西安大学太阳能路灯设计.docx
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西安大学太阳能路灯设计
本科生毕业论文（设计）
题 目：
太阳能路灯设计
专业代码：
080301
作者姓名：
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指导教师：
原创性声明
本人郑重声明：
所提交的学位论文是本人在导师指导下，独立进行研究取得的成果。
除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得聊城大学东昌学院或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人承担本声明的相应责任。
学位论文作者签名：
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指导教师签名：
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摘要
随着经济的发展，社会的进步，人们对能源的需求与日俱增，大家开始关注能源问题。
太阳能作为地球上最普遍最清洁的能源，取之不尽，用之不竭，受到人们的高度关注。
在我们的日常生活中，太阳能光伏的应用也非常广泛，目前太阳能光伏技术如同雨后春笋般快速发展。
太阳能光电利用时今年来发展迅速，是最具活力的研究领域。
本课题积极响应国家节能减排、发展低碳经济的号召，对太阳能电池、蓄电池和白光LED的工作原理及特性进行了分析研究。
使用全自动充放电控制器，实现光控、定时控制和人动控制。
本人分析研究了太阳能电池功率的选取问题和电池容量的匹配方法，并做了详细计算。
此次设计，采用了单片机实现了太阳能LED照明的控制，设计出了响应的硬件电路和软件程序流程，并在最后以附录形式给出了整机电路图和相应程序。
关键词：
太阳能;蓄电池;单片机;路灯控制;LED路灯
Abstract
Witheconomicdevelopment,socialprogress,peoplegrowwitheachpassingdaydemandforenergy,webegintopayattentiontotheenergyproblem.Solarenergyisconsideredasthemostcommonandcleanenergy,inexhaustible,beinexhaustible,subjecttopeople'sattention.Inourdailylife,theuseofsolarphotovoltaicisveryextensive,thecurrentsolarphotovoltaictechnologylikebambooshootsafteraspringrainasrapiddevelopment.TheuseofsolarPVinrecentyearsofrapiddevelopment,isthemostdynamicfieldsofstudy.
Inordertorespondpositivelytothenationalenergy-savingemissionreduction,thedevelopmentoflowcarboneconomycall,workingprincipleandcharacteristicsofthesolarcell,batteryandwhiteLEDarestudied.Theuseofautomaticchargeanddischargecontroller,torealizethecontrol,timingcontrolandactuatedcontrol.Ianalyzedthemethodofmatchingselectionproblemandthecapacityofthebatterypowerofsolarcell,andcalculatedindetail.Thisdesign,usingtheHetaicompanyHT46R47MCUcontrolsolarLEDlightingdesign,theresponseofthehardwarecircuitandsoftwareprogramflow,andintheendisgiveninAppendixcircuitdiagramandthecorrespondingprogram.
Keywords:
