太阳能自动充放电路灯线路设计.docx
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太阳能自动充放电路灯线路设计
001电子科技大学大学应用写作40讲下载地址
武夷山职业学院
毕业论文（设计）
太阳能自动充放电路灯线路设计
系别：
信息工程系
专业（班级）：
08级应用电子技术
姓名：
张海军
学号：
200814027102
指导教师：
刘梅卿
完成时间：
2011年6月3日
目录
目录2
太阳能自动充放电路灯线路设计3
【摘要】3
【关键词】3
1绪论4
1.1我国太阳能资源及分布4
1.2国内外光伏发电发展现状4
1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点4
1.2.2我国光伏产业发展现状5
1.2.3光伏电源的优势5
1.3太阳能路灯的组成及发展现状5
1.3.1太阳能路灯的组成5
2太阳能路灯的设计6
2.1太阳能路灯的工作原理6
2.2太阳能电池的特性与应用.6
2.2.1太阳能电池的结构及工作原理6
2.2.2太阳能电池的基本特性7
2.2.3影响太阳能电池输出的因素9
2.3不同地区因地制宜选择相应的太阳能路灯配置9
2.3.1太阳能路灯配置的一般步骤9
2.3.2某花园小区太阳能路灯光伏电池的选型10
3太阳能电路的设计11
3.1电路设计部分11
3.1.1太阳能路灯控制器电路图11
3.2.1用PIC12F675单片机制作的太阳能路灯控制器12
4结论14
参考文献15
结束语16
致谢17
太阳能自动充放电路灯线路设计
【摘要】
当今计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。
化学工程论文嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等严格要求的专业计算机系统。
其最初应用是基于单片机的。
太阳路灯电路图小巧灵活，成本低，易于产品化。
它面向控制，能针对性的解决路灯电路图单到复杂的各种控制任务。
全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖等问题正日益困扰着人类社会，“寻求绿色替代能源，实现可持续发展”已成为世界各国面临的共同课题。
太阳能光伏不排放CO2和SO2，也没有常规发电的噪音、固体废物和其他污染，是当前最重要的可再生能源技术之一。
随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能、安全等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。
在不同地区，诸如城市或乡村，对太阳能路灯照明密度的要求不同，本论文主要通过研究太阳能路灯及太阳能电池的工作原理，太阳能电池的基本特性。
根据不同的要求主要从实用性和经济性方面考虑选择出适合本地区需求的相应容量的太阳能光伏电池以及太阳能光伏电池配置。
【关键词】
太阳能路灯,LED光源,蓄电池
1绪论
1.1我国太阳能资源及分布
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。
按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区。
一类地区为我国太阳能资源最丰富的地区，年太阳辐射总量6680～8400MJ/㎡，相当于日辐射量5.1～6.4KWh/㎡。
这些地区包括宁夏北部、甘肃北部、新疆东部、青海西部和西藏西部等地。
尤以西藏西部最为丰富，最高达2333KWh/㎡（日辐射量6.4KWh/㎡），居世界第二位，仅次于撒哈拉大沙漠。
二类地区为我国太阳能资源较丰富地区，年太阳辐射总量为5850-6680MJ/㎡，相当于日辐射量4.5～5.1KWh/㎡。
这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
三类地区为我国太阳能资源中等类型地区，年太阳辐射总量为5000-5850MJ/㎡，相当于日辐射量3.8～4.5KWh/㎡。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。
四类地区是我国太阳能资源较差地区，年太阳辐射总量4200～5000MJ/㎡，相当于日辐射量3.2～3.8KWh/㎡。
这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。
五类地区主要包括四川、贵州两省，是我国太阳能资源最少的地区，年太阳辐射总量3350～4200MJ/㎡，相当于日辐射量只有2.5～3.2KWh/㎡。
1.2国内外光伏发电发展现状
1839年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，1954年美国贝尔实验室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳电池。
在可再生能源中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一。
最近10年太阳电池产量年平均增长率为37%，最近五年的年平均增长率为45%
1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点
