多功能太阳能路灯.docx

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多功能太阳能路灯

多功能太阳能路灯工作原理及设计

系（部）：

信息工程系

专业班：

计算机控制专业

指导教师：

王科飞

组员：

王岩

实验时间：

2011年5月

摘要

太阳能路灯是太阳能应用产品的重要代表，本实验报告主要介绍了以太阳控制器为核心的多功能太阳能路灯的设计，该控制器通过对蓄电池电压、充电电流等参数的检测判断，控制开关管的关断，来实现充放电控制和保护功能。

对系统的硬件设计做了说明，系统采用PWM技术对蓄电池进行充电管理。

与以往的控制器相比，此控制器成本低，可靠性高。

本文同时还简单介绍了LED的驱动电路设计

关键词：

太阳能控制器充放电LED

目录

一．前言

二．方案制定前的调查分析

1.太阳能应用的前景

2.方案制定分析

三.太阳能路灯各个部件的简单介绍

1.太阳能电池的工作特性、原理及使用注意事项

2.蓄电池选型

3．LED的特性

四.太阳能路灯的主要功能和组成

1.主要功能

2.太阳能路灯的组成部份包括

3.太阳能充放电控制器

4.蓄电池的充电控制

5．具体的控制电路

6．开关管的选择

7.光控电路

8．LED驱动电路

9．简易锂电池充电器

10.太阳能电池板倾角设计

五，心得体会

一前言

当煤炭，石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，很多国家都正在开发新的能源，寻求经济发展的新动力，由于太阳能是一种可再生能源，用之不尽，是一种理想的能源，世界上许多国家都掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。

我国是一个太阳能资源非常丰富的国家。

加上我国的光伏产业的迅猛发展。

太阳能产品具备很广的市场。

在照明灯具中，作为技术和艺术的相结合的太阳能路灯已开始在很多地方推广应用。

太阳能路灯具备很多优点：

安装、维护方便，不需和电网相连接，所以不需要挖坑埋电缆或架设电缆。

安装的地点灵活方便，太阳能路灯只需太阳能作为能源，不污染环境。

为了能更好地利用太阳能，本文就针对太阳能的利用，制定一个太阳能路灯控制系统的设计方案。

一个完整的路灯由四个部分组成：

太阳能电池、蓄电池（铅酸电池）、太阳能控制器、LED照明。

二方案制定前的调查分析

1.太阳能应用的前景

太阳能可以说是用之不竭能源，利用好太阳能可以解决人类能源问题。

整个太阳每秒钟释放出来的能量是无比巨大的，高达3.865*1026J，相当于每秒钟燃烧1.32*1016t标准煤所发出的能量。

虽然太阳距离地球远在1.5*108km。

之外，它的能量有22亿分之一到达地球之上。

平均来说，在地球大气外面正对着太阳的1M2的面积上，每分钟接受的太阳能量大约为1367W。

这是一个很重要的数字，叫做太阳常数。

总之到达地球范围内的太阳总辐射能量大约为1.73*1014kW。

其中，被大气吸收的太阳辐射能大约为4.0*1013kW，约占到达地球范围内的太阳总辐射能量的23%;被大气分子和尘粒反射回宇宙空间的太阳辐射能大约为5.2*1013kW，约占30%;穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8.1*1013kW，约占47%。

在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1.7*1013kW，大约占到达地球范围内的太阳总辐射能量的10%。

到达地球陆地表面的这1.7*1013kW是个什么量级呢?

形象地说，它相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。

在陆地表面所接受的这部分太阳辐射能中，被植物吸收的仅占0.015%，被人们利用作为燃料和食物的仅占0.002%，已利用的比重微乎其微。

在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。

全国各地太阳能总辐射量为3340-8400MJ/（m2*a），中值为5852MJ/（m2*a）。

从全国太阳能年总辐射量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳能总辐射量很大。

尤其是青藏高原地区最大，这里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。

例如，被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的太阳年平均日照时间为3005.7h,相对日照为68%，年平均晴天为108.5d，阴天为98.8d，年平均云量为4.8，太阳能总辐射量为8160MJ/（m2*a），比全国其他省区和同纬度的地区都高。

全国以四川和贵州两省的太阳能年总辐射量最小，尤其是四川盆地，那里雨多、雾多、晴天较少。

例如，素有“雾都”之称的成都，年平均日照时数仅为1152.2h,相对日照为26%，年平均晴天为24.7d，阴天达244.6d，年平均云量高达8.4。

其他地区的太阳能年总辐射量居中[2]。

可见，利用太阳能的潜力是相当大的，开发利用太阳能为人类服务是大有可为的。

2.方案制定分析

一个完整的路灯由四个部分组成:

太阳能电池、蓄电池、控制器、LED照明.四个部分中价格最昂贵的是太阳能电池.

