太阳能路灯系统的设计文档格式.docx

1、1）经济性原则:在整个路灯系统设计过程中,我们应尽可能地选取简单的设计方案,并选择简单的组成系统,用以节约整个系统设计的开支。考虑到它的经济性，我们所设计的整个界面应简单并易于操作，这样有益于系统维护人员的使用。2）稳定性原则：整个系统发生异常情况时，能拥有稳定处理故障的能力，并具有自我修复的功能。从稳定性上考虑，应选取寿命长、质量好的工作元件。不会因为某一突发状况而造成数据丢失等情况的发生。 3）通信实时性原则 系统在数据传输的时候，其传输的命令要立即执行。2.1.2 系统功能的设计要求系统中的控制器是整个系统的核心。控制器控制着蓄电池的充、放电，并监控LED路灯的运行。系统的功能设计具体如

2、下：1）在出现故障、数据监测异常、路灯工作电压异常和蓄电池电压超过上下限电压时，能即时报警，保证系统的正常运行。2）整个程序严格控制开关灯时间，对每个路灯设定精确的开断时间。3）利用控制器控制蓄电池的充、放电。遇到阴雨天时，太阳能电池板停止对蓄电池充电，此时应给路灯负载接入220V的电力线，来保证供电。2.2 路灯系统的结构组成太阳能LED路灯系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和LED灯具四个部分组成。太阳能电池：把太阳能转变为电能的装置。蓄电池:储能装置，为负载供电。控制器：控制太阳能电池的输出功率和蓄电池充放电等的装置。LED灯具：是各种路灯灯头。 2.3 太阳能电池 2.3.1太阳能电

3、池的工作原理我们最常见的太阳能电池一般都是P-N 结的二极管，P-N 结通过光能产生直流电。在受到光照时，与此同时和它相连的负载会有电流的产生。太阳能电池具有P层和N层，P-N 结则由硅或者镓构成。太阳能电池由P型半导体和N型半导体两者构成。P型硅的载流子是带正电的空穴，由3价硼原子组成，晶片受光过程中带正电的空穴网P型区移动；N型硅的载流子是带负电的电子，由5价磷原子组成，在受光时，带负电的电子往N区移动。在受到足够的阳光照射下，会在结区附近产生电子空穴对，再通过正负电极，接上负载就能产生直流电。 2.3.2太阳能电池的分类太阳能电池是整个太阳能路灯中的核心,也是这个系统中价值最高的部分。太

4、阳能电池组件的作用是将太阳能转换为电能，然后存储在蓄电池中，在无光照时，来发光照明。太阳能电池的种类有很多，在能量转换效率，制造成本等方面，每一种光伏材料都有它的优缺点。在众多太阳能光电池中较普通且实用的是以下几种日常生活中最常见的三种材料。单晶硅太阳能电池:光电转换效率最高，为13%15%，最高可以达到24%。这是至今为止在所有太阳能电池中转换效率最高的。它牢固且耐用,寿命能达到25年。但它制作成本很大，不被广泛推崇使用。多晶硅太阳能电池：效率比单晶硅要低很多，为11%13%。它的材料制作简单，生产成本低，所以被大量发展应用。但是从寿命上来讲，它的使用寿命比单晶硅短。因此，从性价比上考虑，单

5、晶硅太阳能电池比之稍好一点。非晶硅太阳能电池：它的制作方法与以上两种完全不同。材料消耗少且电耗低。但其光电转换效率偏低，为8%10%，并且稳定性较差，但它能在弱光条件下发电。所以在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区,采用单晶硅太阳能电池为好,因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。2.3.3太阳能电池的最大功率点跟踪原理在光伏发电系统中，使用太阳能电池是最基本的环节。提高太阳能光伏电池的转换效率,使其输出功率为最大功率，以提高整个系统的工作效率。实际上，对最大功率点跟踪是一个寻优的过程，所谓的太阳能电池最大功率点跟踪，即控制太阳能电池一直输出最大功率。在太阳能发电系统中，只有提高太阳能电

6、池的转换效率，才能提高整个系统的效率。但是太阳能电池的IV特性具有非线性的特征。随着外界温度，光照强度等自然因素的变换，其输出功率会发生相应的改变。但在一定的温度和光照强度下，太阳能电池具有唯一的一个最大功率点。2.3.4常用的最大功率跟踪控制方法的分析和比较太阳能电池的最大功率点跟踪的算法有：恒定电压法、爬山法、电导增量法和功率回授法等。在计算过程中，一般是依据电压或功率这两种变量进行调节。依据电压是指：计算时不停测量太阳能电池的特性并算出太阳能电池的最大功率点，调节电压至最接近最大功率点电压。但做法复杂，还要花时间，所以不大提倡这种方法。依据功率是指：测量蓄电池的充电功率并以此判断出太阳能

