1、xx 城市职业学院毕业论文太阳能发电路灯照明系统的设计作 者： 学 号：班 级：机电指导教师：xxxx 城市职业学院二一五年四月xx 城市职业学院高职毕业论文太阳能发电路灯照明系统的设计作 者 指导教师 xx 学科级别 高职专科 培养院系 机电工程系 学科专业 机电一体化 学科类别 工学 二一五年四月目 录1 绪 论 11.1 太阳能照明的节能优点 .11.2 太阳能照明是发展的趋势 .21.3 太阳能路灯与普通路灯相比较 .32 设计思路及原则 63 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理 73.1 太阳能路灯的组成 .73.2 太阳能路灯的工作原理 .74 各部件的组成及工作原理 94.1
2、太阳能电池组件的组成及其工作原理 .94.1.1 太阳能电池的分类 94.1.2 硅太阳能电池工作原理与结构 .104.2 蓄电池的组成及工作原理 134.2.1 蓄电池的种类和应用 .134.2.2 铅酸蓄电池的工作原理 .154.3 电源控制器的组成及工作原理 164.3.1 系统硬件结构 .164.3.2 电压采集与电池管理 .164.3.3 负载输出控制与检测电路 .174.3.4 硬件设计中的注意点 .184.3.5 系统软件设计 .184.4 光 源 的 选 择 .214.4.1 各种光源的特性比较 .214.4.2 LED 灯的特点 .215 光源的设计及选择 235.1 使用
3、LED 作为照明的理由 235.2 所选用的 LED 路灯特点 235.3 产品参数 .236 太阳能电池最佳倾角的设计 257 LED 路灯工程设计 .267.1 LED 路灯道路照明设计 .267.2 单臂灯的工程安装步骤 267.3 太阳能路灯的安装和施工 .27参 考 文 献 .29致 谢 30xx 城市职业学院11 绪 论1.1 太阳能照明的节能优点无论是现在还是将来，太阳能都拥有广阔的市场前景。潜力无限的太阳能是一种清洁、高效而且可持续的可再生能源。同时，使用太阳能也是一个明智的财务选择。如果使用太阳能电池板为您的住宅供电，在收到每个月的电费单时，您就能体会到这一点。另外，太阳能是
4、环保的选择如果您知道使用太阳能将为您的孩子留下一个更环保的美好世界，您一定会感到自豪。如今，全球的光伏 (Photovoltaic, PV) 太阳能供不应求，是增长最快的可再生能源之一。随着制造工艺的高效化，光伏系统的成本将继续下降。如今，光伏系统的价格已经是 20 年前的 1/25。即使是商业电力公司，也正在寻求通过利用太阳能来构建更为稳定的成本结构。研究结果显示，太阳能在北方的气候条件下更为有效。在加利福尼亚州，电费每年上涨 6.7%。太阳能则可以用来预防未来电费的居高不下。在许多国家，您可以将富余电力卖给电力公司，冲抵您的电费。与高成本的化石燃料污染和全球温室效应相比，太阳能不仅使用范围
5、广，而且更经济。在近期的民意调查中，当受访对象被问及哪类能源最适合子孙后代时，太阳能的得分高出所有其它能源。光伏系统在提供电力的同时，不会排放二氧化碳 (CO2)。一块光伏组件在 25 年的有效使用期内，可减少约 7.5 吨的碳排放量。随着经济发展，我国的照明用电将大幅度提高，绿色节能照明的研究应用，将越来越受到重视。太阳能 LED 照明灯具作为冷光源产品，具有性价比较高、绿色环保、安全可靠、质量稳定、使用寿命长、安装维护简便等特点，可广泛应用于绿地照明、公路照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明及家居照明系统，但太阳能 LED 照明灯具一次性投入较高是其发展的瓶颈。目前，照明消耗约占整个电力消
6、耗的 20%左右，降低照明用电是节省能源的重要途径。为实现这一目标，业界已研究开发出多种节能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还较远，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。 到 2006 年底，我国可再生能源利用量总计为 2 亿吨标准煤(不包括传统方式利用生物质能)，约占 0.5 个百分点，为 2010 年实现可再生能源占全国一次能源消费总量xx 城市职业学院210%xx 城市职业学院毕业设计3的目标迈出了坚实的一步。目前，我国正在从以下几个方面来推动光伏发电的国内市场发展：一、启动送电到村工程;二、在特殊工程上运用光伏发电，如世博会、奥运会等;三、在沙
7、漠地区建光伏电站;四、动员一些城市启动屋顶计划;五、研究制定提高光伏发电竞争力的电价政策(光伏产品 90%的出口以及国内市场的缺失，都可能限制中国光伏产业的长远发展。一旦国外光伏产业政策有变或者为保护本国产业采取限制进口的措施，中国近年来大量上马的光伏项目将面临困境)。1.2 太阳能照明是发展的趋势太阳的能源非常巨大，大约 40 分钟照射在地球上的太阳光所产生的能量相当于全球人类一年消耗的能量。可以说太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。目前，全球能源危机日益加剧，各国都在寻找新的能源，以取代即将枯竭的煤、石油、天然气等地球上所剩无几的不可再生能源。作为新型照明方式之一，太阳能照明能否挑起重担
