光伏发电LED照明系统设计.docx

1、光伏发电LED照明系统设计南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文）学院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及自动化 学 生： 指导教师： 完成日期 2012 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文）光伏发电LED照明系统设计Design of LED Lighting System Base on Solar Photovoltaic Energy 总 计： 毕业设计（论文）22页表 格： 1 个 插 图 ： 14 幅南 阳 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计（论文） 光伏发电LED照明系统设计Design of LED Lighting System Base o

2、n Solar Photovoltaic Energy学 院（系）： 电子与电气工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院Nanyang Institute of Technology光伏发电LED照明系统设计电气工程及其自动化 摘 要 为了解决能源紧张和响应节约能源的号召，设计了使用可再生能源的光伏发电LED照明系统设计。本设计根据最大功率点跟踪技术方案进行分析和比较，得到通过变换太阳能电池的串、并联拓扑结构从而实现太阳能电池组输出参数变化的“太阳能电池串并联切换功率点跟踪法”方案，该方法可以

3、在照度为常数时使太阳能电池组具有不同的内阻、电压等输出参数，从而实现“主动”式功率跟踪。同时利用 MCS89C2051 单片机作为低功耗的LED照明系统的控制器，达到了在不同场所具有光控、延时熄灭、延时低亮度三种照明模式，使能源得到更有效的利用。关键词 太阳能照明； LED ；分时段亮度控制； 单片机 Design of LED Lighting System Base on Solar Photovoltaic EnergyElectrical engineering and automation specialty Abstract: In order to solve the short

4、age of energy and energy saving design of the call in response to the use of renewable energy, photovoltaic power generation LED lighting system design. According to the design of maximum power point tracking scheme for analysis and comparison, get through the transformation of solar cells are, the

5、topological structure of parallel so as to realize the solar battery output parameter changes of the solar cell series parallel switching power point tracing method plan, the method can be used in illumination is constant so that the solar battery with different resistance, voltage output parameters

6、, thus realizing the active type power tracking. At the same time using MCS89C2051 MCU as a low power LED lighting system controller, reached at various places with light-controlled delaying extinguishment, delay, low brightness three lighting mode, so that the energy can be utilized more efficientl

7、y.Key words: Solar lighting ; lightemittingdiode ;sub-period brightness Control ; Single chip microcomputer目 录1 引言 111 LED照明系统的特点 112 本课题的研究意义 12 光伏发电LED照明系统的总体设计 221 太阳能电池组件选择及相关计算 222 充电控制电路 323 铅酸蓄电池型号及容量选择计算 324 亮度检测电路 425 LED灯具驱动电路及过放电保护电路 426 LED灯具的介绍 53 太阳能 LED 照明系统硬件电路设计 631 光控自动开关电路设计 732 延

8、时及功率控制电路设计 833 LED 驱动电路 1134 欠压保护 124 太阳能 LED 照明系统软件设计 1441 初始化设置 1442 主程序设计 15421 主程序流程图 16422 主控制程序 1643 子程序设计 175 结束语 20参考文献 21致谢 221 引言能源是现代社会存在和发展的基石。随着社会经济的飞速发展，能源供需矛盾和环境问题压力将会进一步显现，能源结构也将面临重大挑战。随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越突显。核电的发展又受到核能安全的制约，能源问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，能源压力越来越大。大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部

9、分。太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和免维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。我国蕴藏着丰富的太阳能资源，据报道全国2/3的国土面积的日照在2200h以上，陆地表面每年接受的太阳能辐射相当于49000亿吨的标准煤，若全部用于发电相当于上万个三峡工程发电量的总和，太阳能利用的前景十分广阔。随着新技术、新材料的发展，人类对太阳能的利用水平越来越高，太阳能光伏发电在我国已受到前所未有的重视，正成为我国可再生能源的一支生力军1。11 LED照明系统的特点如今，在照明界有广阔的发展前景的LED(lig

10、ht emitting diode)光源被称为第四代光源。LED作为新颖的半导体光源，具有寿命长、发光效率高、功耗低、启动时间短、结构牢固等特点是一种能将电能转化为可见光的半导体器件,凭其节能无污染的特点如今已运用于照明领域中,因此作为集成了太阳能光伏发电和 LED固态照明优点的太阳能LED照明系统,是新一代能源和新一代光源的完美结合。同时，在世界能源短缺,环境污染日益严重的今天,充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能LED照明系统以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，可以方便安装在广场、校园、公园、街道等多方面的优

