还剩47页未读,继续阅读
本资源只提供10页预览,全部文档请下载后查看!喜欢就下载吧,查找使用更方便
文本内容:
I目录中文摘要ABSTRACT第一章引言
1.
1.
2.2控制器的整体结构第三章太阳能电池板
3.1太阳能的工作原理和特性
3.
1.1太阳能电池的基本原理
3.
1.2太阳能电池的特性曲线
3.2太阳能电池的最大功率跟踪
3.
2.1最大功率点跟踪原理
3.3本系统采用的MPPT控制方式
3.
3.1功率比较法
3.
3.
1.1功率比较法原理
3.
3.
1.2功率比较法的算法设计
3.4本章小结第四章主体电路的设计
4.1整体电路设计
4.
1.1电源电路设计
4.
1.2LED驱动电路
4.2单片机的算法实现
294.
294.
345.
345.
355.
355.
365.
375.
385.
395.
1.1选题的背景和意义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、街道等多方面的优点而越来越受重视我国在1996年提出了“绿色照明工程”,主要就是为了解决与照明相关的能源供应和经济效益问题绿色照明的科学定义为绿色照明是指通过科学的照明设计采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品(电光源、灯用电器附近、灯具、配线器材,以及调光控制和控光器件),改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量,从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划,并取得了显著效果照明的质量和水平已成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一,成为人类社会可持续发展的一项重要的措施作为固体光源的LED发光二极管,真正点燃了“绿色照明”的光辉,被认为是21世纪最有价值的新光源,将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导,使照明技术面临一场新的革命,从而一定程度上改善人类的生产和生活方式LED照明的应用前景在全世界掀起了高潮,被给予了厚望目前照明消耗约占整个电力消耗的20%,大幅降低照明用电是节约能源的重要途径开发和应用更高效,可靠,安全,使用寿命长的新型太阳能节能光源势在必行一般的太阳能LED照明系统如下图1-1所示,其实质是一个小的独立光伏系统,主要由几大部分组成,即太阳能电池、蓄电池、控制器、LED光源图1-1太阳能LED照明系统结构图太阳能路灯控制器主要采用脉宽调制充电方式,具有过充、过放、短路保护和过充点的温度自动补偿功能在独立太阳能发电系统中,为了降低成本、提高效率和可靠性,应该既保证光伏阵列处于最佳工作状态,又要使蓄电池正确充放电,同时还要最大限度地利用所发电能但在目前的光伏系统中,这三者的实现存在矛盾,在设计充电控制时通常只顾及到一个方面,如何兼顾三者的关系,寻求最优充电控制策略,是一个设计难点针对目前的太阳能照明路灯系统所存在的问题,本文通过对典型的照明控制器进行优化设计,将最大功率跟踪技术引入太阳能LED照明系统中,保证光伏阵列工作在最佳工作状态,以提高系统的工作效率从而使整个路灯系统的可靠性得以提高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
1.2国内外光伏发电发展现状1839年法国学者贝克勒尔发现光伏效应,1954年美国贝尔实验室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳电池在可再生能源中,太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一最近10年太阳电池产量年平均增长率为37%,最近五年的年平均增长率为45%发展可再生能源的时代己经到来传统的化石能源日益枯竭,并且利用过程中严重污染环境制约了世界经济的可持续发展能源的需求有增无减,能源资源已成为重要的战略物资而太阳能是最有发展前景的可再生能源
1.
2.1世界光伏产业的新进展及应用特点1997年,美国提出“百万太阳能光伏屋顶”计划,预计2010年完成同年,日本“新阳光计划”,到2010年将生产43亿瓦光伏电池同年,欧盟提出“百万光伏屋顶计1999年,德国实施“十万光伏屋顶计划”,并实行低息贷款近年发达国家还制定了“研发路线图”在光伏应用和安装方面,德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场年全球安装太阳电池组件1460MW,比前一年增长了34%德国安装837MW,比前一年增53%;占世界安装量的57%;日本安装292MW,比前一年增长了14%,占世界安装量的2美国安装102MW,占世界安装量的7%;欧洲其它地区安装88MW,占世界安装量的6%;其它地区安装146姗,占世界安装量的10%
1.
2.2我国光伏产业发展现状1958年,我国开始研究太阳电池1971年,首次将光伏电池成功应用于东方红2星1973年,开始太阳电池地面应用从上世纪70年代初到80年代末,由于成本高,阳电池在地面的应用非常有限90年代以后,随着成本的降低,太阳电池向工业领域和村电气化应用方向发展市场稳步扩大,国家和地方政府开始制订光伏计划2002年,家发改委启动了“送电到乡”项目,使得中国的光伏市场迅速发展起来,总装机容量从2年的23500kw迅速增长到2002年的45000kw,至2003年达到55000kw2003~2005年,德国巨大的市场需求影响,国内光伏企业产能迅速扩展,产量迅速增长
1.3光伏电源具有以下优势1可靠光伏电源很少用到运动部件,工作可靠目前己有数千套光伏系统的运行验,晶体硅的寿命可达20年以上2安全、无噪声及其它公害不产生任何的固体,液体和气体有害废弃物,噪音几没有,无环境污染和公害问题3安装维护简单,运行成本低,适合无人值守等优点4兼容性好,光伏发电可以与其他能源配合使用,也可以根据需要而使光伏系统任增容5标准化程度较高,可由组件的串并联满足不同用电的需要,通用性强6太阳能无处不有,应用范围广
1.4新一代照明光源一白光LED近年来,全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出,人们迫切希望应用节能环保的新技术而半导体照明正是具有这种魅力的新技术所谓半导体照明,是以半导体发光二极管LightningEmittingDiode,LED作为光源的照明应用半导体pN结发光原理制成LED问世于20世纪60年代初在早期,由于LED光色、发光效能、光通量、光功率和价格等方面的限制,主要应用于指示、显示领域,如电子电气、热工仪表、自动化系统、通信设置、宇航空间开发、家用电气、交通运输工具中作为指示灯、告示牌、警戒灯以及信息广告、显示牌等90年代以来,随着氮化稼为代表的第三代半导体的兴起,以及白色LED的成功研制,使LED照明成为可能白光LED被认为是21世纪最有价值的新光源,白光LED照明取代传统照明而成为人类照明的主要方式,将是大势所趋“绿色照明”是九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划,并取得了显著效果照明的质量和水平己成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一,成为人类社会可持续发展的一项重要的措施作为固体光源的白光LED,真正点燃了“绿色照明”的光辉白光LED照明的应用在全世界掀起了高潮,被寄予了厚望美国能源部预测,到2010年将会有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代,每年可节电350亿美元而我国科技部有关领导提出:我们要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机,推动半导体灯在城市景观照明的应用科技部“国家半导体照明工程”计划2007年半导体照明逐步取代白炽灯,2012年后取代荧光灯目前,白光LED在发光强度方面,轴向已达到ZOcd以上,光效达50一70lm/W;色温可在5000K一10000K之间任意选择;显色指数在80以上完全能符合普通照明之需要
