光伏LED系统的设计与优化分析Word文件下载.docx
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2.4.3LED光源的基本特性
第三章LED光伏照明系统设计
3.1太阳能光伏发电系统设计程序
3.1.1.当地太阳能辐照数据及气象数据收集
3.1.2.太阳能电池组件选择
3.1.3太阳辐射能的计算
3.1.4太阳能电池方阵的最佳倾角
3.2充电控制电路
3.3铅酸蓄电池容量选择计算
3.4亮度检测电路
3.5LED灯具驱动电路及过放电保护电路
3.6LED灯具
第四章实验数据分析
为落实科学发展观，实现国民经济的可持续健康发展，在世界能源紧缺的大环境下开发新的再生能源系统是当务之急。
太阳能作为取之不尽，用之不竭的绿色再生能源，太阳能光伏发电也是UPS供电系统的选择方案之一。
太阳能光伏发电已广泛用于人造地球卫星和宇宙航天设备上。
随着太阳能电池材料价格的下降，技术的成熟，晶体硅太阳能电池成本的已接近1美元每瓦，而薄膜电池更是低于1美元，太阳能光伏发电系统进入千家万户成为可能。
LED是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色粉发光的原理，而采用电场发光。
LED的特点非常明显，寿命长、光效高、低辐射与低功耗。
白光LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，其发光效率可超过150lm/W（2010年）。
将LED与普通白炽灯、螺旋节能灯及T5三基色荧光灯进行对比，结果显示：
普通白炽灯的光效为12lm/W，寿命小于2000小时，螺旋节能灯的光效为60lm/W，寿命小于8000小时，T5荧光灯则为96lm/W，寿命大约为10000小时，而直径为5毫米的白光LED光效理论上可以超过150lm/W，寿命可大于100000小时。
LED已经是取代荧光灯必须发展趋势。
我国“十二五”规划中提出了“LED照亮农村计划”，第一阶段投资将达到1800亿人民币。
2009年初，中国推出“十城万盏”半导体照明（LED）应用示范方案，同意在天津、石家庄、大连、哈尔滨、上海等21个城市开展试点工作。
2011年5月，北京、常州、合肥、青岛、广州、海口、宝鸡等16个城市被确认为第二批“十城万盏”示范城市。
住房城乡建设部也印发了“十二五”城市绿色照明的规划纲要，明确了提高城市照明的品质和节能水准，降低照明的单位能耗，提出在“十二五”期间，城市绿色照明和LED推广应有大幅度提升，各地要加快开展半导体照明、可再生能源等新产品、新技术的示范推广工作，实现城市照明发展方式的转变。
截止2010年，中国已有81个城市安装LED路灯超过50万盏。
而“LED照亮农村”工程涵盖范围包括226万个农村，将从大西北部分先行建置，这部分即有80万个农村确定设置。
而其中光伏照明一体化占据了很大一部分。
LED照明与太阳能光电是完全可以做到一体化的，因为光伏发电产生的是直流电，而LED所需的正电直流电，二者结合不仅节约了转换的成本，而且避免了效率的损失。
一体化应用后照明系统的可靠性和效率会提高。
因此，研究设计一小型太阳能光伏发电系统对推动我国“绿色照明工程”的快速发展具有非常重要的意义。
本实验技术立项对太阳能光伏发电的基本原理进行了详细的阐述，并设计制作出一套实用的小型太阳能光伏发电系统。
上个世纪的70年代，由于两次石油危机的影响，光伏发电在发达国家受到高度重视，发展较快。
随着全球性的自然资源过度开发与消耗，环境的污染和破坏，1992年联合国召开了环境与发展“世界首脑会议”，通过了《里约宣言》和《21世纪议程》，走可持续发展道路成为各国长期共同的发展战略，发展新能源和可再生能源己成为非常紧迫的任务，特别是光伏发电更受到各国政府的重视，美国政府最早制定光伏发电的发展规划，1997年又提出“百万屋顶’’计划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量己达到3000MW以上；
瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。
德国投巨资进行光伏发电事业，截止到1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0．99马克，极大地刺激了德国乃至世界的光伏市场[1]。
由于环保和能源持续供应的需要，太阳能光伏发电（即光伏电池）近年来始终保持30％～40％的年增长量，因而被誉为全世界增长最快的能源。
