太阳能光伏发电技术.docx
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太阳能光伏发电技术
摘要
近年来，随着太阳能发电产业的迅速发展，光伏应用的领域正在逐渐扩大，各种光伏新产品不断涌现。
这种光伏技术被公认为是21世纪最具发展前景的高新技术领域之一。
已开始在美国、法国、日本等发达国家很多地区得到广泛应用。
研究方法是设计步骤中的核心问题。
对方法的研究过程中，最终采用了PIC16F716的PWM限流控制器，该控制器为结合铅酸蓄电池充放电特性和太阳电池伏安特性，专为负载LED灯具设计的一款充放电控制器，其利用PWM技术对LED进行稳压限流供电，从而达到延长LED使用寿命的目的。
此外，充电电路太阳能路灯系统是利用太阳能电池的光伏效应将太阳光能直接转换成电能，选择一种合适的蓄电池的充电管理模式，并要求对电压的实时监测，及时配合控制器的指令控制最终能够有效的完成白天利用太阳能电池板对蓄电池充电，晚上蓄电池释放能量点亮LED灯，并且在阴雨天气的状况下，能够持续供电3~4天。
并且充电电路分别对保护电压、浮充点电压，恢复电压时进行不同的充电方式，再用于照明的系统。
经过调试试验等最终证实了，在照明路灯中，作为技术和艺术相结合的太阳能照明系统-太阳能LED路灯，因具备环保、节能、发光效率高等诸多优点，是的太阳能LED灯照明技术正在成为照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革命。
关键词：
太阳能LED路灯放电路PWM控制光伏效应
目录
第一章绪论....................................................11.1
前言.......................................................1
1.2技术指标和系统功能.........................................1
1.2.1系统技术指标：
.......................................1
1.2.2系统功能.............................................2
第二章系统方案论证及选择.........................................3
2.1方案比较与论证.............................................3
2.1.1太阳能电池板的选择....................................3
2.1.2蓄电池的选择对比.....................................3
2.1.3照明灯具的选择.......................................4
2.1.4控制器芯片的选择.....................................5
2.2方案的配置与计算...........................................6
2.2.1方案的配置............................................6
第三章系统设计的理论分析.........................................7
3.1太阳能照明系统电路总体分析.................................7
3.2太阳能光伏发电的理论.......................................7
3.3控制器设计的理论基础.......................................8
3.4蓄电池的充放电原理.........................................8
3.5LED的驱动原理..............................................9
第四章系统的硬件设计............................................10
4.1系统电路框图..............................................10
4.2控制模块的硬件设计.......................................11
4.2.1充电电路的设计.......................................11
4.2.2放电电路的硬件设计...................................12
4.2.3LED指示电路.........................................12
4.2.4控制器电源稳压电路的硬件设计.........................13
4.2.5外围电路的硬件设计...................................14
4.3LED的连接方式.............................................14
4.4硬件设计的原理流程图......................................14
4.5硬件系统总图..............................................15
第五章软件设计..................................................17
5.1系统软件框图..............................................17
5.2系统主要程序编辑..........................................17
5.2.1PWM模式的选择........................................17
5.2.2检测程序的流程.......................................17
第六章实验结果与分析............................................20
