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学号：
成绩：
3D游戏软件开发的在线测试
院部：
太阳能光电工程学院
专业：
光电信息工程
姓名：
指导教师：
二〇一二年四月
摘要
随着世界能源的危机，特别是我国经济的飞速发展造成了能源消耗急骤增加。
在这种形式下，非常节能的太阳能LED路灯逐渐走进了人们的视野。
本文太阳能LED路灯的各部分组成及各部分的工作原理、特点。
并对太阳能LED路灯进行了简要设计，及太阳能LED路灯的应用场所，展望前景。
【关键词】太阳能电池蓄电池控制器LED灯
Abstract
Withtheworldenergycrisis,especiallytherapiddevelopmentofChina'seconomyhascausedsharpincreaseinenergyconsumption.Inthisform,veryenergy-efficientsolarLEDlightsgraduallyenteredpeople'sfieldofvision.Inthispaper,asolarLEDstreetlampcomponentsandworkingprinciple,characteristics.AndthesolarLEDlightswerebrieflydesign,andsolarLEDlightingapplication,prospect.
Keywords:
SolarBatteryControllerLEDlightsource
第1章绪论
1.1课题的背景·······················1
1.2课题研究的意义·····················
1.3国内太阳能光伏发展现状·················
第2章太阳能电池及其组件
2.1太阳能电池·······················
2.1.1太阳电池的发电原理及构造··············
2.1.2太阳电池的种类···················
2.1.3太阳电池的特性···················
2.2太阳电池组件······················
第3章蓄电池
3.1常用蓄电池·······················
3.2蓄电池的使用寿命····················
3.3影响蓄电池使用寿命的因素················
第4章控制器
4.1蓄电池充放电控制器···················
4.2LED路灯控制器·····················
第5章LED灯源
5.1LED光源的特点·····················
5.2LED发光原理及特性···················
5.2.1LED发光原理····················
5.2.2特性························
第6章太阳能LED路灯的设计和应用
6.1系统的基本组成及其工作原理···············
6.1.1系统组成······················
6.1.2工作原理······················
6.2太阳能LED路灯设计实例·················
致谢·······························
参考文献·····························
第1章绪论
1.1课题的背景
1.1.1能源概况
人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等化石能源。
而占人类能源消费大部分的煤炭、石油等化石能源都是不可再生资源。
据有关资料报导，依目前石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限大约为1180至1510亿吨。
以上世纪九十年代世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量估计可维持到2050年左右；天然气储备估计在1318000至1529000兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米左右，将在六十年左右内枯竭；铀的年开采量为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计，铀也将于本世纪30年代中期宣告枯竭。
煤的储量约为5600亿吨，上世纪九十年代煤炭年开采量约为33亿吨，可以供应169年；随着社会日益发展，能源的需求量不断增长，使得全球范围内的能源危机也日益突出。
人类在开发利用能源的漫长历史中，以石油、煤炭和天然气等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段。
化石能源终将枯竭而被新的能源所取代。
因此，节约能源和开发可再生能源已经成为当务之急。
在可再生能源中，水能已经得到了较为广泛的应用。
但水能资源终究是有限的；相比之下，太阳能和风能则是取之不尽、用之不竭。