1.5论文的研究目的和意义在光伏应用领域,太阳能照明占有重要的地位和份额,而LED太阳能路灯是一个具体而有价值的应用太阳能与半导体LED照明的有机结合,能有效发挥二者的优势在该照明系统中,包括硬件和软件两方面,从硬件上来说,要配备性能可靠、价格合理的光伏配套部件,如太阳能电池、蓄电池、控制器及灯具等在软件方面,则要对光伏系统进行优化设计,包括确定合适的太阳能电池输出功率和蓄电池的容量、负载的大小、控制方式等这项工作十分重要,如果设计不当.即使光伏配套部件再好,结果要么光伏系统不能正常运行,要么就是容量过大,造成很大浪费所以,从一定意义上来讲,光伏系统设计要比光伏器件更加重要目前,光伏照明难以大面积推广的瓶颈不在于技术问题,而在于成本价格问题本课题拟在太阳能电池、蓄电池和LED负载三者间进行合理测算、设计和实施以确定最佳匹配方案,优化系统设计,旨在保证同样照明要求的前提下降低运行成本,提高性能价格比第二章太阳能LED照明系统的总体设计
2.1太阳能LED照明系统的基本结构太阳能LED照明优化系统主要由以下部分组成,即太阳能电池、控制器、蓄电池、DC/DC、驱动电路、LED光源,如图2-1所示图2-1太阳能照明系统结构框图太阳能LED照明系统在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量,并将其转化为电能存储起来,在晚上点亮LED用于照明,是现代化绿色环保节能产品具有智能控制系统,全天候供电无需管理人员在系统设计时考虑连雨天气,把平时多余的电能储存到蓄电池内,确保用于阴雨天有足够的电能使用系统各个组成部分的主要功能如下:1太阳能电池阵列由许多太阳能电池组件串、并联而成,其合成的容量可以是数百峰瓦WP也可达数个兆峰瓦WP甚至更大,组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的太阳能电池组成一般来说,光伏阵列由于多为半导体器件构成,其特性伏安特性具有强烈的非线性2DC/DC(直流-直流变换器)环节DC/DC环节是本系统的关键组成部分,它是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波在该环节中,由于太阳能电池阵列具有强烈的非线性特性,通过控制开关闭合跟断开的时间(即PWM—脉冲宽度调制),就可以控制输出电压如果通过检测输出电压来控制开、关的时间,以保持输出电压不变,这就实现了稳压的目的3驱动电路驱动电路对输出的控制信号进行放大,产生满足功率器件正常工作要求的驱动电压4蓄电池组蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成,其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配该部分的主要作用是储存太阳能阵列所产生的电能,以备不时之需而且由于蓄电节5控制器太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压,快速、平稳、高效的为蓄电池充电,并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池,避免过充电和过放电现象的发生如果用户使用的是直流负载,通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电由于天气的原因,太阳能电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定为保证太阳能电池阵列在任何日照和环境温度下始终以相应的最大功率输出,引入了太阳能电池最大功率点跟踪MPPT-MaximumPowerPointTracking控制策略在芯片内部写上由程序所构成的控制软件,配合外围的相关电路完成主要控制功能6LED光源应保证亮度高,亮度辐射范围大且均匀,所使用的超高亮LED数量少在太阳能照明灯具中,发光体所使用的LED数量从一个到上千个不等,一定数量的LED组合成一个发光体时,其排列和组合是一个非常重要的问题即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响在LED排列组合上依据光学原理及数学模型,最有效的发挥超高亮LED的发光效率,并使得单位面积LED灯的数量少以降低成本
2.2控制器的整体结构在太阳能LED照明系统中,太阳能充放电控制器是整个照明系统中的核心部件,它的性能在一定程度上决定了整个照明系统的性能好坏目前,市场上有各种各样的太阳能LED照明系统,典型的太阳能充放电控制器结构框图如图2-2所示图2-2控制器的结构框图该控制器为脉宽调制型控制器,即太阳能电池对蓄电池充电采用脉宽调制方式,具有如下功能1采用容量控制法防止蓄电池的过放电容量控制方式双灯控制(调整负载和工作时间)2该控制器具备蓄电池充满点温度补偿功能以25℃为基准,每2V蓄电池,温度补偿为-
0.3mV/℃3防止任何负载短路的电路保护4防止夜间蓄电池向太阳能电池组件反向放电的保护5防止蓄电池极性反接的电路保护6该控制器最大自身耗电电流不得超过50mA7该控制器充、放电回路的压降不得超过系统额定电压的5%8该控制器的耐冲击电压为在一小时内可承受高于太阳能电池组件开路电压的
1.25倍的电压,而自身不损坏9该控制器的耐冲击电流为在一小时内可承受太阳能电池组件短路电流
1.25倍的电流的冲击,而自身不损坏该控制器具有较高的价格性能比安装维护简单且工作稳定可靠此控制器的电路特点是
1、由于系统对转换速度要求不高,该控制器电路采用价格便宜的LM331构成A/D转换器,调节参数,可使LM331的转换精度达到4mv如果采用12位的A/D转换器,其精度为10mv而高精度的A/D转换器价格较贵如果采用内部集成有A/D转换模块的PIC单片机,其A/D转换模块为10位,精度只能达到40mv,不能满足系统的精度要求
2、充放电开关管采用功率MOSFET,只要保证开关的栅源电压,具有好的开关特性,而且采用继电器作为比较开关,耗能小
3、单片机与开关管之间采用光电耦合器作为驱动和隔离元件,这样可以避免输出部分电源变化对单片机的影响,减少系统所受的干扰,提高系统的可靠性此路灯控制器采用了脉宽调制充电方式,并且具有过充点的温度自动补偿功能在独立太阳能发电系统中,为了降低成本、提高效率和可靠性,既保证太阳能电池阵列处于最佳工作状态,又要使蓄电池正确充放电,同时还要最大限度地利用所发电能在目前的光伏系统中,这三者的实现存在矛盾,在设计充电控制通常只顾及到一个方面,如何兼顾三者的关系,寻求最优充电控制策略,这也是一个设计难点,也是本文所重点研究的内容第三章太阳能电池板
3.1太阳能的工作原理和特性
3.
1.1太阳能电池的基本原理太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转化为电能所谓光生伏特效应,简单地说,就是当物体受到光照时,其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应和外观可将半导体太阳能电池的发电过程概述如下
①首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上
②太阳能电池吸收具有一定能量的光子,激发出非平衡载流子(光生载流子)—电子—空穴对这些电子和空穴应有足够的寿命,在它们被分离之前不会复合消失
③这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的作用下,电子—空穴对被分离,电子集中在一边,空穴集中在另一边,在p-n结两边产生异性电荷的积累,从而产生光生电动势,即光生电压
④在太阳能电池p-n结的两侧引出电极,并接上负载,则在外电路中即有光生电流通过,从而获得功率输出,这样太阳能电池就把太阳能(或其他光能)直接转换成了电能图3-1太阳能电池的电路及等效电路太阳能电池的电路及等效电路如图3-1所示,其中中为电池的外负载电阻当=0时,所测的电流为电池的短路电流,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当趋于无穷时,所测得的电压为电池的开路电压所谓开路电压,就是将太阳能电池置于100的光源照射下,在两端开路时,太阳能电池的输出电压值(二极管电流)为通过p-n结的总扩散电流,其方向与相反为串联电阻,它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接触电阻所组成为旁漏电阻,它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的一个理想的太阳能电池,串联电阻很小,而并联电阻很大由于和是分别串联和并联在电路中的,所以在进行理想的电路设计时,它们可以忽略不计此时,流过负载的电流为:(3-1)理想的p-n结特性曲线方程为(3-2)式中—太阳能电池在无光照时的饱和电流,A;q—电子电荷,C;K—玻尔兹曼常数;T—热力学温度,K;A—常数因子(正偏电压大时A值为1,正偏电压小时A值为2);e—自然对数的底当=0时,电压U即为可用下式表示(3-3)
3.
