1、本科生毕业设计（论文）xx 工 业 大 学毕 业 设 计 (论 文 )题目： LED 光伏太阳能照明系统设计 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2013 年 6 月 18 日本科生毕业设计（论文）I摘 要本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用单片机STC89C51 和时钟芯片 DS1302 控制路灯照明时间，利用低功耗的数据存储器24C02 存储路灯点亮和熄灭时间，利用光敏电阻实现光电控制。傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。文中详细分析了控制器的电路
2、组成和工作原理，简述了控制器的调试过程。太阳能路灯系统的控制器是整个路灯系统中充当管理者的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，防过充电控制，防过放电控制。过充控制，就是在蓄电池处于过充状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。太阳能路灯由太阳能电池、蓄电池、高亮度 LED, 控制器等部件组成，减少噪声污染：太阳能路灯运动部件很少，基本没有噪声。关键词：太阳能电池；LED；铅酸蓄电池；时控、光控电路；充放电控制器本科生毕业设计（论文）IIAbstractThis paper designed a s
3、olar street lamp controller with time control and light control combination, controling street lamp lighting time by using STC89C51 MCU and clock chip DS1302 ,using low power data storage to storage the time of lighting lamps and extinguished lamps,achieving photoelectric control by Photoresistor .I
4、n the evening when the light is dim street lamp controller automatically switch on the power, when the late night pedestrian less according to set time extinguished lamp, morning auto power on light, dawn after the automatic shutdown. The circuit and operational principle is detailed analysed in the
5、 paper and resume the debugging process of the controller.Controller of solar street lighting system is a key component of the street lamp management system , its biggest function is to manage the storage battery, prevent charging control, prevent excessive discharge control. Charge control, is in t
6、he battery is charging state is disconnected from the charging circuit, a control circuit is to disconnect discharging circuit when the storage battery is in the overdischarge state , prolong the service life of the battery. Solar street lamp is composed of a solar battery, battery, high brightness
7、LED, and other components, reducing noise pollution: solar street lamp has few moving parts, no noise. Key words: solar battery; LED; lead-acid batteries; when the control; light control circuit; charge-discharge controller本科生毕业设计（论文）III目 录第 1 章 绪 论 .11.1 太阳能照明的优点 11.2 太阳能照明发展的趋势 21.3 太阳能路灯与普通路灯比较 3
8、第 2 章 设计方案论证 .52.1 设计思路及原则 52.2 设计要求 52.3 方案选择 5第 3 章 系统总体方案 .73.1 太阳能路灯照明系统基本组成 73.2 太阳能路灯照明系统工作原理 7第 4 章 系统硬件设计 .94.1 照明负载 94.2 太阳能电池板 104.2.1 太阳能电池板组件 .104.2.2 太阳能电池组件支架 .124.3 蓄电池 144.3.1 蓄电池原理及特性 .144.3.2 蓄电池的种类和应用 .154.3.3 铅酸蓄电池的工作原理 .164.3.4 蓄电池充电 .174.3.6 蓄电池给 LED 供电 .184.4 蓄电池和太阳能板的选用 194.5
9、 过充、过放控制电路 204.6 时钟显示电路结构及工作原理 214.7 存储器 AT24C02 .24第 5 章 系统控制器设计 .275.1 控制器结构 275.2 电压采集与电池管理 27本科生毕业设计（论文）IV5.3 负载输出控制与检测电路 285.4 电源电路设计 315.5 系统软件设计 31第 6 章 结论 .36参考文献 .37致谢 .38附录 .39附录 .45附录 .56本科生毕业设计（论文）1第 1 章 绪 论1.1 太阳能照明的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
10、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
11、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
12、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 10%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本科生毕业设计（论文）2光伏发电的国内市场发展
13、：1、启动送电到村工程；2、在特殊工程上运用光伏发电，如世博会、奥运会等；3、在沙漠地区建光伏电站；4、动员一些城市启动屋顶计划；5、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
14、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，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
15、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
16、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形成规模。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；如果将投入本科生毕业设计（论文）3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
17、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
18、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。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节
19、能无消耗、绿色环保、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，每本科生毕业设计（论文）4装一盏太阳能路灯，每年就可节省 1
20、460 度电，十年可节省 14600 度。1、太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 8
21、12 米的太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