研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能源丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。
随着人类的使用，化石能源趋于减少，其价格将会越用越高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。
相比石油、煤炭等化石能源，太阳能不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染[1]。
太阳能亦因此受到众多国家的重视，各国均竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以提升太阳能效率、扩大太阳能应用领域[2]。
在众多太阳能应用方式中，除太阳能热效应利用外，太阳能光伏发电也是最为常见的方式之一。
太阳能光伏发电是利用半导体器件的光生伏特效应，将太阳能转换成电能。
当光线照射太阳能电池板表面时，一部分光子被半导体材料吸收，进而将光子的能量传递给施主原子，使其电子发生自由电子，在P-N结两侧分别聚集空穴和电子从而形成了势垒[3]。
当有外部电路接通时，在该势垒电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生相应的输出功率，此即为太阳能电池板的基本工作原理。
1.1.2太阳能光伏发电的优缺点
太阳能光伏发电主要具有以下优缺点[4]：
优点在于：
（l）太阳能取之不尽，用之不竭。
（2）太阳能不用燃料，运行成本小。
（3）太阳能发电系统建设周期短，一次投资长期受益。
（4）太阳能光伏发电不会对环境造成污染，是理想的清洁能源。
（5）太阳能光伏发电没有运动部件，可靠性高，维护简单。
（6）太阳能分布广泛，可就近供电，不须长距离输送，减少了线路上的损耗。
（7）太阳能电池工作时输出直流电。
缺点在于：
（l）太阳能光伏发电的成本还较高。
（2）太阳辐射能量密度较低，转换效率不高，大规模使用时要占用很大面积。
（3）太阳能光伏发电量受气候影响较大。
同时太阳能光伏发电量受太阳辐射强度和温度影响很大，输出功率不稳定，不宜直接使用。
太阳能光伏发电应用通常有两种形式：
一种是并网发电，另一种是离网式发电。
并网发电是将太阳能电池输出的直流电能通过逆变器及控制器变换成与电网同值、同频、同相的同步交流电能，从而实现与电网的联接。
这种方法适合于大规模光伏发电。
离网式发电是将太阳能电池产生的直流电能通过蓄电池储存起来，在需要供电时由蓄电池向负载提供电能，这种方法适合于小规模光伏发电以及无电网地区的供电。
本文主要讨论的是第二种实现方法，即山太阳能电池构成独立的离网式供电系统，为半导体照明提供能源。
由于太阳能电池价格成本较高，故而应用太阳能电池供电的系统成本不低。
1.2课题研究的意义
进入了二十一世纪，能源短缺和环境污染问题愈来愈严重，也越来越制约着人类的发展，大力发展可再生能源己成为二十一世纪全世界面临最严重的问题之一。
据中国资源节约与环境保护单位统计数据显示，中国照明用电量目前约占全社会用电量的12%。
而据近来中国电力企业联合会披露的最新统计数据2008年我国全年全社会用电量为3.4万亿度，所以照明用电的年耗电约为4千亿度，相当于5个三峡水力发电工程投产后的发电能力（840亿度）。
另一方面，是我国沿海地区，夏季用电高峰，不得不面临拉闸限电的状况，可以说，电力已成为限制当地经济发展的因素。
因此道路照明节电，推广太阳能LED路灯，对我国经济发展乃至国计民生都具有重要意义，具有极大的社会价值，经济效益。
1.3国内太阳能光伏发展现状
随着地球资源的日益贫乏，人们对利用太阳能发电的愿望越来越迫切。
我国太阳能资源丰富，年日照数在2200小时以上的地区占国土面积的2/3以上。
据统计，全国目前还有6000万人口需要解决电视、通讯、照明及生产用电问题。
加上目前能源紧张已经逐步影响到人们日常生活的方方面面，太阳能将以其它能源无可比拟的优势在实际应用领域取得举足轻重的地位，其市场前景十分广阔。
但相比于蓬勃发展的世界光伏工业，中国光伏工业还处于起步阶段。
光伏产量和安装容量仅占世界的1%左右。
在国家实施西部大开发战略和国内绿色环保工业开始升温的背景下，近几年中国光伏应用工业保持了较快的增长速度。
随着太阳能电池各种新型材料的不断开发及成功问世，且太阳能电池成本逐年下降，所以太阳能光电的应用也将日趋广泛，它的发展已经逐渐成为一种必然趋势。
加之，党和政府都十分关心新能源的发展，要求全社会从节能环保的角度上加大对新能源的认识，鼓励和支持大力开发利用新能源。
国家相关部委、各地政府还制订了扶持新能源生产开发企业的相关措施，以加快新能源应用的发展，这就给我们行业带来了空前的发展契机。
第2章太阳能电池及其组件
2.1太阳能电池
2.1.1太阳电池的发电原理及构造
太阳能电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，就会产生电位差的现象。
这种现象称为光生伏特效应，简称光伏效应（Photovoltaiceffect）。
太阳能电池就是产生光伏效应的半导体器件[5]。
在太阳能光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体。
