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1、2.3.1 蓄电池的主要性能 122.3.2 蓄电池的结构及工作原理 132.4逆变器 142.4.1 逆变器的工作原理 142.4.2 逆变器的分类 142.5 照明负载（LED光源） 152.6 防雷与接地 162.6.1 防雷方法 162.6.2 接地的几个方面 17第三章 太阳能LED路灯的设计 173.1抗风设计 173.2 LED路灯工程设计 18结论 21致谢 22参考文献23摘要 21世纪人类的文明正面临环境污染、能源短缺等诸多问题。近年来，由于煤炭、石油等化石能源的使用，产生了大量的二氧化碳、二氧化硫，出现了温室效应、酸雨等问题，使地球环境受到了严重的破坏，直接威胁到人类自身

2、的生存与安全。随着经济的发展、人口的增加，对能源的需求不断增加，对化石能源的开采与使用也就越来越多，导致化石能源短缺、环境遭受污染和破坏。因此，解决经济发展，能源需求与环境污染是摆在人类面前的迫切问题，然而利用新的、可再生能源可以解决这些问题。太阳能的利用就是其中之一本文介绍了太阳能路灯的组成，分析了各部分的工作原理、工作特点，分析LED太阳能路灯使用环境及相关技术要求。设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用光敏电阻实现光电控制。傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。提出在城市次干路、支路使用LED太

3、阳能节能灯环保，是道路照明的一种趋势。关键词： 太阳能路灯 LED光源 太蓄电池 引 言面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。与传统的照明工具相比，超

4、高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后。随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。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

5、色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。第一章 太阳能照明路灯的发展1.1太阳能照明灯的发展趋势 城市道路照明这个对供电量要求非常大的市政公用设施中，利用太阳能来进行照明无疑是未来道路照明发展的一个趋势。太阳能作为可再生能源的一种，是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。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

6、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

7、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。近两年，我国太阳能灯具大部分漂洋过海走俏海外，主要销往欧美、东南亚、非洲、中东、南美等地。太平洋户外照明总经理肖华石介绍，太阳能灯成本高是国内推广难的核心问题

8、，太阳能灯重要部件硅晶片价格昂贵，平均价格为5美元/瓦，也就是说如果要用一个100瓦的硅晶片，就要投入500美元购买（还不包括其它附件）。估算下来，整套8至10米的高杆路灯造价17000-18000元人民币。另外，中国消费者已习惯了使用传统照明灯具，对于新型的、高价的太阳能灯目前还不能很快接受。记者了解到，多数太阳能照明企业呼吁政府给予政策扶持。在国外，世界太阳能产业遥遥领先的德国，于2003年修订的再生能源法中强调：电力公司以保证价格收购再生能源，使德国在2005年太阳能等可再生能源产业获得34亿欧元的补助。德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能解决了自家的能源使用，而且这些家庭还成

9、为小型“私人电站”，源源不断地向电网公司输送电力，获得一笔可观的收入。美国能源政策法规定，从2004年到2006年间，每年拨款3.4亿美元给州政府，用于鼓励购买节能新产品。比如高效节能灯的节电率可达75%以上，凡用户购买安装节能灯，75%的费用先由政府负担。此外，美国各州政府还制订了地方节能产品税收减免政策。只要企业安装了节能设备，就将在税收上得到很大的优惠。意大利2001年开始实施光伏屋顶计划，政府配套2800万美元资金，补贴达到75%。英国于2002年初颁布了可再生能源法，将2010年可再生能源电力的目标确定为10.4%。日本政府2003年颁布可再生能源比例标准，规定电力公司的电力供应中必

10、须有一部分为新能源自供或外购皆可。2009年1月，日本恢复了对太阳能的补贴，当年日本全国太阳能板产量较前一年增长了一倍。2011年8月，日本颁布立法，对光伏实行强制上网电价，要求其全国10家电力公司购买过剩的太阳能电力。我国也于1995至2003年间合计中国政府在太阳能发电方面的资金投入22亿元人民币，其间使得我国的太阳能事业飞速前进，政府的扶持对太阳能新能源起着积极的推动作用。第二章 太阳能路灯的组成部件2.1太阳能电池2.1.1太阳电池原理太阳能电池（solar cell）是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。以光电效应工作的薄膜式太阳能电池为主流，而以光化学效应工作的湿

11、式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。2.1.2太阳能电池的基本特性与性能参数太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电环保池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下：1、太阳能电池的极性硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+，表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。2、太阳

12、电池的性能参数太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。3、太阳能电池的伏安特性P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时，能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg，大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此，在太阳能电池的设计和制造过程中，必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。有关太阳电池的性能参数1、开路电压开路电压UOC：即将太阳