1997年，美国提出“百万太阳能光伏屋顶”计划，预计2010年完成。
同年，日本提出“新阳光计划”，到2010年将生产43亿瓦光伏电池。
同年，欧盟提出“百万光伏屋顶计划”1999年，德国实施“十万光伏屋顶计划”，并实行低息贷款。
近年发达国家还制定了“光伏研发路线图”。
在光伏应用和安装方面，德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场。
2005年全球安装太阳电池组件1460MW，比前一年增长了34%。
德国安装837MW，比前一年增长了53%;占世界安装量的57%;日本安装292MW，比前一年增长了14%，占世界安装量的20%;美国安装102MW，占世界安装量的7%;欧洲其它地区安装88MW，占世界安装量的6%;世界其它地区安装146MW，占世界安装量的10%。
1.2.2我国光伏产业发展现状
1958年，我国开始研究太阳电池。
1971年，首次将光伏电池成功应用于东方红2号卫星。
1973年，开始太阳电池地面应用。
从上世纪70年代初到80年代末，由于成本高，太阳电池在地面的应用非常有限。
90年代以后，随着成本的降低，太阳电池向工业领域和农村电气化应用方向发展。
市场稳步扩大，国家和地方政府开始制订光伏计划。
2002年，国家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速发展起来，总装机容量从2001年的23500KW迅速增长到2002年的45000KW，至2003年达到55000KW。
2003～2005年，受德国巨大的市场需求影响，国内光伏企业产能迅速扩展，产量迅速增长。
1.2.3光伏电源的优势
（1）可靠。
光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。
目前己有数千套光伏系统的运行经验，晶体硅的寿命可达20年以上，
（2）安全、无噪声及其它公害。
不产生任何的固体，液体和气体有害废弃物，噪音几乎没有，无环境污染和公害问题。
（3）安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等优点。
（4）兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要而使光伏系统任意增容。
（5）标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要，通用性强。
（6）太阳能无处不有，应用范围广。
1.3太阳能路灯的组成及发展现状
随着我国太阳能技术的迅速发展，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势已经逐渐显现太阳能路灯的应用也日见普及,太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。
1.3.1太阳能路灯的组成
太阳能路灯由以下几个部分组成：
太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳。
太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。
其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。
在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。
在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。
在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。
非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。
太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。
为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。
在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。
同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能,具有光控、时控功能,并应具有夜间自动切控负载功能,便于阴
雨天延长路灯工作时间。
太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。
2太阳能路灯的设计
2.1太阳能路灯的工作原理
系统工作原理简单，其原理结构图如图1，利用光生伏特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至10Lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压位后动作，蓄电池对灯头放电。
蓄电池放电10小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。
充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。
图1太阳能路灯控制原理结构图
2.2太阳能电池的特性与应用.