在我国，随着国民经济的稳步发展、综合国力的不断提高和科技的进步，特别是“西部开发"
战略的实施，利用西部地区丰富的太阳能、风能资源解决几千万人口的用电问题这一伟大构想己经逐步成为现实。
我国西部日照时间长，日射强度大，为光伏发电提供了得天独厚的优势。
通过在人口相对集中的地区建立设备容量100kVA以下的独立光伏电站，解决乡村的基本生产、办公、生活用电需要。
同时独立光伏电站还可为小型农场、畜牧养殖中心提供电源。
1996年，我国由国家计委牵头制定了实施“中国光明工程”的计划[1]。
2001年，由国家计委组织实施的“西部省份无电乡通电工程光伏发电站（含风光互补发电站）建设项目”正式启动，该项目是“中国光明工程"
计划的重要组成部分，涉及青海省、新疆维吾尔自治区、西藏自治区、内蒙古自治区、甘肃省、四川省、陕西省等七省区。
旨在解决西部地区无电乡的基本生活用电问题。
另外，中科院电工所先后建成了西藏双湖25kw、安多100kw、班戈70kW，和尼玛40kw光伏电站的建设。
北京申办2008年奥运成功，提出了“绿色奥运、人文奥运、科技奥运"
的指导思想。
要把2008奥运会办成最成功的一届奥运会，光伏发电的应用必然担当重要的角色，在所有场馆，光伏发电、LED照明在奥运场馆建设中必然会占重要地位[2]。
LED照明的应用前景在全世界都掀起了高潮，被寄予了厚望。
固态照明将成为最有效的节能和环保手段；
通过改善人类生存环境、发展照明的新概念和新模式，固态照明改善和提高人类的生活质量，将引导人们走向更加光明的未来。
随着近来LED散热技术的改进，室外照明的大功率LED路灯、投光灯等LED大功率照明灯具已经实现工业化生产并开始被大量应用，对色温和显色性要求很高的室内照明的舞台灯、影棚灯等也已实现量产并投入应用，适用范围最大、用量也最大的通用照明的T8、T5、T4、灯管和代替白炽灯和节能灯的螺口球泡灯以形成系列化，使用寿命已高达5万小时。
LED照明已进入高速发展期。
光伏发电技术也是迅猛发展。
2010年世界光伏累计装机容量已接近40GW，近十年平均年增长45%。
截至2011年4月，全球太阳能热发电累计装机容量为1.26GW，在建的太阳能热发电站超过2.24GW，年平均效率超过12%。
我国光伏发电产业已经进入商业化进程，太阳能光伏和光热发电将成为未来我国重要的清洁能源。
自2002年以来，我国太阳电池产量均以100%以上的年增长率快速发展，2010年产量8.7GW，占到世界总产量的50%，连续四年产量位居世界第一。
2009年，我国政府开始实施“金太阳示范工程”，通过光伏产品的规模化应用带动国内太阳能发电的商业化进程和技术进步。
2011年国内累计光伏装机达到3GW，500kW级光伏并网逆变器等关键设备实现国产化，并网光伏系统开始商业化推广，光伏微网技术开发与国际基本同步。
对于光伏照明系统应用最大潜在市场是地下照明。
据已完工的地下照明工程数据，具有节能控制的光伏LED照明系统，每年可比荧光灯节省80%电力。
随着地下空间开发越来越多，上海目前已开发利用地下空间4000万平方米，2020年北京将建成9000万平方米的地下空间，广州目前也达到了1900多万平方米的地下空间，LED光伏照明系统应用前景广阔。
除此之外光伏照明系统的另一应用前景是农业温室。
不同的植物快速生长需要的光波段不同，而LED的照明的另一优点是可调色，针对不同植物调节不同波长发光，使植物不论白天还是晚上获得最大生长速度，缩短生长周期；
而温室一般都是偏远地区，这就适合光伏独立系统发挥其独立性的优势。
综上，在政策的扶持下，光伏照明系统在地下照明、景观照明、农业照明方面都有广泛应用前景和研究价值。
本课题主要研究内容就是通过系统的研究实验方法，得到一种光伏LED照明系统设计通用标准或方法，并对各环节进行优化设计，达到最大程度的节能、低成本、稳定性。
以此指导光伏LED照明系统在不同应用环境、不同条件下的工程设计。
具体内容和要解决的问题包括：
1.光伏系统设计，包括根据需求和条件，对光伏电池进行选型、配置设计。
光伏组件是光伏照明系统的能源供给核心，目前国内商业化太阳能电池种类大概有三种：
晶体硅、多晶硅及硅基薄膜太阳能电池，而应用形式有多种方式，有屋顶式、BIPV幕墙式、户外开放式等。
对于给定工程可考虑单种形式或混合种类多种使用形式，这主要取决于建筑需求和条件。