13、能电池置于100 mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。2、短路电流短路电流ISC：就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。3、大输出功率太阳能电池的工作电压和电流是随负载电阻而变化的，将不同阻值所对应的工作电压和电流值做成曲线就得到太阳能电池的伏安特性曲线。如果选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，即可获得最大输出功率，用符号Pm表示。此时的工作电压和工作电流称为最佳工作电压和最佳工作电流，分别用符号Um和Im表示。4、填充因子太阳能电池的另一个重要参数是填充因子FF，他是最大输出功率与开路电压和短路电流乘积之比。FF

14、是衡量太阳能电池输出特性的重要指标， 是代表太阳能电池在带最佳负载时， 能输出的最大功率的特性，其值越大表示太阳能电池的输出功率越大。FF的值始终小于l。实际上，由于受串联电阻和并联电阻的影响，实际太阳能电池填充因子的值要低于上式所给出的理想值。串、并联电阻对填充因子有较大影响。串联电阻越大，短路电流下降越多，填充因子也随之减少的越多；并联电阻越小，这部分电流就越大，开路电压就下降的越多，填充因子随之也下降的越多。5、转换效率太阳能电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能电池的输出功率与入射到太阳能电池表面的能量之比。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和

15、技术水平的重要参数，他与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。2.1.3太阳电池类型 目前商用的太阳电池主要由以下几类：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。目前在研究的还有燃料敏化钠太阳电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。实际上应用的主要还是单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为24.7%，规模生产时的效率为15%（截止2011，为18%）。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难

16、，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。图2.1 多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%（截止2011，为17%）。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电池市场上占据主导地位。图2.2非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。图2.32.2 控制器 太阳能控

17、制器（controller）样品太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。2.2.1 控制器的工作原理控制器控制电路部分是整个光伏控制器的核心，控制电路部分一方面需提供控制电路所需的稳定压电路，以稳定供给控制电路部分集成电路所需的电压，以保证集成电路正常工作；同时还需要检测蓄电池的端电压，根据蓄电池端电压与阀值电压的比较来决定是否切断或接通充电开关和放电开关，保证系统的正常运行。图2.4 充放电控制器基本原理框架图2.2.2控制器的分类及选购事项光伏充放电控制器基本上可分为五种类型：并联型光伏

18、控制器、串联型光伏控制器、脉宽调制型光伏控制器、智能型光伏控制器和最大功率跟踪型光伏控制器。1、并联型光伏控制器。当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。并联型光伏控制器一般用于小型、低功率系统。例如电压在12V、20A以内和系统。这类控制器很可靠，没有继电器之类的机械部件。2、串联型光伏控制器。利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在45A以上的串联型光伏控制器。3、脉宽调制型光伏控制器。它以PW M脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电

19、池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。4、智能型光伏控制器。基于MCU。如intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列，对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离和接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过MCU的RS232接口配合MODEM调制解调器进行距离控制。5、最大功率跟踪型控制器。将太阳能电池电压V和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳能电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，刚调整脉宽，

20、调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样的寻优过程可保证太阳能电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳能电池。太阳控制器的选择一般有以下几种： 1、退出保护电压。一些客户经常发现，太阳能路灯在亮了一段时间后，尤其是连续阴雨天之后，路灯就会连续几天甚至很多天不亮，检测蓄电池电压也正常，控制器、灯也都没有故障。这个问题曾经让很多工程商疑惑，其实这个是“退出欠压保护”的电压值的问题，这个值设置的越高，在欠压后的恢复时间越长，也就造成了很多天都无法亮灯。2、LED灯恒电流输出。LED由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流或限流，否则无法正常使用。常

21、见的LED灯都是通过另加一个驱动电源来实现对LED灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯总功率的10%-20%左右，比如一个理论值42W的LED灯，加上驱动后实际功率可能在46-50W左右。在计算电池板功率和蓄电池容量的时候，必须多加10%20%来满足驱动所造成的功耗。除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了整体功耗。3、输出时段。普通的控制器一般只能设置开灯后4小时或者8小时等若干个小时关闭，已经无法满足众多客户的需求。工业版控制器可以分成3个时段，每个时段的时间可任意设置，根据使用环境的不同，每个时段可以设置成关闭状态。比如有些厂区或者

22、风景区夜间无人，可以把第二个时段（深夜）关闭，或者第二、第三个时段都关闭，降低使用成本。4、LED灯输出功率调节。在太阳能应用的灯具当中，LED灯是最适合通过脉宽调节来实现输出不同的功率。限制脉宽或者限制电流的同时，对LED灯整个输出的占空比进行调节，例如单颗1W的LED 7串5并合计35W的LED灯，在夜间放电，可以将深夜和凌晨的时段分别进行功率调节，如深夜调节成15W、凌晨调节成25W，并锁定电流，这样即可以满足整夜的照明，又节约了电池板、蓄电池的配置成本。经长期试验证明，脉宽调节方式的LED灯，整灯产生的热量要小的多，能够延长LED的使用寿命。5、线损补偿。线损补偿功能目前常规的控制器很

