太阳能路灯系统的设计.docx

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太阳能路灯系统的设计

1.1课题研究背景及意义

进入21世纪，人类将面临三大主要问题：

经济、能源和环境。

经济与能源问题逐渐发展成阻碍社会经济发展的绊脚石。

现在最令人敬畏的挑战是给未来找到一种足够清洁、可持续发展的能源。

当今社会，环境污染日趋严重，随着人类所使用的资源日益耗尽，开发不污染环境的清洁能源已成为各国刻不容缓的任务。

在世界上，近三分之一的人不能生活在通电的农村地区，也不能拥有清洁的饮用水。

作为可持续发展能源，太阳能可以为人们轻易地提供电力，推动经济的发展。

太阳能用之不尽，取之不竭，因此太阳能光伏发电受到越来越多人的关注。

太阳能被称作是21世纪最重要的能源。

相对于火、水、核电来讲，太阳能发展具有安全性、充足性和清洁性等特点。

LED照明灯因为具有环保、寿命长和节能等优点，在诸多领域被广泛使用。

光伏发电和LED照明，两者进行有机地完美结合，对人类的可持续发展做出重大贡献。

1.2国内外研究现状

因为地球资源的日趋匮乏，人类对于用太阳能发电的心愿越来越急切。

由于美日德等西方国家推动了国家光伏发展计划及太阳能屋顶计划这两者的发展，使得近年来光伏产业在世界上的地位越发重要，也是至今发展最快的产业之一。

另外，人们对于太阳能路灯这一词并不陌生，在一些发达国家的公路上到处都有太阳能光伏设备。

太阳能在其很多领域都有涉及，比如:

在交通、通信等工业领域亦或是在山道、隧道等工程类领域里。

随着世界逐渐开始注意LED节能灯后，国内外各种一线知名品牌开始相继进军各大灯具市场，市场之间的各种竞争愈演愈烈。

在国内，我国太阳能资源总量非常丰富。

但是中国人口众多，再加上现在的资源紧张，已经逐渐影响了人们的日常生活。

因此，太阳能以其丰富的能源优势，在实际运用领域获得举重若轻的地位。

但是与世界光伏产业相比，中国还处于起步阶段，党和政府深之其发展的可行性，要求社会深入了解新能源的优势，支持和鼓励新能源的开发。

1.3太阳能LED路灯的市场发展现状

近些年来我们国家的道路照明质量不断提高，路灯建设得到了迅猛的发展。

在照明灯中，LED灯与传统光源的白炽灯和荧光灯相比，拥有环保、节能、寿命长等特点。

作为一种新型的绿色光源，LED灯将逐步取代普通节能灯。

我们常用的节能灯中含汞，这会对人类身体产生危害和造成环境污染。

作为一项发展产业，我国实施了绿色照明项目，选择采用新型光源，为社会带来一个舒适，节能的照明环境。

随着LED照明灯的不断发展，它将逐步成为最热门的产业。

1.4论文的主要内容

本文论文通过对蓄电池的充放电的保护来控制太阳能路灯的开关。

整篇文章介绍了路灯系统的设计，它的主要组成部分:

控制器、电源电路模块、太阳能电池板电压采集模块、蓄电池电压采集模块、复位模块等。

对其以此进行了方案分析，以及硬软件的设计与研究。

第二章系统的方案设计

2.1整体方案设计

2.1.1系统的设计原则

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I－V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—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+2H

SO4+pb—PbSO4+2H

O+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：

PbSO4+2H

O+pbSO4—PbSO4+2H

SO4+pb（充电反应）

在这一系统中，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“H

SO4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。

2．4.3影响铅酸蓄电池工作的因素

（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。

2.5LED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。

2.5.2LED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。

2.5.3LED光源的发展优势及工作受影响因素

1.LED光源的发展优势

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