LED光伏太阳能照明系统设计毕业设计文档格式.docx
《LED光伏太阳能照明系统设计毕业设计文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《LED光伏太阳能照明系统设计毕业设计文档格式.docx（52页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
太阳能路灯运动部件很少，基本没有噪声。
关键词：
太阳能电池；
LED；
铅酸蓄电池；
时控、光控电路；
充放电控制器
Abstract
Thispaperdesignedasolarstreetlampcontrollerwithtimecontrolandlightcontrolcombination,controlingstreetlamplightingtimebyusingSTC12C2051MCUandclockchipDS1302,usinglowpowerdatastoragetostoragethetimeoflightinglampsandextinguishedlamps,achievingphotoelectriccontrolbyPhotoresistor.Intheeveningwhenthelightisdimstreetlampcontrollerautomaticallyswitchonthepower,whenthelatenightpedestrianlessaccordingtosettimeextinguishedlamp,morningautopoweronlight,dawnaftertheautomaticshutdown.Thecircuitandoperationalprincipleisdetailedanalysedinthepaperandresumethedebuggingprocessofthecontroller.
Controllerofsolarstreetlightingsystemisakeycomponentofthestreetlampmanagementsystem,it'
sbiggestfunctionistomanagethestoragebattery,preventchargingcontrol,preventexcessivedischargecontrol.Chargecontrol,isinthebatteryischargingstateisdisconnectedfromthechargingcircuit,acontrolcircuitistodisconnectdischargingcircuitwhenthestoragebatteryisintheoverdischargestate,prolongtheservicelifeofthebattery.
Solarstreetlampiscomposedofasolarbattery,battery,highbrightnessLED,andothercomponents,reducingnoisepollution:
solarstreetlamphasfewmovingparts,nonoise.
Keywords:
solarbattery;
LED;
lead-acidbatteries;
whenthecontrol;
lightcontrolcircuit;
charge-dischargecontroller
绪论
太阳能照明的优点
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。
到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：
1、启动送电到村工程；
2、在特殊工程上运用光伏发电，如世博会、奥运会等；
3、在沙漠地区建光伏电站；
4、动员一些城市启动屋顶计划；
5、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）。
太阳能照明发展的趋势
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。
太阳能路灯与普通路灯比较
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。
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。
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、太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2～3.5万元之间。
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、偷盗难，也不划算，太阳能路灯灯杆都在8米高以上，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米以上，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。
设计方案论证
设计思路及原则
设计思路：
太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。
首先是根据用电负载（LED光源）的用电量，确定太阳能组件，然后确定蓄电池的容量，再进行电气设计、光源设计和设备选型，最后进行系统的结构设计，设计中要确保太阳能LED路灯运行的稳定性和可靠性。
设计的原则：
对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题：
1、从功能上,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升工厂形象。
2、在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。
3、另外还要结合当地的光资源情况。
设计要求
1、电池板功率的计算和选用；
2、蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；
3、连续阴雨天三天路灯仍能照明；
4、光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）；
5、系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。
方案选择
太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。
国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。
单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；
早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。
为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。
随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。
感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作。
采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。
优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。
缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。
定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。
电子钟表型定时开关使用的也较多，常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。
近几年还出现将电子钟LED液晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器
件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大量生产该产品，现在大多用于路灯控制中。
经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。
它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。
目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加不必要的成本。
路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。
本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。
系统总体方案
太阳能路灯照明系统基本组成
照明系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED光源、控制器、蓄电池和灯杆等几部分构成；
太阳能电池板的光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；
灯头部分以LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。
控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；
控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。
本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；
充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。
太阳能路灯照明系统工作原理
系统工作原理利用光生伏打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、充放电控制器侦测到电压值变化后动作，蓄电池对灯头放电。
蓄电池放电8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天黑时自动开灯；
天亮时自动关灯；
在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；
并有短路保护、反接保护等。
图3.1总体方案图
太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。
根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。
系统总体方框图如图3.1所示。
由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。
系统硬件设计
照明负载
LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。
按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。
发光二极管的实质性结构是P—N结，在半导体P—N结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。
半导体P—N结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。
半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。
白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光。
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50～200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10～12瓦的LED光源发出的光能与一个35～150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。
超高亮白光LED应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度LED发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮LED或平光型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED集中于一起，排列组合成一定规则的LED发光源。
超高亮白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为17.5mA。
超高亮白光LED发光源具有如下优点：
1、寿命长。
LED的寿命长达100000h，而白炽灯的寿命一般不超过2000h，荧光灯的寿命也不过5000h左右。
2、效率高。
相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED的功耗只有前者的10％～20％。
3、绿色环保。
与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。
4、耐低温。
环境使用温度在一40℃～80℃，环境适应性非常强。
这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。
在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。
反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。
太阳能LED发光源：
在太阳能LED灯具中，发光源所用的LED数量，从1个到上千个不等，一定数量的LED组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。
即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。
在LED排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模型，最有效地发挥超高亮白光LED的发光效率，并使得单位面积LED的数量少以降低成本。
本设计采用的单个高亮管的正常工作电压3.3V，共采用28个1W高亮管，每7个高亮管串联成一组，共四组并连在电路中，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出
升级会员 