8、，在未来的照明行业中起主导作用？这不仅仅是照明行业所关注的焦点，也是整个社会思考和关注的焦点。利用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式。太阳能电源系统运行成本低，几乎不需要维护，不需要备件，不需要增添燃料。太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用。不包含任何运转部件，系统可连续工作、使用寿命超过数十年。 、太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定。无需为引接入电网而修路，在没有电网的地方，太阳能为灵活选取站址提供可能。除了直接的经济效益以外，太阳能发电还有很多间接优点。在其它一些供电系统，往往由于断电而立即造成巨大的经济损失。太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。太阳能照明本质上是
9、一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件” 。其工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制，当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、随时变换位置等优点，在照明行业中树立起神圣的地位。因为硅晶片价格昂贵，最初的太阳能仅应用在航天事业上。在技术上稍有突破后，被美国、日本、德国等发达国家率先尝试运用在高科技领域。随着太阳能光伏技术的发展和进步，在民用方面首先应用在照明灯具上。近几年来，太阳能灯具产品由于环保节能的双重优势，太阳能庭院灯、太阳能草坪灯和太阳能装饰灯等应用逐渐
10、形成规xx 城市职业学院毕业设计4模。大量试验表明，太阳能灯具和普通灯具对比分析后得出：在满足同样照明要求的条件下，两种不同的供电方式，太阳能灯成本比普通灯具要高；如果将投入工程的施工费用计入整个工程，则两种灯具在初始投资时造价相当。工程越大，普通灯具的工程施工费用越高，其初始投入大于太阳能灯具。使用时间越长，越能彰显太阳能灯具的实惠。如果把人力、物力计算在内，普通灯具的辅助费用与维护费用都将比预算的高。在后续的使用费用上（电费、维护费用等） ，太阳能灯具的优势更明显。 “如果在全国推广使用 3 亿只太阳能灯，其节能效果相当于新建一个三峡工程” ，中山市百特照明科技有限公司朱建平经理介绍。据了
11、解，太阳能的优点已被越来越多的人所接受。作为太阳能应用的系列产品之一，太阳能灯具一直是各方研究和关注的焦点。在已有技术基础上，技术人员与厂商集思广益，在诸多方面取得了突破性进展，为太阳能灯最终走向千家万户打下了坚实基础。专家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。1.3 太阳能路灯与普通路灯相比较随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保能源之一，太阳能照明就是利用太阳能最重要的途径。太阳能照明路灯采用高效单晶硅太阳能电池供电,采用免维护密封型蓄电池贮存电能,用高效节能灯照明,并采用先进的充放电和照明控制电路,具有性质可靠、发光效率高、亮度
12、大、安装方便、无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光敏控制、安全可靠、节能、经济、环保，实用)寿命长,是未来户外照明的发展方向和照明灯具中的一枝新秀。市电照明灯具安装复杂：在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。对比而言，太阳能照明绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点；可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环
13、保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。太阳能照明灯具有体积小,重量轻,低能耗,高光强,防雷击,无须其它电源,安全可靠,安装、维护方便等特点。太阳能照明灯可广泛应用于：家庭别墅、单xx 城市职业学院毕业设计5位花园、公园绿地、环保小区、房前路边等户外场所的照明。一盏普通的路灯以 400W 光源、日工作 10 小时计，1 年平均耗电量是 1460 度电，还需要专人维护、更换灯泡；而太阳能路灯一般采用寿命长达 50000 小时以上的 LED灯作为光源，日常无需增加消耗电量的费用开支。换个角度说，每装一盏太阳能路灯，每年就可节省 1460 度电
14、，十年可节省 14600 度。1.大阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算太阳能路灯其实并不贵。在很多人眼里，路灯的成本不过是一根杆，一只灯泡。但是，事实上根本不是这样子，一盏普通路灯除了这些成本，还有预埋地下的电缆申请和施工过程的费用，还可能影响、破坏周围植被和景观，日常需要专人定时维护、更换灯泡，同时每隔大约 1Km 要建一个升压站（防止输电线路过长，电压降低过大，影响灯光亮度） ，分摊下来的成本每盏大约在 3 万元左右，目前市政道路路灯的招标价格每盏一般也在 23.5 万元之间。而太阳能路灯的最大成本就是太阳能电池板，无需预埋输电电缆及相关工程费用，一盏 812 米的太