2.2.1太阳能电池的结构及工作原理
太阳能电池通常由半导体硅材料制成。
其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元。
由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。
实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。
光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。
图2硅太阳电池结构
图2所示的硅电池，它的基体材料为P型单晶硅，厚度在0.4mm以下。
上表面层为N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个P一N结。
在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率;另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到90%以上。
太阳电池的工作原理为:
当太阳光照射P一N结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子-空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴;于是就在P一N结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。
光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电、N型区带负电;于是就使得N区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏电动势。
当接通外电路时，便有电能输出。
这就是太阳能电池发电的基本原理。
2.2.2太阳能电池的基本特性
（1）太阳能电池数学模型
当光照恒定时，由于光生电流不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。
光伏电池的两端接入负载R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压V。
负载端电压反作用于光伏电池的P一N结上，产生一股与光生电流方向相反的电流。
此外，由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻Rs。
串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。
在实际的太阳能电池中，一般串联电阻都比较小，大都在0.001～3欧之间。
另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻Rsh来等效。
相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在1K欧以上。
太阳能电池的等效电路如图3所示
图3太阳能电池等效电路
（2）太阳能电池的I一V特性曲线
太阳电池的特性曲线可以表示为图4所示。
它表明在某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的输出电流和输出电压之间的关系，简称I一V特性。
从图4可以看出，该伏安特性曲线具有非线性，不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。
图4太阳电池的I一V特性曲线
太阳电池的额定功率是在以下条件下定义的:
当日照S=l000w/㎡，太阳电池温度T=25℃，大气质量AM=1.5时，太阳电池输出的最大功率便定义为它的额定功率，它对应于图中的M点。
太阳电池额定功率的单位是“峰瓦”。
曲线上的M点表示在相应日照强度下太阳电池输出最大功率的位置，称“最大功率点（MPP）”。
假定负载为纯电阻负载，和特性曲线相交于M点，则根据公式R=V/I，可以画出负载线为一条直线，其斜率由负载的阻值决定。
根据图中所示特性曲线，定义如下几个主要参数:
短路电流Isc（shortcircuitcurrent）:
当V=0时，对应的最大电流值:
开路电压Voc（opencircuitvoltage）:
当I=0时，对应的最大电压值;
工作点（workingpoint）:
负载线与伏安特性曲线的交点。
从图4可知，特性曲线上任意一点均为太阳电池的工作点。
每一点都对应着负载电阻从太阳电池处获得的功率，即图中矩形OIMV所围成的面积。
当调节负载电阻的阻值R时，总可以找到一点M，对应的I·V为最大，此时，称M点为最佳功率点，也称为最大功率点。
为MPP。
