畢業(yè)論文---光伏地?zé)粼O(shè)計與研究

1、<p>　　2008屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計）</p><p>　　論文題目：光伏地?zé)粼O(shè)計與研究</p><p><b>　　學(xué)生姓名： </b></p><p>　　所在院系： 機電學(xué)院</p><p>　　所學(xué)專業(yè)： 應(yīng)用電子技術(shù)教育</p><p><b>　　導(dǎo)師姓名： &

2、lt;/b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　針對目前太陽能地?zé)粝到y(tǒng)由于控制器對蓄電池保護不充分經(jīng)常使蓄電池處于過放電而造成蓄電池壽命短和系統(tǒng)可靠性不高等問題，本論文設(shè)計了具有自適應(yīng)功能的新型太陽能地?zé)艨刂破鳎瑥亩剐铍姵夭粫l(fā)生過放電，延長了蓄電池的使用壽命，提高了太陽能地?zé)粝到y(tǒng)運行可靠性。</p><p&

3、gt;　　本文首先分析研究了太陽能發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池的結(jié)構(gòu)和工作原理，并對蓄電池充、放電過程運行特性、影響蓄電池使用壽命各種因素和如何提高蓄電池的使用性能作了分析和研究。最后給出了具體的設(shè)計方案和實現(xiàn)過程，經(jīng)實驗測試和正常運行后，達到了預(yù)期的效果，得出此方法可行具備一定的理論意義和現(xiàn)實價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽能；蓄電池；太陽能控制器；負載</p><p>　　Design a

4、nd Research of PV Groundlights</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In order to deal with the problem of battery shorter life and poor reliability of the solar powered groundlights,we d

5、eveloped a new type charge controller for solar powered groundlights. By this way,over-discharge of battery will no longer take place, which helps to improve the reliability of solar powered groundlights and will prolong

6、 lifetime of battery.</p><p>　　This paper has been analyzed the structures and operation principles of solar power generate systems and battery,and we study what effects lifetime of battery and how to improv

7、e dynamic behaviour of battery.Finally,we provided a concrete control project and process easy to achieve .after testing it ,we made a conclusion and confirm that the method is practical and valuable.</p><p>

8、;　　Keywords : Solar Eergy; Storage Battery; Solar Energy Cntroller; Load</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　太陽能作為可再生能源，很早就被人們開發(fā)和利用了。隨著科學(xué)和技術(shù)的迅速發(fā)展，隨著世界能源危機的日益嚴重，石油價格不斷上漲，利用常規(guī)能源已不能適應(yīng)世界經(jīng)濟快速增長

9、的需要，開發(fā)和利用新能源，尤其是太陽能越來越引起各國政府的重視。1990 年以來，世界太陽能市場的年增長率為 16％，而同期石油的年增長率只有 1.6％，相差 10 倍之多。同時，以煤、石油和鈾作為燃料油面臨嚴重的環(huán)境污染；再者人民生活水平的提高對能源的需求量越來越大，這就迫使政府和社會在大力發(fā)展常規(guī)能源的同時必須加大對新能源的開發(fā)和利用。因而，可再生、無污染的太陽能利用又在世界各國崛起。世界光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，從上個世紀到本世紀初，光伏

10、發(fā)電以逐漸從解決特殊領(lǐng)域供電轉(zhuǎn)向作為常規(guī)能源的一種重要補充，并以分散的形式進入了電力市場。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護的需求，在可以預(yù)計的將來，光伏發(fā)電必將部分取代常規(guī)能源。</p><p>　　目前太陽能企業(yè)面臨新機遇，由于光伏技術(shù)的逐漸成熟，成本不斷下降，太陽能的無處不在，取之不盡。各種各樣的利用太陽能開發(fā)的太陽能電子產(chǎn)品發(fā)展非常迅速，例如：太陽能熱水器、太陽能路燈、太陽能熱泵、太陽能交通信號燈、太陽能除濕空

11、調(diào)系統(tǒng)等，這些產(chǎn)品顯示出了巨大的市場潛力和生命力。</p><p>　　太陽能是一種非常重要的可再生能源,而太陽能燈正是一種太陽能應(yīng)用產(chǎn)品,隨著我國城市亮化工程的日益興起,這就給太陽能燈的普及和發(fā)展鋪平了道路。同時，太陽能燈具有市電照明燈不可比的優(yōu)勢：</p><p>　　對比一 市電照明燈具安裝復(fù)雜：在市電照明燈具工程中有復(fù)雜的作業(yè)程序，首先要鋪設(shè)電纜，這里就要進行電纜溝的開挖、鋪設(shè)暗管

12、、管內(nèi)穿線、回填等大量基礎(chǔ)工程。然后進行長時間的安裝調(diào)試，如任何一條線路有問題，則要大面積返工。而且地勢和線路要求復(fù)雜、人工和輔助材料成本高昂。 </p><p>　　太陽能照明燈安裝簡便：太陽能燈具安裝時，不用鋪設(shè)復(fù)雜的線路，只要做一個水泥基座，然后用不銹鋼螺絲固定就可。 對比二 市電照明燈具電費高昂：市電照明燈具工作中有固定高昂的電費，要長期不間斷對線路和其它配置進行維護或更換，維護成本逐年遞增。&

13、lt;/p><p>　　太陽能照明燈具免電費：太陽能照明燈具是一次性投入，無任何維護成本，三年可收回投資成本，長期受益。 對比三 市電照明燈具有安全隱患：市電照明燈具由于在施工質(zhì)量、景觀工程的改造、材料老化、供電不正常、水電氣管道的沖突等方面帶來諸多安全隱患。 太陽能照明自動控制,維護管理簡便,無電纜被盜的煩惱沒有安全隱患;太陽能燈具是超低壓產(chǎn)品，運行安全可靠。 </p><