15、阳能路灯的造价一般在 1.83.5 万元之间。这些太阳能路灯一般使用的光源是长寿命的 LED 灯或低压钠灯，使用的电压都是绝对安全的直流低电压，采用光控、时控、全自动、无触点电子开关，故障率极低，整体路灯使用寿命要长达 15年。此外，路灯与路灯之间彼此独立工作、互不干扰，可根据实际情况将某段时间设计成节能照明状态，从而有效降低造价。只要设计合理，实际比普通路灯更划算。2.偷盗难，也不划算，太阳能路灯灯杆一般都在 8 米高以上，偷盗电线不合算近年来，由于铜以及其他金属价格的上涨，偷盗路灯电缆成为一大治安问题。很多人担心太阳能路灯采用的都是高新技术的材料，一旦被盗的损失会更高，持这种观点的人不少，
16、不仅仅有一些政府官员，连一些能源研究专家也认为这确实是一个问题。小偷偷电线一般用剪或用绞轮拉，目的是为了获得金属铜谋取利益，而太阳能路灯的内部电线绝大部分都在灯杆里面且短而小，含铜量不如传统路灯，加上灯杆较高，一般都在 8 米以上，要开着吊车才能将太阳能电池板和电缆快速盗走，被盗可能性比传统路灯要低得多。如果小偷真的开着吊车来偷路灯了，那不知是什么天下了，应该不是偷了而是抢了！那我们国家能有这么乱吗？因此，偷盗太阳能路灯内部电线是不合算的。xx 城市职业学院毕业设计63.大阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算(1)不受地理位置限制、无需消耗燃料，无机械转动部件，建设周期短，
17、规模大小随意；(2)安全可靠、无污染、无噪声、环保美观、故障率极低、寿命长；(3)拆装简易、移动方便、工程安装成本低，无需预埋架高输电线路，可免去远距离敷设电缆时对植被和环境的破坏及其所需的工程费用；(4)广泛应用于道路照明上，非常适用于乡村、农场、山头、海岛、高速公路等输电不便的偏僻地方。xx 城市职业学院毕业设计72 设计思路及原则设计思路：太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。首先是根据用电负载（LED 光源）的用电量，确定太阳能组件的功率，然后确定蓄电池的容量，再进行电气设计、光源设计和设备选型，最后进行系统的结构设计，设计中要确保太阳能 LED
18、 路灯运行的稳定性和可靠性。设计的原则：对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题： （1）从功能上,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升工厂形象。（2）在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。（3）另外还要结合当地的光资源情况。 xx 城市职业学院毕业设计83 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理3.1 太阳能路灯的组成太阳能路灯由太阳能电池组件、蓄电池、电源控制器、光源等组成。如图 3.1图 3.1 太 阳 能 原 理 方 框太阳能路灯技术特点是：具有特大功率
19、，光亮度相当于白炽灯 150W-250W 时，每天 8 小时照明，可在连续阴雨 9 天内正常工作；应用了具有充放电保护功能、光敏自控装置和时控装置的光电智能控制器，使产品可有效地节约能源，增加有效照明时间，降低生产成本；中央控制器单元采用单片机控制，并在智能控制器中建立了全球不同纬度的全年日照时间数据。使用时在控制器中输入所在地区纬度，调整好年、月、日和开/关机的时间，就能够长年自动跟踪环境光线；在大面积使用后，启动和关闭的时差很小，从而比较好的克服了传统太阳能灯因启动时差过大而产生的种种弊端。3.2 太阳能路灯的工作原理太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳x
20、x 城市职业学院毕业设计9光照射在半导体 PN 结上，由于 P-N 结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使 P 区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂;另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与
21、电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。白天的时候，太阳能电池吸收太阳光子能产生电能，通过控制器吧电能储存在蓄电池里，当夜幕降临或者灯具周围的广度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电设定的时间后切断，这样就可以照明了。xx 城市职业学院毕业设计104 各部件的组成及工作原理4.1 太阳能电池组件的组成及其工作原理4.1.1 太阳能电池的分类太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为 a-)两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。 按材料可分为硅薄
22、膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H 等)、V 族(GaAs,InP 等)、族(Cds 系)和磷化锌 (Zn 3 p 2 )等。太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。1. 硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为 2