6.1实验的性能分析............................................20
6.2实验结果..................................................21
第七章产品经济可行性分析........................................22
7.1成本对比估算..............................................22
7.2设计的前景展望............................................23
结束语...........................................................25
参考书目.........................................................26
致谢............................................................28
第一章绪论
前言
太阳能LED照明是未来照明的方向，其最大特点为：
环保、节能、发光效率高，因此使它将逐步取代传统光源。
更值得一提的是，LED发光效率是以每十年提高十倍的速度来提高，成本也将逐年下降。
据权威预测，2010年，在日本，LED将全面取代传统光源；在美国，将有一半的传统光源被取代；而在我国，LED将占装饰照明市场的15%。
着眼于未来，半导体技术将孕育着一场“照明革命”。
太阳能光伏发电技术与半导体的结合应是一项十分有意义的工作[1]。
太阳能LED照明系统主要由太阳能电池组件、蓄电池、电源控制器、发光组件组成。
设计采用基于PIC16F716的PWM限流控制器，该控制器为结合铅酸蓄电池充放电特性和太阳能电池伏安特性，其利用PWM技术对LED进行稳压限流供电，从而达到延长LED使用寿命的目的。
白天利用太阳能电池板对蓄电池充电，晚上蓄电池释放能量点亮LED灯，选择一种合适的蓄电池的充电管理模式，并要求对电压的实时监测，及时配合指令控制。
并且确定最少的太阳能电池组件和蓄电池能量，选择适宜的灯具，能使LOLP值的衡量体现出本设计的经济、可靠。
1.2技术指标和系统功能
1.2.1系统技术指标：
（1）太阳能板：
18V，60~90W
（2）输出电压：
12V
（3）输出电流：
恒流
（4）灯具：
6~8支1W大功率白光LED
（5）控制器：
光控，防止蓄电池过度充、放电
（6）阴雨天连续工作时间：
3~4天
1.2.2系统功能
（1）安装在公园、小区等小路两旁当路灯使用，可以提供晚上7：
00到12：
00的路灯照明。
（2）安装在交通路段、港口等作为指示灯，提供交通航海的安全有序。
（3）安装在繁华闹区或旅游景区作为装饰照明，营造气氛。
（4）应用于果园，种植园，草坪灯场所，既可以照明又可以杀虫。
第二章系统方案论证及选择
2.1方案比较与论证
2.1.1太阳能电池板的选择
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转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。
在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。
在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。
在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。
非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。
综上对比可知，因广西属于阳光充足地带，故应采用非单晶硅太阳能电池。
2.1.2蓄电池的选择对比
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。
一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池[2]。
铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为:
恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。
一般来讲，这种蓄电池充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。
其过充时间与充电速率有关实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。
镍镉（Ni-Cd）蓄电池的正极为氧化镍，其负极为海绵状金属镉，电解液多为氢氧化钾，氢氧化钠碱性水溶液。
小型密封镉镍电池的结构紧凑，坚固，耐冲击，震动，成品电池自放电小，在使用上适合大电流放电，适用温度范围广,零下40度到零上60度。
镍氢（Ni-H）蓄电池镍氢电池的设计源于镍镉电池，但在改善镍镉电池的记忆效应上，有极大的进展。
其主要的改变，在以储氢合金取代负极原来使用之镉，因此镍氢电池说是材料革新的典型代表。
镍氢电池所造成之污染，会比含有镉之镍镉电池小很多。
蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：
首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。
蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。
蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。
可用一种简单方法确定它们之间的关系。
太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。
太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常供电。
蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