中国光伏产业正以每年30%的速度增长，2005年中国太阳能电池生产总量达到139MW，较2004年猛增了179%，2006年达到400MW，从而超过美国成为全球第三大生产国，产能则达到惊人的1180MW。

以3年产量增长45倍，产能增加125倍而成为全球发展最快的国家。

在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。

在国家各部委立项支持下，目前中国实验室太阳能电池的效率已达21%，可商业化的光伏组件效率达14-15%，一般商业化电池效率10-13%。

中国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，目前太阳能电池的价格大约是34元/瓦.

太阳能电池的封装形式主要有2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1~2年.因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，最好使用层压的封装形式.另外，有一种硅凝胶用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以达到10年.由此可以看出使用层压工艺的太阳能电池的寿命是比较长的.

蓄电池的寿命也比较长,只要充放电控制部分做得好一些以保证蓄电池不要过充过放等.

由以上分析可知,做一个小的庭院灯价格为2000-3000元（包括蓄电池,控制器,LED灯）,功率更大的路灯价格更是昂贵.总体价格高,但一次性投资便可使用20-30年,既省去以后20、30年的电费和维护费。

既省电又环保.从长远来看,应该是值得选择的

三太阳能路灯各个部件的简单介绍

1.太阳能电池的工作特性、原理及使用注意事项

太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4cm2到5cm2。

太阳能电池单体工作电压为0.45一0.50V，工作电流为20-25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。

将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。

太阳能电池组件再经过串联、并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率，如图1所示。

图1太阳能电池的单体、组件和方阵

太阳能电池的工作原理如下：

光是由光子组成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定。

光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对的正、负电荷，由于在PN结区域的正、负电荷被分离，于是一个外电流场就产生了，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。

将一个负载连接在太阳能电池的上、下两表面间时，将有电流流过负载，于是太阳能电池就产生了电流。

太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。

光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，1个高于基能能量的光子将仅产生1个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。

硅太阳能电池的种类：

目前世界上有三种已经商品化的硅太阳能电池，即单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。

由于单晶硅太阳能电池所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，所以材料成本比较昂贵。

多晶硅太阳能电池晶体方向的无规则性，意味着正、负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能因晶体的不规则性而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池稍低。

但多晶硅太阳能电池可用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池要低。

非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多用于弱光性电源，如手表，计算器等的电池。

太阳能电池电气特性：

太阳能电池组件的电气特性主要是指电流——电压特性，也称为I-V曲线，如图2所示。

图2太阳能电池的I-V特性曲线

I-电流；Isc-短路电流；Im-最大工作电流

V-电压；Voc-开路电压；Vm-最大工作电压

Pm-最大功率

I-V曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。

如果太阳能电池组件电路短路，即V=0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路，即I=O，此时的电压称为开路电压Vcc。

太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=V*I.当太阳能电池组件的电压上升时，例如，通过增加负载的电阻值或组件的电压从0（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加，当电压达到一定值时，功率可达到最大。

而当电阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Vcc。

组件输出功率达到最大值的点，称为最大功率点;该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）;该点所对应的电流，称为最大功率点电流

Irn（又称为最大工作电流）;该点的功率，称为最大功率Pm。

随着太阳能电池温度的增加，开路电压减小，大约温度每升高1℃，每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4%/℃。

也就是说，如果太阳能电池温度每升高1℃，则最大功率减少0.4%。

太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等能力。

而潜在的质量问题是边沿的密封效果以及组件背面的接线盒质量。

太阳能电池的封装方式主要有以下两种:

a.双面玻璃密封。

太阳能电池组件的正、反两面均是玻璃板，太阳能电池被镶嵌在一层聚合物中。

这种密封方式存在的一个主要问题是玻璃板与接线盒之间的连接。

这种连接不得不通过玻璃板的边沿，因为在玻璃板上打孔是很昂贵的。

b.玻璃合金层叠密封。

这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。

合金薄片的主要功能是防潮、防污。

太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中的。

在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。

太阳能电池使用注意事项：

（1）.太阳能电池安装倾斜角度的选择和装饰性外罩为了美观，许多太阳能灯具生产工厂将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少15%~20%，如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少5%左右，太阳能电池价格昂贵，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能.这就应该选择一个让阳光照得更多的角度.