对于光伏系统最大的技术关键就是如何保证光伏矩阵的最大输出功率要与线路额定电压相匹配，但是不同高度的楼层上入会产生不同压降，偏离最大功率点，这使得按标准规格生产的成品电池不符合要求，必须根据实际情况进行设计定制或调整。
除此之外，还要考虑光伏组件的安置角度、电池板清洁维护等。
2.控制器设计。
按照传统的系统设计，充电电路与LED驱动电路是分开的，这就直接导致了系统的成本增高，而且控制器是两个分开的不便于安装与管理。
由于光伏组件给蓄电池充电需要进行最大功率点跟踪（MPPT）和充放电控制，而LED驱动电路则是让LED稳定在工作状态。
这都是由于光伏组件和LED的IV特性非线性和温度特性引起的。
常用的单管不隔离DC－DC变流器有六种：
Buck变流器、Boost变流器、Buck-boost变流器、Cuk变流器、sepic变流器、Zeta变流器。
为提高双向变流器效率要对变流器进行改进设计。
而对于MPPT，对于小的独立系统为降低成本可以考虑将最大功率点跟踪功能去掉，但对于一般使用必须考虑此项，如何优化MPPT策略及控制器电路设计为本课题需要研究的内容之一。
3.LED灯具的适应性设计。
LED灯与荧光灯不同的是其发光有指向性，为了达到照明目的，需要对灯具进行优化设计才能适用于各种不同的环境。
灯具的设计与所需灯类型、光源与地面距离、LED灯的配光曲线都有关系。
一般LED灯分为高指向型LED、散射光型LED及“食人鱼”型的LED等，每种LED灯的配光曲线不同，甚至不同厂家生产的LED也有差导。
对市售的常用LED测量其配光曲线这是最基本的测量，通过此测量，了解各种LED的空间光强分布。
按照灯具安装方式，有吊灯、吸顶灯、壁灯、应急灯、落地灯、暗槽灯、台灯、发光顶栅等，本课题研究LED常用的灯管式LED阵列、应急灯、壁灯等主要LED应用灯具。
测量其配光曲线，优化阵列和灯具设计为主要应用环境设计出不同的LED灯模型，并得出一套设计方法，为适应不同环境设计不同的灯具。
设计灯具基础上，兼顾节能控制，设计具有全亮与休眠模式的灯具，研究不同的节能策略与成本的平衡，设计灯具。
4.光伏照明一体化控制。
LED的其中之一优点就是可以实现智能控制、可以快速开启关闭，这一特性为光伏照明真正实现一体化提供素材。
由于太阳能电池阵列在不同的季节发电量也有明显不同，或不考虑这因素，将会造成浪费。
因此本课题提出LED的主辅照明系统，系统根据蓄电池的容余，决定辅助系统是否打开，或是部分打开照明系统，这不仅提高了照明效率，同时对于蓄电池也起到了防过充或防过放电，延长了蓄电池寿命。
5.在以上基础上，设计常用环境下系统设计方法，包括地下照明、室内照明，特别地，针对农业应用总结得出农业温室照明系统的设计方法。
对于地下停车场等地下照明，由于白天需要照明量大，而晚上则相对较少，所以针对这种特点，蓄电池的容量设计要比普通的要少很多，这样极大节省了成本，同时LED的显色性优于荧光灯，使地下照明更加接近自然光，人眼比较舒服。
在地下停车场案例中，更能体现节能控制的重要性，当需要时灯自动开启，人走远了，灯维持在较低发光休眠状态，极大节省了电能。
对于室内照明，要求的是显色性与光强空间分布，对于灯具设计的要求更加高，针对此种情况，本课题针对常见环境设计几种不同的灯具，为系统选择。
对于农业照明，最常用的是温室大棚，由于温室大棚作物是反季节种植，且冬季光照时间短，塑料薄膜及保温措施致使大棚内光照严重不足。
如遇阴、雨、雪、雾天气，温室、大棚内缺光现象更加严重，光照强度和光照时间明显不足，很容易造成幼苗徒长。
20世纪80年代我国学者用荧光灯进行光照栽培，结果：
红光下叶面积扩展和光合速率快，叶绿素含量、可溶性糖及总糖的含量均最高，叶绿素a/b值及总氮含量低；
蓝光促进幼苗茎增粗，调节气孔开放，促进细胞膜透性及细胞质环流；
红蓝光混合下幼苗的生长优于红光。
基于LED照明的植物工厂化栽培模式能彻底摆脱自然条件的束缚，实现按计划的周期稳定生产，是现代农业模式的标志。
综上，通过对系统各环节的研究与优化设计，在得到不同环境具体设计的基础上得出通用的光伏照明系统设计方法，为光伏与LED的应用提供基础研究和选择。
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。
由于它广泛用于把太阳能直接变电能，因此又称为太阳电池、太阳能光伏电池。
通常，把光电池的半导体材料的名称冠于光电池（或太阳电池）名称之前以示区别。
例如，硒光电池、砷化稼光电池、硅光电池等。
目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。
