太阳能光伏路灯控制系统.docx
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太阳能光伏路灯控制系统
目录
毕业论文（设计）任务书-1-
开题报告-2-
摘要1
第一章绪论4
1.1引言4
1.2中国太阳能光伏发电的发展及意义4
1.2.1发展优势4
1.2.2发展历程4
1.2.3前景规划5
1.2.4最新政策5
1.2.5中国发展太阳能的意义6
1.3太阳能资源利用的优势6
1.4太阳能光伏发电的优点和发展趋势7
1.5光伏发电的起源及发展7
第二章太阳能路灯的组成9
2.1太阳能电池板9
2.1.1太阳能电池发电原理10
2.1.2太阳电池的输出特性I-V特性10
2.2蓄电池11
2.2.1影响蓄电池寿命与性能的因素：
12
2.2.2蓄电池的容量13
2.2.3影响蓄电池输出容量的因素14
2.2.4蓄电池的寿命及其影响因素14
2.2.5光伏系统蓄电池特殊性15
2.3太阳能控制器16
2.3.1控制器应具有的功能17
2.3.2对蓄电池充放电的控制的方法17
2.4太阳能路灯方案20
2.4.1相关组件选择20
2.5逆变器的工作方式24
2.6LED的照明功能25
2.6.1LED照明的特点25
2.6.2LED的驱动方式25
2.6.4灯杆及灯具外壳27
第三章系统的硬件设计28
3.1系统电路框图28
3.2控制模块的硬件设计28
3.2.1充电电路的设计28
3.2.2放电电路的硬件设计29
3.2.3控制器电源稳压电路的硬件设计30
第四章软件设计32
4.1系统软件框图32
4.2系统主要程序编辑32
4.2.1PWM模式的选择32
4.2.2检测程序的流程32
第五章太阳能路灯设计体会35
5.1道路照度与适用范围35
第六章总结与分析36
主要参考文献37
致谢38
毕业论文（设计）任务书
学生姓名
专业班级
机电一体化10.2班
指导教师
论文题目
太阳能光伏路灯系统设计
研究的目标、内容及方法
太阳能作为清洁能源，已广泛应用在各个不同领域。
我国西部日照光度强、时间长，以独具的自然条件，给太阳能发电技术带来很大的发展空间，由此拉动了相关行业，光伏路灯也越来越多的出现在西部城市，形成了一道道亮丽的风景线。
[1].学习光伏发电技术，优化设计电路
[2].要求有充电、蓄电、逆变、光控、时空电路组合实现
[3].照明灯采用LED、
[4].画出电路原理图并制作实现
阶段完成的工作
1、2010年8月20日之前查阅资料，完成总体方案的论证、比较、选择。
2、2010年9月1日之前完成各单元电路的设计、计算及电路图的绘制。
3、2010年10月10日之前完成硬件的安装制作及测试。
4、2010年10月25日之前完成设计报告的编写。
5、2010年10月30日之前进行排错、改进，完善设计报告。
6、2010年11月进行设计答辩。
系（部）主任意见
开题报告
一、课题题目
太阳能光伏路灯系统
二、设计目的和意义
（一）研究目的：
太阳能路灯以太阳光为能源，白天阳光照射太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给负载供电使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护。
实现未来大中小城市及偏远无法供电地区的照明。
（二）研究意义：
中国作为发展中国家，发展太阳能资源应当作为能源开发的首要要目标，我国西部地区日照广度强，时间长，以其独具的自然条件，给太阳能发电技术带来很大的发展空间，由此可拉动其他相关的行业，从而带动经济的发展，也将解决我国资源缺乏人口众多的问题。
因此，能源供应问题，已经成为国家发展的首要因素之一。
三、设计内容、途径及技术路线
（一）研究内容：
1.研究太阳能路灯组成部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分，以及蓄电池充放电，时控等相关策略。
2.设计出充电、蓄电、逆变、光控、时控的组合电路。
（二）研究途径：
收集相关资料和文献，设计考虑到各个环节，光伏组件的运行计算，峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型的设计，抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，路灯整体结构简约美观，经过数据计算实现太阳能光伏路灯照明的最终目的。
四、设计的任务及要求
（一）设计任务：
设计一款太阳能光伏路灯照明系统。
（二）设计要求：
（1）学习光伏发电技术。
（2）设计充电、蓄电、逆变、光控、时空电路组合实现。
（3）选用最实惠和实用的材料进行设计。
（4）对太阳能、蓄电池以及控制器充放电进行数据测算。
（5）优化设计电路。
（6）完成论文。
五、技术路线
本课程设计所设计的太阳能光伏路灯的主要功能有：
利用太阳能照明；白天/夜晚自动转换电能照明；实用且节省国家资源；简单方便，可以实现大中小城市及偏远无人地区长时间照明；维护简便。
六、设计工作的主要阶段、进度和指标
阶段
起始日期
终止日期
进度
技术指标
第一阶段
2010.06
2010.07
完成选题和资料收集
丰富全面
第二阶段
2010.07
2010.08
蓄电池充放时控计算
符合要求
第三阶段
2010.08
2010.09
完成整体电路设计
设计合理
第四阶段
2010.09
2010.10
系统的整体测算
实现控制
第五阶段
2010.10
2010.11
编写论文准备答辩
详细全面
七、系统总体设计
所设计的太阳能光伏路灯系统，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。
蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。
如此往复实现自动化照明。
八、协作单位及要解决的主要问题
协作单位：
学院实验室。
系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。
硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。
软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码
设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。
摘要
太阳能资源是21世纪新型的绿色能源，它的安全可靠、无污染以及可再生能力突出，在未来几年将会占据世界能源消费的重要席位，在受到人们关注的同时，也将会逐步替代部分常规能源，成为世界能源供应的主体。
但是，由于占用面积大，受四季、昼夜以及气象等条件限制，使其不能大规模投入使用。
为了能够有效合理的使用太阳能，对光伏发电系统的研究显得尤为重要。
本文以独立光伏路灯系统为研究对象，进行分析，从系统原理、结构制作，控制策略及照明使用的设计作了简单的分析和研究，主要内容有：
1：
综合国内外光伏产业发展现状以及前景。
2：
介绍太阳能光伏路灯系统的基本结构，结合太阳能电池的输出特性，分析设计简单合理的光伏路灯系统，以及针对蓄电池充放电的特性，制定合理的蓄电池充放电控制策略。
3：
设计出充电、蓄电、逆变、光控、时控的组合电路。
4：
介绍光伏路灯使用的优缺点。
Abstract
Solarenergyresourcesisthe21stcenturynewkindofgreenenergy,it'ssafeandreliable,nopollutionandrenewableabilityoutstanding,inthenextfewyearswilloccupytheworldenergyconsumptionofimportantplaceundertheconcernatthesametime,itwillgraduallyreplacingpartofconventionalenergy,becomethesubjectofworldenergysupplies.However,duetothelargeareaoccupiedbythefourseasons,nightandday,andtheweatherconditions,makeitscannotlarge-scaleputintouse.Inordertobeabletousethesolarenergy,reasonableeffectiveonphotovoltaicpowergenerationsystemsresearchisparticularlyimportant.
