【转载】太阳能光伏发电系统—照明系统的设计 - 电气论文

2014-9-11 倒立控 建筑电气

原文地址:http://www.civilcn.com/dianqi/dqlw/1407210194249255.html

摘 要

本文介绍一种基于光伏发电的多电源智能管理系统——太阳能照明系统的设计。这个设计,从根本上对太阳能得到全面的了解,掌握太阳能照明的优势,并阐述了太阳能路灯与普通路灯的本质区别,从中了解到太阳能是一种潜力无限的清洁、高效而且可持续的可再生能源,是全人类节能环保的首选。本文还对太阳能路灯照明的太阳能电池,蓄电池,支架等各方面作了一个详细的分析,比较,再根据光伏发电的原理特性,系统采用了智能化控制器,对智能控制器编程序,使得程序可以满足太阳能LED路灯的自动蓄电,自动照明,自动熄灭等一系列工作过程,使太阳能照明更加智能化。最后,本文还举出例子,对现在正使用的太阳能路灯进行了分析,研究,明确太阳能发展的趋势及前景。

关键字光伏发电,太阳能,节能环保,智能控制

Abstract

This paper presents a photovoltaic power generation based on the intelligent management of multi-power system - solar lighting system design. The design of solar energy from the fundamental understanding of a comprehensive grasp of the advantages of solar lighting and solar energy street lamp and on the essential difference between an ordinary street lamp, solar energy is a kind of learned from the unlimited potential of clean, efficient and sustainable renewable energy, energy saving and environmental protection is the first choice of all mankind. In this paper, solar street lighting on the solar cells, batteries, frame and so on made a detailed analysis, comparison, based on the principle characteristics of photovoltaic power generation system using the intelligent controller, intelligent controller programmed to make procedures to meet the automatic solar-powered LED street lamp storage, automatic lighting, automatic out a series of work processes to enable more intelligent solar lighting. Finally, the article also cited the example of solar energy is now used to carry out an analysis of street lighting, research, a clear trend in solar energy development and future prospects.

KeywordsPhotovoltaic power generation, solar energy, energy saving and environmental protection, intelligent control

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。

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,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。 4

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,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,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。

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。

设计思路

太阳能光伏发电系统的基本原理相同,因而太阳能路灯的设计思路也可依据一般的太阳能发电系统,先确定太阳电池组件的功率,然后计算蓄电池的容量。但太阳能路灯又有其特殊性,需要确保系统工作的稳定与可靠,所以在设计时需要特别注意。

太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯,因其具有不受供电影响,不用开沟埋线,不消耗常规电能,只要阳光充足就可以就地安装等特点,因此受到人们的广泛关注,又因其不污染环境,而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明,又可用于人口分布密度较小,交通不便经济不发达、缺乏常规燃料,难以用常规能源发电,但太阳能资源丰富的地区,以解决这些地区人们的家用照明问题。

现本人想设计一个太阳能路灯的电路.白天充电靠太阳能电池吸收光能产生电能.LED照明熄灭.夜晚LED点亮进行照明.并有电路保护电池不会过充过放。

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

3.1 太阳能原理方框

太阳能路灯技术特点是:①具有特大功率,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;②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;③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;④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8

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。 9

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)、ⅢV(GaAs,InP)、ⅡⅥ族(Cds)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23%,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。 2. 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(GaAsIII-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1/5 1/10.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

4.1 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。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。

4.2

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Ppositive) 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Nnegative)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。

4.3

4.4

型半导体中含有较多的空穴,而型半导体中含有较多的电子,这样,当型和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。

型和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),界面的型一侧带负电,型一侧带正电。这是由于型半导体多空穴,型半导体多自由电子,出现了浓度差。区的电子会扩散到区,区的空穴会扩散到区,一旦扩散就形成了一个由指向内电场,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。

当晶片受光后,PN 结中,型半导体的空穴往型区移动,而型区中的电子往型区移动,从而形成从型区到型区的电流。然后在PN 结中形成电

势差,这就形成了电源 ,如图4.5 所示。

4.5

由于半导体不是电的良导体,电子在通过p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p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36 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。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,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,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

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。

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 (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。

4.6

STC12C5410AD STC12 系列的单片机,采用RISC 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、通道10 ADC 以及通道PWM;具有可编程的级中断源种优先级,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)F2 ,该键用于自检及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17

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。

4.7

注:P1.6为单片机18引脚;P1.7为单片机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(0.01Ω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),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、负载放电电路的印刷线路宽度至少要45mm,线路上用搪锡处理以增加过电流能力,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0.01Ω,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2~3min