11、点而越来越受重视。LED照明的应用前景在全世界掀起了高潮，被给予了厚望。开发和应用更高效、可靠、安全、使用寿命长的新型太阳能节能光源势在必行。12 本课题的研究意义伴随国家“节能增效”的号召，光伏发电照明得到了越来越多的企业和科研院所的关注。随着相关技术的深入研究，LED的发光效率正在不断提高，超高亮度的LED将要问世，势必会取代普通照明光源，并大量节约能源且无污染。现在市场上出现了很多的诸如太阳能路灯等太阳能产品，但是目前国内企业开发能力较为欠缺，由于其技术水平、科研经费的不足，导致了其产品性能的不可靠和质量的不稳定。在这方面使得国内的太阳能利用技术停滞不前，并且造成相关工程项目的天折；另一

12、方面，鉴于国内技术水平的不足，企业纷纷从国外引进技术，或者直接买进控制电路，或者与外方技术合作，这对民族产业的壮大、国家的自主创新构成了严重的威胁。并且，国外的产品质量也众说纷纭，其性能也没有得到相关权威机构的认证。因此，研究和开发光效更高、更节能、更能适合太阳能灯具发展的 LED 新型发光源就显得势在必行。新型 LED 发光源的开发与利用，可以提高光源亮度，降低功率消耗，提高发光效率，降低整体太阳能灯具的功率匹配，从而降低太阳能灯具成本，使其性价比提高，在节能环保和太阳能灯具的市场普及方面具有重大的现实意义。同时，独立光伏发电 LED 照明系统涉及太阳电池特性研究、半导体照明、蓄电池管理等方

13、面的内容，对于并网光伏发电系统的研发也有一定的参考意义。2 光伏发电LED照明系统的总体设计本光伏照明系统具有蓄电池过充、过放电保护功能，使蓄电池获得最佳特性来选择适当的充放电模式，来确保蓄电池的工作可靠性。系统可以根据环境亮度自动开启 LED灯照明，具有光控、延时熄灭、延时低亮度三种照明模式以适应不同场所的使用要求2。采用可调占空比脉冲电流驱动 LED 灯具，在相同功率下，提高 LED 主观亮度。设计不同控制模式，降低能量损耗，适应不同场所要求。其框图见下图1。图1 光伏 LED 照明系统结构图光伏照明系统的电路实现方案与太阳能光伏电池、铅酸蓄电池、LED 灯具等部分的元器件选择计算如下。2

14、1 太阳能电池组件选择及相关计算太阳能电池在系统中既是能量转换元件，同时兼做环境亮度传感器。太阳能电池目前可选择的主要有单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池两种。单晶硅太阳能电池效率稍高于多晶硅太阳能电池，但其价格也稍高。目前硅太阳能电池的转换效率在 17左右。太阳能电池的功率选择由 LED 灯具功率决定，太阳能电池功率选择过大会造成成本增高，选择过小则易造成蓄电池经常深度放电而缩短寿命。太阳电池组件串、并联组数计算太阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负荷的用电需求，其串并联设计基本公式见公式1和公式23。并联太阳能电池组件数= (1)串联太阳能电池组件数= (2)太阳电池组件额定输出功率

15、和LED灯具输入功率比值 4:1，具体比例要根据灯具每天工作时间以及对连续阴雨天照明要求决定。另外，考虑到光照强度、照射角度、季节等因素，计算硅太阳电池的输出功率时应小于其额定功率，可按 120W/m2估算。22 充电控制电路充电控制电路的作用是在将太阳能电池产生的电能充入蓄电池，同时具有防止反向放电，防止过充电功能。防止反向放电的方法一般采用二极管隔离即可，为降低二极管正向压降损耗，本设计拟采用正向压降较小的肖特基二极管。肖特基二极管的正向压降一般为 0.30.4V。过充电保护电路可防止蓄电池过充而缩短寿命。具体电路采用电压比较器采集蓄电池端电压与基准电压比较而确定是否停止充电。不同的铅酸蓄