Solar；batteries；Microcontroller；Lampcontrolsystem；LEDStreetLighting
太阳能路灯设计
前言
走可持续发展道路，是各国共同的目的，20世纪以来能源问题日益突出，寻求可再生的新能源已是当务之急。
新能源的依托是高新技术，只有开发可再生能源的道路，才能满足人类对能源的能源需求，才能真正保护地球的环境。
太阳能光伏发电，既不燃烧燃料，也不污染环境，是人们真正需求的清洁能源。
太阳能电池组件，寿命可达15年，性能稳定，同时维护费用较低。
道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。
1.绪论
1.1课题的概述
1.1.1课题的题目
课题的题目：
太阳能路灯设计
1.1.2课题研究的目的及意义
近年来，人类面临全球可持续发展的重大挑战。
根据有关统计资料，全球已探明的石油储量仅能满足未来10多年的需求量，煤炭储量也只能维持300年。
而且，这些能源在使用的同时也在严重污染着我们的生活环境，每年会有数万吨的有害气体（二氧化碳、全氟化物、氮的各种氧化物）排放到环境中去，并且直接影响到人们的身体健康，并导致严重的温室效应，造成一系列的严重后果。
因此，越来越多的人们把目光投向了可再生能源。
风能、生物能、地热能、潮汐能等新能源并不能适用于广大地区，不能得到推广发展。
太阳能是这种“取之不尽用之不竭”且对环境无污染的能源是人类未来能源的科学发展方向之一。
太阳能的重要性日益突出，太阳能路灯技术的发展日趋成熟，在我国发展迅速，产业规模也迅速增长。
[1]伴随着全球能源危机的家中，人们对环境保护意识的增强，太阳能路灯势必代替常规路灯的照明方式。
1.2课题研究的背景
新能源技术已经成为21世纪的热点问题，开发可再生而且不污染环境的清洁能源的任务已经迫在眉睫。
在这种形式下，太阳能这种“取之不尽，用之不竭”的环保能源受到人们的高度重视。
近年来，随着我国城市建设规模的不断扩大和建设水平的不断提高，我国城市的城市路灯总数每年以20%的平均速度递增，太阳能路灯在国内的一些城市开始使用，国内很多企业也纷纷投入了大量的技术、资金开发这一新兴产业。
从长远看来，太阳能照明系统的前景很好。
太阳能照明成为未来照明行业发展趋势。
在能源紧张、拉闸限电的城市及用电困难的边远地区，有着很强的可推广型。
1.3系统总体框图
照明负载
图1总体电路方框图
太阳能电池板：
把太阳能转换成电能的装置
充放电控制器：
保护蓄电池
太阳能路灯控制器：
完成太阳能电池输出功率控制和其他功能的装置
蓄电池：
电能储藏装置、为负载供电
照明负载：
LED灯头
1.4本文研究的主要内容
本课题对太阳能LED照明系统的各组成部分：
太阳能电池板电池板、蓄电池、太阳能路灯控制器、负载LED进行了分析研究。
对蓄电池的工作特性和不同的充电方法进行了分析，设计了三阶段充电策略。
主控制器选用单片机，对控制器的相关电路进行设计，给出了系统控制的软件流程图。
2.系统硬件设计
2.1太阳能电池板
太阳能电池发电的原理是利用了半导体光伏特效应将太阳辐射直接转变为电能。
太阳能电池单体实际上是一个PN结，PN结在光照下会产生电动势，这种效应被称为光生伏特效应。
太阳能电池板是太阳能路灯的核心部分，也是整个路灯系统中价值最高的部分。
太阳能电池板的作用是将太阳的辐射能转换为电能，送至电池中存储起来。
[2]
常见的太阳能电池有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池三种。
单晶硅电池的光电转换效率为15%左右，最高达到24%，是所有太阳能电池中转换效率最高的，使用寿命达20年左右，但是制作成本较高。
多晶硅电池和非晶硅电池的转换效率要低一些，总的生产成本要低很多，因此也得到大量发展。
[3]
图2太阳能电池伏安特性曲线
从太阳能电池的伏安特性曲线可以看出，太阳能电池是一个非线性直流电源，输出电流在一定的范围内稳定，输出电流在一定电压范围内相当恒定，最终在达到某个电压值后迅速降到0.
2.2蓄电池
蓄电池的作用是在有光照时将太阳能电池组发出的电能储存起来，到需要照明时再将电能释放出来，给LED供电。
蓄电池室整个系统中较薄弱的环节，主要由于蓄电池达不到预期寿命，而提前失效。
在太阳能光伏照明系统中，通常选用的是免维护铅酸蓄电池。
免维护铅酸蓄电池是一种新型的蓄电池，它采用全封闭方式，放电率高，特性稳定；无需加水；安装简单，体积小，可水平和垂直安装；期望寿命一般为5-7年。
太阳能路灯对所用蓄电池基本要求是；