（2）.热岛效应：

单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。

太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。

太阳能电池组件在使用过程中如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射时就会发热损坏，于是就造成整个太阳能电池组件损坏。

这就是所谓热岛效应。

为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。

2.蓄电池选型

太阳能供电系统中，蓄电池的性能好坏直接影响系统的综合成本及运行好坏和使用寿命，在此我们选用铅酸蓄电池，铅酸蓄电池原料易得，价格相对低廉，高倍率放电性能良好，温度性能良好，使用寿命长，无记忆效应。

3．LED的特性

LED寿命长，可以达到100000小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。

特别是LED技术已经实现了其关键性突破，并且其特性在过去5年中有很大地提高。

同时性能价格比也有较大地提高。

另外，LED由低压直流供电，其光源控制成本低，调节明暗，频繁开关都是可能的，并且不会对LED的性能产生不良影响。

LED的发光原理是在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

四.太阳能路灯的主要功能和组成

1.主要功能

太阳能电池组件利用“光生伏打”效应原理，在白天接受太阳能辐射并转化为电能，经过太阳能控制器存储在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至设定照度值，太阳能电池组件开路电压达到设定电压，充放电控制器检测到这一电压值后立即动作，蓄电池通过DC-DC变换器开始为光源提供电源。

蓄电池放电达到设定小时后，充放电控制器立即动作，蓄电池放电结束。

另外，本设计除了在夜晚进行放电照明之外，还可以在平常时间，对同学们的手机电池进行充电，达到多功能实现对太阳能的利用。

2.太阳能路灯的组成部份包括

太阳能电池板（功率约100W），控制器，铅酸电池（容量约50Ah），照明部分（功率30W）。

图3太阳能路灯的组成

3.太阳能充放电控制器

太阳能电池板属于光伏设备，它经过光线照射后发生光电效应产生电流。

由于材料和光线所具有的属性和局限性，其生成的电流也是具有波动性的曲线，如果将所产生的电流直接冲入蓄电池内或直接给负载供电，则容易造成蓄电池和负载的损坏，严重减小了他们寿命，因此我们必须把电流先送入太阳能控制器，其内部采用DC-DC变换器将非线性电信号转化成线性稳定的电信号，并加入多级充放点保护，确保电池和负载的运行安全和使用寿命。

对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器，经过其内部变换器的调节后，再把电流送入负载，这样，一是为了稳定发电电流，二是为了保证蓄电池不被过放电，三是可对负载和蓄电池进行一些列的检测保护。

4.蓄电池的充电控制

铅酸电池的充电曲线如下图5：

图4铅酸电池的充电曲线

铅酸电池的充电过程：

1.如果开始充电时,电池电量很低（例如低于13V）,那么必须用小电流（大概为0.24A）开始充电，即涓流充电.如果电压高于13V就不必进行这个步骤.小电流充电是为了保护电池，避免大电流冲击给电池内部结构带来损害（电池在电压很低的时候遇到大电流会受到的伤害比电压高的时候高得多）。

2.当电池电压大于13V可以开始大电流充电，就是采用允许的最大电流充电，这是为了节省充电时间，采用最大电流进行充电就是最能节省时间的了，于是就是恒流充电，随着充电的进行，电池电压逐渐升高。

3.当电池电压达到或接近充满电压（如16.8V左右）时，则要开始转入恒压充电，因为达到了充满电压，这时就可以保持电压基本不变，逐渐减小充电电流，如果不转入小电流充电，就可能导致电压过高，有过充的危险，过充也是对电池有害的。

就像往暖瓶里面充开水，前面可以使劲儿灌，到快到灌满的时候就要减小水流了，这样充满的时候水就不容易溢出来。

当电流减少到大概0.25A左右,就停止充电.

5．具体的控制电路

本方案采用PWM脉冲调制控制保护技术,不仅能有效地保护蓄电池,防止过充电现象的发生,还能快速、平稳地为蓄电池充电。

所谓PWM控制就是控制输出波形的占空比，周期并不改变，通过开关管的导通与闭合来控制充放电。

铅酸电池的充电曲线图如图6

图5充放电控制电路

6．开关管的选择

考虑到太阳能电池的功率和负载的功率不一致，可用不同的MOS管做充放电的开关管，用小功率的MOS管要考虑温度因素，必要时必须加散热器。

为了提高可靠性，降低成本，通过大量的试验、分析、比较得出：

以3A电流工作，可选用IRFZ44，IRF540，IRF530，50N60等MOS管，基本不需加散热器；在5A电流工作，须加小散热器；在8A电流工作，用2807，3205，150，064等MOS管要加小散热器，其它MOS管要加大散热器，在1OA以上电流工作，都应该加大散热器，2807，3205，150，064MOS管带载能力较强，价格高。