14、p>　　太陽能燈是由太陽電池將白天太陽的光能轉(zhuǎn)變成電能,而加以存儲。晚上,經(jīng)LED發(fā)光元件又由電能轉(zhuǎn)化為光的一種新產(chǎn)品。目前,太陽能電池板有多晶硅和單晶硅兩種。國內(nèi)已經(jīng)可以大量生產(chǎn)。電能的存儲則是由可充電電池或蓄電池擔(dān)任。充電和放電的過程通過一定的設(shè)計電路來控制。</p><p>　　凡是有陽光的場合,都可以使用太陽能燈。目前大多用在室外的太陽能普通燈,如草坪燈、野餐臺面燈、房門的照明燈及門牌燈、圍墻的墻頭

15、燈和道路的照明燈等。另外,有一定觀賞性的我們稱為太陽能藝術(shù)燈,如水面燈、庭院景觀燈、公園、廣場的藝術(shù)造型燈等。太陽能地?zé)粽沁@些常用的簡單的太陽能燈的一種。</p><p><b>　　2 方案論證</b></p><p>　　光伏地?zé)粝到y(tǒng)主要由太陽能電池板，太陽能控制器，蓄電池和負載四部分組成。白天，太陽能電池吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)換成電能，并通過控制器的控制將獲得的

16、電能存儲在蓄電池中；晚上，在控制器的控制下，接通負載，使蓄電池向負載放電，燈亮。本文提出以下方案，進行對比論證，選取比較合適的方案</p><p>　　方案一：太陽能控制器采用單片機技術(shù)來實現(xiàn)，晚上能自動開燈、早晨能自動關(guān)燈，控制穩(wěn)定可靠，目前路燈控制常采用這種控制方式，但其價格較高，在地?zé)糁惺褂脤黾硬槐匾某杀尽?lt;/p><p>　　方案二：太陽能控制器采用一般的具有充放電控制功能及

17、蓄電池過充過放保護的芯片加上簡單的外圍元件即可實現(xiàn)，但穩(wěn)定性不好，工作特性易受外界干擾。</p><p>　　通過對上述兩個方案進行比較，可以得出結(jié)論，第二個方案工作特性不夠穩(wěn)定，第一種可以滿足要求，但是價格過于昂貴，對于地?zé)粽彰飨到y(tǒng)來說，綜合考慮之下，選用第二種方案更可行。</p><p>　　3 系統(tǒng)設(shè)計方框圖 </p><p>　　光伏地?zé)舻碾娫聪到y(tǒng)如圖1所示

18、。光伏地?zé)粝到y(tǒng)主要由太陽能電池板，蓄電池，太陽能控制器，負載四部分組成。</p><p>　　太陽能電池是整個供電系統(tǒng)的核心，白天，太陽能電池將吸收的太陽光轉(zhuǎn)換成電能并存儲在蓄電池中。太陽能電池方陣一般由多塊太陽能電池組件串聯(lián)或并聯(lián)而成。太陽能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。</p><p>　　蓄電池組是太陽能電池方陣的儲能裝置，其作用是將白天太陽能電池發(fā)的電存儲起來，

19、在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串聯(lián)或并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)設(shè)計方框圖</p><p>　　太陽能控制器由防過充、防過放保護電路以及充放電控制電路組成。白天，太陽能電池通過控制器的控制實現(xiàn)對蓄電池充電。晚上，蓄電池在控制器的控制下向負載放電，使LED燈發(fā)光。防過充保護和防過放保護的作用是防

20、止損壞蓄電池。因為過充或過放對蓄電池的壽命都會有大的損傷，大大減少蓄電池的使用壽命。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計主要包括太陽能電池方陣和蓄電池的原理及選用；控制器的工作原理。其中控制器包括過充保護電路、過放保護電路以及供電控制;負載的選用。</p><p>　　4.1 太陽能電池方陣<

21、;/p><p>　　太陽電池在整個系統(tǒng)中的作用有兩個，其一是把太陽光能轉(zhuǎn)換成電能;即白天時，太陽電池給蓄電池充電。其二是太陽電池作為系統(tǒng)的光控元件，從太陽電池兩端電壓的大小，即可判斷光亮程度，也就是從太陽電池電壓的大小來判斷天黑和天亮。</p><p>　　太陽能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，太陽能電池單體的工作電壓約為 0.5V，工作電流約為 20－25mA/cm2, 一般不能單獨作為電源使

22、用。將太陽能電池單體進行串并聯(lián)并封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)并裝在支架上，就構(gòu)成了太陽能電池方陣，可以滿足負載所要求的輸出功率 。</p><p>　　4.1.1 硅太陽能電池原理</p><p>　　常用的太陽能電池主要是硅太陽能電池。硅太陽能電池是一種P-N結(jié)型半導(dǎo)體器件。晶體硅太陽能電池由一個晶體

23、硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是 P 型硅，表面擴散層是 N 區(qū)，在這兩個區(qū)的連接處就是所謂的 PN 結(jié)。PN 結(jié)形成一個電場。太陽能電池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以便減少太陽能的反射損失。</p><p>　　太陽電池是把太陽能輻射光能通過光生伏特效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能的光—電轉(zhuǎn)換器。它的簡單原理如下：</p><p>　　原子的殼層模型認為，原子的中