4)外部中断为高优先级中断,编制子程序实现负载过流、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3ms~5ms,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STC12C5410ADData 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,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,KeilC 编译器的Windows 集成开发环境μ 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。

4.8 按键程序流程图

4.9 电压检测子程序流程图

1. ADS 子程序

INT8U ADC(INT8U number)using 2

{number=number&0x0.7;//通道号不超过7

ADS_CONTR= ADS_CONTR e0; //ADC_FLAGAD 不启动

While((ADS_CONTR&0x10=0x10); 等待A/D 转换结束

returnADC_DATA;//结束返回

}

2. 外部中断响应子程序

void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1

{ifP3_2 //高电平,认为是干扰信号触发中断

return

delay 15000); //10ms 延时

ifP3_2=0

{load_switch_1=LSTOP;//负载开关

LOOP1_DL=1; 置负载短路标志

}

这个太阳能路灯控制器可适用12V24V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,寿命可以达到5万小时,在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多(因为太阳能灯具都是方波逆变器,太阳能电源220V输出频率、项位、电压都是不能和普通市电相比的)。 (4 LEDLED灯光源,寿命长,可达1000000小时,工作电压低,不需要逆变器,光效较高。

4.4.2 LED灯的特点

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光源从长远看非常经济

4.10 LED高效节能灯结构

根据使用场所的要求,设计出120°、90°、70°多种角度的发光板,放置在高透光率的塑料灯罩内,如图4.10所示,以改善lED的方向性过强而形成的光斑,同时在灯罩内表面设计有网格型的折射面,使LED发出的光线经多次反射与折射,最终达到LED高效节能灯泡各方向光均匀,并形成特殊的光学效果。

4.5各数据计算

4.5.1太阳能电池组件计算

设计要求:广州地区,负载输入电压24V功耗34.5W,每天工作时数8.5h,保证连续阴雨天数7天。

1)广州地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2,经简单计算广州地区峰值日照时数约为3.424h

2)负载日耗电量=12.2AH

3)所需太阳能组件的总充电电流= 1.05×12.2×÷3.424×0.85=5.9A

在这里,两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天,1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数,0.85为蓄电池充电效率。

4)太阳能组件的最少总功率数= 17.2×5.9 = 102W

选用峰值输出功率110Wp、两块55Wp的标准电池组件,应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。

4.5.2蓄电池计算

蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。

根据上面的计算知道,负载日耗电量12.2AH。在蓄电池充满情况下,可以连续工作7个阴雨天,再加上第一个晚上的工作,蓄电池容量:

12.2×7+1= 97.6AH),选用212V100AH的蓄电池就可以满足要求了。

4.5.3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。本次路灯使用地区为广州地区,选定太阳能电池组件支架倾角为16o

2.抗风设计

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

依据电池组件厂家的技术参数资料,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 = 16灯杆高度5m

设计选取灯杆底部焊缝宽度δ = 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/tan16o]× Sin161545mm =1.545m。所以,风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。根据27m/s的设计最大允许风速,2×30W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 = 1.3×730 = 949N

所以,M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m

根据数学推导,圆环形破坏面的抵抗矩W = π×3r2δ3rδ2δ3)。

上式中,r是圆环内径,δ是圆环宽度。

破坏面抵抗矩 W = π×3r2δ3rδ2δ3

=π×3×842×43×84×4243

88768mm3

=88.768×10-6 m3

风荷载在破坏面上作用矩引起的应力= M/W= 1466/88.768×10-6=16.5×10-6pa =16.5 Mpa<<215Mpa,其中,215 MpaQ235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。

太阳能路灯的实际应用

日前,广东省质量技术监督局审核通过了由东莞勤上光电股份有限公司提出并组织起草的《广东省太阳能LED灯地方标准》,将于0971日起实施。以前没有行业标准,生产什么、怎么生产、产品达到什么技术要求没有明确规定。标准出台后,行业门坎提高了,肯定要淘汰一批不符合标准的企业,企业要做好准备。国家照明电器标准化技术委员会负责人表示,标准的出台将使太阳能LED产业提前进入规范化调试期,引导行业由无序、无标准状态,向有序、有标准状态转变,山寨灯横行的局面将得以改变。

即将实施的《广东省太阳能LED灯地方标准》是中国大陆地区LED行业首个地方标准,适用于250V以下直流电源或1000V以下交流供电的道路、街路、隧道照明和其它室外公共场所照明用太阳能LED灯。对于照明领域来说,这是一次不小的革命。