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2.1。
图2.1
图2.1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2.2所示。
图2.2
图2.2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2.3所示。
图2.3
图2.4
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2.4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2.5所示。
图2.5
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2.5，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2.5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。
光电池的最大输出电功率和输入光功率的比值，称为光电池的转换效率。
在一定负载电阻下，光电池的输出电压U与输出电流I的乘积，即为光电池输出功率，记为P，其表达式为
（2-1）
在一定的辐射照度下，当负载电阻
由无穷大变到零时，输出电压的值将从开路电压值变到零，而输出电流将从零增大到短路电流值。
显然，只有在某一负载电阻
下，才能得到最大的输出功率
（
=
），
称为光电池在一定辐射照度下的最佳负载电阻。
同一光电池的
值随辐射照度的增强而稍微减少[3]。
与入射光功率的比值，即为光电池的转换效率
。
硅光电池转换效率的理论值，最大可达24%[3]，而实际上只达到18%。
可以利用光电池的输出特性曲线直观地表示出输出功率值，如图2.6，通过原点、斜率为
（2-2）
的直线，就是未加偏压的光电池的负载线。
此负载线与某一照度下的伏安特性曲线交于
点，
点在I轴和U轴上的投影即分别为负载电阻为
时的输出电流
和输出电压
此时，输出功率等于矩形
的面积[3]。
图2.6光电池的伏安特性及负载线
为了求取某一照度下最佳负载电阻，可以分别从该照度下的电压-电流特性曲线与两坐标轴交点（Uoc，Isc）作该特性曲线的切线，两切线交于
点，连接
的直线即为负载线。
此负载线所确定的阻值（
=1/
）即为取得最大功率的最佳负载电阻
上述负载线与特性曲线交点
在两坐标轴上的投影
、
分别为相应的输出电压和电流值。
图2.6中画阴影线部分的面积等于最大输出功率值。
由图2.6可看出，
负载线把电压-电流特性曲线分成I、Ⅱ两部分，在第I部分，
<
，负载变化将引起输出电压大幅度变化，而输出电流变化却很小；
在第Ⅱ部分中，
>
，负载变化将引起输出电流大幅度的变化，而输出电压却几乎不变。
光电池的最佳负载电阻是随入射光照度的增大而减小的，由于在不同照度下的电压-电流曲线不同，对应的最佳负载线不同，因此每个光电池的最佳负载线不是一条，而是一簇。
蓄电池是光伏系统的储能装置，太阳能电池产生的电能先以化学能的形式储存在电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。
蓄电池可以反复使用，符合经济实用原则，这是最大优点，蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，广泛用于各个部门和场所。
蓄电池的特性直接影响光伏系统的工作效率、可靠性和价格。
对于蓄电池的种类，就市场上主流产品而言，主要有四类：
铅酸蓄电池、镉镍（NiCd）蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池。
铅酸蓄电池历史最悠久，至今已有150年的历史，其工艺、结构、生产、性能和应用都在不断发展，科学技术的发展给古老的铅酸蓄电池带来蓬勃生机。
铅酸蓄电池放电工作电压较平稳，既可小电流放电，也可很大电流放电，工作温度范围宽，可在-40℃～65℃范围中工作，铅酸蓄电池技术成熟、成本低廉，跟随负荷输出特性好，至今仍是蓄电池中重要产品，但铅酸蓄电池重量大，质量与能量比低，理论上，铅酸蓄电池的质量与能量比为240Wh/kg，实际只有10～50Wh/kg[4]。
固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低,是我国光伏系统目前选用的主要贮能装置。