1.2太阳能电池的特性曲线根据(3-2)(3-3)两式作图,及坐标变换可得到太阳能电池的电流—电压关系曲线,如图3-2所示.这个曲线,可简称为I—U曲线,或伏—安曲线图3-2太阳能电池特性曲线太阳能电池的I-V特性曲线包含其绝大多数技术特性,是系统分析最重要的方面太阳能电池的I-V特性是指在某一确定的日照强度和温度下,太阳能电池的输出电压和输出电流之间的关系,如图3-2所示I-V特性曲线表明:太阳能电池既非恒压源,也非恒流源,它不可能为负载提供任意大的功率,是一种非线性直流电源输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定,最终在一个足够高的电压之后,电流迅速下降至零曲线上的每一点都唯一对应着太阳能电池在该一工作电压下的输出功率,表示对应于该日照强度和环境温度下的太阳能电池所能输出的最大功率,和则表示太阳能电池输出最大功率时所对应的工作点电压和电流也就是说,在一定的温度和日照强度下,太阳能电池具有唯一的最大功率点,当太阳能电池工作在该点时,能输出当前温度和日照条件下的最大功率在最大功率点左侧,太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而增大;在最大功率点右侧,太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小根据特性曲线可以定义出太阳能电池的几个重要技术参数:1短路电流在给定温度照度下所能输出的最大电流2开路电压在给定温度照度下所能输出的最大电压3最大功率点电流在给定温度照度下最大功率点对应的电流4最大功率点电压在给定温度照度下最大功率点对应的电压5最大功率点功率在给定温度照度下所能输出的最大功率,=×此外,P-V特性曲线可以更直观的确定、和,它是利用I-V特性曲线数据通过计算后作出的,如图3-3中虚线所示图3-3a和图3-3b分别为太阳能电池在温度变化和日照强度变化下的P-V特性曲线,从图中可以看一出,太阳能电池的输出功率受日照强度、电池结温等因素的影响当结温增加时,太阳能电池的开路电压下降,短路电流略有增加,最大输出功率减小;当日照强度增加时,太阳能电池的开路电压变化不大,短路电流增加明显,最大输出功率增加图3-3太阳能电池的P-V特性曲线
3.2太阳能电池的最大功率跟踪
3.
2.1最大功率点跟踪原理由于目前太阳能电池的成本高、转换效率低,并且其输出功率易受日照强度、环境温度等因素的影响,因此,为了提高太阳能照明系统的效率,在现在的太阳能照明系统中,通常要求太阳能电池的输出功率始终保持最大,即系统要能实时地跟踪太阳能电池的最大功率点最大功率点跟踪控制(MPPT)策略实时检测太阳能电池阵列的输出功率,采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出,通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求这样即使太阳能电池的结温升高使得阵列的输出功率减少,系统仍然可以运行在当前工况下的最佳状态
3.3本系统采用的MPPT控制方式太阳能电池的输出呈非线性,随着光照强度和电池表面温度的改变,它的输出也发生改变为了避免能量的损失,国内外提出了多种实现办法本论文采用功率比较法以此来提高系统的跟踪效率
3.
3.1功率比较法
3.
3.
1.1原理让流通率α连续变化,即可得出功率的输出特性如图3-4所示,由图可见,输出最大功率值由于用变换器的太阳能发电系统其输出特性具有上述特征,故可取实时的发电功率,把α作定量△α增减,以决定最大功率这是一种最简单的求取最佳工作点方法,称为功率比较法当变换器流通率的变化量△α值恒定时,功率比较法的核心是用前后功率大小的比较来确定最佳工作点该方法的特点是:1当α增加△α时,P单调增加,则应当让α进一步增加△α图4-9中的A区;2当α增加△α时,P单调减少,则应当让α减少△α图4-9中的B区3当α减少△α时,P单调增加,则应当让α进一步减少△α图4-9中的C区;4当α减少△α时,P单调减少,则应当让α增加△α图4-9中的D区如图3-4所示的P-α特性曲线是一条凸形的非线性曲线,只要选定初始值和适当的△α,可以逐步逼近到值此外,检测的信息只是发电功率大小,因此硬件结构简单是其优点该方案的最大缺陷是不能适应日照量的急剧变化,在短时间内寻找出正确的最佳工作点此外,当△α固定时,该值的大小将对最佳工作点的跟踪时间和发电功率的脉动值有影响因此,△α的选择要十分慎重
4.
3.
1.2功率比较法的算法设计α初始值设定为
0.5△α初取为
0.01,设程序的控制周期T为70(ms)则控制流程图如图3-5所示图3-5功率比较法跟踪最大功率流程图
3.4本章小结本章对太阳能发电系统中重要的环节—“太阳能电池最大功率点的跟踪方案”进行原理的阐述和实验论证证明不管日照量是恒定还是急变,均能高速而稳定地跟踪最大功率点本方案的另一优点是确定变换器通流率α的检测信息只是发电功率,因此,控制硬件简单,只要用单片机即可构成简单、廉价装置,对于小规模太阳能发电系统非常适用同时在最大功率点跟踪策略中引入模糊控制理论,并对这一思想进行简要介绍第四章主体电路的设计为了使路灯亮度能够调节,本文采用由多个LED组成一盏路灯的方法,控制各个LED的亮灭来达到调节路灯亮度的目的为了使分析简单明了,在本文以下的分析中暂且假设一盏路灯内部包含三个LED
4.1整体电路设计整个太阳能路灯系统的原理示意图如图4-1所示,其中的太阳能电源电路采用光伏电池和超级电容器作为能量转化与储能系统;微控制器采用AT公司生产的AT89C51;单盏路灯中暂设为包含三个LED,可以通过控制LED亮灭的个数调节路灯的亮度;驱动电路为恒流LED驱动电路,可以保证电流稳定和LED亮度恒定图4-1整体电路框图
4.
1.1电源电路设计如图4-2所示,BT1为光伏电池,C1为超级电容器,为单片机以及LED提供电源,R1,R5为分压电阻,R2,R3,R4为限流电阻,C2为滤波及稳压电容器Q1用来控制Q2的导通与关断,Q2的发射极接单片机电源,控制单片机的开关白天有太阳照射时,光伏电池产生电能,通过二极管D0将电能储存进超级电容器C1,D0可以保证超级电容器中的电流不倒灌入光伏电池此时A点电位上升,三极管Q1基极为高电平,Q1导通,B点电位为低,致使三极管Q2关断,超级电容器储存的电能无法送到单片机,单片机没有电源,处于未启动状态,路灯处于熄灭状态当夜晚降临,阳光减少,光伏电池上储存的电量开始降低,致使A点电位降低,Q1关断,超级电容器储存的电能开始令B点电位上升,Q2开通,单片机上电,路灯被点亮,整个路灯系统开始运行图4-2电源电路
4.