1、自放电率低。
2、使用寿命长。
3、深放电能力强。
4、充电效率高。
5、少维护或免维护。
6、工作温度范围宽。
蓄电池的容量就是指蓄电池的蓄电能力，通常指充足电后的蓄电池，放点至终端电压时，放电所放出的总电量。
单位是安•时，用符号Ah表示。
Q=It
蓄电池有理论容量、实际容量和额定容量之分。
额定容量（C）通常指在温度20-25℃时，充满并搁置一整天后，以10（20）小时放电率或0.1C（0.05C）电流数值的电流放点至其终止电压所输出的容量。
[4]这是国家或行业的标准。
一般来说，蓄电池的容量不是一个定值，他受活性物质的量、放电率、环境温度等因素的影响。
要根据当地的实际天气情况来选用蓄电池，在北方一般选择的存贮天数为3~5天，西部降水较少地区可以选用2天，南方的地区存贮天数可以适当增加。
容量计算公式如下：
蓄电池容量=负载功率×日工作时间×（存贮天数+1）÷放电深度÷系统电压
其中：
蓄电池容量单位为Ah;
负载功率单位为W；
日工作时间单位为h；
存贮天数单位为d；
放电深度，一般取0.6左右
系统电压单位为V
例如：
光源功率为18W，每天工作8.5小时，蓄电池存贮天数为3天，则需要的蓄电池容量为：
18×8.5×4÷0.6÷12=85Ah
根据计算，可以选择90Ah蓄电池。
以上计算是在正常温度情况下的结论，如果蓄电池的工作温度低于零下20℃，就应在蓄电池选择时咨询蓄电池厂家，然后做出修正方案。
2.3照明负载
LED发光原理为固体发光，按固体发光物理学原理，LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高达90％以上，因此，LED被誉为21世纪新光源，即将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源，被公认为当前十大前沿技术之一，LED光源这种新型照明光源必将会取代传统照明光源，正带动着一场新的产业革命——照明革命。
[5]因为LED灯具是直流供电电器，得到广泛的利用，并大量用于太阳能灯具。
在太阳能LED灯具所使用的LED数量不等，一定数量的LED组成发光源时，其排列和组合会影响整体的亮度。
因此，在LED排列时要根据光学和数学推导出最佳排列和组合，来达到最佳亮度。
LED的寿命长达十万小时，是一种通过直流低压电发光二极管组来实现照明需求的一种新型照明方式，具有亮度高，显色好等特点；不需要逆变器，减少了中间能量损耗；不含汞、无频闪，具有较好的环保性能；耐恶劣环境能力较高，对于室外照明有较大意义。
随着技术的进步，LED的性能将进一步改进。
另外，由于LED路灯的输入为低压直流，能与太阳能结合起来，LED作为太阳能路灯的光源是发展的趋势。
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，必须以其他的方式合成白光。
目前实现白光LED的技术有三种：
1、用InGaN蓝色LED激发钇铝石（RGB）荧光粉或其他荧光粉；
2、利用三基色（RGB），将红、绿、蓝三种高亮度LED混合成白光；
3、利用紫外光LED激发三基色荧光粉或其他荧光粉，产生多色混合成白光。
与传统光源相比，白光LED不含汞而环保、直流工作而无频闪、低温启动性能好等优点。
[6]
图3白色LED结构示意图
2.4充放电控制器
为了保护蓄电池，就要使蓄电池在满电状态下断开充电电路，在蓄电池达到最大放电深度时断开负载连接。
充放电控制是为了保护蓄电池，增长蓄电池的使用期。
过冲和过放的判断依一般是看电压高低。
图4充放电控制器基本原理
所谓放点深度（DOD）是指从蓄电池取出的容量占该额定容量的比值大小。
放点深度越大，相对使用寿命越短。
[7]当蓄电池过冲时，蓄电池的极板、分离栅等部件必须承受着由于电解的氧化而造成的损坏，特别在浮充或涓流充电时，过冲量是据顶蓄电池寿命的一个至关重要的因素。
控制器充电原理：
1.恒流充电阶段，充电器充电电流保持恒定，冲入电量快速增加，电池电压上升；涓流阶段的低恒压值，值过高将使电池失水，容易使电池发热变形；值过低，不利于电池充足电。
2.恒压充电阶段，充电器充电电压保持恒定，冲入电量继续增加。
电池电压缓慢上升，充电电流下降。
高恒压值，较高有利于快速充足电，但是容易是电池失水，充电后期电流下不来，结果使电池发热变形，较低不利于电池快速充电，有利于向涓流阶段转换。
3.浮冲充电阶段，蓄电池充满，充电电流下降到低于浮冲转换电流，电流较低有利于电池寿命，不易发热变形，但不利于电池快速充电。