7、电池的最大功率点，令蓄电池始终保持在最大的充电功率上。但这种方式并不能保证太阳能电池有最大功率输出而只是保证蓄电池有最大功率输入。但是仔细一想，光去保证光伏电池的最大功率输出而不让蓄电池获得最大充电功率，那么计算结果毫无意义。爬山法：它的工作原理是通过不断扰动光伏系统的工作点以寻找最大功率点的方向。先通过扰动输出电压值，测量它的功率变化。再与扰动之前的功率值进行比较，得出结论，如果功率值大于扰动前的值，即扰动方向正确，则继续向同一方向扰动。如果功率值小于扰动前的值，则朝相反的方向扰动。电导增量法：它的工作原理是不断调整系统工作点的电压，来慢慢靠近最大功率点电压。这方法能判断出工作点电压和最大功

8、率点电压的关系。太阳能电池组的电压功率曲线是一个单峰的曲线，在输出功率最大点处，功率对电压的导数为零。为了达到最大功率点，在导数大于零的区域增加电压，在导数小于零的区域减小电压，在导数约等于零的时候，不改变电压大小。爬山法和电导增量法这两种是运用最广泛的方法。两者进行比较，爬山法的结构简单，容易实现。而电导增量法的动态性能和跟踪方面比爬山法强。爬山法是最常见的跟踪方法，但缺点是跟踪时波动较大，不易得到精确数据。电导增量法是跟踪速度最快的一种方法，但有固定步长会影响跟踪效率，因其对硬件要求高，也难以实现其精确值。2.4 蓄电池在太阳能路灯系统中，通过对蓄电池剩余容量进行控制，这是建立一个良好的电

9、池管理系统的开始。在使用过程中，整个系统一直在检查蓄电池的容量。系统会根据容量的多少，实时地采取措施，让负载适应SOC的状态。在线检查蓄电池剩余容量，从而精准地运用SOC控制法。并依据SOC值的大小，对蓄电池采取均衡充电，使其性能均匀，延长蓄电池的使用寿命。对于对蓄电池剩余容量（SOC）的测量，常见的方法有电液比重法、开路电压法和内阻法。一电液比重法：阀控式密封铅酸蓄电池不能使用这个方法。二开路电压法：新电池能采用这种方法，到蓄电池使用到一定阶段，它的容量下降后，因为开路电压的改变，不再能真实地反映出剩余容量。三内阻法：依据蓄电池容量和内阻之间的确定关系，一般先测量出某一型号和规格的蓄电池内阻

10、容量曲线，接着通过测算蓄电池内阻得到同规格和型号的蓄电池剩余容量。但此方法通用性较差，过程也很复杂，不建议采用。2.4.1蓄电池的充放电原理蓄电池作为一种电化学装置，是用化学能的方式储存能量和用电能的方式释放能量。它与用电设备相连时，会把化学能转为电能，然后产生电流。蓄电池有许多种，例如：铅酸蓄电池、铅钙蓄电池、胶体电解质蓄电池、镍镉蓄电池等。据一些研究结果表明,蓄电池的充放电方式决定了蓄电池使用的寿命。对其特性进行分析,我们有以下2种方法来延长蓄电池使用寿命。一：运用三段式充电；二：对过充过放进行保护, 令蓄电池电压保持在23.5V到25V。这两种方法可以有效地延长蓄电池的寿命。以下是它们的

11、充放电简要过程。放电过程：蓄电池和负载连接产生电流。在阳极板上：PbO是铅与氧的化合物；电解液是氢与硫酸根的化合物。铅酸蓄电池内的活性物质PbO和绒状Pb浸入到电解液H2SO4中，逐渐形成pbso4。此放电过程负极被氧化，正极被还原。会发生如下反应方程式： PbSO4+2HSO4+pbPbSO4+2HO+pbSO4 （放电反应）蓄电池放完电以后，进行充电过程。与放电反应相反，充电是正极被氧化，负极被还原，PbO2又变为正极上的活性物质，绒状Pb又变为原来负极上的活性物质，这就是“双极H2SO4盐化理论”，会发生如下反应方程式：O+pbSO4 PbSO4+2HSO4+pb （充电反应）在这一系统