22、的人不少，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。3、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，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。本科生毕业设计（论文）5第 2 章 设计方案论证2.1 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
23、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，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 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。 2.2 设计要求1、电池
24、板功率的计算和选用；2、蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；3、连续阴雨天三天路灯仍能照明；4、光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上 24 点熄灭，早上 5 点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调） ；5、系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。2.3 方案选择太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。本科生毕业设计（论文）6单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路
25、灯，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如 NE555 等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作。采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整
26、开关时间，费时费力，不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多，常用 LR6818、LM8650、LM8561 等集成块为中心的电子钟电路。近几年还出现将电子钟 LED 液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于路灯控制中。经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会
27、自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。本科生毕业设计（论文）7第 3 章 系统总体方案3.1 太阳能路灯照明系统基本组成 照明系统由太阳能电池组件部分（包括支架） 、LED 光源、控制器、蓄电池和灯杆等几部分构成；太阳能电池板的光效达到 127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以 LED 集成于印刷电路板上排列为一定
28、间距的点阵作为平面发光源。 控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池” ，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。 3.2 太阳能路灯照明系统工作原理系统工作原理利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池白天太阳能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、充放电控制器侦测到电压值变化后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电 8 小时后，充放电控制器动
29、作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并有短路保护、反接保护等。图 3.1 总体方案图太阳能电池板充放电控制器蓄电池路灯控制处理器LED 路灯负载本科生毕业设计（论文）8太阳能 LED 路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮 LED 灯用于路灯照明。 根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。系统总体方框图如图
30、 3.1 所示。由太阳能电池板通过 7805 稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。本科生毕业设计（论文）9第 4 章 系统硬件设计4.1 照明负载LED 外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是 PN 结，在半导体 PN 结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体 PN 结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态
31、的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一 LED 芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。白光 LED 通常是在发射蓝光的 InGaN 基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光。LED 作为半导体光源，其发展势头强劲，是太阳能路灯最为理想的光源，LED 路灯光源是一款多功能、环保节能型路灯光源，适合在各种场合的照明使用。有以下特点：1、高光效 LED 光效达 50200 流明/瓦，光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。2、高节能 具有电压低、电流小、亮度高的特性。一个 1012 瓦的 LED 光源发出
32、的光能与一个 35150 瓦的白炽灯发出的光能相当。同样照明效果 LED比传统光源节能 80%90%。 3、光色多 可以选择白色或彩色光，红色、黄色、蓝色、绿色、黄绿色、橙红色等。 4、安全性高 LED 光源使用低电压驱动， 发光稳定，无污染，没有 50HZ频闪，没有紫外线 B 波段，白色色温 5000K，最接近太阳色温 5500K。5、快速响应 LED 发光管响应时间很短。采用专用电源给 LED 光源供电时，达到最大照度的时间小于 10ms。6、运行成本低 其他光源不仅耗电是 LED 光源的 2-10 倍，而且几乎每月都要更换，在器件更换和人工方面的花费很大。因此选用使用寿命长的 LED 光
33、源从长远看非常经济。超高亮白光 LED 应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度 LED 发光管其产本科生毕业设计（论文）10生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮 LED 或平光型与束光型超高亮 LED 组合使用，将多个 LED 集中于一起，排列组合成一定规则的 LED 发光源。超高亮白光 LED 发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为 17.5mA 。超高亮白光 LED 发光源具有如下优点
34、 ：1、寿命长。LED 的寿命长达 100000h，而白炽灯的寿命一般不超过 2000 h，荧光灯的寿命也不过 5000 h 左右。2、效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED 的功耗只有前者的1020。3、绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED 不含汞、无频闪，是一种环保光源。4、耐低温。环境使用温度在一 4080 ，环境适应性非常强。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放
35、电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。太阳能 LED 发光源：在太阳能 LED 灯具中，发光源所用的 LED 数量，从1 个到上千个不等，一定数量的 LED 组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在 LED 排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光 LED 的发光效率，并使得单位面积 LED 的数量少以降低成本。本设计采用的单个高亮管的正常工作电压 3.3V，共采用 28 个 1W 高亮管，每 7 个高亮管串联成一组