24、心是一個帶正電荷的核，核外存在著一系列不連續(xù)的、由電子運動軌道構(gòu)成的殼層。孤立原子的電子只能在各個允許的殼層上運動。不同原子的內(nèi)、外殼層都有一定的重疊，重疊殼層的電子可能發(fā)生轉(zhuǎn)移，屬于整個晶體所共有。這種晶體中共有化運動的結(jié)果使得孤立原子的單一能級分裂成能帶。在半導(dǎo)體中，適當(dāng)雜質(zhì)的電子可以與元素半導(dǎo)體（由同一種原子組成的半導(dǎo)體）晶格中的電子組成共價鍵時多出或缺少一個價電子，而形成主要靠電子或主要靠空穴來導(dǎo)電的不同類型的半導(dǎo)體。例如，在非

25、常純的半導(dǎo)體硅中摻入雜質(zhì)磷，會形成電子濃度較大的N型硅，而摻入雜質(zhì)硼，會形成空穴濃度較大的P型硅。且不同的雜質(zhì)（或缺陷）都可能在禁帶（不允許電子存在的能帶間隙）中產(chǎn)生附加能級，價帶（已被電子填滿的能帶）中的電子先躍遷到附加能級上，然后再躍遷到導(dǎo)帶（未被電子填滿的能帶或空能帶），比從價帶直接躍遷到導(dǎo)帶來得容易，稍稍受到外界能量激發(fā)，就會發(fā)生躍遷[1]。 </p><p>　　（a）光照時

26、 （b）光照時</p><p>　　圖2 P-N結(jié)光生伏特效應(yīng)</p><p>　　P-N結(jié)在光照射下會產(chǎn)生電動勢，這種效應(yīng)叫做光生伏特效應(yīng)。硅太陽能電池就是根據(jù)這一效應(yīng)制成的。如圖2所示，當(dāng)P-N結(jié)處于平衡狀態(tài)時，在P-N結(jié)處有一個耗盡層（又叫空間電荷層），其中存在著勢壘電場，該電場的方向由N區(qū)指向P區(qū)。當(dāng)陽光照射到P-N結(jié)區(qū)時，硅原子受光激發(fā)而產(chǎn)生電子-空穴對

27、，在勢壘電場的作用下，空穴流向P型區(qū)，電子流向N型區(qū)，因此N區(qū)有過剩的電子，P區(qū)有過剩的空穴，結(jié)果在P-N結(jié)附近形成與勢壘電廠方向相反的光生電，因此在P區(qū)與N區(qū)之間產(chǎn)生光生伏特電動勢UOC。當(dāng)外電路開路時，光生伏特電勢UOC 光照時的開路電壓；當(dāng)外電路短路時，太陽電池就會產(chǎn)生與入射</p><p>　　光強成正比的短路電流。

28、 </p><p>　　4.1.2 太陽能電池的電氣特性</p><p>　　一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約 0.5V 電壓，遠低于實際應(yīng)用所需要的電壓。為了滿足實際應(yīng)用的需要，需把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接。一個組件上，太陽能電池的標(biāo)準數(shù)量是36 片（10cm×10cm），這意味著一個太陽能電池組件大約

29、能產(chǎn)生 17V 的電壓，正好能為一個額定電壓為 12V 的蓄電池進行有效充電。考慮到太陽能在多領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)在太陽能電池組件也有許多低電壓、小容量的，來滿足低電壓場合的使用。</p><p>　　組件的電氣特性： 主要是指電流－電壓特性，也稱為Ⅰ－Ⅴ曲線，如圖 3 所示。Ⅰ－Ⅴ曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流 Imo 與電壓 Vmo 在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。</p><p>　　

30、其中Isc為短路電流，Im為最大工作電流，V為電壓，Voc為開路電壓，Vm為最大工作電壓。</p><p>　　太陽能電池組件的測量在標(biāo)準條件下（STC）進行，測量條件被歐洲委員會定義為 101 號標(biāo)準，其條件是：</p><p>　　光譜輻照度 1000W/m2</p><p><b>　　光譜 AM1.5</b></p>&l

31、t;p><b>　　電池溫度 25℃</b></p><p>　　在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，表示為 Wp 。</p><p>　　在一定的條件下，一串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽能電池組件將被當(dāng)作負載消耗其它被光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮擋的太陽能電池組件此時將會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能很嚴重地破壞太陽能電池。有光照的電

32、池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽能電池由于熱點效應(yīng)而被破壞，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁通二極管,以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。</p><p><b>　　4.2 蓄電池</b></p><p>　　蓄電池也是整個太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，它是整個太陽能系統(tǒng)的儲備能源設(shè)備，白天時太陽電池給蓄電池充電，

33、晚上，系統(tǒng)和負載所用電全部由蓄電池來提供，其次，陰雨天的供電也要靠蓄電池來完成。</p><p>　　4.2.1 蓄電池的功能</p><p>　　在獨立光伏系統(tǒng)中，由PV陣列產(chǎn)生的電能不總是在電能產(chǎn)生的同時加以使用。由于需求的能量不總是與它的產(chǎn)量相符，所以在多數(shù)獨立PV系統(tǒng)中需要蓄電池。蓄電池的主要功能是：</p><p>　?。?）能量存儲能力及自主運行<

34、/p><p>　　由于從光伏陣列得到的能量不總是與電子負載的需求相符，當(dāng)PV陣列本身不能提供足夠的功率時，蓄電池仍能使負載工作。如果電子負載需要在夜間或在多云或陰天時工作，就需要能量的存儲。</p><p>　　蓄電池存儲能量的大小設(shè)計為在規(guī)定的沒有PV陣列輸出的時間段，或自主運行期間滿足平均每日電子負載的需求。一般來說，應(yīng)能儲備3～5天的系統(tǒng)用電量。</p><p>

