射具有极强的方向性。
从而使光源形成光点，而光均匀度不好，正是因为圆头超高亮白光LED没有良好的开光角度，而束敷了其在照明光源领域的应用。
因此提出了将圆头外型改成平头外型的新型LED结构设计方案，通过相关实验发现，超高亮白光LED通过外型的改变，发出光的结构得到了全面改善，首先平头LED的开光角度由过去的5o提升到了180o以上，光源总亮度得到了提升，光效得到加强，光源在单位面积的均匀度得到提高，消除了圆头LED组合光源有光点，点亮度高而总面积内亮度低的难点，完成了超高亮白光LED在实际照明课题领域的应用。
在超高亮白光LED使用上采取平头和圆头LED合理比例搭配。克服了平头LED点面积亮度不如圆头LED，而圆头LED光均匀度不如平头LED的缺点，充分发挥平头LED开光角度大光均匀度好和圆头LED点面积亮度高的优点，使两者互相取长补短，发挥最大的光效，同时合理的控制圆头LED的安装倾斜角度，使LED点光源均匀分布于各个照明面上。
十字型组合设计：
超高亮白光LED发光源使用平头LED和圆头LED的组合排列，共用LED240粒，竖支占40行8列，横支占10行16列，横支左右的最外侧两列均采用圆头LED，单双行交错排列，倾角均为30度。第3列和第13列的倾角为22.5度，第5列和11列的倾角为22.5度，其他列均无倾角。竖支的内部和横支部分的结构均为每8支平头LED排列成1菱形，这1菱形内部中心又有1圆头LED，相应圆头LED每4支也组合排列成1菱形，此种组合提高了发光源的发光灯均匀度并提高了LED的使用寿命。
5   结论
本论文首先对整个太阳能路灯系统作简单阐述，并针对目前的太阳能路灯系统所存在的问题而造成整个路灯系统的可靠性加以分析。提出了解决问题的方法和对策，通过对典型的路灯控制器进行优化设计，保证太阳能LED照明系统工作在最佳工作状态，以提高系统的工作效率。主要取得了以下成果：
1、结合最新的国内外资料，分析、探讨了太阳能照明系统研究的开发背景、研究动态、发展趋势以及应用前景。
2、介绍了太阳能电池的结构原理，以及输出特性曲线，作为整个太阳能发电系统研制的基础。
3、对实现太阳能电池最大功率点跟踪功能的电路进行总体设计，在实现最大功率点跟踪功能的DC/DC电路中选用Cuk电路作为其主回路，对其基本电路、拓扑电路的原理进行分析。
4、在简要分析目前常见的几种MPPT控制策略的优缺点的基础上，采用功率比较法作为本系统的最大功率点跟踪控制策略。