16、电池的充满断开电压和恢复电压取值稍有不同，具体为a) 起动型铅酸蓄电池：充满断开 HVD: 15.0V15.2V，恢复: 13.613.9V。b) 固定型铅酸蓄电池：充满断开 HVD: 14.8V15.0V，恢复: 13.413.7V。c) 密封型铅酸蓄电池：充满断开 HVD: 14.1V14.5V，恢复: 13.113.4V。23 铅酸蓄电池型号及容量选择计算在太阳能光伏系统中使用的蓄电池有镍氢、镍镉电池和铅酸蓄电池，通常使用的是铅酸蓄电池。在比较大的光伏系统中，一般用铅酸蓄电池。而对于小功率工作的系统中，用镍氢电池居多。本设计采用阀控密封式铅酸蓄电池（VRLA）。设计容量越大，工作越处于浅

17、循环，寿命长，但成本也相对较高，实际安装时酌情选择3。蓄电池的设计包括容量计算和串、并联设计。蓄电池的容量由单独工作天数、每天放电量以及蓄电池的自放电率决定。1）将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数（应对连续阴天数）就可以得到初步的蓄电池容量。2）将第一步得到的蓄电池容量除以蓄电池的允许最大放电深度，得到所需要蓄电池容量。可按式估算BC=/CC (3) 公式3中：BC为蓄电池容量；A为安全系数，一般为 1.11.4；Q1为日耗电量，即工作电流乘以日工作小时数；T0为温度系数，一般 0以上取 1，-10以上取 1.1，-10以下取 1.2；CC为放电深度，一般铅酸蓄电池取 0.7

18、5。然后根据蓄电池的容量、电压来选择多少个蓄电池单元串、并联，以得到所需的蓄电池标称电压和安时数。目前很多光伏系统采用的是两组并联的模式，如果有一组蓄电池出现故障不能正常工作时，可将该组蓄电池断开，使系统仍能保有标称电压而能够维持正常工作一定时间。24 亮度检测电路为实现天亮关灯天黑开灯的自动控制功能，亮度检测电路利用太阳能电池的端电压与基准电压比较，判别环境亮度决定是否点亮LED灯，并将信号送至控制电路。亮度检测电路见下图 2，为防止在环境亮度处于开、关灯临界值时产生抖动，将亮度检测电压比较器A上加正反馈电阻RF，RF阻值越小则滞回区间越大。硅光电池的端电压经电阻R1、R2分压后送至比较器A

19、的同相输入端，调整电位器RP的位置可以设定比较器的输入基准值，以便在不同环境亮度下开关灯5。图2 环境亮度检测电路25 LED灯具驱动电路及过放电保护电路LED 灯具驱动电路在环境亮度检测电路送来的信号控制下驱动 LED 灯具的亮灭。为适应不同场所的使用要求，电路设计成具有光控模式、延时熄灭模式、延时降低亮度三种工作模式。三种模式由转换开关由用户控制设置。光控模式时天黑灯亮，天亮熄灭。延时熄灭模式时天黑灯亮并开始计时，待到达设定的延时时间后灯熄灭，用于后半夜不需要照明的场所。延时降低亮度模式时天黑灯亮并开始计时，待到达设定的延时时间后灯的亮度改为较低的状态，用于后半夜照明要求不高的场所4。在设

20、计光伏系统的充放电控制器时，可以采用在线监测 SOC（ State of Charge），当蓄电池的剩余容量（即相应电压）下降到一定程度时，就开始自动将蓄电池的负载适当调小或将负载的工作时间适当缩短，这样，蓄电池一般情况下不会因为过放电被迫切断负载，这种控制方法称做“蓄电池剩余容量（SOC）控制法”。具体做法是在蓄电池使用过程中，除了进行充电控制以防止蓄电池过充电外，还对放电过程进行控制。从蓄电池 SOC 的数学模型中，可以得出蓄电池在充电过程中充电电压与蓄电池剩余容量之间的关系，确定在放电过程中蓄电池的端电压与蓄电池剩余容量之间的关系。上述充放电管理方法虽然效果好，但是蓄电池的自放电率难以考

21、虑进去，再加上温度补偿电路后会使电路的复杂程度和成本加大，这在用电功率较小的路灯照明系统中性价比并不理想。为此本设计拟采用检测蓄电池端电压的“简单”方式控制蓄电池的过放电问题。即为防止连续阴天时充电不足导致蓄电池过放电而降低蓄电池寿命，在蓄电池电量不足时无论天黑与否均不点亮 LED 灯。这样过放电电路采用一个电压比较器加上少量外围器件即可实现。用脉冲电流来驱动大功率LED，就可以用高峰值电流获得高脉冲亮度，然后通过调节脉冲的占空比从而得到较低的平均电流值来降低功耗。这是因为当LED工作在脉冲状态的时候，如果脉冲频率足够高，肉眼是无法分辨出亮暗闪烁的。由于人眼的视觉暂留效应类似峰值检波器与积分器