Basedonstand-alonepvstreetlampsystemastheresearchobject,throughanalyzingsystemprinciple,structure,controlstrategiesandmakinguseoflightingdesignmakesbriefanalysisandresearch,themaincontentincluded
1:
integratedphotovoltaicindustrydevelopmentsituationathomeandabroadandprospects.
2:
introducesolarstreetlamps,combiningthebasicsystemstructureofsolarcelloutputcharacteristic,analysisanddesignissimpleandreasonableofphotovoltaicstreetlampsystem,andtheviewofthestoragebatterycharginganddischargingcharacteristics,formulaterationalstoragebatterycharginganddischargingcontrolstrategy.
3:
designcharging,storageofelectricity,inverter,andsteerable,possessionincombinatorialcircuit.
4:
introducephotovoltaiclampsuseadvantagesanddisadvantages.
关键词：
太阳能，LED路灯，蓄电池，充放电控
Keywords:
solar,LEDlamp,batteries,chargecontrol
第一章绪论
1.1引言
能源是人类经济和文化发展的动力来源，随着世界的发展，能源不断开采和过量使用，不再生资源已经逐步走向枯竭。
然而这并不能阻止人类发展的前进，相反，可再生资源已经逐步崭露头角，并将超越甚至替代其他能源。
太阳能是资源最丰富的可再生资源，具有独特的优势和巨大的开发潜力。
目前全球能源消费的总和只相当于太阳在四十分钟内照射在地球表面的能量。
太阳能随处可得，不必远距离输送，无噪声，无污染，安全可靠。
充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处以及能源与环境的协调发展。
目前太阳能的利用还处于发展阶段，主要是光和热，光伏发电技术为太阳能的使用开辟了广阔的领域。
1.2中国太阳能光伏发电的发展及意义
1.2.1发展优势
中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。
中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。
在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。
大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。
年日照时数大于2000小时。
与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。
1.2.2发展历程
中国太阳电池的研究始于1958年，1959年研制成功第1个有实用价值的太阳电池。
中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，1971年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳电池。
20世纪90年代中期后光伏发电进入稳步发展时期，太阳电池及组件产量逐年稳步增加。
经过30多年的努力，21世纪初迎来了快速发展的新阶段。
中国的光伏产业的发展有2次跳跃，第一次是在20世纪80年代末，中国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳电池生产线，使中国的太阳电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的4.5兆瓦，引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。
第二次光伏产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动。
2002年由国家法改委负责实施的“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程以及2006年实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。
在这些措施的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展的势头日渐明朗。
到2007年年底，中国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦（2900MW），太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为中国光伏发电的规模化发展奠定了基础。
2007年是中国太阳能光伏产业快速发展的一年。
受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮，但也存在诸如投资盲目、恶性竞争、创新不足等问题[4]。
2009年6月，由中广核能源开发有限责任公司、江苏百世德太阳能高科技有限公司和比利时Enfinity公司组建的联合体以1.0928元/度的价格，竞标成功我国首个光伏发电示范项目——甘肃敦煌10兆瓦并网光伏发电场项目，1.09元/千瓦时电价的落定，标志着该上网电价不仅将成为国内后续并网光伏电站的重要基准参考价，同时亦是国内光伏发电补贴政策出台、国家大规模推广并网光伏发电的重要依据。
1.2.3前景规划
根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。
预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。
预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。
1.2.4最新政策
二〇〇九年七月十六日国家三部委财政部、科技部、国家能源局联合印发了《关于实施金太阳示范工程的通知》，随后又公布了具体的《金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法》决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展，并计划在2－3年内，采取财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目；各种利好都给中国光伏发电产业注入了强劲的生命活力！
希望在不远的将来，我国的光伏发电整体竞争力能够达到国际领先水平，光伏发电电力供应量在国内总电力供应中的占比能够达到更高水平，从而更加有力的推动我国经济结构转型和能源结构优化！
1.2.5中国发展太阳能的意义
中国作为发展中国家，发展太阳能资源应当作为能源开发的首要要目标，我国西部地区日照广度强，时间长，以其独具的自然条件，给太阳能发电技术带来很大的发展空间，由此可拉动其他相关的行业，从而带动经济的发展，也将解决我国资源缺乏人口众多的问题。