23、3%,规模生产时的效率为 15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为 18%,工业规模生产的转换效率为 10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶
24、硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。下面对硅太阳能电池进行详细介绍。xx 城市职业学院毕业设计112. 多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓 III-V 族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V 化合物电池的转换效率可达 28%，GaAs 化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于
25、制造高效单结电池。但是 GaAs 材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用 GaAs 电池的普及。铜铟硒薄膜电池（简称 CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。3. 聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅
26、刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。4. 纳米晶太阳能电池纳米 TiO2 晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在 10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10寿命能达到 2O 年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。4.1.2 硅太阳能电池工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图4.1。xx 城市职业学院毕业设计12图 4.1图 4.1 中，正电荷表示硅原子，负电荷表
27、示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图 4.2 所示。图 4.2图 4.2 中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而实心的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有 3 个电子，所以就会产生入图所示的空心的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成 N（negative）型半导体。实心的为磷原子核，小的为多余的电子，如图 4.3所示。图 4.3图 4.4xx
28、 城市职业学院毕业设计13N 型半导体中含有较多的空穴，而 P 型半导体中含有较多的电子，这样，当 P 型和N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是 PN 结。如图 4.4 所示。当 P 型和 N 型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的 P 型一侧带负电，N 型一侧带正电。这是由于 P 型半导体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。N 区的电子会扩散到 P 区，P 区的空穴会扩散到 N 区，一旦扩散就形成了一个由 N 指向 P 的“内电场” ，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是 PN 结。当
29、晶片受光后，PN 结中，N 型半导体的空穴往 P 型区移动，而 P 型区中的电子往N 型区移动，从而形成从 N 型区到 P 型区的电流。然后在 PN 结中形成电势差，这就形成了电源 ，如图 4.5 所示。图 4.5由于半导体不是电的良导体，电子在通过 pn 结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 pn 结，如图 4.5，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，如图 4.5 所示，将反射损失减小到 5甚至更小。一个
30、电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是xx 城市职业学院毕业设计1436 个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。4.2 蓄电池的组成及工作原理太阳能照明必须配备蓄电池才能工作，这是因为：（1）.太阳能电池只能在白天进行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，因此必须储备在蓄电池内，储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。（2）.太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后，太阳能灯等负荷才能正常工作。4.2.1 蓄电池的种类和应用化学电源是人类目前可以利用的高效能源之一。蓄电池也称作二次电源，它是一种把化学反应所释放出来的能量直接转变成直流电能的装置。蓄电池按照其