1.2LED驱动电路直接从单片机管脚输出的电平难以驱动高辉度的LED路灯,因此本文采用如图4-3所示的驱动电路此驱动电路为恒流LED驱动电路,Q7基极接单片机PX(X=1,2,3)口D1为齐纳二极管,作为加在Q3的基极上,由于基极偏压稳定,集电极电流Ic也随着稳定,根据Ic=(VZD-VBE)/R10,即使电压源VDD变化Ic也不会变化,可以保证电流和亮度稳定
4.
1.3单片机的算法实现本文从合理利用能源的角度出发,分析了太阳能路灯在一天内的运行状态,认为其工作过程可分为三个阶段
(1)下午18点至晚上20点此阶段是全天开始进入黑暗的时段,路面光线逐渐变暗,太阳能路灯开始投入运行,此时路灯的亮度不必达到最大,我们将其亮度等级划为C级;
(2)晚上20点至凌晨12点此时段路面光线最暗,路灯亮度应调为最大亮度等级为A级;
(3)零点至次日凌晨3点此阶段间路上行人较少,因此路灯亮度可稍稍降低,亮度等级为B级;
(4)凌晨3点至5点此阶段所需亮度也较低,亮度等级也为C级基于以上分析得出结论太阳能路灯必须拥有智能化控制技术才能实现路灯亮度的自动调节单片机控制LED亮度变化的算法如图4所示图4-3单片机算法流程图由图4-3算法可知,当单片机上电时,程序自动运行,当P1输出高电平时,驱动LED1发光,此时路灯亮度级别为C级,经延时2个小时后P2与P3口同时输出高电平,LED2与LED3也开始发光,路灯亮度级别为A级,依次类推直到P1,P2,P3口全部输出低电平,此时路灯彻底熄灭
4.2DC/DC变换器目前DC/DC主要有Buck电路结构、Boost电路结构、Buck一Boost电路结构和Cuk电路结构四种,图4-4的a、b、c、d分别表示了这四种电路结构的拓扑,这四种结构都是由功率开关管、二极管、电感元件、电容元件组成的Dc一Dc变换电路图4-4四种主要充电电路拓扑结构图a为Buck电路,又称Buck变换器,其工作原理是:当开关管导通时,电流通过电感L对蓄电池和电容充电,二极管承受反向电压,电能转变为磁场能;当开关管闭合时,由于电感线圈电流不突变,负载电流方向不变,电容处于放电状态,从而继续维持输出电流和电压恒定,此时二极管承受正向偏压Buck电路的输出电压v满足vo=Duty×vs,其中Duty为开关管的占空比由于Buck变换器输出电压小于输入电源电压Vs,故又称为降压变换器图b为Boost电路,其工作原理是:当开关管导通时,电流流过电感L,电能以磁场能形式储存在电感线圈中,电容C放电,二极管承受反向电压;当开关管关闭时,由于电感线圈电不突变,电感线圈中产生与电流方向相反的感应电动势与电源电压串联,共同给电容和蓄电池充电,二极管正向导通因为Boost的输出电压vo满足vo二vs/l一Duty,输出电压大于输入电压,故又称为升压变化器图c为Buck一Boost电路,又称降压一升压变换器或反号变换器,电路的工作过程为:当开关管导通时,电流流过电感L,电能以磁场能形式储存在电感线圈中,电容向负载放电;当开关管关闭时,由于电感线圈电流不突变,电感线圈中产生与电流方向相反的感应电动势,下正上负,二极管正向导通,电容蓄电池充电输出电压Vo满足VO=Vs×Duty/l一Duty图d所示为Cuk电路,又称升降压变换器,其主要原理是把Boost电路与Buck电路串联起来,即升压变换器后串接一个降压变换器电路的工作过程为:当开关管导通时,二极管反向截止,电流通过电感将电能转换为磁场能储存在电感中,电容C向负载端放电;当开关管关闭时,二极管正向导通,由于电感线圈电流不突变,电感线圈中产生与电流方向相反的感应电动势,电感Ll和L:分别给电容C和C:充电,L:同时给负载供电与前三个电路以电感作为能量的传递元件不同,Cuk电路用电容C完成整个过程中的能量传递,输出电压Vo满足关系Vo二VS×Dutyl一Duty.\四种变换器参数的比较见下表4-1表4-1四种基本DC-DC变换器特性参数比较再次考虑到外部电路的实现难易程度和可靠性分析,四个充电电路拓扑的连续和非连续状态的临界电感大小经过转换相差不大;但是因为Cuk电路使用电容做为能量转换器件,电容需要耐受的纹波电流较大,成高,可靠性稍差这就是为什么Cuk电路虽然其他性能较好,但仍不被广泛使用的原因
4.2 DC/DC变换器主电路由于该DC/DC变换器的输入电压较高,主电路选取半桥式拓扑,如图4-5所示V1,V2,C3,C4和主变压器T组成半桥式DC/DC变换电路CT为初级电流检测用的电流互感器C5为防止变压器偏磁的隔直电容变压器的副边采用全波整流加上两级滤波以满足低输出纹波的要求R1,C1,R2,C2,R5,C6和R6,C7为吸收电路R3和R4起到保证电容C3及C4分压均匀的作用电阻R7和R8为输出电压的采样电阻图4-5 DC/DC变换器主电路
4.
2.1控制器的技术指标本论文光伏充放电控制器预期的技术指标如表4-2表4-2光伏充放电控制器的技术指标以本论文光伏充放电控制器控制高效LED负载组成50W中小功率照明系统为例,说明光照明系统容量匹配设计方法考虑到太阳能照明系统的特殊性,其能量取自于白天之光照,能量有限,因此光源功率不该选择太大高效LED光源光效达50Lm/W,故50W的LED光通量达2500Lm,相当于250w白炽灯,已经具有良好的照明效果假设LED负载每天夜间照明时长为10个小时,并且要保证阴雨天能连续工作3天上述情况下,每天LED消耗的能量为:50WX10h=500w.h太阳能组件配置的基本原理是使得组件每天所得到的电能等于或者略大于负载每天所消耗的电量考虑到一定的损耗,对于有效光照保守估计为3小时的地区,选择200W的太阳能板,每天将产生600W的电能,可以满足要求,并且有一定的裕度本文选择12V的蓄电池,其配置要满足最长供电时间的要求,所以储能最小应该为500W·h×3天=1500W·h留取一定的裕量,将储能调整为1600W·h.故选择12V蓄电池时,蓄电池的容量不应该低于1600W·h/12≈
133.3A·h这样光伏电池,蓄电池,LED负载容量的匹配设计就完成
4.3控制器电路总体设计方案本论文所设计的光伏充放电控制器的总体结构如图4-6所示图4-6系统结构框图主控芯片选用PIC16F877A单片机,负责监控管理整个充放电过程单片机根据反馈采样得到各种按电压、电流信息判断蓄电池和光伏电池的状态,以此作为依据,发送各控制器指令如给定充电回路的参考电压u和接通关断负载等,保证系统按设计需求正常工作光伏电池输出的直流电压通过功率回路中DC-DC变换器按单片机控制给定的要求输出相应的直流电压、电流,完成能量的变换传递系统各个组成部分的主要功能如下
(1)光伏电池接口接入光伏电池光伏电池将光能转化为电能,是系统的能量最原始来源2功率回路:DC/DC功率变换单元本论文采用P沟道MOSFET组成的BUCK变换器作为功率回路;3电压、电流调节器:采用电压外环,电流内环的双环控制,含双调节器电流调节器的输出改变PWM调制器的输出占空比实现对功率回路的控制4PWM调制器:采用TL494芯片TL494设计使用带使能端22V射极输出器供电可通过单片机控制使能端关断对TL494供电,以实现关断充电主回路的功能5蓄电池接口:接入蓄电池,蓄电池储存光伏电池所发出的能量,并向负载输送能量;6电源模块:将蓄电池电压转换成控制器工作需要的各种电压值;7采样电路:将系统中光伏电池的电压,蓄电池电压,反馈给调节器或转换为符合MCU端口电气特性规范的电压值,以供系统通过模数转换后把数据交给软件做控制、运算所用;8主控MCU:监控系统的状态,完成人机交互,参考电压的给定,开关的通断、过压过流保护等功能本设计采用PIC16F877A单片机作为主控MCU;9驱动电路:给DC/DC变换器的开关管提供合适的驱动电压10显示电路:采用1602液晶模块显示模块指示光伏充放电系统的各种工作状态参数l1D/A转换:单片机内部PWM输出,经运算放大器有源低通滤波实现
4.4功率主回路的设计
4.