12、中，蓄电池一边要把太阳能转化为电能保存起来，一边要在无光照时，给其负载提供电能，故我们一般选用性能可靠的蓄电池，来保证照明系统的正常工作。铅酸蓄电池与其它几种蓄电池相比，它拥有容量大、价格低、寿命长等众多优点，被大肆选用。因此，本系统选用铅酸蓄电池作为储能装置。2.4.2铅酸蓄电池的寿命影响因素铅酸蓄电池的电池性能和寿命主要取决于活性物质的组成和结构、电池的运行状态和条件等。总而言之，祛除它本身的质量问题，影响铅酸蓄电池寿命的因素主要由以下几方面组成。1过充电 在实践中得出，影响蓄电池寿命的最主要原因就是过充电。过充电会造成铅酸蓄电池的正极析氧然后极板深处产生的氧气从电极表面逸出。蓄电池在长期

13、过充电状态下，正极由于析氧反应，水被消耗接着H+增加，使得正极附近的酸度增加，从而加快了板栅的腐蚀。此时，蓄电池的容量下降。2. 过放电、小电流放电 铅酸蓄电池绝对不能过放电。一旦发生过放电，蓄电池极板表面会产生大颗粒PbSO4结晶，形成极板“HSO4盐化”。PbSO4是一种绝缘体，它会让蓄电池的内阻增大，导致蓄电池的放电性能变差。在小电流放电的条件下，PbSO4要氧化还原十分困难。假使PbSO4晶体长时间不能被清理，那么将会影响蓄电池的容量和使用寿命。 3环境温度 每种铅酸蓄电池都有一个最佳环境温度范围。在环境温度过高时，蓄电池的极板腐蚀加剧，并消耗更多的水。 24.3影响铅酸蓄电池工作的因

14、素 （1） 内在因素对铅酸蓄电池性能的影响 1）放电率对铅酸蓄电池容量的影响 蓄电池容量的大小和放电率的大小正好相反。如果放电率变高，那么容量就变小。因为在蓄电池放电时，它的电流变大时，此时在极板上的活性物质和周围的H2SO4会发生反应，然后产生晶粒大的PbSO4。但是PbSO4晶粒会容易阻塞细孔，导致细孔中的H2SO4浓度降低，这使得当中的活性物质与其进行化学反应的机会降低。此时，电解液电阻变大，电压下降变快，令铅酸蓄电池释放不出全部能量。当蓄电池放电率变小时，所得出的结论与之恰恰相反。2）电解液的温度 蓄电池容量的大小和电解液温度的大小正好成正比。如果铅酸蓄电池电解液的温度变低，那么输出容

15、量也就变小。因为当电解液的温度变低时，它的粘稠度将增大，其渗透能力会减弱。到冬季时，我们务必要密切注重铅酸蓄电池的保温工作，因为冬天它的电化学反应会加强。在夏天，我们应当确保良好的通风条件。如果电解液温度超过 38摄氏度时，这种高温会引诱铅酸蓄电池自己进行放电。3）电解液的相对密度铅酸蓄电池中电解液的相对密度的量的多少能决定蓄电池的使用寿命。当其相对密度增加时，它的电解液粘稠度将会增大，然后导致扩散速率下降。最终导致蓄电池的容量减少。但是对它的相对密度进行适当的增加，能增大蓄电池的容量。当其相对密度太低时，它的电解液粘稠度将会大大减少，最终也会导致铅蓄蓄电池的容量减少。但是如果令蓄电池电解液的

16、相对密度稍稍降低，这能延长铅酸蓄电池的使用寿命。（2） 外界因素对铅酸蓄电池性能的影响影响铅酸蓄电池的使用寿命，并且导致铅酸蓄电池的寿命结束的原因主要有以下三点：1.H2SO4电解液干涸：主要是由蓄电池内部向外部逐渐渗水、水蒸汽的蒸发、电压过高、电池发热等情况造成的。2.热失控：蓄电池在充电的过程中会产生热量。充电是正极被氧化，负极被还原，PbO2又变为正极上的活性物质，绒状Pb又变为原来负极上的活性物质。但绒状Pb与负极进生反应时会产生很多的热量，从而导致蓄电池内部的温度持续升高。如果这样的高温持续不褪的话，将会导致蓄电池发生过热的现象。如此循环往复，将会发展成为热失控。3.内部短路：因为铅