[9]较高有利于充足电，但是由于较长时间高压充电，易使电池失水，使电池发热变形。
过充控制电路中将继电器J1的开关串联在充电电路中，当白天有太阳光时处于正常充电状态时，由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电，当蓄电池的电压高于26V时，认为蓄电池处于过充状态，U1A“-”端电压高于“+”端电压时U1A输出“-”，低电平，使Q1截止，同时Q2导通，继电器线圈J1通电，则继电器常闭点断开，常开点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。
过放控制电路中将继电器J2的开关串联在放电电路中，当处于正常放电状态时，放电电路正常工作。
在晚上由蓄电池向负载供电时，当蓄电池的电压低于22V时，认为蓄电池处于过放状态，此时U1B“+”端电压低于其“-”端电压时，U1B输出“-”低电平，使Q3截止，同时Q4导通，继电器线圈J2通电，继电器开关由常闭点转到常开点，放电电路就断开，过放指示灯亮停止向负载供电。
[10]达到过放保护功能。
图5过充过放控制电路
2.5太阳能路灯控制器
单片机具有集成度高、功能强结构合理、抗干扰性强，和指令丰富的特点。
对太阳能照明系统来说，一个性能良好的控制器是必不可少的。
[11]由于太阳能光伏发电系统的能量起步稳定，控制器应具有控制温度调节、最大功率跟踪和过冲保护、过放保护、短路保护、范姐保护等多种保护功能以及自动开关盒时间调整功能。
从而保证系统可靠运行，同时使用太阳能电池组件可以在不同温度和辐射情况下智能输出最大功率，使照明系统具有很高的效率。
三时段带半功率时段系列控制器，该系列控制器具备光控＋时控类型控制器的全部功能，还可把控制光源的工作时间设定为三个时段。
第一时段为全功率工作，第二时段为半功率工作，第三时段为全功率工作。
这是根据路灯实际的工作特点来设计开发的。
即傍晚时分，路上行人较多，路灯需全功率工作，方便人们的生活需要；午夜时分，大部分人都已经休息，路上行人较少，这时路灯可半功率工作；黎明时分，路上行人增加，路灯需全功率工作，方便人们的上班、学生上学。
选用三时段带半功率控制器控制光源的工作时段，可节约路灯成本30~40%，又不影响人们的工作生活。
图6显示电路
为一个全双工串行通信口，但工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其数
据由RXD（P3.0）端串行输出或输入；而同步移位时钟由TXD（P3.1）端串行输出，
在同步时钟作用下，实现由串行到并行的数据通信。
由于74LS164在低电平输出时允许通过的电流达8mA，故不必添加驱动电路，亮度也较理想。
图7太阳能路灯结构示意图
3.方案设计计算
3.1相关组件选用
照明负载：
24VLED，40W，24V系统，使用寿命长，价格经济，在夜间可以调节功率，节省能源；
太阳能电池板：
单晶硅太阳能的光电转换效率高达24%，是所有太阳能电池中光电转换效率最高的，最然制作成本较高，但是使用寿命较长。
从性价比来看，单晶硅太阳能是最佳选择。
蓄电池：
在太阳能路灯系统中，蓄电池是核心部件之一，蓄电池选用关系着整个设计的合理性，为了减少维护费用，选用免维护铅酸蓄电池，它的电解液消耗量非常少，而且又耐高温、自放电小。
3.2方案计算
⒈选择40W方案；
⒉每日有效日照时间以6小时计算；
⒊每晚放点时间按8小时计算；
⒋满足连续阴雨天4天；
电流I=40W÷24V=1.67A
蓄电池容量Q=1.67A×8h×4天=1.67A×32h=53.44AH
蓄电池深度放电30%容量；太阳能路灯系统工作电流在2A以上（包括恒流源、线损等耗损）
蓄电池实际容量=53AH加30%深度放电、外加20%损耗
53.44AH÷70%×120%=91.6AH
蓄电池实际选择为24V/100AH，需要2组12V蓄电池共计：
200AH
4.系统软件流程图
系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、1302的读写程序、24C02的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成。
程序开始要进行初始化，调用24c02内部存储的开关路灯时间点，程序每各一段时间调一次1302中的时间。
[12]通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较，设定的比较间隔为1秒一次，当时间相同时，则通过程序输出控制信号，对驱动电路进行驱动。