31、电解液的不同，通常分为酸性电池和碱性电池。近几十年来，由于交通。通讯。计算机产业的高速发展，其产品系列。产品种类。产品性能发生了巨大变化，以此满足不同用途的需要。目前，蓄电池主要应用于各种车辆。船舶。飞机等内燃机的起动以及照明。蓄能。不间断电源。移动通讯。便携式电动五金|工具。电动玩具当中。总之，蓄电池在国防。工农业生产。交通运输。电力。电子。通讯。教学。科研。xx 城市职业学院毕业设计15医疗卫生以及人们日常生活中被广泛应用。常用的蓄电池有铅酸蓄电池。镉镍蓄电池。铁镍蓄电池。金属氧化物蓄电池。锌银蓄电池。锌镍蓄电池。氢镍蓄电池。锂离子蓄电池等。常用蓄电池介绍：1铅酸蓄电池铅酸蓄电池负极为铅，
32、正极为二氧化铅，电解液为稀硫酸，主要有起动型。固定型。牵引型。动力型和便携型，常为开口或防酸式(GF),少量为胶体电解液蓄电池(GEL)。近年来， ，特别是 VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄电池的出现，在某些领域已经能够取代碱性蓄电池和干电池，使铅酸蓄电池发挥更大的作用。由于铅酸蓄电池价格低廉，适于低温高倍率放电，因此应用广泛，是我国的电信行业中后备电源的主要产品。但同时由于铅酸蓄电池比能量偏低，生产过程有毒。污染环境等不利因素，一定程度上影响了其使用范围。2镉镍蓄电池镉镍蓄电池负极为镉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液。常见外形是方形。扣式和圆柱形
33、，其有开口。密封和全密封三种结构。按极板制造方式又分有极板盒式。烧结式。压成式和拉浆式。镉镍蓄电池具有放电倍率高。低温性能好，循环寿命长等特点。3金属氢化物镍蓄电池金属氢化物镍蓄电池是新开发出来的新产品，负极为吸氢稀土合金，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾。氢氧化锂水溶液，比能量是镉镍蓄电池 1.5-2 倍，具有可快速充电。优良的高倍率放电性能和低温放电性能，价格便宜，无污染，被称为绿色环保电池。4铁镍蓄电池铁镍蓄电池负极为铁粉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。具有结构坚固。耐用。寿命长等特点，比能量较低，多用于矿井运输车动力电源。5锌银蓄电池锌银蓄电池负极为锌，正极为氧化银，电
34、解液为氢氧化钾水溶液，具有较高的比能量及优良的高倍率放电性能，但价格偏高，多用于军事工业及武器系统。6锌镍蓄电池xx 城市职业学院毕业设计16锌镍蓄电池负极为锌，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液，具有高比能量，价格较低；但寿命较短，近年来锌镍蓄电池的循环寿命有了较大提高，预计随着循环寿命的提高将获得更广泛应用。7锂离子蓄电池锂离子蓄电池负极是碳(石墨),正极是氧化钴锂，由于采用有机电解质液，具有电压高。比能量高及优良的循环寿命，安全无污染，被称为绿色电源。常作为通讯工具和便携器材的电源。总之，我国的蓄电池工业随着各行各业的发展获得了迅速发展机会。至今目前，我国从事蓄电池生产的企业已达千家之
35、多。同时，免维护。阀控密封式铅酸蓄电池。金属氧化物物镍蓄电池。锂离子蓄电池等新型蓄电池也各有侧重的应用于各行各业中。4.2.2 铅酸蓄电池的工作原理由于太阳能路灯采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析。铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下： 1.充电：蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时，在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅，同时在负极板上产生氢气，正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加，电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时，充电就结束了。 在充电时，在正、负极板上生成的氧和氢会在电池内部“氧合”成水回到电解液中。化学
36、反应过程如下： （正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液） （负极）PbSO4 + 2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充电反应）(硫酸铅) （水） （硫酸铅）2.放电蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时， 硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应，生成化合物“硫酸铅” ，放电时间越长，硫酸浓度越稀薄，电池里的“液体”越少，电池两端的电压就越低。xx 城市职业学院毕业设计17化学反应过程如下： （正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液） （负极） PbO2 + 2H2SO4 + Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4
