1、目 錄摘要1一、緒論1二、太陽能路燈設計思路與要求2三 、太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理2（一）太陽能路燈的組成3（二）太陽能路燈的工作原理3四、各部件的組成及工作原理4（一）太陽能電池組件的組成及其工作原理4（二）蓄電池的組成及工作原理51充電52放電6（三）電源控制器的組成及工作原理61系統(tǒng)硬件結構62電壓采集與電池管理73負載輸出控制與檢測電路84硬件設計中的注意點8（四）光源的選擇9（五）各數(shù)據(jù)計算91太陽能電池組件計算92蓄電池容量計算1003太陽能電池組件支架100五、太陽能路燈的實際應用與普通路燈的比較111六、結論111參考文獻112致謝13太陽能路燈照明設計摘要：本文介

2、紹一種基于光伏發(fā)電的太陽能照明系統(tǒng)的設計。這個設計闡述了太陽能路燈與普通路燈的區(qū)別，從中了解到太陽能照明的優(yōu)勢。太陽能是一種潛力無限的清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源，是全人類節(jié)能環(huán)保的首選。本文還對太陽能路燈照明的太陽能電池，蓄電池，支架等各方面作了一個詳細的分析，比較，再根據(jù)光伏發(fā)電的原理特性，系統(tǒng)采用了智能化控制器，對智能控制器編程序，使得程序可以滿足太陽能LED路燈的自動蓄電，自動照明，自動熄滅等一系列工作過程，使太陽能照明更加智能化。最后，本文還舉出例子，對現(xiàn)在正使用的太陽能路燈進行了分析，研究，明確太陽能發(fā)展的趨勢及前景。關鍵詞：光伏發(fā)電；太陽能；節(jié)能環(huán)保；智能控制一、緒論無論是現(xiàn)

3、在還是將來，太陽能都擁有廣闊的市場前景。潛力無限的太陽能是一種清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源。隨著經濟發(fā)展，我國的照明用電將大幅度提高，綠色節(jié)能照明的研究應用，將越來越受到重視。太陽能LED照明燈具作為冷光源產品，具有性價比較高、綠色環(huán)保、安全可靠、質量穩(wěn)定、使用壽命長、安裝維護簡便等特點，可廣泛應用于綠地照明、公路照明、廣告燈箱照明、城市造型景觀照明及家居照明系統(tǒng)，但太陽能LED照明燈具一次性投入較高是其發(fā)展的瓶頸。目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑。為實現(xiàn)這一目標，業(yè)界已研究開發(fā)出多種節(jié)能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求

4、還較遠，開發(fā)和應用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。隨著科學技術的飛速發(fā)展，太陽能逐漸被開發(fā)利用，并已成為最有發(fā)展前景的環(huán)保能源之一，太陽能照明就是利用太陽能最重要的途徑。太陽能照明路燈采用高效單晶硅太陽能電池供電,采用免維護密封型蓄電池貯存電能,用高效節(jié)能燈照明,并采用先進的充放電和照明控制電路,具有性質可靠、發(fā)光效率高、亮度大、安裝方便、無需鋪設電纜電線，無需交流電能和電費，采用直流供電，光敏控制、安全可靠、節(jié)能、經濟、環(huán)保，使用壽命長,是未來戶外照明的發(fā)展方向和照明燈具中的一枝新秀。二、太陽能路燈設計思路與要求太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理相同，因而太陽能路燈的設計思路也可依據(jù)一

5、般的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，先確定太陽電池組件的功率，然后計算蓄電池的容量。但太陽能路燈又有其特殊性，需要確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與可靠，所以在設計時需要特別注意以下幾點：路燈所選用光源的功率(W)。光源功率的大小直接影響著整個系統(tǒng)的參數(shù)穩(wěn)定性；太陽能路燈每天晚上工作的時間(H)。這是決定太陽能路燈系統(tǒng)中組件大小的核心參數(shù)，通過確定工作時間，可以初步計算負載每天的功耗和與之相應的太陽電池組件的充電電流；通過已知太陽能路燈使用地來查找使用地的經度與緯度。通過(中國不同傾斜面上太陽輻射數(shù)據(jù)庫)來確定太陽電池組件的傾斜角與方位角及計算該地區(qū)的太陽能標準峰值日照時間；太陽能路燈需要保持的連續(xù)陰雨天數(shù)(d)。這個參數(shù)