综上对比，以及客观条件的要求可得，铅酸蓄电池为最佳的选择。
2.1.3照明灯具的选择
太阳能路灯采用何种光源，是判断太阳能灯具能否正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源[3]。
（1）低压节能灯：
功率小，光效较高，但使用寿命2000小时，电压低灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。
（2）低压钠灯：
低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造高，采用较少。
（3）无极灯：
功率小，光效较高。
该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，在太阳能灯具上使用寿命大大减少，与普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、相位、电压都是不能和普通市电相比的）。
（4）LED：
LED灯光源，寿命长，可达1000000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。
随着技术进步，LED的性能将进一步提高。
笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。
因此，为达到最佳性能要求，选择LED灯具作为光源。
2.1.4控制器芯片的选择
在光伏发电系统中，充电器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，能快速、平稳高效的为蓄电池充电，同时保护蓄电池，避免过充现象的发生，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命。
选择控制器的关键取决于芯片的不同和电路的不同，以下从三方面进行对比论证[4、5]。
首先是简易并联调节的控制器，其近似可以看作是恒流源对蓄电池充电。
因此，当在蓄电池达到浮充电压点时，蓄电池并没有充满，切断电源后，蓄电池电压会有很大的降落。
如果将浮充电电压点值设定的太高，意识蓄电池尽量充满，这样又会导致蓄电池的过早损坏。
其充放电曲线不是很好，因此只是用于小功率的用户和要求不高的场合，特别适用于12v和24v输入的200w一下的用户系统。
其次是CPM2AHPLC，该芯片是整体式结构的，虽然有丰富灵活的可编指令，运算速度快，硬件组态方便，通讯功能强大等优点，但是对于光伏照明系统就显得有太高的技术要求，整体性价比并不是很高。
最后，对于芯片PIC1F6716的单片，众所周知的PIC系列单片机具有的特点有，哈佛总线结构，精简指令集技术，寻址方式简单、寻址空间独立，代码压缩率高、程序保密性强，功耗低，驱动力强，拥有两种串行总线端口，外接电路简洁，开发方便，运用C语言编程，程序存储器版本齐全等。
具有性能完善，功能强大，学习容易，开发应用方便等优点。
基于这些特点的单片机，该控制器为结合铅酸蓄电池充放电特性和太阳电池伏安特性，专为负载LED灯具设计的一款充放电控制器，使用脉冲宽度调节技术，能够最大程度地发挥蓄电池的充电能力，将蓄电池完全充满，进而减少气化；并且，具备优良的温度补偿功能，有效延长了蓄电池的使用寿命。
对于应用大型大功率无人看守的光伏发电系统，直接关系到运行、维修的成本级系统的可靠性，因此选择此款芯片。
2.2方案的配置与计算
2.2.1方案的配置
在众多太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能路灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天的情况下更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天路灯无法提供照明[6]。
LED路灯的工作电压一般为12V或24V，功率30瓦，本系统的直流工作电压为12V，太阳能输出功率30瓦。
以下提供太阳能电池板和蓄电池配置计算。
首先，计算出电流。
例如：
12V蓄电池系统，20W的灯1只。
电流＝20W÷12V＝1.67A
其次，计算出蓄电池容量需求。
当在正常天气时,路灯每夜累计照明时间需要为满负载5小时（h）（晚上7点至凌晨），需要满足连续阴雨天4天的照明需求。
根据计算基础公式：
总电量=瓦特×时间×天数，计算出蓄电池的容量值：
容量＝1.67A×5h×4天＝33.33AH，
另外，为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90％左右，放电余留20％左右。
太阳能电池板一天为蓄电池冲进的电能为：
30（瓦）×12（时）=360（焦）。
每盏晚上5个小时照明需要消耗的电能为：
20（瓦）×5（时）=100（焦）
若连续4个阴雨天则至少需要的用电量：
[20（瓦）×5（时）×4（天）]/12（伏）=33.33（焦）
当在阴雨天气时，太阳能发电为正常的1/6，4个阴雨天一共供电量为：
5（瓦）×12（时）×4（天）=240（焦），再叫加上前一天晚上剩余电量：
360-100=260（焦），可供4个阴雨天使用的电量为：
240+260=500（焦）500/100=5（天）。
由此分析完全可供应4个阴雨天气使用的电量。
第三章系统设计的理论分析
3.1太阳能照明系统电路总体分析
太阳能路灯系统是利用太阳能电池的光伏效应将太阳光能直接转换成电能，再用于照明的系统。
本设计基于PIC16F716的PWM限流控制器，该控制器为结合铅酸蓄电池充放电特性和太阳电池伏安特性，专为负载LED灯具设计的一款充放电控制器。
选用美国MCIROCHPI公司生产的PIC1F6716单片机作为主控制器件，通过对蓄电池电压、环境温度、太阳电池板的电压等参数的检测和判断，控制T1、TZ的导通和关断，达到各种控制和保护的功能，控制器电路原理和结构。
3.2太阳能光伏发电的理论
太阳能光伏发其基本原理就是“光伏效应”。
这种效应主要是依靠太阳能电池建设结构，继而利用半导体材料的电子学特性进行发电的。