37、 （放电反应） (过氧化铅) （硫酸） （海绵状铅） 从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应” 。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。4.3 电源控制器的组成及工作原理4.3.1 系统硬件结构太阳能路灯智能控
38、制系统硬件结构，如图 4.6 所示，该 以 STC12C5410AD 单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED 显示电路及键盘电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳能光线强弱的识别及蓄电池电压的获取。单片机的 P3 口的两位作为键盘输入口，用于工作模式参数的设置。图 4.6STC12C5410AD 是 STC12 系列的单片机，采用 RISC 型 CPU 内核，兼容普通 8051 指令采集，片内容含有 10KBFlash 程序存储器，同时内部还有看门口（WDT） ；片内集成MAX810 专用复位电路、8 通道 10 位 ADC 以
39、及 4 通道 PWM；具有可编程的 8 级中断源 4xx 城市职业学院毕业设计18种优先级，具有在系统片成（ISP）和在应用编程（IAP） ，片内资源丰富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD 对系统的工作进行实施调度，实现外部输入参数的设置、蓄电池及负载的管理、工作状态的指示等。于设置状态的识别及参数设置;P3.5(T1)接 F2 键,该键用于自检及“加 1”功能,根据程序流程,分别实现不同功能。电压采集与电池管理太阳能电池板电压采集,用于太阳光线强弱的判断,因而可以作为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。蓄电池电压采集,用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器
40、的 PWM 功能,对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路,若在太阳能电池正常充电时,控制器将关断负载,以保证负载不被损伤,若在夜间或太阳能电池不充电时,控制器由于自身得不到电力,不会有任何动作。4.3.2 电压采集与电池管理太阳能电池板电压采集用于太阳光线强弱的判断，因而可以做为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器 PWM 功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。当充
41、电电压高于保护电压（15V）时，自动关断对蓄电池的充电；此后当电压掉至维护电压（13.2V）时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压（13.2V）后浮充关不，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压（11V）时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过 PWM 充电电路，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。4.3.3 负载输出控制与检测电路本系统设计了两路负载输出，每路输出均有独立的控制于检测，具有完善的过流、短路保护措施，电路原理如图 4.7 所示。xx 城市职业学院毕业设计19图 4.7注：P1.6 为单片机 18 引脚；P1.7 为单片
42、机 19 引脚；P3.2 为单片机 6 引脚负载过流及短路保护:设计了两级保护。第一级采用了 R7(0.01 康铜丝)以及运放 LM358、比较器 LM393 等器件组成的过流、短路检测电路配合单片机的 A/D 转换及外部中断响应来实现,这里使用了硬件+软件的方式,LM358 的输出送 P1.7(A/D 转换)口,用作过流信号识别,当电流超过额定电流 20%并维持 30s 以上时,确认为过流;短路电流整定为 10A,响应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子保险丝保护,当流经电子保险丝的电流骤然增加时,温度随之上升,其电阻大大增加,工作电流大幅降低,达到保护电路目的,响应时间为秒数量级,过流撤消或
43、短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体,无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后,在长达数小时时间负载短路实验后,控制器仍没出现电路烧毁现象。解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护,一旦烧毁必须人为更换的问题,同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比,也具有明显的优点,简化了维护,提高了系统的安全性能。4.3.4 硬件设计中的注意点（1）感应雷保护电路应设计在太阳能电池板引线入口处,保护电路周围 4mm 内不要布置其他器件。（2）防止太阳能电池板反接用的二极管必须采用快恢复二极管,这种管子导通内阻小,充电时发热量小,不用散热器也可以连续充电,充电效果好。（3）充电、负载放电电路的