35、　?。? ）電壓和電流穩(wěn)定性</p><p>　　在獨立PV系統(tǒng)中，使用蓄電池的另外一個目的是：PV系統(tǒng)中提供的電壓或電流出現(xiàn)大幅度變化時，蓄電池能穩(wěn)定勢能。</p><p>　　當(dāng)電子負載直接與PV陣列連接時，負載的阻抗限定了PV陣列的工作電壓。在負載規(guī)定的條件下，該電壓不是負載工作的最佳電壓，或從PV陣列中不能充分使用最大功率電壓附近。而蓄電池的使用，使得負載可工作在規(guī)定的電壓及電流范

36、圍內(nèi)，同時保證PV陣列工作在接近最大功率電壓附近。作為在PV陣列和負載之間的一個緩沖器，蓄電池可輸出穩(wěn)定的電壓和電流給負載功率需要正當(dāng)，或隨時間變化的電子負載。</p><p><b>　?。?）提供浪涌電流</b></p><p>　　提供電子負載需要的浪涌電流。由于PV器件的輸出有固有電流限制：被它的短路電流和太陽輻照度限制，PV陣列本身不能提供足夠的電流以滿足一

37、些電子負載的浪涌需求。而蓄電池有釋放大電流的能力，并可在短時間內(nèi)向負載提供大電流。</p><p>　　4.2.2 鎳氫蓄電池的工作原理</p><p>　　目前太陽能電源使用的蓄電池主要有兩類，一類是酸性鉛酸蓄電池，一類是堿性鎳氫蓄電池[2]。鎳氫電池與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，具有能量大、自放電小、低溫性能好，耐過充電和耐過放電能力強、壽命長等優(yōu)點。因此，在本地?zé)粝到y(tǒng)中，蓄電池采用可充電鎳

38、氫電池。鎳氫蓄電池的工作原理簡述如下： 作為負極材料的儲氫合金是由A和B兩種金屬材料形成的合金，其中A金屬（La、Ti、Zr等）可以吸進大量氫氣，形成穩(wěn)定的氫化物；而B金屬（Ni、Cc、Fe、Mn等）不能形成穩(wěn)定的氫化物，但氫很容易在其中移動。也就是說，A金屬控制著氫的吸藏量，而B金屬控制著吸放氫氣的可逆性。按照合金的晶體結(jié)構(gòu)，儲氫合金可分為AB5型、AB2型、AB型、A2B型以及固溶體型等，其中主要使用稀土金屬的是AB5型合金

39、。AB5型儲氫合金主要由鑭系元素和鎳組成，同時少量添加Al、Mn、Co等。</p><p>　　目前在鎳氫電池中實際應(yīng)用的主要是稀土系A(chǔ)B5型合金。鎳氫電池電極材料的主要技術(shù)要求有：</p><p>　　(1)耐氧化性大，在濃堿電解液中化學(xué)穩(wěn)定性好。</p><p>　　(2)在較寬的溫度范圍內(nèi)具有較大的電化學(xué)容量。</p><p>　　(3

40、)催化活性高，電極反應(yīng)的活性好。</p><p>　　(4)隨著吸放氫循環(huán)產(chǎn)生的劣化少。</p><p>　　(5)出去活化的次數(shù)少。</p><p>　　作為鎳氫電池負極材料的AB5型儲氫合金，最初研究使用的是LaNi5合金，由于價格上的問題，逐漸改用了MnNi5系合金，在實用化過程中又使用少量Al、Mn、Co等來置換鎳。 </p><p>

41、;　　鎳氫電池和同規(guī)格、同體積的鎳鎘電池相比，容量增加一倍，充放電循環(huán)壽命也較長，并且無記憶效應(yīng)。鎳氫電池正極的活性物質(zhì)為：NiOOH(放電時)和Ni（OH）2（充電時），負極板的活性物質(zhì)為H2(放電時)和H2O（充電時），電解液采用30%的氫氧化鉀水溶液。鎳氫電池充放電時的電化學(xué)反應(yīng)為</p><p>　　正極Ni（OH）2 + OH- —e NiOOH + H2O</p><

42、;p>　　負極2 H2O + 2e H2 ↑ +2 OH-</p><p>　　總反應(yīng)2 Ni（OH）2 2 NiOOH + H2</p><p>　　從化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出：充電時鎳氫電池的負極析出氫氣并儲存在容器中，正極由氫氧化亞鎳變成氫氧化鎳（NiOOH）和H2O；放電時氫氣在負極上被消耗掉，正極由氫氧化鎳變成氫氧化亞鎳。鎳氫電池過量充電時的化學(xué)反應(yīng)如

43、下：</p><p>　　正極 4 OH- －4e→O2↑+2 H2O</p><p>　　負極2 H2O + 2e→H2 + 2 OH-</p><p>　　總反應(yīng)2 H2O→2 H2 ↑+ O2↑</p><p>　　再化合2 H2 + O2 →2 H2O</p><p>　　從鎳氫電池過量充電時的電化學(xué)反應(yīng)方程式

44、可以看出，鎳氫電池過量充電時，正極板析出氧氣，負極板析出氫氣。由于有催化劑的氫電極面積大，而且氫氣能夠隨時擴散到氫氣電極表面，因此，氫氣和氧氣能夠很容易地在鎳氫電池內(nèi)部氧氣的濃度不超過千分之幾。</p><p>　　從以上各化學(xué)反應(yīng)方程式可以看出，鎳氫電池的反應(yīng)與鎳鎘電池相似，指示負極在充、放電過程中的生成物不同。鎳氫電池也可以做成密封型結(jié)構(gòu)。鎳氫電池的電解液多采用KOH水溶液并加入少量的LiOH，隔膜采用多孔維

45、尼無紡布或尼龍無紡布等。為了防止充電過程后期鎳氫電池內(nèi)壓過高，鎳氫電池中裝有防爆裝置。</p><p>　　4.3 太陽能電池板及蓄電池的選用</p><p>　　太陽能光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計分為軟件設(shè)計和硬件設(shè)計，且軟件設(shè)計先于硬件設(shè)計。軟件設(shè)計包括：負載用電量的計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設(shè)計，太陽能電池方陣安裝傾角的計算，系統(tǒng)運