4.1各主要元件参数设计与选型分析l输出滤波电感L设计电输出滤波电感L对应图4-2中的L2,电感的选择应保证输出到而额定电流的1/10时,电感电流仍然保持连续则:式(4-1)VIN为光伏电池输出电压可取典型值20V,接入12V蓄电池则Vo可去12VFSW为开关频率,开关频率提高可以降低对电感的要求,缩小电感的体积,但由于于驱动电路的局限性开关频率不可能无限高,这里折中考虑取:式(4-2)为输出的额定电流,根据设计预期指标IoN取5A代入式4一1得:式(4-3)但由4一24一32输出滤波电容c的设计输出滤波电容C对应图4一2中的C21大的输出电容可以抑制输出的纹波,但选择过大会影响到系统的响应速度,本设计取通常电容生产厂家给出的电容的时间常数为,则计算出3开关管MOSFETQ
6、Q8的选型本设计BUCK变换器选用P沟道MOSFET型号为IRF9540t301,最大通过电流9A,击穿电压为100V导通电阻
0.2欧姆;负载通断用开关选用N沟道MOSFET型号为IRF640,最大通过电流6A,击穿电压为200V,导通电阻
0.2欧姆以上设计均满足性能指标的要求回路中MOSFET栅源极都接入12v稳压二极管,保护栅源极4其他功率回路元件设计续流二极管选型X1选用从快恢复二极管MUR9146,其最大正向电流为8A;放电回路接到负载的自回复保险丝选为6A;输入滤波电容,可以稳定光伏电池的工作点;为防雷击压敏电阻;电阻二
0.01,为电流反馈电阻,故
4.
4.2MOSFET驱动电路设计BUCK变换电路要正常工作,对其中MOSFET驱动好坏,直接关系到整个BUCK变换器的性能本设计中的BUCK变换器采用P沟道的MOSFET作为功率开关本论文设计的MOSFET驱动电路如图4一3所示:为TL494内部集成的三极管,为便于分析在图4一3中示出;PWM信号端为TL494内部比较器产生,用于驱动Q7的基极PWM端低电平时,作为射极输出器导通,,MOSFET关断PWM端高电平时,,由于之前栅极电压,则的发射结正偏,集电结也正偏,所以导通,MOSFET栅极通过,迅速放电直到:,此时只需设计就可以使得MOSFET迅速关断由图4一2知Vs1,等于光伏电池的工作电压,系统正常工作时气:最低等于15V所以本论文取由于采用了电平移位电路交替驱动构成的推挽电路,对栅源极电容的充放电电流都比较大,所以驱动MOSFET的动作是很迅速电阻取80欧姆是为了抑制电路寄生电感的存在,造成高速电平变化引起电路谐振,造成跳变沿处电压过冲
4.
4.3电压和电流反馈电路设计PIC6F877A单片机内部集成10bit精度A/D变换器5V的参考电压下精度为5mVl蓄电池电流反馈根据欧姆定律,可通过采样串联在蓄电池回路中的高精度
0.01Q电阻,两段的电压间接获得,为最终的反馈信号蓄电池电流采样电路如图4一5所示:设计U5A组成同相比例放大器,对蓄电池充电时电压为正,运算放大器输出为正由于第二章的分析中假设电流反馈系数K=1,且电流采样电阻,所以取放大倍数为100这里取则:电阻,
5.IV稳压二极管对电流反馈电压_限幅由于模拟调节器一般来说需要一个微小的超调后才能到达稳态,所以运算放大器的电压设置为
7.5V,保证电流反馈可以输出一个微弱的超调到电流调节器2蓄电池反馈采样蓄电池电压采样电路如图4一5所示为最终的反馈信号由于电流采样电阻很小,可忽略其压降,所以对蓄电池电压的反馈采样可直接用对的采样得到这样采样电压的方式也与第三章中的充电系统模型分析相吻合为了减小反馈采样的损耗,应取较大,可用U4A组成电压器跟随进行阻抗变换,减小下一级的负载效应]根据第二章分析中对电压反馈系数H二
0.
14.5调节器电路设计在第二章中已经进行了调节器的详细分析在进行调节器设计实现之前,先简要说明PWM调制器PWM调制器采用TL494实现,其内部三角波震荡的峰值内部阻容震荡频率可表示为:设计时取阻容震荡电阻电容分别为
4.
5.1电流调节器实现根据第二章中的分析电流环采用单极点一单零点调节器采用集成运算放大器LM358加阻容反馈网络组成单极点一单零点调节器,如图4一6所示:
4.
5.2电压调节器实现根据第二章中的分析,电压调节器可以通过PI调节器加极点的形式实现,所以可采用加入反馈滤波和给定滤波的Pl调节器校正电压环采用集成运算放大器加阻容反馈网络组成电压调节器,如图4一7所示:图4一7中,反馈滤波与给定滤波需要取相同的参数,即取图4一5中,对电压的电阻分压反馈后接入电压跟随,消除反馈滤波对其的负载效应所以的取值可以相对宽松;为了消除PI调节器对反馈滤波环节的负载效应需取则图4一7中的电压调节器传递函数可表示为:
4.6总体软件流程图系统通过采样光伏电池电压为判断依据,引导程序进入白天、夜晚处理子程序,即两种工作状态这里设光伏电池开路电压大于等于开启充电电压阀值典型值为15v时,系统开始对蓄电池充电,程序执行白天处理子程序,否则不执行;光伏电池开路电压小于等于天黑判断电压阀值UDARK典型值为ZV时,程序执行夜晚处理子程序,否则断开充电回路程序总体设计思路如图5一1所示:
4.
6.1白天状态处理子程序白天处理子程序主要完成采样蓄电池的充电以此判断蓄电池充电阶段,并依照判断的结果由单片机通过D/A转换器输出不同的给定电压U*改变充电回路的工作状态各充电阶段的判断阀值参照图2一4及表4一1恒流充电以最大电流充电,单片机改变内部PWM占空比控制D/A转换器输出U*=5V,即设置充电电压为5OV,由于充电回路为降压DC/DC变换器,而光伏电池最大输出电压小于50V,所以电压调节中的运算放大器饱和,输出给电流环的给定l*被钳制在5V,即充电电流被设置为5A,实现最大电流的恒流充电,可见控制器的具备自然限流的特性恒流充电时若监测到蓄电池电压达到
14.5v,则进入恒压充电阶段此处加入浮充标志位flag是为了克服浮充状态对恒流充电阶段判断的干扰恒压充电电压为
14.SV,单片机控制D/A输出U*=
1.45V,实现恒压充电浮充充电电压为
13.8V,单片机控制D/A输出U*=
1.38V,实现恒压浮充充电进入浮充前先置位浮充标志位fiag,说明蓄电池已经充满
4.