44、印刷线路宽度至少要 45mm,线路上用搪锡处理以增xx 城市职业学院毕业设计20加过电流能力,大电流导线在一层过渡到另一层时,要放置 35 个过孔。（4）过流、短路保护电路选用的电流取样电阻要综合考虑电流、功率及热稳定性三个因素。电阻增大则电路效率下降,本系统选用电阻为 0.01,过电流能力在 10A 以上的康铜丝作为电流取样电阻,来产生取样电压,取样电压最多不超过 0.2V,故采用运放LM358 对它进行放大。（5）器件的布局和 PCB 图的布线采用模块化,大电流信号与小电流信号要分离,对放大电路的线路犹其要精心布置。数字地和模拟地分开,注意电源线和地线的布局。4.3.5 系统软件设计1.软
45、件编程要点（1）本系统采用较少的按键实现了诸多功能，如负载工作模式的设计、双灯同时工作还是分时工作、负载工作时间的设定、自检功能等，为防止误操作采取了一些措施。这种方法实际上是一键多用的一种尝试，还可以推广到更复杂的人际对话设计。（2）键盘在定时终端服务程序中读取，用终端间隔时间实现键盘的去抖，不必编写另外的延时程序，提高了 CPU 的利用率。键盘值输入存入数据缓冲区，在主程序中读数据缓冲区的内容，执行键盘功能散转子程序。（3）环境光线（闪电、礼花燃放）对太阳能电池板的采样电压有明显的影像，在白天、黄昏、的识别时，要进行软件延迟，一般控制在 23min。（4）外部中断为高优先级中断，编制子程序
46、实现负载过流、短路保护时，要充分考虑负载启动瞬间会产生数倍于额定电流的冲击电流，冲击电流维持在 3ms5ms，应在软件上采取措施，避免短路与负载开启的误判。确定负载过流、短路后，切断负载输出。负载切断后，每隔一段时间，如 20ms，应试接通负载开关，当发现过流、短路信号已消除，则恢复负载的输出，否则负载开关仍然保持断开。（5）为保护负载（灯具） ，蓄电池过放保护恢复时，应用软件设置一个回差电压，这样负载开关不会出现颤抖现象，有利于延长灯具的使用寿命。（6）根据 STC12C5410AD 的 Data Flash 的特点，数据写入时必须启动 ISP/IAP 命令，CPU 等待 IAP 动作定时后
47、，才继续执行程序，要先关断中断（EA） 。还应注意数据写入 Data Flash 存储器，不能跨越扇区。2.单片机软件编程本设计方案的硬件电路对应的软件程序包括:主程序、定时中断程序、A/D 转换子xx 城市职业学院毕业设计21程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序。单片机的软件编程上,以 KeilC 编译器的 Windows 集成开发环境 vision2 作为软件开发平台,采用 C51 高级语言编写。按键处理流程如图 4.8 所示,电压检测子程序如图 4.9 所示。下F12s+YN图 4.8 按键程序流程图5V3.图 4.9 电压检测子程序流程图 xx 城市职业
48、学院毕业设计221. ADS 子程序INT8U ADC(INT8U number)using 2number=number/通道号不超过 7ADS_CONTR= ADS_CONTR e0; /清 ADC_FLAG、AD 不启动While（ADS_CONTR/结束返回2. 外部 0 中断响应子程序void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1if（P3_2） /高电平，认为是干扰信号触发中断returndelay 1（5000） ； /10ms 延时if（P3_2=0）load_switch_1=LSTOP;/负载开关 1 关LOOP1_DL=1; 置负载短路标志这
49、个太阳能路灯控制器可适用 12V 或 24V 工作光伏系统，可以直接驱动只留节能灯或通过逆变器驱动无极灯等作为照明光源，也可以驱动一些直流低压负载用于城市亮化。控制器的两路负载输出可以用于电动车道和人行道的照明，照明时间和工作模式可以灵活设置。着重解决了如何对蓄电池及负载进行有效管理问题，提高了太阳能电池板的使用效率，延长了蓄电池的使用寿命，防止因线路问题而造成的意外事件的发生。4.4 光 源 的 选 择4.4.1 各种光源的特性比较光源的选型对于太阳能路灯来说是最关键的一步，目前针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。目前常见的光源有直流节能xx 城市职业学院毕业设计23灯、高频无极灯、低压钠灯和 LED 光源。（1）低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命 2000 小时，电压低灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。 （2）低压钠灯：低压钠灯光效高（可达 200Lm/w） ，但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造高，采用较少。 （3）无极灯：功率小，光效较高。该灯在 220V（纯正弦波，频率 50 赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达