17、酸蓄电池中的活性物质脱落，以及隔膜物质的老化，这些问题会导致在充放电过程中引产生内部短路的现象。2.5 LED灯源2.5.1白光 LED 的发光原理 早期的LED发光效率很低，随着科技的突破和发展，白光LED灯被开发成功，它的应用领域逐渐扩大。LED灯泡由搀杂半导体材料制作而成，一层带有负电荷的电子，另一层是带正电荷的“空穴”。通过电流时，电子和空穴互相结合，LED灯辐射出光芒。它有如下特征：发光效率高、节能、使用寿命长、安全性强、环保。2.5.2 LED 光源的分类 1. 按发光管的发光颜色分类 发光管的发光颜色依次分为红、橙、绿色、蓝光等。从散射剂和有无颜色上看，上面几种颜色的发光二极管还

18、可分成有色、无色透明、有色、无色散射这几种。 2. 按发光管的出光面特征分类 （1）高指向性：其半值角一般为 5-20，通常作为封装使用，例如尖头环氧封装。（2）标准型：其半值角为 20- 45，通常作为指示灯使用。（3）散射型：其半值角一般为 45- 90，作为指示灯使用，但比第二种要大。3. 按发光管的发光强度和工作电流分类从发光强度来说，分有普通亮度、超高亮度和高亮度发光二极管。从工作电流来说，分为普通电流和低电流。普通电流是在十几到几十MA之间，而低电流的工作电流一般 在 两MA 以下。但是这两种的亮度是一样的。2.5.3 LED 光源的发展优势及工作受影响因素1.LED 光源的发展优

19、势LED 作为一种新兴光源，因其耗电量少，价格低廉，深受广大购物者的需求。它的发展迅速，应用也越来越广泛。下图是LED 光源和其他光源的对比。灯型类功率光效光通最相关色温显色指数寿命白炽灯40104002600901000卤素灯351760040002000低压钠灯13146002520000高压钠灯50125340030金卤灯65227545007815000无极灯8028008560000HBLED65-75450100000车头灯91320050002500（拿高压钠灯举例）由上图得出：除开LED 光源，在这些光源中，高压钠灯与其它几种光源相比，具有光效高，寿命较长，但它的显色指数不好，

20、所以常在显色效果要求不高的城市道路照明中看到。但它下面的金卤灯的显色指数和相关色温都比它高。所以常被用于显色效果要求较高的商场中照明。LED 光源与高压钠灯的比较：1.从数字上看：LED 的发光效率为 6575流明/瓦，高压钠灯的发光效率为 125 流明/瓦。所以此时高压钠灯好。2.从相关色温上看：高压钠灯的相关色温只有 2000oK，但LED 的色温较高，会达到 35004500 及以上。3.从显色指数上看：高压钠灯的显色指数较差，为 20 -40，但 LED 的显色指数高，能达到 7580。舒适度比较高。从发光效果上看，LED灯 比高压钠灯高出许多。随着使用频率的增大，LED 光源的市场发

21、展前景越来越广泛。凭借它的诸多优点，LED路灯将在照明系统中拥有越来越重要的市场地位。2.LED 光源的工作受影响因素 总的来说，其实主要是热量管理的问题。 LED中的热量会很容易在 p 型区域中产生，但是这个热量要必须通过整个结构才能去消散；LED 应用的主要散热途径有热传导、热对流。严重的自加热效应的产生，会对LED器件的性能和可靠性产生毁灭性的影响。1） 热量对 LED 的影响 在LED中，保证里面热量能分布均匀，可靠性稳定很重要。在一块很小的芯片里，里面集中的热量会随着芯片温度的升高，会发生分布不均匀的情况。随着温度的逐渐增加，根据实验表明，它的可靠性会逐渐下降。2）芯片尺寸与散热的关

22、系 输入功率的增加，将会大大改善LED灯的亮度。但是如果一味的增大，必然会使灯中的温度升高，散热不及，对LED灯产生影响。此时，我们应增大 P-N 结的尺寸，防止饱和状态的发生。但是如果在等同的散热条件下，假使增加芯片的尺寸，结区温度将不断上升。2.6 路灯控制器太阳能LED路灯控制器作为太阳能路灯系统能量的平衡管理者，协调太阳能电池板、蓄电池和负载三者之间的工作。它的开发任务主要分为三大部分，一对蓄电池进行保护，通过研究蓄电池的充电特性，太阳能电池的输出特性，计算出对应的充电算法。从而实现对蓄电池的保护和提高整体工作效率。二MPPT算法：调整太阳能电池输出电压，使其处于最大功率输出状态。三：