6.2夜晚状态处理子程序夜晚处理子程序主要完成蓄电池是否过放的判断,以及负载的通断控制蓄电池过放电压阀值Uov夜晚处理子程序流程图如图所示5一3夜晚处理子程序主要是对放电过程进行监管控制放电过程对蓄电池的寿命影响相对较小,但过放的保护是必不可少的,其他的控制策略主要根据负载的需求制定本文假定控制器接入高效LED作为负载,则负载的放电控制相对比较简单,主要是根据蓄电池的是否过放及是否天亮判决负载的通断并在放电后清零浮充标志位nag,说明蓄电池已经在充满后有过放电
4.
6.3定时中断处理子程序由于接入到光伏充放电控制器的蓄电池与光伏电池难免会在参数上有所差异所以在设计时,加入了四个按键便于使用者根据实际情况对光伏电池,蓄电池的主要阀值参数进行微小的调整,从而提高了光伏充放电控制器的兼容性采用定时中断处理子程序监控按键是否有按键按下,若无则直接跳出中断,若有则实现按键功能散转中断处理子程序流程图如图5一4所示每次按下键1,蓄电池过放电压阀值Uov增加O.IV,并将新的参数更新写入EEPROM,以便系统重启后,参数可在系统初始化时读回蓄电池过放参数Uov在1OV至11V之间循环参数改变的情况可在图5一1的形式内容更新中观察到每次按下键2,开启充电电压阀值UDI增加
0.5V,并将新的参数写入EEPROM,以便系统重启后,参数可在系统初始化时读回开启充电电压在巧V至18V之间循环参数改变的情况可在图5一1的形式内容更新中观察到每次按下键3,天黑判断电压阀值UDARK增加
0.2V,并将新的参数写入EEPROM,以便系统重启后,参数可在系统初始化时读回天黑电压阀值在ZV至4V之间循环参数改变的情况可在图5一l的形式内容更新中观察到每次按下键4,操作者可直接控制负载的的通断,每次状态取反这样对负载的放电可以有手动、自动两种方式,便于更加灵活的使用充放电控制器,扩宽了充放电控制器的应用范围第五章蓄电池蓄电池是光伏系统中的储能单元,对于作为独立电力系统运行的太阳能光伏照明设备来说,储能环节尤其重要路灯照明系统多在夜间工作,就更需要白天把太阳能电池板转换得到的电能通过充电电路和蓄电池储存起来,晚上再把储存在蓄电池里的电能放出来供给照明设备使用因此,蓄电池和其充电电路的选择和控制在本次太阳能光伏照明系统的设计中也十分重要
5.1类型的选择免维护铅酸蓄电池广泛应用于太阳能照明系统,具有以下优点1安全性能好正常使用下无电解液漏出,无电池膨胀及破裂2放电性能好放电电压平稳,放电平台平缓3耐震动性好安全充电状态的电池安全固定,开路电压正常4耐冲性好安全充电的电池从20cm高处自然落至1cm厚的硬木板上3次无漏液,无电池膨胀,开路电压正常5耐过放电性好25摄氏度,完全充电状态的电池进行电阻放电3星期,恢复容量在%75以上6耐充电性好25摄氏度,完全充电状态的电池,
0.1CA充电48小时,无漏液,无电池膨胀,开路电压正常,容量维持率在%95以上7耐大电流性好完全充电状态电池2CA放电5分钟,无导电部分熔断,无外观变形
5.2电池的性能指标1容量表示电池在充满电的情况下的储能多少,用放电电流与放电时间的乘积来表示C窖量C=I放电电蠢A×T城电时问h2放电功率表示放电至终止的电流的大小或时间的快慢,可用电流来表示如一个
6.5AH的电池,充满之后以325mA恒流放电,经过20小时后达到其放电终止电压,放电率若以电流来表示则为
0.325安率;若以放电时间来表示则为20小时放电率3放电电流放电电流就是电池的输出电流,它除了用安培来表示外,通常也用电池的容量乘以某个系数来表示如对于
6.5AH的电池,
0.1C的放电电流的实际值为
0.1×
6.5=
0.65A 4放电终止电压表示电池不允许再放出电能时的电压,通常为1.75V/单格5标称容量表示在20小时放电率下所测定的容量6自放电率电池在不用时其内部也会消耗能量,一般以×××C/天来表示,如0.08C/天
5.3影响蓄电池寿命的因素铅蓄电池的失效是许多因素综合的结果既决定于极板的内在因素诸如活性物质的组成、晶型、孔隙率、极板尺寸、板栅材料和结构等,也取决开一系列外在因素,如放电电流密度、电解液浓度和温度、放电深度、维护状况和贮存时间等以下是外部因素1放电深度放电深度即使用过程中放电到何程度开始充电100%深度指放出全部容量铅酸蓄电池寿命受放电深度影响很大设计时考虑的重点就是深循环使用、浅循环使用还是浮充使用若把浅循环的电池用于深循环的方式使用时,则铅蓄电池会很快失效因为正极活性物质PbO2本身的相互结合不牢,放电时生成PbSO4,充电时又恢复为PbO2PbSO4的摩尔体积比PbO2大α-PbO2为
25.15cm3/molβ-PbO2为
24.3cm3/mol,PbSO4为
48.2cm3/mol,则放电时活性物质体积膨胀,若1molPbO2转化为1molPbSO4,体积增加95%这样反复收缩和膨胀,就使PbO2粒子之间的相互结合逐渐松弛,易于脱落若1molPbO2的活性物质只有20%放电,则收缩、膨胀的程度就大大降低,结合力破坏变缓慢,因此,放电深度越深,其循环寿命越短2过充电程度过充电时有大量气体析出,这时正极活性物质要遭受气体的冲击,这种冲击会促进活性物质脱落;此外,正极板栅合金出遭受严重的阳极氧化而腐蚀,所以电池过充电时会使应用期限缩短3温度的影响蓄电池寿命随温度升高而延长在10℃ ~35℃ 间,每升高1℃ ,大约增加5~6个充放电循环;在35℃ ~45℃ 之间,每升高1℃ 可延长寿命25个循环以上;高于5℃ 0则因负极硫化容量损失而限制寿命电池寿命在一不定期温度范围内随温度升高而增加,是因为容量随温度升高而增加如果放电容量不变,则在温度升高时其放电深度降低,故寿命延长4酸浓度的影响随着酸浓度增加,电池寿命降低5放电电流密度的影响随着放电电流密度增加,电池的寿命降低,因为在大电流密度和高酸浓度条件下,均促使正极PbO2松散脱落
5.4容量计算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负电蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜根据太阳能路灯系统的特点,路灯运行要兼顾蓄电池剩余容量的影响当路灯正常开启时,根据蓄电池剩余容量检测法得到当前蓄电池容量,通过查询后得到蓄电池将要维持的供电时间,平均使用蓄电池现有电量,同时根据当晚可使用的蓄电池电量对路灯照明方式灵活控制,合理使用蓄电池现有电量以下提供太阳能电池板和蓄电池配置计算公式
(1)首先计算出电流 如12V蓄电池系统;30W的灯2只,共60瓦 电流=60W÷12V=5A
(2)计算出蓄电池容量需求 如路灯每夜累计照明时间需要为满负载7小时(h); (如晚上800开启,夜1130关闭1路,凌晨430开启2路,凌晨530关闭) 需要满足连续阴雨天5天的照明需求(5天另加阴雨天前一夜的照明,计6天) 蓄电池=5A×7h×(5+1)天=5A×42h=210AH 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%左右所以210AH也只是应用中真正标准的70%左右
5.5充放电特性
5.