46、行情況的預(yù)測和系統(tǒng)經(jīng)濟效益的分析等。硬件設(shè)計包括：負載的選型及必要的設(shè)計，太陽能電池和蓄電池的選型。</p><p>　　軟件設(shè)計由于牽涉到復(fù)雜的輻射量、安裝傾角以及系統(tǒng)優(yōu)化的設(shè)計計算，一般是由計算機來完成；在要求不太嚴格的情況下，也可以采取估算的辦法。太陽電池發(fā)電的全部能量來自于太陽，也就是說，太陽電池方陣面上所獲得的輻射量決定了它的發(fā)電量。因此我們首先確定太陽電池方針面上所獲得的輻射量如何確定，太陽電池板怎樣

47、放置能獲得最佳的太陽輻射。</p><p><b>　　光伏電源的設(shè)計步驟</b></p><p>　?。?） 計算負載日功耗QL。計算出所有負載耗電功率與每天的平均工作時間總和，即QL = ∑Pi×hi</p><p>　　式中，Pi 為各負載的額定功率（W），hi 為相應(yīng)負載每天平均工作的小時數(shù)。</

48、p><p>　?。?） 選擇方陣傾角。對于光伏地?zé)粝到y(tǒng)，此項不需要進行。</p><p>　?。?） 太陽電池組件總用量的計算</p><p>　　光伏系統(tǒng)充放電效率取 0.75(包括蓄電池安時效率、控制器效率、連線和阻塞二極管損失以及太陽電池溫升所導(dǎo)致的功率損失等)，太陽電池組件組合損失修正系數(shù)取0.95，灰塵遮擋及其它損失修正系數(shù)取 0.90。經(jīng)過單位換算及簡化處理

49、后，可得到太陽電池總用量 P(WP)的計算公式:</p><p>　　P=5.618*A*QL/Kop*HL</p><p>　　式中，QL為負載日功耗(Wh)，HL 為水平面年平均日輻射量(kJ／m2·d)。A 為安全系數(shù)，由年輻射量與多年平均值的偏差、用電等級、環(huán)境是否惡劣、有無備用電源、是否有人值守等來確定。一般取 A=1.1～1.3。</p><p&g

50、t;　?。?） 串聯(lián)組件數(shù) Ns 的確定</p><p>　　太陽電池方陣的輸出電壓 Ns Vm 與負載工作電壓(Vf＋Vl）應(yīng)滿足電壓平衡方程式：</p><p>　　Ns *Vm=Vf +Vl</p><p>　　式中，Vm 為組件的工作電壓； V f為蓄電池組的浮充電壓， V1 是所有串聯(lián)入回路的元器件和線路引起的電壓降，一般取 V 1=1V。它可由經(jīng)驗公式確

51、定： </p><p>　　Ns *Vm=1.3VB</p><p>　　式中，Vｍ為陣列的工作電壓，VB為蓄電池組的工作電壓。Vｍ和VB的比例設(shè)計合理，陣列可近似實現(xiàn)最大功率輸出，提高陣列的效率。</p><p>　?。?） 并聯(lián)組件數(shù) Np 的確定</p><p>　　太陽電池方陣的輸出功率 ：</p><

52、p>　　P = Ns*Vm*Np*Im=Ns*Np*P0</p><p>　　式中，Im 為組件的工作電流，P0=Vm*Im 為組件的標(biāo)稱功率</p><p>　?。?） 蓄電池用量的計算</p><p>　　由負載的大小，蓄電池的安時容量，最大允許的放電深度，預(yù)定的連續(xù)無日照時間等因素共同來決定蓄電池的總用量。</p><p>　　在

53、本地?zé)粝到y(tǒng)中，負載工作電流0.16A，每天平均工作 8小時，因此每日負荷消耗用電量為：</p><p>　　0.16*8=1.28Ah</p><p>　　考慮到連續(xù)5個陰雨天地?zé)粢苷９ぷ?，蓄電池的容量?.28Ah*5=6.4Ah。為了留有余地，選用7Ah的蓄電池。</p><p>　　拿太陽能電池日平均工作時間10小時來算，7Ah/10=0.7A，選用6V的

54、太陽能電池板，則太陽電池的功率為：</p><p>　　9*0.7=6.3W</p><p>　　因此，在此系統(tǒng)中選用9V，7 W的太陽能電池板。</p><p>　　4.4 控制器的充電控制電路</p><p>　　控制器是整個系統(tǒng)的智能核心，通過充電控制電路將白天太陽能發(fā)的電存儲到蓄電池中。充、放電電路直接影響蓄電池的使用壽命，因此要選用

55、功能齊全良好的模塊來完成充放電的控制。</p><p>　　MAX712是一塊功能齊全、性能良好的充電控制芯片。MAX712內(nèi)部集成的電壓梯度檢測器、溫度比較器、定時器等控制電路，根據(jù)電壓梯度、鎳氫電池溫度或充電時間的檢測結(jié)果，自動控制充電狀態(tài)，從涓流充電轉(zhuǎn)到快速充電（低溫時）或從快速充電轉(zhuǎn)到涓流充電，以確保鎳氫電池不受損害。充電狀態(tài)識別可由輸出的LED指示燈或與主控器的接口實現(xiàn)，具有自動從快速充電方式轉(zhuǎn)為涓流充

56、電方式、低功耗睡眠等特性?？焖俪潆娝俾蕪腃/4到4C可設(shè)定，涓流充電速率為C/16。MAX712集成電路具有多種可編程功能，可實現(xiàn)充電過程自動化，充電時間短，效率高，使用靈活方便[3]。</p><p>　　4.4.1 MAX712的結(jié)構(gòu)</p><p>　　MAX712的引腳排列如圖4所示。</p><p>　　圖4 MAX712的引腳排列的引腳排列</p&