6、決定了蓄電池容量的大小及陰雨天過后恢復電池容量所需要的太陽電池組件功率。確定兩個連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)D。這是決定系統(tǒng)在一個連續(xù)陰雨天過后充滿蓄電池所需要的電池組件功率?，F(xiàn)本人想依據(jù)酒泉地區(qū)設計一個太陽能路燈的電路。白天充電靠太陽能電池吸收光能產生電能，而LED照明熄滅，夜晚LED點亮進行照明，并有電路保護電池不會過充過放。三、太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理（一）太陽能路燈的組成太陽能路燈由太陽能電池組件、蓄電池、電源控制器、光源等組成。如圖1圖1 太陽能原理方框太陽能路燈技術特點是：具有特大功率，光亮度相當于白熾燈150W-250W時，每天8小時照明，可在連續(xù)陰雨9天內正常工作；應用

7、了具有充放電保護功能、光敏自控裝置和時控裝置的光電智能控制器，使產品可有效地節(jié)約能源，增加有效照明時間，降低生產成本；中央控制器單元采用單片機控制，并在智能控制器中建立了全球不同緯度的全年日照時間數(shù)據(jù)。使用時在控制器中輸入所在地區(qū)緯度，調整好年、月、日和開/關機的時間，就能夠長年自動跟蹤環(huán)境光線；在大面積使用后，啟動和關閉的時差很小，從而比較好的克服了傳統(tǒng)太陽能燈因啟動時差過大而產生的種種弊端。（二）太陽能路燈的工作原理太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件，利用半導體材料的電子學特性，當太陽光照射在半導體PN結上，由于P-N結勢壘區(qū)產生了較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產

8、生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，各自向相反方向運動，離開勢壘區(qū)，結果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，從而在外電路中產生電壓和電流，將光能轉化成電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，一類是并網發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網通過標準接口相連接，像一個小型的發(fā)電廠;另一類是獨立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內部形成電路。并網發(fā)電系統(tǒng)通過光伏數(shù)組將接收來的太陽輻射能量經過高頻直流轉換后變成高壓直流電，經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨立式發(fā)電系統(tǒng)光伏數(shù)組首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學

9、能的形式儲存在蓄電池中。白天的時候，太陽能電池吸收太陽光子能產生電能，通過控制器吧電能儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或者燈具周圍的廣度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電設定的時間后切斷，這樣就可以照明了。四、各部件的組成及工作原理（一）太陽能電池組件的組成及其工作原理太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位，所以本文中選用單晶硅太陽能電池。下面對硅太陽能電池進行詳細介紹： 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構，如圖

10、2。圖2半導體圖2中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而實心的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產生入圖所示的空心的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P型半導體。同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N型半導體。實心的為磷原子核，小的為多余的電子。當P型和N型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P型一側帶負

11、電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結。當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源 。由于半導體不是電的良導體，電子在通過pn結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就能產生，因此一般用金屬網格（柵線）覆蓋pn結

12、，以增加入射光的面積。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能電池板。（二）蓄電池的組成及工作原理太陽能照明必須配備蓄電池才能工作，這是因為：太陽能電池只能在白天進行光電轉化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲備在蓄電池內，儲備的容量要足夠當?shù)剡B續(xù)幾個陰天的照明需要；太陽能電池板的輸出能量極不穩(wěn)定，配備蓄電池后，太陽能燈等負荷才能正常工作。由于鉛酸蓄電池價格低廉，適于低溫高倍率放電，因此采用鉛酸蓄電池，所以這里只對鉛酸蓄電池進行分析。鉛酸蓄電池充、放電化學反應的原理如下： 1.充電蓄電池從其他直流電源獲得電能叫做充電。充電時，

13、在正、負極板上的硫酸鉛會被分解還原成硫酸、鉛和氧化鉛，同時在負極板上產生氫氣，正極板產生氧氣。電解液中酸的濃度逐漸增加，電池兩端的電壓上升。當正、負極板上的硫酸鉛都被還原成原來的活性物質時，充電就結束了。 在充電時，在正、負極板上生成的氧和氫會在電池內部“氧合”成水回到電解液中。2.放電蓄電池對外電路輸出電能時叫做放電。蓄電池連接外部電路放電時， 硫酸會與正、負極板上的活性物質產生反應，生成化合物“硫酸鉛”，放電時間越長，硫酸濃度越稀薄，電池里的“液體”越少，電池兩端的電壓就越低。鉛酸蓄電池在放電時，正極的活性物質二氧化鉛和負極的活性物質金屬鉛都與硫酸電解液反應，生成硫酸鉛，在電化學上把這種反