36、，共四组并连在电路中，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障时对其他高亮管的影响，由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，高亮管尽量选用照射角度大一些的高亮管。4.2 太阳能电池板4.2.1 太阳能电池板组件本科生毕业设计（论文）11在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发电主要有太阳能热发电和太阳能光发电两种基本方式。1、太阳能热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：一类是太阳能热电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动
37、发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。有些国家正在研制较大功率的装置，已达到并网发电的实际应用水平。由于太阳能热发电技术复杂，商业应用只适合比较大的容量，因此发展不快，实际应用不多。2、太阳能光发电：不通过热过程，直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。目前应用的光伏发电，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点：间歇性。受气候条件影响；能量密度低；初始投资高。迄今已有100多个国家参与太阳能光电池的开发应用。近年来，产量迅速增加
38、生产成本开始下降7。目前,光伏发电主要用于三大方面：为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品。如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。太阳能电池的基本特性太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射 S=l000Wm2；太阳能电池温度 T=25；大气质量 AM=1.5 时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦” ，记以“Wp ”。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。
39、通过Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量。太阳能电池的种类也是多样化的，分为：1、单晶硅太阳能电池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、多晶硅太阳能电池本科生毕业设计（论文）12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
40、则要降低不少，其光电转换效率约12%左右 (2004年7月1日日本夏普上市效率为14.8%的世界最高效率多晶硅太阳能电池)。 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晶硅太阳电池是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，国际先进水平为10%
41、左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。4、多元化合物太阳能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。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
42、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） ，其光电转化效率比商用的薄膜太阳能电池板提高约5075%，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。当前，晶体硅材料（包括多晶硅和单晶硅）是最主要的光伏材料，其市场占有率在90% 以上 ,而且在今后相当长的一段时期也依然是太阳能电池的主流材料。4.2.2 太阳能电池组件支架1、倾角设计为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯选定太阳能电池组件支架倾角为16o。2、抗风设计本科生毕业
43、设计（论文）13在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。（1）太阳能电池组件支架的抗风设计依据电池组件技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为 27m/s（相当于十级台风） ，根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有 365Pa。所以，组件本身是完全可以承受 27m/s 的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。（2）路灯灯杆的抗风设计路灯的参数如下：电池板倾角 A = 16o 灯杆高度= 5m设计选取灯
44、杆底部焊缝宽度 = 4mm 灯杆底部外径= 168mm焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩 W 的计算点 P 到灯杆受到的电池板作用荷载 F 作用线的距离为 PQ = 5000+（168+6）/tan16 o Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩 M = F1.545。根据27m/s 的设计最大允许风速，230W 的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑 1.3 的安全系数，F = 1.3730 = 949N 。所以M = F1.545 = 9491.545 = 1466N.m （4-1）根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = （3
45、r2 3r 2 3） （4-2）上式中，r 是圆环内径， 是圆环宽度。破坏面抵抗矩 W = （3r2 3r 2 3）=（38424384 4243）= 88768mm3 =88.76810-6m3 风荷载在破坏面上作用矩引起的应力= M/W= 1466/（88.76810 -6）=16.510 -6pa =16.5 Mpa215Mpa其中，215 Mpa 是 Q235 钢的抗弯强度。所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。本科生毕业设计（论文）144.3 蓄电池4.3.1 蓄电池原理及特性蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多
46、余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏
47、天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板
48、短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。太阳能蓄电池应该具备以下特性：1、比较好的深循环能力，有着很好的过充和过放能力。2、长寿命，特殊的工艺设计和胶体电解质保证的长寿命电池。3、适用不同的环境要求，如高海拔，高温，低温等不同的条件下都能正常使用的电池。太阳能蓄电池的使用和维护：1、工作适宜温度1520本科生毕业设计（论文）152、太阳能蓄电池联接的方法为：将太阳能蓄电池的正极与正极、负极与负极联接。这样太阳能蓄电池的电量就会增加一倍，而电压与一块太阳能蓄电池的电压一样。太阳能蓄电池两极柱切不可短路（碰头）
49、 。3、对于新安装或整修后第一次充电的太阳能蓄电池，进行一次较长时间的充电，为初充电，应按额定容量1/10的电流来进行充电。安装前必须测量蓄电池是否充足，如电力不足，请在阳光充足的地方对蓄电池进行816小时以上充电或者用交流电先把电池充足，应严格避免过放充电。用交流电正常充电时，最好采用分级充电方式，即在充电初期用较大电流的恒流均充，充到均充电压并恒压一定时间后改用常规的恒压浮充方式。4、保持蓄电池本身的清洁。安装好的太阳能蓄电池极柱应涂上凡士林，防止腐蚀极柱。5、为太阳能蓄电池配置在线监测管理技术，对太阳能蓄电池进行内阻在线测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。6、冬季预防太阳能蓄电池冻裂，夏季避免阳光直晒，应将太阳能蓄电池放于通风阴冷处。4.3.2 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