这一点所对应的负载R为最佳负载电阻，P功率为最大输出功率。
定义填充因子FF=PM／Voc·Isc（P=I×V）;FF是衡量太阳电池好坏的重要指标，越大越好。
2.2.3影响太阳能电池输出的因素
日照强度和温度是影响电池输出的重要因素，如图5、图6所示。
图5一定温度不同日照图6一定日照不同温度
由以上两图可知，温度相同时，随着日照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加;在日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小，具有负温度系数。
此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能电池总有一个最大功率点，温度（或日照强度）不同，最大功率点位置也不同。
2.3不同地区因地制宜选择相应的太阳能路灯配置
2.3.1太阳能路灯配置的一般步骤
（1）根据表查出该地区的平均日照时间
（2）计算负载日耗电量
（3）计算太阳能电池组件的总充电电流
（4）计算太阳能电池组件的功率
（5）由以上选择出合适的太阳能电池组件
（6）蓄电池、节能灯及控制器的选择
（7）根据当地特点选择合适的太阳能电池组件支架倾角
（8）防雷和接地
2.3.2某花园小区太阳能路灯光伏电池的选型
设计要求:
某花园小区，负载输入要求电压12V功耗9W，每天工作时数10h，保证连续阴雨天数5一7天能正常。
（l）根据查表8得知该地区年平均日照时间为3.94h
（2）负载日耗电量为（9÷12）×10=7.5（AH）
（3）所需太阳能电池组件的总充电电流=1.05×7.5÷（3.94×0.85）=2.35A
在这里，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=17.5×2.35=41.125W
在这里，17.5为太阳能电池组件的输出工作电压
（5）由此可知选用一块功率为12W和一块功率为30W的太阳能电池板串联即可，查表7可知其中功率为30W的最佳工作电压为17.4V,最佳工作电流为1.72A,开路电压为20.5V，短路电流为1.89A，其组件尺寸为5103525325.功率为12W的电池最佳工作电压为8.7V,最佳工作电流为1.38A,开路电压为10V，短路电流为1.52A，其组件尺寸为2803450325。
（6）蓄电池选择
根据上面的计算知道，负载日耗电量7.5AH。
在蓄电池充满情况下，可以连续工作6个多阴雨天，蓄电池容量:
7.5×6.6=49.5（AH），选用1台12V—5OAH的蓄电池就可以满足要求了。
3太阳能电路的设计
3.1电路设计部分
3.1.1太阳能路灯控制器电路图
3.1.2工作原理
电路原理见图1所示。
该电路由以U5为核心组成的蓄电池过充电控制电路、以U4A～U4D为核心组成的蓄电池电压指示电路及显示电压按钮开关KS1电路、以U1B组成的蓄电池过放电控制电路、以U1A组成的开灯检测控制电路、以U2组成的开灯及延时熄灯及二次开灯定时控制电路，以及以控制三极管Q2驱动继电器组成的输出控制电路等组成。
现分别介绍如下。
（1）过充电、过放电检测保护部分太阳能电池组件板或阵列由插口CZ1的①脚输入，加至防反充电二极管D2的正极．D2的负极接12V蓄电池的正极，即CZ1的③脚。
控制器在初始上电时，由于C4的作用使U5②脚为低电平，③脚输出高电平，Q7导通；Q8截止，允许太阳能电池给蓄电池充电。
当蓄电池所充的电压小于14．4V时，由R13、（R38十R39）组成的串联分压电路送至U5②、⑥电压低于2／3U5的供电电压时，即小于6V，电路维持充电状态；随着充电时间的延长，蓄电池电压逐渐升高，当U5②、⑥的电压高于2／3U5供电电压时，U5③脚输出低电平，Q7截止、Q8导通，给太阳能电池板泄放电流，停止对蓄电池充电。
在U5③脚输出低电平的状态下，其⑦脚导通，相当于将1140并入电路中。
此时电路的分压比为：
R38+R39／／R40／IRl3+（R38+R39）／／R40，不难算出，当蓄电池电压低于设定值13V时．电路状态再次翻转，U5③脚输出高电平，允许蓄电池充电。
（2）开灯检测方法与控制
太阳能电池板是一个很好的光敏元件，其输出电流、电压能随着接受光的强度和照度变化而变化，本控制器就是利用这一原理实现开、关灯控制的。
太阳能电池板PVin输入电压经R5、R6串联分压后；加至运放U1A②脚，其③脚接于R9、R8+VR1的分压点上。
在白天，太阳能电池板在阳光的照射下输出电压很高，其经R5、R6分压后使运放U1A②脚电压高于③脚，U1A①脚输出低电平，Q1截止，U2无供电电压不工作，Q2截止，继电器不吸合，系统无输出电压，路灯不工作。
随着天色渐黑，太阳能电池板输出电压降低。