14、應叫做“雙硫酸鹽化反應”。在蓄電池剛放電結束時，正、負極活性物質轉化成的硫酸鉛是一種結構疏松、晶體細密的結晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過程中，正、負極疏松細密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池就又處于充足電的狀態(tài)。正是這種可逆轉的電化學反應，使蓄電池實現(xiàn)了儲存電能和釋放電能的功能。（三）電源控制器的組成及工作原理1系統(tǒng)硬件結構太陽能路燈智能控制系統(tǒng)硬件結構，如圖3所示，該 以STC12C5410AD單片機為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽能

15、光線強弱的識別及蓄電池電壓的獲取。單片機的P3口的兩位作為鍵盤輸入口，用于工作模式參數(shù)的設置。圖3太陽能路燈智能控制系統(tǒng)硬件結構 STC12C5410AD是STC12系列的單片機，采用RISC型CPU內核，兼容普通8051指令采集，片內容含有10KBFlash程序存儲器，同時內部還有看門口（WDT）；片內集成MAX810專用復位電路、8通道10位ADC以及4通道PWM；具有可編程的8級中斷源4種優(yōu)先級，具有在系統(tǒng)片成（ISP）和在應用編程（IAP），片內資源豐富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD對系統(tǒng)的工作進行實施調度，實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設置、蓄電池及負載的管理、工作狀態(tài)的指示等。

16、于設置狀態(tài)的識別及參數(shù)設置;P3.5(T1)接F2鍵,該鍵用于自檢及“加1”功能,根據(jù)程序流程,分別實現(xiàn)不同功能。電壓采集與電池管理太陽能電池板電壓采集,用于太陽光線強弱的判斷,因而可以作為白天、黃昏的識別信號。蓄電池電壓采集,用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM功能,對蓄電池進行充電管理。蓄電池開路保護:萬一蓄電池開路,若在太陽能電池正常充電時,控制器將關斷負載,以保證負載不被損傷,若在夜間或太陽能電池不充電時,控制器由于自身得不到電力,不會有任何動作。2電壓采集與電池管理太陽能電池板電壓采集用于太陽光線強弱的判斷，因而可以做為白天、黃昏的識別信號。同時本系統(tǒng)支持太陽能板反接、反充

17、保護。 蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器PWM功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路，控制器將關斷負載，以保證負載不被損傷，若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路，控制器由于自身得不到電力，不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓（15V）時，自動關斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓（13.2V）時，蓄電池進入浮充狀態(tài)，當?shù)陀诰S護電壓（13.2V）后浮充關不，進入均充狀態(tài)。當蓄電池電壓低于保護電壓（11V）時，控制器自動關閉負載開關以保護蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路，可使太陽能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統(tǒng)充電效率。本系統(tǒng)支持蓄電池的反接、過充、

18、過放。3負載輸出控制與檢測電路本系統(tǒng)設計了兩路負載輸出，每路輸出均有獨立的控制于檢測，具有完善的過流、短路保護措施，電路原理如圖4所示。 圖4 負載輸出控制與檢測電路注：P1.6為單片機18引腳；P1.7為單片機19引腳；P3.2為單片機6引腳；負載過流及短路保護:設計了兩級保護。第一級采用了R7(0.01康銅絲)以及運放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測電路配合單片機的A/D轉換及外部中斷響應來實現(xiàn),這里使用了硬件+軟件的方式,LM358的輸出送P1.7(A/D轉換)口,用作過流信號識別,當電流超過額定電流20%并維持30s以上時,確認為過流;短路電流整定為10A,響應時