本次设计的太阳能路灯的总电路图如图5.1所示,其工作原理:太阳照射在硅光板上,太阳能电池开始工作,使二极管D1跟三极管Q1工作,蓄电池开始蓄电,待蓄电池蓄电完毕后,根据程序的设定,Q1反作用,停止蓄电;到晚上天色昏暗时,设定的程序启动,使蓄电池开始放电,二极管D2D3, D4D5,导通,三极管Q2Q3工作,使LED灯照明,直到第二天早上,预先设定的程序又作用,使LED灯熄灭;当有太阳照射硅光板的时候,蓄电池又开始蓄电,这样,无限的循环,就可以使路灯自动蓄电,自动照明,自动熄灭,大大减少了人力物力,而且这样的设计,能节约更多的电能。

5.1 太阳能路灯的总电路图

如图5.2所示,下面是本次设计的实际应用例子。

图 5.2

头顶太阳能板,晒一天太阳能照明6天的新式太阳能路灯,近期出现在了肇庆园区星港街上。从园区城管部门了解到,今年园区将改造多处路灯,推广绿色照明。

在基本完成改造的星港街上可以看到一批造型简洁的新式太阳能路灯已经竖立了起来。据路灯施工方相关负责人介绍,这批路灯头顶有一块太阳能板,将光能转换为电能后自动存储在路灯的蓄电池中。太阳能板晒一天太阳后,可以在蓄电池内储存供路灯正常工作6天所需的电量,即使接下来6天都是阴雨天,路灯照样还能亮起来。

为了保证路灯的照度,这批太阳能路灯还安装了一个特殊的控制转换器,当太阳能发电不能满足路灯照明需要时就会自动切换到普通电源。有了太阳能板、蓄电池和控制转换器的路灯,在造价上自然比普通路灯要贵一些。据该负责人介绍,星港街沿线共要安装1500套太阳能路灯,部分景观带上的照明灯也将使用太阳能灯。

从园区城管部门了解到,今年园区将着手改造部分道路照明,全部使用节能灯具和绿色能源。首期老路灯改造,要把园区810条主要道路的老式路灯灯头更换为LED路灯灯头,预计可节电三分之二。另外,中新科技城今年也将改造安装太阳能LED路灯3500套。园区在亮化工程建设中,将尽可能地采用以LED为主的节能型光源和灯具,可比传统光源节能约30%

据了解到,在厦门,北京,甘肃,上海,广东等城市也开始着手安装新式的太阳能LED灯,这对我国推行节能照明迈出了一大步。

结 论

整体设计基本上考虑到了各个环节;光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法,设计思想比较科学;抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析,分析比较全面;路灯整体结构简约而美观;经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。 目前,太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是,太阳能电池光效在逐渐提高,而价格会逐渐降低,同样地市场上LED光效在快速地提高,而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比,常规化石能源日趋紧张,并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以,太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明,展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。

参 考 文 献

[1] 王长贵 王斯成太阳能光伏发电实用技术[D]. 化学工业出版社 版次:2005-09-01

[2] 沈辉,曾祖勤太阳能光伏发电技术——可再生能源丛书[D] .化学工业出版社 版次:2005-9-1

[3] 杨德仁,汪雷第十届中国太阳能光伏会议论文集迎接光伏发电新时代[D] .浙江:浙江大学出版社 版次:2008-9-1

[4] 赵争鸣 刘建政 孙晓瑛 袁立强太阳能光伏发电及其应用[D].科学出版社 版次:1

[5] 刘树民,宏伟太阳能光伏发电系统的设计与施工[D] .科学出版社 版次:2006-4-1

[6] 冯良桓 张静全中国太阳能光伏进展[D].西南交通大学出版社 版次:2006

[7] 张和生.光伏发电系统理论[D] .太原:太原理工大学,1998

[8] 王七斤太阳能应用技术[D].中国社会 版次:2005

[9] MrWestBridge. Analysis of solar energy applications [R]. BeijingInstitute of Nuclear Energy Technology, TsinghuaUniversity, 1997.

[10] 730C0004-D IEE Proceedings-D: Control Theory and Applications 2002, vol.149, no.3 247255

致 谢

历时多个月,在我参考,收集大量资料和组员老师讨论研究之下,太阳能路灯这一毕业设计总算完成了。

由于设计课题较为困难,期间,我花了较多的时间去收集相关资料,对其进行学习了解。在写这一设计的时候,我对我们的专业有了更深一层的了解和认识,同时也使我对太阳能光伏发电这个领域有了初步的了解。

感谢指导老师邵翠平老师,在我设计论文期间给了我很多的启蒙及指导。她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。从课题的选择到项目的最终完成,都始终给予我细心的指导和不懈的支持。两年多来,邵老师不仅在学业上给我以精心指导,同时还在思想上给我以无微不至的关怀,在此谨向邵师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

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