镉镍蓄电池是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。
用聚酰胺非织布等材料作隔离层；
用氢氧化钾水溶液作电解质溶液；
电极经卷绕或叠合组装在塑料或镀镍钢壳内。
镉镍蓄电池标称电压为1.2V，具有使用温度范围宽、循环和贮存寿命长、能以较大电流放电等特点，但存在“记忆”效应，常因规律性的不正确使用造成电性能下降。
大型袋式和开口式镉镍电池主要用于铁路机车、矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源。
圆柱密封式镉镍电池主要用于电动工具、剃须器等便携式电器。
小型扣式镉镍电池主要用于小电流、低倍率放电的无线电话、电动玩具等。
由于废弃镉镍电池对环境的污染，该系列的电池将逐渐被性能更好的金属氢化物镍电池所取代。
氢镍蓄电池（NiMH）使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金作负极活性物质，氢氧化钾水溶液作电解液，为绿色环保型电池。
高容量型氢镍电池的比能量为60～1OOWh/Kg，高功率型氢镍电池的比能量为40～5OWh/Kg。
氢镍电池采取恒电流充电方式充电，根据电池对电流的接受能力可采用不同的电流对电池充电，充电过程中无需对电池单体的电压进行限制，同时，可以实现快速充电。
氢镍电池由于采用高导电性电解液，电池内阻较小，可以适应大电流放电，因此它可分为低倍率、中倍率、高倍率电池。
对于需要较大功率输出要求的场合比较适用。
电池在高温时主要是充电方面的困难较大，氢镍电池在较高温时，副反应氧析出反应会加速，如果有较好的负极性能，在正极上析出的氧气可以在负极上还原，从而使电池内压得以消除。
通过调整配方工艺，可以有效地提高电池在高温时的充电效率并可实现高温的快速充电。
锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。
锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。
在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。
在充放电过程中，锉离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。
锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。
铅酸蓄电池是通过充电将电能转换为化学能贮存起来，使用时再将化学能转换为电能释放出来的化学电源装置。
它是用两个分离的电极浸在电解质中而成。
由还原物质构成的电极为负极。
由氧化态物质构成的电极为正极。
当外电路接近两极时，氧化还原反应就在电极上进行，电极上的活性物质就分别被氧化还原了，从而释放出电能，这一过程称为放电过程。
放电之后，若有反方向电流流入电池时，就可以使两极活性物质回复到原来的化学状态。
这种可重复使用的电池，称为二次电池或蓄电池。
如果电池反应的可逆变性差，那么放电之后就不能再用充电方法使其恢复初始状态，这种电池称为原电池。
电池中的电解质，通常是电离度大的物质，一般是酸和碱的水溶液，但也有用氨盐、熔融盐或离子导电性好的固体物质作为有效的电池电解液的。
以酸性溶液（常用硫酸溶液）作为电解质的蓄电池，称为酸性蓄电池。
铅酸蓄电池视使用场地，又可分为固定式和移动式两大类。
铅酸蓄电池单体的标称电压为2V。
实际上，电池的端电压随充电和放电的过程而变化。
铅酸蓄电池在充电终止后，端电压很快下降至2.3伏左右。
放电终止电压为1.7－1.8伏。
若再继续放电，电压急剧下降,将影响电池的寿命。
铅酸蓄电池的使用温度范围为＋40℃―－40℃。
铅酸蓄电池的安时效率为85%－90%，瓦时效率为70%，它们随放电率和温度而改变。
充放电控制器是能自动防止蓄电池组过充电和过放电并具有简单测量功能的电子设备。
由于蓄电池组的循环充放电次数及充放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电放电控制器是必不可少的设备。
光伏充电控制器基本上可分为五种类型：
并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。
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