23、具有近端、远程监控通信功能。这种平衡管理，使得整个系统更安全、高效地运作。第三章 太阳能LED路灯系统硬件设计 33.1硬件总体设计太阳能路灯系统主要组成部分:电源电路模块：为系统提供5V直流电压和12V工作电压。太阳能电池板电压采集模块：光照强度由采集值判定。蓄电池电压采集模块：它的采集值的大小用以控制蓄电池的充放电。3.2电源电路模块 为了整个系统的正常工作，系统需要分别为单片机和太阳能电池提供5V直流电压和12V的直流电压。在系统工作的时候，先由220V交流电变为12V直流电，然后再转为5V的直流电，这样才能保证系统的稳定工作。如图所示：电路图的左右两边各有一个电容，两个电容相互配合，保

24、证高低频输出信号的正常通过。3.3复位电路设计何为复位电路，顾名思义，即运用它把电路恢复到起始的状态。归零回到最初的状态，进行重新计算。启动复位电路的手段有两种：1.在通电时立刻采取复位操纵2.可以采取手动操纵。一般来说，简单的电容和电阻的结合就能组成一个基本的复位电路。把复位信号传给单片机是复位电路的作用，在整个电路中复位电路的作用是产生一个复位信号给单片机，使单片机正常复位。以下是相应的5个复位源。（1）上电复位（POR）：它的本质就是上电延时复位。通俗来讲，是在上电期间使CPU处于复位状态，如果电源电压没有达到上电复位门限时，此时MCU 复位。（2）外部复位：3.4 蓄电池与太阳能板电压

25、采集电路设计3.4.1太阳能板电压检测电路太阳能电池板作为整个系统的供电来源，检查太阳能板的电压状况，能有效分辨白天与黑夜。对太阳能板的电压进行采集,通过观察太阳能板的电压示数，来控制蓄电池充放电。我们在白天与黑夜对它的电压进行检测。不难发现，在白天，因为有光照，太阳能板上有电压，在夜晚则没有。由下图所知：当太阳能板电压下降至约9V时，几乎无光照，此刻应处于黑夜。因为本实验把三块太阳能板串联起来，所以当太阳能板电压为27V时，证明此时已天黑。3.4.2蓄电池电压采集电路设计以防蓄电池的过充和过放，我们要对蓄电池两端的电压进行检测，保护蓄电池，来保证蓄电池的正常工作。采集蓄电池电压是要求去采集大

26、电压，要进行分压测量。分压比是蓄电池电压变化范围和ADC采集电压的范围所决定的。如下图所示，二极管D4起保护作用，PC1是一个输入通道,C8是一个滤波电容。蓄电池在白天一直充电，夜晚放电，供电给负载。在测量过程中，蓄电池的端电压进行不断变化,采集到的电压要小于1V才能测准蓄电池的电压。3.5蓄电池充电电路充电模块是太阳能板与蓄电池之间的桥梁。充电模块需要具备以下几项功能:充电控制;蓄电池反接保护;太阳能板反接保护;蓄电池、太阳能板电压检测;充电电流检测。充电控制是充电模块的基木功能。当阳光充足,太阳能板电压高过蓄电池电压时,启动对蓄电池的充电过程;当阳光暗淡,太阳能板电压低于蓄电池电压时,关闭

27、对蓄电池的充电过程。传统的控制方式仅需要一个二极管,就能实现充电控制功能,但二极管压降较大,额定电流偏低,在蓄电池充电过程中,最大充电电流可能会达到10A,因此,二极管方案显然存在不足之处。单片机（PB4）给出充电的控制信号，即 PB4=1，NPN 型的三极管导通，此时集电极接地，使得 IRF4905 栅源电压钳位在-10V，IRF4905 管导通，太阳电池向蓄电池充电。反之，NPN 型三极管截止 VGS=0V，IRF4905 管断开，太阳电池不能向蓄电池充电。3.6放电控制模块的的设计1.24V 电压输出模块 1.Buck 电路元器件参数选择: 输入电压为36V，输出电压为24V，控制器工作频率为10kHz，功率管FDP3651U正向压降VS 为1V，二极管采用肖特基二极管，其正向压降为0.6V左右。 2.续流二极管D的选择Buck电