57、gt;<p>　　MAX712的引腳符號和功能如下：</p><p>　　VLIMIT :設(shè)置單節(jié)鎳氫電池的最大電壓VLIMIT ，鎳氫電池組的最大電壓Em 不能超過VLIMIT ×n（鎳氫電池數(shù)量），單位為V，且VLIMIT不能超過2.5V。當(dāng)VLIMITT接V+時，Em=1.65nV。通常將VLIMIT端與REF端連接在一起。</p><p>　　BATT+ ：

58、接鎳氫電池組正極</p><p>　　PGM0 ：可編程引腳。</p><p>　　PGM1 ：可編程引腳。通過對PGM0和PGM1端電壓的設(shè)定可設(shè)置充電鎳氫電池的數(shù)量（1～16）</p><p>　　THI ：溫度比較器的上限電壓控制端。當(dāng)TEMP端的電壓上升到該端電壓時，快速充電過程結(jié)束。</p><p>　　TLO ：溫度比較器的下限電

59、壓控制端。充電初始，當(dāng)TEMP端的電壓低于TLO端的電壓時，快速充電被禁止，直到TEMP端的電壓高于TLO端的電壓為止。</p><p>　　TEMP ：溫度傳感器輸入。</p><p>　　FASTCHG ：漏極開路的快速充電邏輯電平輸出端（負邏輯），外接上拉電阻。在快速充電時此端為低電平，在快速充電結(jié)束或轉(zhuǎn)入涓流充電狀態(tài)時此端變成高電平。</p><p>　　P

60、GM2 ：可編程引腳。通過對PGM2和PGM3端電壓的設(shè)定可設(shè)置快速充電的最大允許時間（22～264min）。</p><p>　　PGM3 ：可編程引腳。除設(shè)定快速充電的最大允許時間外，還可以設(shè)定快速充電和涓流充電的速率。</p><p>　　CC ：電流環(huán)路的補償端。</p><p>　　BATT－：接鎳氫電池組的負極。</p><p>

61、<b>　　GND：系統(tǒng)地。</b></p><p>　　DRV：驅(qū)動外部PNP管的引出端。</p><p>　　V+：內(nèi)部+5V并聯(lián)穩(wěn)壓器的引出端，該端電壓相對BATT－端為+5V，為芯片提供5V工作電壓及分路電流（5 ～20mA），電源電流最小值為5 mA 。</p><p>　　REF：內(nèi)部2.0V基準電壓源的輸出端，可提供1mA的輸出電

62、流。</p><p>　　圖5 MAX712的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖5是MAX712 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖，主要包括：定時器、電壓斜率檢測器（內(nèi)含A/D轉(zhuǎn)換器）、 +5V并聯(lián)式穩(wěn)壓器、上電復(fù)位電路（R1、CO 和反相器F ）、控制邏輯、電流和電壓調(diào)節(jié)器（內(nèi)含電流比較器和電壓比較器）、電池電壓比較器、溫度比較器（過溫度比較器 、欠溫度比較器）、2.0V基準電壓源以及N溝道MOS效應(yīng)管等。

63、</p><p>　　4.4.2 MAX712的主要特點</p><p>　　MAX712的主要特點有：</p><p>　?。?）采用零電壓斜率檢測技術(shù)。對1～16 節(jié)串聯(lián)的鎳氫電池，能以C/3～C的速率進行大電流快速充電，也能以C/16的速率進行涓流充電（鎳氫電池的額定容量用AH表示，如果某鎳氫電池的額定容量為1Ah，以1A電流充電時的充電時間為1h，則稱1C

64、速率）。</p><p>　?。?）可編程?？梢跃幊淘O(shè)定帶充電鎳氫電池的數(shù)量（1～16節(jié)）、充電時間（22～264min）以及涓流充電電流的大小。只需改變相應(yīng)引腳的接法，即可實現(xiàn)編程。</p><p>　?。?）利用外部電阻可設(shè)定快速充電電流IFAST 。</p><p>　?。?）內(nèi)含電壓斜率檢測器、溫度比較器和定時器。根據(jù)電壓斜率、鎳氫電池溫度或充電時間檢測結(jié)

65、果，可判斷鎳氫電池是否已充好電。一旦充好，就立即從快速充電狀態(tài)自動切換到涓流充電狀態(tài)，確保鎳氫電池不受損害。</p><p>　　（5）靜態(tài)功耗低，充電效率高，不充電時最大靜態(tài)電流僅為5uA 。</p><p>　　4.4.3 MAX712的編程方法</p><p>　　鎳氫電池數(shù)的編程方法為：將PGM0、PGM1端分別接在V+、REF、BATT－端或開路時，即可

66、對待充電鎳氫電池的數(shù)（1～16節(jié)）進行編程。</p><p>　　快速充電時間及涓流充電電流的編程方法為：將PGM2、PGM3端分別接在V+、REF、BATT－端或開路時，可在22～264min之內(nèi)設(shè)定充電時間TFAST 。</p><p>　　表1 待充電鎳氫電池數(shù)量的設(shè)定</p><p>　　PGM3端還可以設(shè)定從快速充電切換到涓流充電時涓流充電電流ITR 的

67、大小。</p><p>　　（1）鎳氫電池數(shù)量的設(shè)定</p><p>　　在應(yīng)用中MAX712提供可編程引腳PGM0和PGM1，通過對PGM0和PGM1引腳采取不同的電壓連接方式即可設(shè)置待充電鎳氫電池的數(shù)量。1～16節(jié)鎳氫電池充電的設(shè)置參數(shù)見表1.而實際充電的鎳氫電池的數(shù)量也必須與由PGM0和PGM1引腳編程確定的數(shù)量一致，否則利用電壓梯度檢測充電功能將可能失去意義。</p>