系统总体程序流程图如图所示。
如果想调整开关路灯时间点和1302中的当前时间可以通过设置的按键手动进行时间的调节开关S1、S2、S3分别为显示1302时间键，功能键和加一键。
具体程序流程图如图所示。
图8总体程序流程图
初始化
中断T0
5.太阳能路灯系统安装及优势
5.1太阳能路灯的优点
1、对地理位置要求低且不消耗燃料，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、故障率极低、寿命较长；
3、工程安装成本低、方便移动，可用于通电困难地区；
4、应用广泛，适用于乡村、农场、山头、海岛、等输电不便的偏僻的地方。
5、太阳能路灯的运动维护成本低廉。
当太阳能路灯投入使用后。
系统在控制器的自动调节下工作，不需要人工干预。
无需后续的运行成本。
6、太阳能可与新型LED照明相结合，实现低电压直流电供电，运行安全可靠。
7、太阳能路灯由于采用的是12—24V低压，电压稳定，运行可靠，不存在安全隐患，是生态小区，路政部门理想产品。
[13]
图9太阳能路灯实体图
5.2太阳能路灯安装
1、路灯基础：
人工开挖基础工作坑,基础浇筑用混凝土加工制作，安装灯杆基础前，要从两个方位找好垂直度，安装过程中监视垂直度，垂直度偏差不大于5mm,以保证灯杆的垂直度；
2、蓄电池安装：
将蓄电池舱拆装并用吊车起吊放入预先打好的地基里面，然后在连接软管上套上2个双钢丝式环箍后将蓄电池线穿过地笼的预制管，将预制管上均匀涂上一层7091密封硅胶后将连接软管的另一端插到预制管的根部,用一字螺丝刀将双钢丝式环箍上的螺栓紧固。
[14]待将蓄电池线从预制管中穿出后再套上一段穿线软管，在穿线软管上套上2个双钢丝式环箍，将预制管上均匀涂上一层7091密封硅胶后将穿线软管插到预制管的根部,用一字螺丝刀将双钢丝式环箍上的螺栓紧固，最后将蓄电池线固定在管口。
3、灯杆安装：
灯杆安装时应防止勒伤或割伤表面涂层，严禁用钢丝绳套直勒或从车上往下扔；
灯杆安装要正直，垂直偏差不大于半个灯梢直径，灯杆应设立在与道路纵轴线平行的一条线上，横向位移不大于半个杆根直径；灯具安装要端正，并垂直于道路的纵轴线，误差不大于3度，安装后目测无歪斜现象；灯杆安装时，各部螺栓应加平垫弹簧垫坚固，紧固后螺栓露出螺母不应小于两个螺距；灯头、灯身各部螺栓必须紧固，受风压可能转动的部分要采取加固措施。
4、控制器联接：
太阳电池的输出线、灯头的输出线和蓄电池的联接线。
这三组线都要联结在控制器上。
这三组线的连接顺序为：
①先接蓄电池；②再接负载（灯头）；③最后接太阳电池（根据安装的控制器要求做）。
[15]如果违反了这个接线顺序，整个系统将不能正常工作！
5、试运行：
试运行前应做好详细的检查工作，对控制器、太阳能电池电缆、负载电缆、蓄电池电缆、保险认真复查一下是否接好；运行后派人巡查每个太阳能路灯的开灯时间、关灯时间、发光效率，发现问题立即采取整改措施，以保证正常运行；做好运行记录，建立档案管理。
图10太阳能路灯安装图
结论
本次论文设计的太阳能路灯是对已经存在的路灯系统进行再改进、再设计，首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节约的目的。
设计中使用了光控和时控相结合的方法，避免了光控方法易受干扰，时控需频繁设置时间的麻烦，为了节约用电，在深夜行人较少时路灯根据设置的熄灯时间熄灭，早上行人多时根据设置的开灯时间亮灯。
其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气供电。
本设计需要改进的地方有由于蓄电池自身的容量限制，不能保证在阴雨天长时间对外供电。
总之，太阳能路灯涉及到很多领域方面的知识，对于系统配置的设计优化、配件选择等都需具备一定的专业知识。
当然，影响太阳能路灯工程质量的原因很多，除了设计要尽可能完善之外，工程施工也是一个非常重要的环节，有关施工方面的专业知识，这里不再赘述。
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致谢
本论文是在吴国增老师的辛勤指导，耐心帮助下完成的，他的渊博知识、严格要求、严谨作风都给我留下了很深刻的印象，将使我受用一生，在此致以衷心的感谢。
在论文的写作过程中遇到了很多困难和障碍，周围的同学也给了我很
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