太阳能电池单体实际上是一个PN结，太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，光生空穴由n区流向p区，光生电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。
这就是光伏效应太阳能电池的工作原理。
若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。
2.1.2太阳电池的种类
太阳能电池主要可以分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池两大类[6]。
（1）单晶硅太阳能电池
目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24％，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。
由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装，因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。
（2）多晶硅太阳能电池
多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约12％左右。
从制作成本上来讲，比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。
此外，多晶硅太阳能电池的使用寿命也要比单晶硅太阳能电池短。
从性能价格比来讲，单晶硅太阳能电池还略好。
（3）非晶硅太阳能电池
非硅太阳电池是1976年出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化，硅材料消耗很少，电耗更低，它的主要优点是在弱光条件也能发电。
但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10％左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。
（4）多元化合物太阳电池
多元化合物太阳电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳电池。
现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有以下几种：
a）硫化镉太阳能电池
b）砷化镓太阳能电池
c）铜铟硒太阳能电池（新型多元带隙梯度Cu（In,Ga）Se2薄膜太阳能电池）
Cu（In,Ga）Se2是一种性能优良太阳光吸收材料，具有梯度能带间隙（导带与价带之间的能级差）多元的半导体材料，可以扩大太阳能吸收光谱范围，进而提高光电转化效率。
以它为基础可以设计出光电转换效率比硅薄膜太阳能电池明显提高的薄膜太阳能电池。
可以达到的光电转化率为18％，而且，此类薄膜太阳能电池到目前为止，未发现有光辐射引致性能衰退效应（SWE），其光电转化效率比目前商用的薄膜太阳能电池板提高约50~75%，在薄膜太阳能电池中属于世界的最高水平的光电转化效率。
2.1.3太阳电池的特性
太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。
1．太阳能电池的极性
硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。
太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2．太阳电池的性能参数
太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。
这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
（1）开路电压（Voc）：
没有电流时的电池电压。
（2）短路电流（Isc）：
负载电阻为零时从电池流出的电流。
（3）最大功率输出（Pmax）：
电池产生最大功率时的电压和电流点，通常把I-V曲线上的Pmax点作为最大功率点。
（4）转换效率（η）：
太阳能电池接到电路时转换（从吸收光的电能）和收集功率的百分比。
是评估太阳电池好坏的重要因素。
（7）填充因子（FF）：
最大功率点Pmax与开路电压（Voc）及短路电流（Isc）之比[7]
3.太阳能电池的伏安特性
P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。
当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。
能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。
因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
2.2太阳电池组件
由单晶（或多晶）硅太阳能电池片串并联，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框，具有抗风、抗冰雹能力强、安装方便等特性。