当受到太阳光的照射时，由于半导体的P-N结势垒区产生了较强的内建电厂，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生再势垒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，各自向相反的方向运动，离开势垒区，结果使P区的电势升高，N区的电势下降，从而使在外电路中产生电压和电流。
将光能转化电能太阳能光伏发电系统大体可以分为两类，一是并网发电系统，即和公用电网接通标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类就是独立的发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。
并网通过光伏数组将接受来的太阳辐射能量通过高频直流转换变成高压直流电，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受来的太阳辐射能量直接转化为电能供给负载，并将多余的能量经过充电控制器候存储在蓄电池中[5、6]。
3.3控制器设计的理论基础
太阳能路灯控制器是太阳能路灯系统中最为重要的部件，也是各种路灯系统最大的区别所在。
可以说，光伏路灯系统的不同，其实质就是控制器的不同。
其设计的好坏，决定了一个太阳能光伏系统运行情况的优劣。
所以设计功能完备,结构简单的智能光伏路灯控制器是非常重要的[7]。
简言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比调制被用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有，要么完全无。
电压或电流源是以一种通或断的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
所以采用了脉冲宽度调制（PWM），这是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。
控制模块的基本思想是检测太阳电池板电压，若白天到，封锁控制电路，LED灯关闭；夜晚，太阳电池板电压较低，开启控制电路，LED灯点亮。
同时检测蓄电池端电压，判断其充电方式、以及对负载LED的供电方式。
控制器结构电路主要由充电电路、放电电路、单片机外围电路和LED指示电路等几部分组成。
3.4蓄电池的充放电原理
太阳能综合供电系统中的蓄电池主要以浮充方式运行。
一般将来，当有日照时,蓄电池与光伏阵列发电装置并联运行,此时蓄电池自放电或瞬间放电所损失的容量由浮充电流补足;在无日照时,则由蓄电池单独向负载供电。
当蓄电池组电量未饱和时,系统通过输入变换单元对蓄电池组进行补充充电。
随着充电过程的进行,蓄电池组端电压将逐渐上升,控制单元适时检测蓄电池组的荷电状态,当蓄电池组端电压达到充电保护电压时,充电过程终止。
充电过程终止后,蓄电池组端电压会有一定程度的下降,当电压下降到一定程度时,控制单元将重新启动充电过程。
在浮充方式运行下的蓄电池,其充放电循环次数较少,自放电和瞬间放电后的电量能够很快恢复,因此蓄电池的使用寿命可以得到延长。
3.5LED的驱动原理
本设计是采用直流驱动，主要是利用三极管来驱动，电路图如图3-1中（a）（b）所示,（a）图中，当输入信号为高电平时，晶体管VT导通，发光二极管点亮，I被电源电压和电阻限定，并且R应该满足如下公式[8]：
R=（Ucc-Uf-Uces）/I
（3-1）式中，Uf为额定工作电流下的LED的正向压降，Uces为晶体管饱和压降，由手册给出，I为LED的正向工作电流。
（b）图中的情况与（a）正好相反，当晶体管VT原来处于导通状态时，LED被其所短路，即有Uf=Uces,一般情况下，Uces很小，无法使LED点亮。
但是，当逻辑管输入低电平是，VT截止，电源Ucc经R提供给LED电流，此时，可由下式来选取:
R=（Ucc-Uf）/I
（3-2）
图3-1LED驱动原理图
第四章系统的硬件设计
4.1系统电路框图
太阳能LED路灯照明系统主要是由太阳能电池模块，蓄电池，LED驱动电路，LED灯具和PLC控制器这五部分组成，首先，太阳能电池板是太阳能路灯系统中的能量来源部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。
其次，PLC的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和充电电压，实现快捷、平稳、高效充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命，同时防止蓄电池过充电和过放电。
再者，蓄电池将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。
LED驱动为LED灯具提供稳定的供电条件，使得LED路灯作能够达到太阳能路灯系统的照明要求，理想的灯具既要高效照明.又要尽可能的降低功率损耗。
电路的结构原理图如图4-1所示。
蓄电池LED灯
4.2控制模块的硬件设计
4.2.1充电电路的设计
太阳电池板电压经Rl和R2分压后，送至单片机A/D口18脚ADI检测，以判别光线的强弱。
在白天光线充足时，由太阳电池板给蓄电池充电。
设计把检测蓄电池端电压作为唯一的一种充电程度控制方法;同时把设定转换点的蓄电池端电压值作为充电各阶段的自动转换和停充控制方法。
由于太阳电池板并非简单的恒流源也非简单的恒压源，太阳电池板和蓄电池之间也未串联电阻，故不能对蓄电池进行完全的恒流或恒压充电，也不能进行限流恒压充电等传统的充电方式。
为延长蓄电池使用寿命，提高充电效率，于是采用浮充和全充相结合的充电方式对蓄电池充电。
图4-2为控制器充电电路图[8]。
对于浮充简要的说，浮充是蓄电池组的一种供（放）电工作方式，是将蓄电池组与电源线路并联连接到负载电路上，它的电压大体上是恒定的，仅略高于蓄电池组的断路电压，由电源线路所供的少量电流来补偿蓄电池组局部作用的损耗，以使其能经常保持在充电满足状态而不致过充电[9]。
蓄电池全充电池充足电后，维持电
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