22、组合后的功能，或者说类似一个较轻负载下的整流-电容滤波电路的输出电压，因此，人眼觉察到的LED亮度值介于峰值亮度与平均亮度值之间，所以脉冲电流驱动的LED可比直接恒流驱动的LED更亮。另外，LED 的散热是使用中的一个问题。相对于一般的 LED 来说，大功率 LED 管芯上的热耗散功率将更大。如果散热问题没有处理好，很有可能造成结温过高，导致发光效率变低，LED 芯片也将快速劣化，器件寿命缩短。如果采用脉冲电流来驱动 LED，LED 工作在开关状态(一般开关频率在几百 Hz 至几十 kHz)，LED 管芯上发热量较小，因此采用脉冲电流驱动方式将更有利于散热，从而提高寿命及发光效率。所以，本设计

23、采用脉冲电流来驱动大功率 LED 灯6。26 LED灯具的介绍白光 LED 的正向压降通常在 34V，正向工作电流因其功率大小而不同。正向压降与正向工作电流的乘积即为 LED 的输入功率。白光 LED 的单管功率日益增大，目前商品白光 LED 的单管功率以从原来的几十 MW 发展到了 1W、2W、3W、5W。因为管芯内部发光区域的电流密度很高，使得管芯内部散热成了制约大功率 LED 发展的瓶颈之一，有专家分析预计 1W 白光 LED 将是性价比最佳的。另外，值得注意的是 LED 属于电流型器件，使用时正向工作电流不得超过额定值。因 LED 正向压降具有离散性和供电电压通常有一定波动，LED 必

24、须采用限流措施或者采用恒流驱动。单个LED功率较低，往往不能满足照明亮度的需要，一般将多个LED连接在一起，LED连接方式有串联、并联、串并混联等方式。可以根据LED的伏安特性曲线以及系统供电电压选择合适的连接方式，所选的连接方式应使单个LED发生故障时对其他灯的影响最小。通过合理控制平头超高亮度白光 LED 安装倾斜角度，使 LED 组合光源所发出照明光的光照区域/均匀度及照度符合要求。不同场合使用灯具其光照范围角度也是需要注意的，如路灯应该设计成沿道路方向呈带状区域照射，而庭院灯则需要设计成向四周斜下方区域照射。合理的光学设计可以更有效的提高有效照度7。LED的发光效率随温度升高而下降，温

25、度过高，也会导致LED寿命缩短。当LED灯具的散热问题处理不当时甚至会导致无法工作。LED灯具的散热设计是一个非常重要的问题，特别是在环境温度较高的场所使用时尤为重要。因此，还要选择性价比合理的散热片，使LED的温升尽量低。3 太阳能 LED 照明系统硬件电路设计 光伏照明路灯控制系统包括太阳能电池、控制器、储能系统以及照明灯具等几部分，太阳能照明系统框图见下图3所示。系统主要太阳能电池板、由 12V铅酸蓄电池、光电转换电路、AT89C2051 单片机控制、保护路、LED输出驱动单元、LED节能照明灯几部分构成。同时具有对蓄电池冲放电过程的保护、自动点亮LED路灯、自动熄灭及延时熄灭、功率自动

26、调节输出等功能8。LED照明系统设计为三种工作模式。工作模式一为纯光控模式，即天亮时LED路灯灭，天黑时LED路灯亮。工作模式二为利用单片机进行定时，定时时间结束后，LED灯自动熄灭。工作模式三为单片机定时结束后，由单片机输出的PWM控制信号驱动场效应管断续导通，使LED路灯发光亮度变暗，实现低功率照明。 图 3 太阳能 LED 照明系统硬件结构框图31 光控自动开关电路设计光控自动开关电路，实现 LED 照明路灯按照光线的亮暗自动开启、关闭。本设计采用集成运算放大器 LM324 构成电压比较器，LM324 是 14 脚双列直插塑料封装形式，内部集成了四组形式完全相同的运算放大器，四组运放相互