广泛应用于太阳能照明、灯具、户用供电、公路交通、建筑及光伏电站等领域
太阳能电池板组件构成
1）钢化玻璃
低铁钢化玻璃（又称白玻璃），厚度3.2毫米，在太阳电池光谱响应的波长范围内（320-1100NM）透光率达90%以上，对于大于1200NM的红外光有较高的反射率。
此玻璃同时耐紫外光线的辐照，透光率不下降。
钢化性能符合国标GB9963-88或者封装后的组件抗冲击性能达到国标GB9535-88地面用硅太阳能电池环境试验方法中规定的性能指标。
（2）EVA
EVA是一种热融胶粘剂，厚度在0.4毫米-0.6毫米之间，表面平整，厚度均匀，内含交联剂。
常温下无黏性且具抗黏性，经过一定调价热压便发生熔融粘接与交联固化，并变的完全透明。
固化后的EVA能承受大气变化且具有弹性，它将电池片“上盖下垫”，将其包封，并和上层保护材料-玻璃，下层保护材料背板（TPT，BBF等），利用真空层压技术合为一体。
另一方面，它和玻璃粘和后能提高玻璃的透光率，起着增透的作用，并对太阳能电池板的输出有增益作用。
（3）太阳能电池片
太阳能电池片是光电转换的最小单元，尺寸一般为125*125或156*156。
太阳能电池片的工作电压约为0.5V，，一般不能单独作为电源使用。
将太阳能电池片进行串并联封装后，就成为太阳能电池板，其功率一般为几瓦到几十瓦，一百瓦到两百瓦以上，可以单独作为电源使用。
（4）背板
背板就是电池板背面的保护材料，一般有TPT，BBF，DNP等等。
这些保护材料具有良好的抗环境侵蚀能力，绝缘能力并且可以和EVA良好粘接。
太阳电池的背面覆盖物-氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对电池板的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可以降低电池板的工作温度，也有利于电池板的效率。
当然，氟塑料膜首先具有太阳电池封装所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。
（5）接线盒
接线盒一般由ABS制成，并加有防老化和抗紫外辐射剂，能确保电池版纳在室外使用25年以上不出现老化破裂现象。
接线柱由外镀镍层的高导电解铜制成，可以确保电气导通及电气连接的可靠。
接线盒用硅胶粘接在背板表面。
（6）铝合金边框
边框采用硬制铝合金制成，表面氧化层厚度大于10微米，可以保证在室外环境长达25年以上的使用，不会被腐蚀，牢固耐用。
第3章蓄电池
蓄电池是光伏系统的储能装置，太阳能电池产生的电能先以化学能的形式储存在电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。
蓄电池可以反复使用，符合经济实用原则，这是最大优点，蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，广泛用于各个部门和场所。
蓄电池的特性直接影响光伏系统的工作效率、可靠性和价格。
3.1常用蓄电池
对于蓄电池的种类，就市场上主流产品而言，主要有四类：
铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池。
蓄电池能够反复运用，符合经济适用原则，并且具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点。
广泛的运用于发电厂、通信系统、电动车、航空航天、太阳能广发发电系统等领域。
蓄电池的性能参数很多，主要有下列四个指标[8]：
工作电压，蓄电池放电曲线上的平台电压。
蓄电池容量，常用安时（Ah）或毫安时（mAh）表示。
工作温区，蓄电池正常放电时的温度范围，
循环寿命，蓄电池正常工作的充放电次数。
目前太阳能光伏系统中常用的蓄电池是阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池。
VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。
3.2蓄电池的使用寿命
蓄电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到要求时，蓄电池使用失效，这时是电池的使用寿命终止。
蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期，使用期限是指蓄电池可供使用的时间，使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数，蓄电池每经过一次全充电和全放电叫做一个周期或一个循环，蓄电池的寿命有效期包括所经受的循环寿命或使用期限。
早期的VRLA蓄电池，其放电循环寿命只有50～75次，很少的产品超过250次放电循环。
现在，随着新的设计和充电原则的采用，VRLA蓄电池的循环寿命已经超过300次，特殊的设计已经超过800次循环寿命。
3.3影响蓄电池使用寿命的因素
铅酸蓄电池的失效是许多因素综合的结果，既决定于极板的内在因素，诸如活性物质的组成、晶型、孔隙率、极板尺寸、板栅材料和结构等，也取决于一系列的外在因素，如温度、频率、放电深度、平均充电状态和充电方法等。