68、<p>　　（2）充電速率及充電時間的設(shè)定</p><p>　　通過對PGM2和PGM3引腳的編程電壓設(shè)置，可設(shè)定鎳氫電池的充電速率和充電時間。采取不同的電壓連接方式時最大充電時間的設(shè)定見表2。</p><p>　　表2 最大充電時間的設(shè)定</p><p>　　從表2 中可以看出，對于MAX712來說，最大允許快速充電時間為264min，因此其最小充電速

69、率不能低于C/4?？焖俪潆婋娏骺砂匆韵鹿接嬎悖?lt;/p><p><b>　　IFAST =</b></p><p>　　表3 涓流充電電流ITR 與快速充電電流IFAST 的關(guān)系</p><p>　　涓流充電速率一般為C/16，ITR 與IFAST 的關(guān)系如表3所示。此外，鑒于鎳氫充電電池的固有特性，充電效率通常為80%左右，即當(dāng)以C/2速率

70、充電時，理論上充電時間為2h，而實際充電時間通常為2.5h左右。</p><p>　　4.4.4 MAX712的充電曲線分析</p><p>　　圖6是MAX712的充電曲線。</p><p>　　圖6 MAX712的充電曲線</p><p>　　充電過程分5 個階段。通電前，MAX712只從電池上汲取極少的電能，對應(yīng)于階段1，充電電流為u

71、A級。在 MAX712接通電源而它的上電復(fù)位信號到來之前,電池處于涓流充電狀態(tài)（階段2），充電電流為mA 級 。當(dāng)復(fù)位信號到來時,只要EM/N>0.4V(0.4V為欠壓鎖定電壓），就轉(zhuǎn)入快速恒流充電，此時充電電壓迅速升高而充電電流很快保持恒定（階段3），充電電流為A級。</p><p>　　圖7 溫度檢測與比較電路</p><p>　　判斷快速充電結(jié)束有兩種方法：（1）根據(jù)電壓斜率判

72、斷。MAX712內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器（量程1.65V，分辨率2.5mV）在經(jīng)過兩次連續(xù)采樣后得到V1、V2的值，可比較出電池電壓的變化斜率，只要V1=V2，說明斜率為零，就從快速充電切換到涓流充電（階段4）。（2）根據(jù)溫度判斷，如圖7所示。使用兩只負溫度系數(shù)的熱敏電阻，其中RT1與被充電電池表面相接觸，以檢測電池是否超過溫度上限TH ,RT2用于感知環(huán)境溫度。當(dāng)TEMP>THI時溫度比較器翻轉(zhuǎn)，快速充電結(jié)束。關(guān)斷電源后進入階段5，充電

73、電流又降到零。</p><p>　　4.4.5 充電控制電路</p><p>　　使用MAX712設(shè)計的鎳氫充電控制電路如圖8所示。</p><p>　　利用所示電路對3節(jié)AA型7A·h鎳氫電池充電，選擇快速充電時間TFAST=240min。查表可知，應(yīng)將PGM0接V+,PGM1接REF;PGM2、 PGM3接BATT－。根據(jù)電路及負載的需要，在本設(shè)計中，

74、選擇9V的太陽能電池板，輸入電流為800mA。C1為輸入端濾波電容，R1為限流電阻。設(shè)輸入端的最小電壓為UDCmin，內(nèi)部并聯(lián)式穩(wěn)壓器的電壓為5V，用R1將V+端的最小電源電流限定為5mA，則R1的計算公式</p><p>　　R1=(UDCmin－5)/(5×10-3 )</p><p>　　圖8 充電控制電路原理圖</p><p>　　設(shè)IFAST=2

75、A，UDcmin=6V,則R1=200，太陽能電池經(jīng)R1對電容C2。當(dāng)C2兩端的電壓UC2=V+=+5V時，開始快速充電。要求C2≥5uF，現(xiàn)取10uF。C3是補償電容，規(guī)定C3≥5000pF，現(xiàn)取0.01uF。VT為2N6109型PNP功率管，其主要參數(shù)為：UCBO=80V, ICM=7A, PCM=40W,R2是基極偏置電阻。VD是阻塞二極管，可防止DRV端的導(dǎo)通電流影響VT的正常偏置，它選用2A/50V的IN4001型塑封硅整流二

76、極管。R4為檢測電阻，用來設(shè)定快速充電電流IFAST的值。因為BATT－端與GND端之間的電壓差為0.25V，故R4=0.25V/IFAST。當(dāng)IFAST=2A時，R4=0.125。負溫度系數(shù)的熱敏電阻RT1和RT2采用13A1002型熱敏電阻，充電速率分別為C/2和C/8。</p><p>　　4.5 控制器的放電控制</p><p>　　放電控制電路的作用是在晚間，自動接通蓄電池向負載

77、放電，使LED發(fā)亮。當(dāng)天亮?xí)r再自動關(guān)斷負載，實現(xiàn)完全無人工參與的全自動控制。QX5232是一款專為太陽能小功率LED地?zé)粽彰餮b置設(shè)計的ASIC專用集成電路[8]。</p><p>　　4.5.1 QX5232的結(jié)構(gòu)和特點</p><p>　　QX5232是一塊理想的自動控制放電模塊，封裝圖如圖9所示。它的特點如下所述：</p><p>　?。?）工作電壓: 0.9V