27、独立，LM324的管脚图如下图4所示。LM324 共用外接电源（单电源 332V），特点是单电源供电、电源电压范围宽、静态功耗小、价格便宜。本设计中，选用其中一组运放完成根据环境光线强弱控制 LED 照明路灯亮灭，实现光控自动开关电路设计，其余三组运放用于构成过压、欠压、驱动控制电路9。图4 集成运放 LM324 引脚示意图为了实现上述控制功能，因为蓄电池两端电压是在一定范围内变化的，综合单片机耐压及各电压比较器电平跳变的条件，选择LM7806作为稳压源提供+6V电压，为LM324及单片机供电。开关电路如下图 5 所示。图中选用电阻R8=47K、RP2=100K、R6=10K和R7=100K分

28、别构成分压电路，与集成运放U2B(1/4 LM324)构成电压比较器。电阻R8和RP2接到+6V电源和地之间，RP2上的分压送到U2B构成的比较器同相输入端 5 脚。串联电阻R6和R7串联接到太阳能光电池的正极和地之间，电阻R7上的分压值送到比较器的反相输入端 6 脚。白天，电阻R7上的电压高于RP2上的电压，比较器输出引脚 7 输出低电平，送至下一级比较器同相输入端，控制LED灯熄灭。晚上，环境光照强度变弱，太阳能电池两端电压迅速降低，R8上的电压低于RP2上的电压，比较器输出端 7 脚跳变为高电平，送到下一级比较器的同相输入端，送入LED驱动电路，使LED路灯点亮。天亮时，太阳能电池电压上

29、升到设定值，比较器输出再跳变为低电平，LED路灯再熄灭。32 延时及功率控制电路设计LED照明路灯控制系统有三种输出照明模式，即光控、延时熄灭、延时低功率输出控制形式。模式一：光控工作模式。LED 照明路灯白天熄灭、晚上自动点亮；模式二：延时熄灭工作模式。晚上 LED 照明路灯自动点亮，点亮的时间，可以通过设定实现延时时间到，LED 路灯自动熄灭；模式三：输出功率调整工作模式，即延时低亮度工作模式。晚上 LED 照明路灯自动点亮，点亮时间可以通过设置延时时间，到达设定的延时时间后，LED 路灯亮度改为低功率照明状态，以便节约能源11。图5 光控开关电路鉴于本设计使用 I/O 端口较少，因此，采

30、用一片 AT89C2051 单片机即可完成延和功率调整的功能。AT89C2051 单片机是ATMEL公司生产的低电压、低功耗、高性能的CMOS八位单片机，具有 20 管脚，封装形式为双列直插式。AT89C2051 的管脚如下图6 所示。单片机内部具有 15 个I/O口线，驱动能力强，P1 口驱动电流达到 20mA，内含两个 16 位定时/计数器、五个中断源。内置一个精密比较器，片内振荡器及时钟电路，静态工作频率为 0Hz-24MHz，供电电压为 2.7-6V。图 6 AT89C2051 管脚图时钟电路设计：本电路设计中，根据单片机的 XTAL1、XTAL2 引脚分别为片内振荡器的反相放大器输入

31、端和输出端。设计了采用 XTAL1、XTAL2 作为片内时钟发生器的信号输入端，接 12MHz 石英晶体振荡器，外接两个 33p 陶瓷电容组成时钟振荡电路，为单片机提供基准时钟信号。时钟电路见下图7 所示。图 7单片机时钟电路复位电路设计：有两种复位方式，即上电复位和按键复位。本设计采用自动上电复位方式，复位电路如下图 8 所示。其中采用 RST 作为复位输入端，外接 22uF 电解电容、1K电阻构成自动复位电路。当电源接通后，时钟振荡器工作时，单片机的复位端 RST通过持续两个机器周期以上的高电平，完成单片机的复位，即所有的 I/O 口都将置位为“1”，即 I/O 口输出为高电平状态。延时和功率调整电路可以由分立元件或者集成电路构成，但分立元件构成的延时电路存在延时时间短、精度低、电路复杂，专用集成电路成本较高。本设计选择采用AT89C2051 单片机位控制核心，其通过控制输出占空比使输出功率和延时时间可以任意调整，且单片机的稳定性较好。系统中延时和功率调整及控制部分电路见下图 9。S2 为选择开关，用于选择工作模式二和模式三。图 8 单片机复位电路图9 延时和功率调整电路工作原理：环境光照强度降低时，光控开关输出高电平，控制场效应管 Q1 导通，接通单片机供电电源，单片机