5.1放电特性电池的放电特性是一族曲线见图1在一定的环境温度下图中为25℃随放电电流的不同电池端电压与放电时间的关系称为放电曲线由放电曲线可以看出如下特性: 放电时间最长的曲线放电时间为10小时电流恒定我们称之为10小时放电率曲线由此测定的电池容量用C10表示C10=6A×10h=60Ah如果用1小时恒流放电来测定这同一只电池则C1=
41.9A×1h=
41.9Ah由此可见电池的容量是在标定了放电制式之后才是一个可比的确定值放电特性曲线 无论放电电流大小在放电的初始阶段都会使端电压下降较多然后略有回升的现象这是因为电池从充电状态转变为放电状态的瞬间电池极板附近的电荷快速释放出来而离极板较远的电荷需要逐渐运送到极板附近然后才能释放出来这个过程形成了电池端电压有较大的低谷 无论放电电流大小电池端电压最终将出现急剧下降的拐点以这些曲线的拐点连接得到的曲线就称为安全工作时的终止电压曲线UPS的电池电压工作终点都是设计在这条拐点曲线附近的拐点之后的曲线具有电压急剧下降的趋势直到放电曲线的终点这些终点连接得到的曲线称为最小终止电压曲线它表示放电电压低于此曲线后将造成电池的永久性失效即电池不能再恢复储电能力由此可见UPS中设计有防止电池深度放电的保护功能是极为必要的
5.
5.2充电特性 电池的充电特性曲线也是在25℃温度下测量和标度的见图2充电曲线通常有三条: 充电特性曲线充电电流曲线:在充电开始阶段充电电流是一个恒定值随着充电时间的推移充电电流逐渐下降并最终趋于0这是由于在放电过程中电池内的电荷大量流失由放电转变为充电时电荷的增长速度较快化学反应将产生大量的气体和热量对于密封电池来说即使通过安全阀可以将气体和热量排放掉但氢离子和水将同时损失掉使电池的储能下降因此必须限定充电的电流值随着电池容量的恢复充电电流将自动下降充电电流下降10mA/Ah以下时即认为电池已基本充满转入浮充电状态电池放电越深则恒流充电的时间越长反之则较短充电电压曲线:在电池恒流充电阶段电池的电压始终是上升的因此有时又称为升压充电当恒流充电结束时电池的电压基本保持不变称为恒压充电在恒压充电阶段电池的电流逐渐减小并最终趋于0结束恒压充电阶段转入浮充电以保持电池的储能防止电池的自放电 充电容量曲线:在恒流充电阶段电池的容量基本呈线性增长;在恒压充电阶段容量增长的速度减慢;恒压充电结束后容量基本恢复到100%大约需要24小时左右;转入浮充电后容量基本不再明显增长由充电曲线还可以看到一组虚线是电池放电50%后的充电特性与100%放电后的充电特性相比恒流充电时间明显缩短恒压充电9小时左右容量基本恢复到100%由以上可知:
①恒流充电是为了恢复电池的电压;
②恒压充电是为了恢复电池的储能;
③浮充电是为了抑制电池的自放电或保持储能
5.6充电电路的选择对蓄电池的充电是太阳能光伏系统储能部分的一个重要工作环节,对蓄电池的充电电路多采用DC一DC变换电路,充电电路的选择和充电效率对蓄电池的正常工作和工作寿命有着重要的意义以下将首先分析讨论几种常见的DC一DC充电电路拓扑结构,然后从效率和实际应用等方面选择提出一种充电电路拓扑,并进行电路级设计
5.7四种蓄电池充电电路拓扑的比较和选择在选择合适的蓄电池充电电路结构时,主要考虑DC一DC变换电路的电压增益火以满足所选择的蓄电池电压的要求,转换电路输出电流和电压纹波等影响蓄电池使用寿命和转换效率的参数,表
2.2所示上述四种充电电路拓扑的特性的比较和总结首先从蓄电池电压容量上分析从表中可以看出,Buck电路只能实现电压降低,Boost电路只能实现电压升高,而Buck一Boost和Cuk电路既能实现电压升高又能实现电压降低根据前文分析,选择的蓄电池电压Vo约为12V,而太阳能电池板的最佳输出电压VS约为17V因此DC一DC变换器应实现的功能为降压变换,从而排除Boost电路综上所述,选择Buck电路作为此次所讨论的太阳能光伏照明系统的蓄电池充电电路第六章LED照明系统光源的研究
6.1高亮LED的电学特性
6.
1.1高亮LED的发光原理高亮LED是由Ⅲ-Ⅴ族化合物,如GaAs砷化镓、GaP磷化镓、GaAsP磷砷化镓等半导体制成的,其核心是PN结,因此它具有一般PN结的I-V特性此外在一定条件下,它还具有发光特性在正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区当非平衡少数载流子与多数载流子复合时,就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能而发光理论和实践证明,光的峰值波长λ与发光区域的半导体材料禁带宽有关,即λ=1240/(mm)式中的单位为电子伏特eV若要产生可见光波长在380nm紫光~780nm红光,半导体材料的禁带宽度在
3.26eV~
1.63eV之间
6.
1.2LED的伏安特性控制LED的发光亮度,其实质是控制发光密度图6-1所示为普通LED的特性曲线从图中可以看出1LED的发光密度与其正向电流基本成正比例关系,因此可以通过控制LED的正向电流来控制其发光亮度2温度不变的情况下,控制LED的正向电压就可以控制其正向电流,从而控制其发光亮度在正向电压小于LED的导通电压时,电流极小,不发光而当正向电压高于LED的导通电压时,正向电流随电压迅速增加,从而使LED发光若对LED采用恒压源驱动,微小的正向电压变化就会引起正向电流的较大变化,从而引起LED亮度的较大变化图6-1普通LED的特性曲线
6.