在此主要来说明影响蓄电池寿命的外在因素，因为有些外部因素可以避免来延长蓄电池的使用寿命。
（1）放电深度对蓄电池寿命有较大的影响。
控制蓄电池尽量工作在浅放电状态，将有利于延长蓄电池的使用寿命。
（2）过充电会缩短蓄电池的寿命。
（3）温度对蓄电池的寿命有重要的影响，通常较低的工作温度，会增加电池寿命，然而它的容量会大大降低，尤其是铅酸电池。
因此，为了延长蓄电池的使用寿命，节约系统的成本，在光伏系统中，应使蓄电池在浅放电、不过充过放电以及适合的温度下工作。
第4章控制器
太阳能LED路灯系统中的控制器可分为两种：
蓄电池的充放电控制器和LED路灯控制器。
主要作用是协调太阳能电池板、蓄电池、LED路灯的工作，是光伏系统中非常重要的组件。
使整个太阳能光伏系统高效，安全的运作。
4.1蓄电池充放电控制器
1.特点
本控制器特点在于智能调节太阳能发电板的工作电压，使太阳能板始终工作在V-A特性曲线的最大功率点。
比较普通太阳能控制器，对太阳能板发电功率的利用率提高了10—30%。
2.基本功能
本控制器除具备以上特别功能外，同时具备完善的控制和保护功能：
（1）防止蓄电池过度充电。
（2）防止蓄电池过度放电。
（3）防止夜间蓄电池向太阳能板反向放电。
（4）过载保护。
（5）短路保护。
（6）电池防反。
4.2LED路灯控制器
LED路灯控制器需要实现的功能有：
天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开；并要具有短路保护、反接保护等。
控制器不仅要对整个LED路灯的状态控制，还得确保系统的安全运行。
LED路灯控制器的选择应该注意
一：
应该选择功耗较低的控制器，控制器24小时不间断工作，如其自身功耗较大，则会消耗部分电能,最好选择功耗在1毫安以下的控制器。
二：
要选择充电效率高的控制器，具有MCT充电模式的控制器能自动追踪电池板的最大电流，尤其在冬季或光照不足的时期，MCT充电模式比其他高出20%左右的效率。
三：
应选择具有两路调节功率的控制器，具有功率调节的控制器已被广泛推广，在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明，节约用电，还可以针对LED灯进行功率调节。
除选择以上节电功能外，还应该注重控制器对蓄电池等组件的保护功能，像具有涓流充电模式的控制器就可以很好的保护蓄电池，增加蓄电池的寿命，另外设置控制器欠压保护值时，尽量把欠压保护值调在≥11.1V，防止蓄电池过放。
第5章LED光源
随着白光LED光效的提高和成本的降低，LED作为一种新型的绿色光源产品，被公认为将成为二十一世纪的新型照明光源。
5.1LED光源的特点
虽然目前白光LED仍处于发展阶段，但与现行照明光源比较，LED照明有很多优点。
这正是LED适合做照明灯具的原因。
其主要特点如下：
（1）光效高。
白炽灯、卤钨灯的光效为12～24Lm/W，荧光灯的光效为50～70Lm/W，钠灯的光效为90～140Lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。
LED的光效经改良后可达到50～200Lm/W。
（2）使用寿命长。
LED的使用寿命可以长达10万小时，传统的光源在这方面无法与之相比。
（3）安全环保。
现在广泛应用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体的汞，这些光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染；LED为全固态发光体，耐震、耐冲击不易破碎、无热辐射，且不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。
因其寿命长，淘汰灯具少，产生的废弃物少，是一种“清洁”的光源。
（4）响应时间短。
白炽灯是热辐射光源，给人的感觉是一点就亮，实际上白炽灯启动后也有约零点几秒的上升时间，而LED的响应时间只有几十纳秒，因此在一些需要快速响应或高速运动的场合，应用LED作为光源是很合适的。
（5）发光体接近点光源。
LED的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源，这样能给灯具设计带来许多方便。
（6）可以做成薄型灯具。
LED管芯很小，加之LED发光的方向性很强，很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折，而不需要使用反射器，这样设计的灯具厚度较小，可以做成薄型灯具。
（7）亮度调节方便。
由于LED的工作电流范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此，可以用改变电流的方法来调光。
5.2LED发光原理及特性
5.2.1LED发光原理
LED光源其实是一个PN结的二极管。
它由管芯即发光半导体材料和导线支架组成，管芯周围由环氧树脂封装，以保护管芯。
在热平衡下，半导体PN结N区的电子扩散到P区
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