因此，能源供应问题，已经成为国家发展的首要因素之一。
1.3太阳能资源利用的优势
与传统的资源相比，光伏电源具有以下特点：
1.可靠、机动灵活。
光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。
目前已有数千套光伏系统的运行经验，晶体硅的寿命可达数年以上。
发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便；且易安装、易运输、建设周期短；
2.安全、无噪声、无污染。
不产生任何固体、液体和气体等有害物质。
同时太阳能可再生且无限，可直接输出商品，具有理想的可持续发展属性；
3.安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等。
尤其以可靠性高而备受人们重视；
4.兼容性好。
光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要是光伏系统很方便的增容；
5.资源普通。
太阳能无处不有，应用范围广，基本不受地域限制，只是受限制于地域之间资源分布的差别；
6．独立光伏路灯系统，就是把太阳能转换成电能储存在电池中，在夜间利用储存的电能驱动高光效节能灯工作的系统。
独立的光伏路灯系统具有以下特点：
绿色环保，无任何污染物排放：
7．一般采用6V，12V和24V的安全电压，可以杜绝触电事故的发生：
8．运行费用低，维护工作量小，实现了可再生能源的利用：
在输电成本高或者根本无法输电的地区尤其适用。
由于独立光伏路灯的工作是不依赖供电电网的，而是由蓄电池直接供电，供电平稳，可以避免用电高峰和低谷的影响。
1.4太阳能光伏发电的优点和发展趋势
光伏利用以电能作为最终表现形式，具有传输方便、无污染、可再生、可存储性安全可靠，无噪声，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械传动部件，故障率低，维护简单，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路等方面的强劲优势，这些优点斗士常规发电和其他发电方式所不及的。
由于太阳能电池的原料硅的储存量十分丰富，所以随着太阳能电池转换效率的不断提高，生产成本的不断下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。
1.5光伏发电的起源及发展
早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。
这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。
1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。
20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。
这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。
太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。
正是由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。
20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。
美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。
1997年又提出“百万屋顶”计划。
日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。
而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。
瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。
世界光伏组件在1990年——2005年年平均增长率约15%。
20世纪90年代后期，发展更加迅速，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。
商品化电池效率从10%～13%提高到13%～15%，生产规模从1～5兆瓦/年发展到5～25兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。
光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。
2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。
年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。
许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利。
第二章太阳能路灯的组成
太阳能路灯由以下几个部分组成：
太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、LED路灯、灯杆及灯具外壳。
如输出电源为交流220V或110V，还要配置逆变器。
图2.1LED光伏照明系统图
图2.2太阳能电池板给直流负载供电的系统框图
图2.3太阳能电池板给交流负载供电的系统框图
2.1太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。
在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。
在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。
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。
非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。
2.1.1太阳能电池发电原理
图2.3太阳能电池发电原理图
太阳能电池是直接将光能转换成电能的一种半导体器件，太阳电池能量转换的基础是结合的光生伏特效应。
当光照射到PN结上时（图2.3），能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。
它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。
光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。
2.1.2太阳电池的输出特性I-V特性
当受光照的太阳电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图2.4所示的等效电路来描述。
在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流I。
不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载RI，同时在负载两端建立起端电压V，此电压反过来它又正向偏置于p-n结二极管，引起与光电流反向的暗电流工P。
但是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总体效果用一个串联电阻R来表示;同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻R、来等效。
图2.4P-N结太阳能电池等效电路图
太阳电池输出电流I与输出电压V之间的关系如图2.5所示，调节负载电阻RL到达某一值时，在曲线
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