在元件选用上，应根据具体情况加以选择。

7.光控电路

顾名思义，光控电路的功能就是根据光的亮暗程度来控制其他的东西，本方案采用一个光敏电阻，运用比较器LM393对电压进行控制，即将光敏电阻产生的电压（2.64v）输入比较器的反向端，比较器同向端输入既定电压（3.5v），当没有光照射到光敏电阻时，光敏电阻的阻值会变很大，即输入反向端的电压翻转（由2.64v跳转到4.51v）比较器由高电平输出一个低电平（从5v到0v），产生的低电平将控制电磁继电器工作，使LED灯内部电路连接，从而实现LED灯发光。

因此实现了天黑时，路灯开始工作的现象。

8．LED驱动电路

用LED光源具有以下优势：

1、发光效率高，耗电量小，使用寿命长，工作温度低。

2、安全可靠性强。

3、反应速度快，单元体积小，绿色环保。

4、同亮度下，耗电是白炽灯的十分之一，荧光灯的三分之一，而寿命却是白炽灯的50倍，荧光灯的20倍，是继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明产品。

照明LED灯的功率要求为32W。

采用32个1W的LED灯组成。

要设计合理的驱动电路，选择合理的驱动芯片。

能提供大功率LED恒流驱动的芯片很多,台湾MACROBLOCK公司生产的LED驱动芯片MBI1802驱动能力强,效率高,并提供过温保护的功能。

因此,选择此芯片作为本方案中LED的驱动芯片,驱动电路原理图如图7所示。

一个芯片能够驱动8个1W的LED。

所以32个LED需要4个同样的芯片来驱动。

图6LED驱动电路

LED的电压和它的相对光通量也近似成指数关系。

如果采用恒压驱动方式,驱动电压轻微的扰动都会造成相对光通量大幅度的改变；而采用恒流方式驱动的LED受驱动电流的扰动的影响要小得多。

因此,本方案选择恒流的驱动方式。

9．简易锂电池充电器

本设计除了将太阳能运用到照明，还结合了风力发电，实现了现实中对手机电池，充电电池充电的功能，下面是图8是简易的锂电池电路图。

图7简易的锂电池充电图

充电器原理：

采用恒定电压给电池充电，确保不会过充。

输入直流电压高于所充电池电压3伏即可。

R1、Q1、W1、TL431组成精密可调稳压电路，Q2、W2、R2构成可调恒流电路，Q3、R3、R4、R5、LED为充电指示电路。

随着被充电池电压的上升，充电电流将逐渐减小，待电池充满后R4上的压降将降低，从而使Q3截止，LED将熄灭。

以实现充电功能。

10.太阳能电池板倾角设计

太阳能电池板倾角是指太阳能电池板平面与水平地面的夹角。

太阳能电池组件倾角在技术界多有探讨，倾斜角度按所在地理位置（纬度）确定；将太阳能电池板正面正对太阳（或正南稍偏西），倾角与当地纬度一致既可，另外，太阳能电池板的倾角可随季节变化做出相应调整。

我国城市的太阳能电池安装倾角图8：

五，心得体会

在本次多功能太阳能路灯整体设计中，我们考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用最简洁的设计方法，太阳能路灯的实现选择了合理有效地电路设计，使用简单，在制作中路灯整体结构简约而美观，另外我们在实现路灯应用的同时，还可以实现为电池的充电功能，设计思想比较科学，设计理念符合现实的需要。

当然，在本次实验设计中，我们可谓收获良多，对于内部电路的理解学习，我们一开始也出现了一定的误差，有时候对于硬件电路的搭建，一丁点的错误都会造成很大的误差，在对于稳压限流的设计上，些微的参数变化都会导致实验的不成功，正所谓“差之毫厘，谬以千里”，但是经过我们不断地调试探索，我们也终于实现了最为合理最为有效地太阳能路灯效果，完成了实习任务！

就现今社会来说，多功能路灯的实现可以大幅度节省我国的能源，达到了协调可持续发展的理念，当然将多功能太阳能路灯设计理念，融入到我吉林工商学院新校区的开发建设，可以有效地为我新校区节省能源的浪费，使我学院资源得到合理的分配利用，实现了协调可持续发展的重要理念，对我们未来的吉林工商建设起到了很重要的作用！

此次实习，可谓受益良多，使我对太阳能资源有了更加深入的了解，也更加锻炼我的意志品质,使我得到了很大程度的提高！