UlA②脚的电压也同步降低，当U1A②脚电压低于③脚时，比较器翻转，U1A①脚输出高电平，Q1导
通，定时电路U2得电工作，Q2导通、JDQ1吸合点亮路灯。
图中VR1为路灯开灯时刻设置调节电位器，调节VRl可设置不同时刻点亮路灯。
DW1是钳位二极管，作用是避免白天太阳能电池板接受的电压过高导致U1A②脚输入电压过高而损坏。
C1为储能电容，作用是防止U1A②脚电压瞬时突变误点亮路灯。
R14为反馈电阻．其作用是使U1A成为一个迟滞比较器．防止和避免U1A在开灯点附近振荡而反复开、关路灯。
（3）路灯延时电路点亮、熄灭控制电路延时控制电路选用CD4541BE可编程定时控制芯片，它功耗低、内置可编程分频器电路，最大分频级数为65536级。
本控制器设计定时开灯和定时关灯时间调节范围是：
2．093小时-11．93小时．分别由V：
R2和VR3控制调节。
（4）蓄电池停止放电优先控制电路
若在路灯欲点亮或已点亮时，蓄电池电压已经低于其允许终止放电值时，Q4导通．此时无论U1A输出高电平与否，均会使Q1截止，从而保护蓄电池避免过放电损坏。
（5）电池电压指示电路
为了让现场看管、维护人员及时了解、掌握蓄电池的状态，本控制器设有LED电池电压指示装置，通过LLED点亮的数量指示蓄电池电压的高低。
3.1.3电路调试
制作中发现。
NE555时基电路的实际状态转换点，即1／3V（：
C与2／3VCC状态的翻转跳变点并不是严格遵循理论值。
通过调节电阻R13可实现14．4V的过充电控制。
将R13由设计的100kΩ换为120kΩ即可达到实际要求。
同理，通过调节VR4可校准蓄电池指示电压。
3.2思路创新
3.2.1用PIC12F675单片机制作的太阳能路灯控制器
图2是用：
PIC12F675单片机制作的太阳能路灯控制器电路。
PIC12F675是8引脚单片机，具有6个I／0口，自带内部RC振荡器（振荡频率为4MHz）、4路10位A／D转换器、一路比较器，该控制器性能稳定、可靠，耗电低。
3.2.2工作原理
PIC12F675控制蓄电池的过充电、过放电，开、关路灯功能，定时点亮、天黑自动点亮、延时点亮、自动跟踪点亮等功能，路灯点亮测试控制功能，LED指示功能等。
由蓄电池BTl、蓄电池过充电控制执行场效应管01、三端稳压器U1组成电源供电系统；Q2、Q4．组成放电控制；K1手动，R_GM1光控自动开灯系统，蓄电池分压电阻，发光指示二极管等部分组成。
太阳能电池板电压由接口J3输入．经防反充二极管D1后分成两路，一路经U1LM78L05稳压后，为PIC12F675单片机提供工作电源，另一路经FB保险丝给蓄电池充电。
单片机上电后，首先由Rf、Cf组成的硬件电路进行复位．然后由软件控制U2③脚GP4输出高电平，让Q4导通、Q2截止，控制系统停止放电，再检测U2⑦脚GP0上的分压值，通过内部A／D转换及软件运算间接检测、判断蓄电池是否欠压、过压．若蓄电池发生过充电，则通过软件控制U2②脚GP5输出高电平，使Q1导通．短路太阳能电池板、停止向蓄电池充电，同时点亮“过充电”指示灯LED2；若未发生过充电，则U2②脚GP5输出低电平，允许蓄电池充电。
通过检测U2⑥脚GP1所接的光敏电阻R_GM1上的分压值，判断是否已经“天黑，到了开路灯时间”，若到了预设的开灯点，则由软件控制u2③脚GP4输出低电平，使Q4截止、02导通，点亮路灯。
若不到开灯点，则程序返回，循环检测上述诸参数。
K1是手动开灯按钮。
按下K1，路灯点亮。
单片机通过检测光敏电阻R_GM1上的分压值，判断是否“天黑”，若是天黑．则按设计要求点亮路灯，若否，单片机进入路灯控制器“测试”功能：
2分钟后路灯自动熄灭。
4结论
光伏照明系统是光伏发电系统的重要组成部分，也是研究的热点之一，具有很高的实用价值。
应用太阳能给传统的灯具光源供电并不十分经济:
一是目前太阳电池的转换效率还比较低，所产生的能量有限，如果只是简单增加太阳电池的面积，成本太高，不利于产品推广；二是对于地方目前所使用的太阳能路灯光伏电池配置都是由厂家生产的统一规格的产品，而由于不同地方在温度、日照、环境等各个方面存在差异，使用相同过的产品，不能做到因地制宜，在一定程度上大大浪费了资源。
本文主要做了如下工作来完成上述不足：
（1）利用辅助反光镜来增大太阳能电池的输出功率
（2）根据不同地区的情况，计算出该地区使用太阳能光伏电池所需的电压、电流、功率，由此通过查表选择出来最合适的太阳能电池组件，使其在经济性和实用性上都达到最优化由于太阳能路灯是一个新兴产业,尚没有统—、完善的行业标准,各个厂家的产品质量参差不齐,所以建立太阳能灯具的行业及国家标准,规范生产,提高系统的稳定性应该是目前太阳能灯具行业的当务之急。
当然太阳能路灯的发展前景毋庸置疑,必将对国家的环保产业做出巨
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