19、間為毫秒數(shù)量級。第二級采用了電子保險絲保護,當流經電子保險絲的電流驟然增加時,溫度隨之上升,其電阻大大增加,工作電流大幅降低,達到保護電路目的,響應時間為秒數(shù)量級,過流撤消或短路恢復后電子保險絲恢復成低阻抗導體,無須任何人為更換或維修。系統(tǒng)采用了兩級保護措施后,在長達數(shù)小時時間負載短路實驗后,控制器仍沒出現(xiàn)電路燒毀現(xiàn)象。解決了用傳統(tǒng)保險絲只能對電路進行一次性保護,一旦燒毀必須人為更換的問題,同短路后需手動復位或斷電后重新開啟的系統(tǒng)相比,也具有明顯的優(yōu)點,簡化了維護,提高了系統(tǒng)的安全性能。4硬件設計中的注意點（1）感應雷保護電路應設計在太陽能電池板引線入口處,保護電路周圍4mm內不要布置其他器件

20、。（2）防止太陽能電池板反接用的二極管必須采用快恢復二極管,這種管子導通內阻小,充電時發(fā)熱量小,不用散熱器也可以連續(xù)充電,充電效果好。（3）充電、負載放電電路的印刷線路寬度至少要45mm,線路上用搪錫處理以增加過電流能力,大電流導線在一層過渡到另一層時,要放置35個過孔。（4）過流、短路保護電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個因素。電阻增大則電路效率下降,本系統(tǒng)選用電阻為0.01,過電流能力在10A以上的康銅絲作為電流取樣電阻,來產生取樣電壓,取樣電壓最多不超過0.2V,故采用運放LM358對它進行放大。（5）器件的布局和PCB圖的布線采用模塊化,大電流信號與小電流信號要分

21、離,對放大電路的線路猶其要精心布置。數(shù)字地和模擬地分開,注意電源線和地線的布局。（四）光源的選擇光源的選型對于太陽能路燈來說是最關鍵的一步，目前針對太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和LED光源，但是由于LED燈光源，壽命長，可達1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高等優(yōu)點，所以本設計選用LED等光源。（五）各數(shù)據(jù)計算1太陽能電池組件計算設計要求：酒泉地區(qū)，負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)7天。（1）酒泉地區(qū)近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經簡

22、單計算酒泉地區(qū)峰值日照時數(shù)約為3.424h；（2）負載日耗電量=12.2AH；（3）所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A；（4）在這里，兩個連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設計最短天數(shù)為20天，1.05為太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，0.85為蓄電池充電效率；（5）太陽能組件的最少總功率數(shù)= 17.2×5.9 = 102W。選用峰值輸出功率110Wp、兩塊55Wp的標準電池組件，應該可以保證路燈系統(tǒng)在一年大多數(shù)情況下的正常運行。2.蓄電池容量計算蓄電池容量=負載功率*工作日時間*（儲存天數(shù)+1）/放電深度/

23、系統(tǒng)電壓若蓄電池的最低工作溫度低于-20攝氏度，應對蓄電池放電深度加以修正。3.太陽能電池組件支架（1）傾角設計為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術刊物上出現(xiàn)得不少。本次路燈使用地區(qū)為酒泉地區(qū)，選定太陽能電池組件支架傾角為37o。（2）抗風設計在太陽能路燈系統(tǒng)中，結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計?？癸L設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設計，二為燈桿的抗風設計。下面按以上兩塊分別做分析。太陽能電池組件支架的抗風設計：依據(jù)電池組件廠家的技術參數(shù)資料，太陽能電池組件可以

24、承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數(shù)選定為27m/s（相當于十級臺風），根據(jù)非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以，設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。路燈燈桿的設計：太陽能路燈常用的是鋼制錐形燈桿，奇特點是美觀，堅固，耐用，且便于做成各種造型，加工工藝簡單，機械強度高。由于太陽能路燈的工作環(huán)境是室外，為了防止燈桿生銹腐蝕而降低結構強度，必須對燈桿進行防腐蝕處理，其主要方法是針對銹蝕原因采取預防措施。防腐蝕要避免或減緩潮濕，高溫，氧化，氯化物等因素的影響，常用熱鍍鋅和噴塑處理。五、太陽能路燈的實際應用與普通路燈的比較一盞普通的路燈以400W光源、日工作10小時計，1年平均耗電量是1460度電，還需要專人維護、更換燈泡；而太陽能路燈一般采用壽命長達50000小時以上的LED燈作為光源，日常無需增加消耗電量的費用開支。換個角度說，每裝一盞太陽能路燈，每年就可節(jié)省1460度電，十年可節(jié)省14600度。還有兩