78、-6.0V工作電壓 </p><p>　　（2）輸出電流: 10mA-300mA </p><p>　?。?）輸出電流可調(diào)(電外接電感 L的值) </p><p>　　（4）升壓或降壓工作模式 </p><p>　?。?）光控開關(guān): 控制電壓可調(diào) </p><p>　?。?）蓄電池過充電保護: 過充電壓

79、可調(diào) </p><p>　?。?）蓄電池過放電保護: 過放電壓可調(diào) </p><p>　　（8）LED電流完全關(guān)斷功能 </p><p>　?。?）>90%的效率 </p><p><b>　　圖9 的管腳排列</b></p><p>　　QX5232的各個管腳的功能介紹如下：<

80、/p><p>　　OV ：過充電檢測端</p><p>　　OVSW ：過充電保護輸出端（接MOS開關(guān)柵極）</p><p>　　SLD ：太陽光檢測端</p><p>　　SBGD ：接太陽能電池負極</p><p>　　LEDEN ：LED關(guān)路電路MOS開關(guān)漏極</p><p><b>

81、;　　VIN ：電源</b></p><p>　　VDD ：芯片供電端</p><p>　　UV ：過放電檢測端</p><p>　　LX ：升壓電路MOS開關(guān)漏極</p><p><b>　　GND ：接地</b></p><p>　　QX5232由開關(guān)型驅(qū)動電路、光開關(guān)電路、充電電

82、池過放電保護電路及LED關(guān)斷電路組成，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖10所示。</p><p>　　圖10 QX5232的內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.5.2 放電電路工作原理</p><p>　　放電電路主要由升壓控制電路、光控開關(guān)電路、蓄電池過放電保護電路和LED關(guān)斷電路組成，電路原理圖如圖11所示。</p><p>　　圖11 放電控制電路原理圖

83、</p><p>　　光控開關(guān)電路由與SLD連接的比較器控制。比較器的閥值電壓為 200mV并具有50mV 的遲滯。SLD 直接接到 SBGND 端，當(dāng)太陽能電池電壓大于200mV時LED燈關(guān)斷，太陽能電池電壓小于150mV時LED點亮。</p><p>　　蓄電池過放電保護電路由與 UV 連接的比較器與外部電路 R5、R6組成。比較器的閥值電壓500mV并具有100mV的遲滯。當(dāng)蓄電池電

84、壓小于500mV*(1+R5/R6)時，LED燈關(guān)斷；當(dāng)蓄電壓大于600mV*(1+R5/R6)時，LED點亮。LED 關(guān)斷電路由與 LEDEN 連接的 MOS 開關(guān)組成。</p><p><b>　　4.6 光源的選擇</b></p><p>　　目前多數(shù)地?zé)暨x用LED作為光源，LED壽命長,可以達到100000h以上，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽能地?zé)羯蟍9]。

85、特別是LED技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了其關(guān)鍵的突破，并且其特性在過去5年中有很大提高，其性能價格比也有較大的提高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗,頻繁開關(guān)都成為可能,并且不會對LED的性能產(chǎn)生不良影響。還可以方便地控制顏色，改變光的分布，產(chǎn)生動態(tài)幻景，所以它特別適用在太陽能草坪燈上。但是 LED有它許多固有的特性，使用時如果不注意就會造成不良后果。LED目前市場上銷售的發(fā)光效率僅能達到15 lmW，只能達到三色基色高效節(jié)能

86、燈1/3，三色基色高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達到50－60 lmW，從價格上看，目前生產(chǎn)每1m的成本：三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）0.022元，2002年φ5mm白光LED價格為1．9－3.0元,目前生產(chǎn)每1m的成本價格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的壽命可以達到6000h，LED可以達到100000h以上， 從表面上看LED壽命是三色基色高節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的幾十倍，但是事實并非如此。目前太陽能草

87、</p><p>　　根據(jù)上面分析，我們認為1W以下的小功率太陽能地?zé)簦姓{(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)的功能，一般應(yīng)該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時特別要注意光通維持率問題，否則容易引起質(zhì)量事故。對于功率較大的太陽能地?zé)?，目前使用三色基色高效?jié)能燈比較合理。</p><p><b>　　5 結(jié)束語 </b></p><p>　　由太陽

88、能電池、蓄電池、控制器和LED所組成的照明系統(tǒng),在設(shè)計中完成了所配置的太陽能電池板和蓄電池是要滿足在連續(xù)3-5天為陰雨天的情況下,仍能夠正常照明。達到了設(shè)計的要求。無論是在城市中還是在偏遠的、不易架線的山區(qū)都能夠得到廣泛的應(yīng)用。此電源系統(tǒng)經(jīng)濟可靠，安裝方便，利于維護，在實踐中能取得滿意的效果。它可以創(chuàng)造出很大的能源效益和環(huán)境效益。目前在世界各國都得到了很大重視，我國的太陽能研究也處于初步的應(yīng)用階段，就新鄉(xiāng)市來說就有不少的太陽能公司。&l

89、t;/p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在這次的畢業(yè)論文設(shè)計中，我學(xué)習(xí)到了很多以前沒有接觸過的知識，這些都與老師的幫助和學(xué)校的支持是分不開的。我的老師以及我身邊的同學(xué)給了我很大是支持。特別是老師代著病也要堅持工作給了我很大的精神動力使我明白了什么是孜孜不倦，什么是銳意進取。這些對我以后的工作學(xué)習(xí)起到了非常大的作用。我非常感謝老師及同學(xué)們給我的幫助。

90、在這里請允許我衷心的說一聲：謝謝您，老師！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]李錦.綠色照明先鋒—太陽能半導(dǎo)體照明.[J]照明, 2005年第8期: p75～p79</p><p>　　[2]朱松然.蓄電池手冊［M］.天津大學(xué)出版社，1997</p><p>　　[3]過夢飛,陳學(xué)江

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