23、难做到，因为需要软件设置，根据不同的线径与线长给予自动补偿。线损补偿在低压系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际应用率被打了折扣。值得注意的是，我们在使用低压系统时，为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过长。6、散热。很多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良好的散热装置应该是控制器必不可少

24、的。7、MCT充电模式。常规的太阳能控制器的充电模式是照抄了市电充电器的三段式充电方法，即恒流、恒压、浮充三个阶段。因为市电电网的能量无限大，如果不进行恒流充电，会直接导致蓄电池充爆而损坏，但是太阳能路灯系统的电池板功率有限，所以继续延用市电控制器恒流的充电方式是不科学的，如果电池板产生的电流大于控制器第一段限制的电流，那么就造成了充电效率的下降。MCT充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充。2.3 蓄电池 蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将

25、方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能。2.3.1蓄电池的主要

26、性能蓄电池的主要性能指标包括开路电压、工作电压、电池容量、使用温度、寿命和储存期等。酸性蓄电池中每个小电池的电动势为2.0V一2.1V。放电时，电压逐渐下降，到达某一电压（称放电终止电压）时，则急剧下降，当低至放电终止电压时不再放电。10h放电率的每个小电池放电终止电压为1.8V。充电时，电压变化在2.05V2.8V范围内，充电终期电压每个小电池为2.5V2.8V。充电设备的电压应考虑能调节到每个小电池2.8V的数值。碱性蓄电池中每个小电池的电动势为1.3V左右，在额定放电率时平均放电电压为1.2V。根据不同结构型式，充放电特性是不同的。2.3.2蓄电池的结构及工作原理1、酸性蓄电池酸性蓄电池

27、主要由容器、极板和隔板三部分组成。 酸性蓄电池的电解液为浓度在27-37的稀疏酸溶液，比重为1.28131。酸性电池是利用铅、二氧化铅和硫酸的化学反应来储存电能和释放电能的，其工作原理由下面的化学反应方程式表示。放电化学反应：PbO2 +2H2SO4+ Pb= PbSO4 + 2H2O + Pb SO4充电化学反应：PbSO4 + 2H2O + Pb SO4 = PbO2 +2H2SO4+ Pb当蓄电池的正负极板插入硫酸溶液时，极板之间将产生2V左右的电动势，一旦外电路接通则形成放电电流，同时在电池内部正负极板与硫酸发生化学反应，逐渐变成硫酸铅，当正、负极板都变成同样的硫酸铅后，蓄电池便不能再

28、放电了，必须通过充电来恢复成原来的PbO2和Pb。显然蓄电池的充电和放电是可逆的。2、碱性蓄电池 碱性蓄电池具有体积小、机械强度高、工作电压平稳、能大电流放电、使用寿命较长和易于携带等特点。缺点是碱性蓄电池比酸性蓄电池的额定电压低，提供相同的供电电压，碱性蓄电池通常在数量上要比酸性蓄电池多出67，成本较高。碱性蓄电池可分为镉镍（Cd-Ni）、铁-镍（Fe-Ni）、锌银（Zn-Ag）、镉银（Cd-Ag）等系列。碱性蓄电池的电解液为20的氢氧化钾（KOH）水溶液（或纯氢氧化钠溶液），比重为1.21.27。蓄电池充电时将电能变为化学能储存起来，放电时将化学能变为电能输送给用电设备，两电极所发生的化学

29、反应是可逆的。在充放电过程中的化学反应如下：正极： Ni（OH）2+OHe+NiOOH+H2O（可逆）负极： H2O+eH2+OH（可逆）从上式可知，充电时，正极由氢氧化亚镍变成氢氧化镍（NiOOH）和氧气，负极析出的氢气储存在容器中；放电时，氢气在负极被消耗，而正极由氢氧化镍转变成氢氧化亚镍。碱性蓄电池中每个电池的电动势为1.25V。放电时，电压变化在1.21V范围内，电流增大时可达到0.7V，低于0.7V就不应再放电。充电时，电压变化在1.4I.8V范围内。2.4逆变器通常，把将交流电能变换成直流电能的过程称为整流，把完成整流功能的电路称为整流电路，把实现整流过程的装置称为整流设备或整流器。与之相对应，把将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变设备或逆変器。2.4.1逆变器的工作原理在光伏系统逆变器电路中，主电路的拓扑结构多数采用的是三级