太阳能发电路灯照明系统的设计文档格式.docx
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普通路灯在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面都会带来诸多安全隐患。
太阳能路灯没有安全隐患：
太阳能路灯是超低压产品，运行安全可靠。
太阳能路灯的其它优势：
绿色环保。
综上对比所述，太阳能路灯具有安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等特性。
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8～12米的太阳能路灯的造价一般在1.8～3.5万元之间。
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设计构想
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。
现本人想设计一个太阳能路灯的电路.：
白天太阳能路灯在智能控制器的控制下，太阳能电池板经过太阳光的照射，吸收太阳能光并转换成电能，白天太阳电池组件向蓄电池组充电，LED照明熄灭.晚上蓄电池组提供电力给LED灯光源供电，实现照明功能。
直流控制器能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏。
大概思路如下图：
3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
图3.1太阳能原理方框
太阳能路灯利用太阳能电池板配上专用微电脑智能控制器，将光能转换为电能，无需挖沟拉线，安装方便，节能环保等特点。
微电脑智能控制器采用专用集成电路制造，转换率高，具有防过充、过放、自动调整充电电源、极性反接及输出短路保护功能，大大延长蓄电池的使用寿命，安全可靠，使用方便。
高效免维护蓄电池，蓄电强劲，经久耐用，防水性强。
时间控制器为自动跟踪式，随着各季节不同的光照时间自动调整开灯时间，并采用节能智能控制，夜深人静时自动关闭其中路灯，延长照明时间。
太阳能路灯
1.无需电缆，不受地理位置的限制，安装简单方便。
2.前期投入略大，长期对照节约。
3.不需支付电费，不受停电限制。
4.节约能源，促进环保发展，无污染，符合当今社会发展方向，走低碳生活之路。
5.充分体现绿色照明的概念，给人以全身心的视觉感受。
6.融入了新能源新技术的概念。
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。
4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。
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、ⅢV族、ⅡⅥ族和磷化锌等。
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、有机太阳能电池、五大类，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。
下面是对太阳能电池进行详细介绍。
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。
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III-V化合物电池的转换效率可达28%，砷化镓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。
但是砷化镓材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用砷化镓电池的普及。
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。
5.有机太阳能电池
有机太阳能电池，顾名思义，就是由有机材料构成核心部分的太阳能电池。
大家对有机太阳能电池不熟悉，这是情理中的事。
如今量产的太阳能电池里，95％以上是硅基的，而剩下的不到5％也是由其它无机材料制成的。
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。
图4.1
图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。
图4.2
图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3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P（positive）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N（negative）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。
图4.3
图4.4
N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N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。
当P型和N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P型一侧带负电，N型一侧带正电。
这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。
N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“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，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P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。
图4.5
由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n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－n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。
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
铅酸水电池又称为铅酸蓄电池，它的负极为铅，正极为二氧化铅，电解液是硫酸的水溶液，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
镉镍蓄电池是指采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质的碱性蓄电池，用氢氧化钾水溶液作电解质溶液。
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一种近年来得到迅速发展的高新技术产品。
与用途最广泛的锅一镍电池相比,金属氢化物一镍电池具有比能量高、无记忆效应、不污染环境、耐过充过放电等优良性能,故被誉为绿色电池。
，负极为吸氢稀土合金，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾。
通常采用氢氧化钾水溶液作电解液的一种碱性可充电电池，比能量是镉镍蓄电池1.5-2倍。
4．铁镍蓄电池
铁镍蓄电池的电解液是碱性的氢氧化钾溶液，是一种碱性蓄电池。
其正极为氧化镍，负极为铁。
其优点是轻便、结构坚固、耐用、寿命长、易保养等特点，缺点是效率不高，多用于矿井运输车动力电源。
5．锌银蓄电池
锌银蓄电池是一种碱性电池。
其正极为氧化银，负极为锌，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
锂离子蓄电池锂离子蓄电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。
在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：
充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；
放电时则相反。
一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。
它的负极是碳（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。
（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。
图4.6
STC12C5410AD是STC12系列的单片机，采用RISC型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、8通道10位ADC以及4通道PWM；
具有可编程的8级中断源4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）接F2键,该键用于自检及“加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。
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。
图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）口,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4～5mm,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3～5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
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