1.3高亮LED的一些基本参数
(1)光强度光强度定义为单位立体角所射出额光通量,单位为坎德拉(cd)一般而言,光源会向不同方向以不同强度放射出其光通量,在特定方向单位立体角所发出之可见光辐射强度称之为光强度
(2)光通量能够被认的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率大小,单位为lm
(3)色度人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程,为了将色彩的描述加以量化,国际照明协会(CIE)根据标准观测者的视觉实验,将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感来加以记录,计算出红、绿、蓝三颜色的配色函数,根据此配色函数,使人们对色彩加以描述运用
(4)色温光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体辐射能量分布相同时,其光源色度与此黑体辐射之色度相同,此时光源色度以所对应之绝对温度表之,此温度称之为色温色温在3300k以下,光色偏红给以温暖的感觉;色温在3000-6000k为中间,人在此色调下有爽快的感觉;色温超过6000k,光色偏蓝,给人以清冷的感觉
6.2高亮LED的优缺点在电光源发展的一百多年来,光源照明电器已经经历了三个重要的发展阶段,这三个阶段的代表性光源分别是白炽灯、荧光灯和高强度气体放电灯而现在人们普遍认为LED将有望成为第四代光源特性名称耗电量(w)工作电压(v)协调控制发热量可靠性使用寿命(h)钨丝灯15~220220高高低3000节能灯3~150220不宜调光低低5000金属卤灯100220不易极高低3000霓虹灯500较高高高较低3000镁氖灯16w/m220较好较高较好6000日光灯4~100220不易较高低5000~8000冷阴极15w/m需逆变较好较好较低10000LED灯较低很低多种形式极低较高100000表6-1LED与传统灯的性能对比由表6-1分析可知,相对于其他目前比较普及的电光源来说,LED有如下优点1节能固体冷光源光效高,并且采用低电压,低电流启动,耗电少,可节能85%,符合国家节约能源的重大战略;2环保由于采用电致发光的原理,没有有害金属汞污染问题,废物可以回收并且LED是一种冷光源,辐射主要集中在可见光区,几乎不产生热量,也消除了非可见光区电磁波对人体的危害;3安全LED使用低压电源,比较适用于公共场合;4可靠LED具有坚固、耐震、耐冲击,寿命长等特性,光源稳定性好;5适用性体积小、重量轻,可平面封装,每个单元LED小片是3~5mm的正方形,因此可以封装成各种形状的器件,适合于易变的环境;6响应时间白炽灯的响应时间为毫秒级,而LED的响应时间为纳秒级,因此可以高频操作;7控制管理LED可以集中控制,也易于分散控制或对点进行调节控制还可以通过控制LED的电流调光,通过不同光色组合调色,达到多种动态变化效果正是由于这些优点,使得LED在仪器仪表显示、室内外显示广告牌、小尺寸LCD及手机背光源、交通信号灯、装饰灯、景观照明等领域的应用日益广泛,尤其是高亮度白光二极管更被视为“绿色照明光源”的明日之星随着发光效率的提高和成本的降低,特别是由于世界产油地区的局势动荡,全球能源短缺忧虑再度升高及欧盟已明令从2007年开始禁用含汞制品的背景下,高亮LED在照明市场的前景更受到全球瞩目按固体发光物理学原理,LED的发光效率能接近100%因此,LED作为照明光源必将成为继白炽灯、荧光灯、高强度气体放电灯之后的第四代光源目前高亮LED正处于初期发展阶段,其发光效率也在不断的提高,但还需要解决一些技术上的问题才能真正使LED在照明领域得到普及1功率低市面上的单体LED功率一般在5W以下,还没有出现更大功率的LED,这是目前LED难以成为照明首选的最大瓶颈;2需要严格控制温度LED是一种半导体材料,与普通二极管一样具有PN结,由于高亮二极管的功率相对较大,所以与功率半导体器件相同,需要考虑散热问题,结温过高会直接影响LED的寿命,并且会增大LED的光衰,情况严重的会将LED烧坏3价格高除了功率低,价格是LED难以成为照明的主要因素,虽然LED目前被大多数人认识,也被多数人看好,但其高昂的价格难以被消费者接受,目前单体黄色LED大约
0.6元/个,绿色和蓝色单体LED大约为
1.8元/个,白色LED的价格达到了
2.2-
5.5元/个左右如果将十几个单体LED组合,其成本将大大增加如果把一个LED安装在草坪灯里,其单价就相当于一般草坪灯的几倍,LED要成为未来照明的主流光源,就一定要朝着大流明方向发展,成本才可能降低,市场才可能突破
6.3十字型组合设计超高亮白光LED发光源使用平头LED和圆头LED的组合排列,共用LED240粒,竖支占40行8列,横支占10行16列,横支左右的最外侧两列均采用圆头LED,单双行交错排列,倾角均为30度第3列和第13列的倾角为
22.5度,第5列和11列的倾角为
22.5度,其他列均无倾角竖支的内部和横支部分的结构均为每8支平头LED排列成1菱形,这1菱形内部中心又有1圆头LED,相应圆头LED每4支也组合排列成1菱形,此种组合提高了发光源的发光灯均匀度并提高了LED的使用寿命排列结构见附录1LED组合的光通量与其它光源的对比见表6-2所示光源种类光通量(lm)平均寿命(小时)24WLED240010000024W白炽灯360100024W高压汞灯1200600024W石英卤素灯6002000/300024W普通日光灯16808000表6-2LED组合与光源的对比
6.4LED的布板合理的灯体结构也会起到散热的效果使用2-3cm的铝板做基板,按照使用的LED的数目在铝板上是打好孔径和LED外径相同的孔,再将LED紧配合镶嵌到铝板上,LED引脚在铝板后面相连灯的外壳也用金属材料制作,装好LED的铝板和金属外壳紧密装配,这样,灯工作时产生的热量可以通过铝板传导到金属外壳上,金属外壳暴露在空气中,热量就可以通过辐射和对流散去为了既减少灯的体积又保证较大的散热面积,灯体外壳应该是带肋条的散热片结构对于LED照明系统来讲,LED在工作过程中只能将一少部分的电能转化成光能,而大部分的能量被转化成了热能合理的LED布局虽能起到一定的散热作用,但是灯具整体的散热问题并没有得到根本解决,LED照明光源散热问题将在本文下节进行研究
6.5LED照明光源散热问题的研究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积极实施的能源战略之一太阳能LED照明系统的应用符合这一战略决策的发展趋势然而,LED照明系统的发展在很大程度上受到了散热问题的影响随着LED功率的增大,发热量增多,如果散热问题解决不好,热量集中在尺寸很小的芯片内,使得芯片内部温度越来越高当温度升高时将造成以下影响2工作电压减少;光强减少;光的波长变长⑵降低LED驱动器的效率、损伤磁性元件及输出电容器等的寿命,使LED驱动器的可靠度降低⑶降低LED的寿命,加速LED的光衰LED照明系统的散热问题已经成为制约该项技术发展的一个主要障碍目前,在解决LED照明系统的散热问题上主要采用的方法有调整LED的间距;合理加大LED与金属芯印制板间距离;打孔方式;安装风扇这些方法在实际应用中受到许多客观条件的影响,散热效果并不是很理想半导体制冷又称热电制冷是利用半导体材料的Peltier效应当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量可以实现制冷的目的它是一种产生负热阻的制冷技术其特点是无运动部件可靠性也比较高利用半导体制冷的方式来解决LED照明系统的散热问题,具有很高的实用价值
6.6本章小结太阳能控制系统采用12V直流系统,发光源使用的超高亮白光LED,其本身能耗与普通LED持平,但亮度达到20000mcd以上,是普通的LED的1倍以上,LED的直流管压降在
3.2-
3.4之间,所以4粒LED串联后很方便的就能得到12V系统的支持,且无需逆变过程,电能直接消耗于LED的光电转换过程中,可最大化的保证光能的转换与产生由于超高亮白光LED的光效高(即同等功率消耗下,所发出的亮度是节能灯的数倍以上),使用寿命长(可达10万小时以上),所以由超高亮白光LED组成的发光源所需功率消耗会大幅降低,同时太阳能电池及蓄电池的匹配也可大幅降低,降低成本;利用半导体制冷的方案来解决LED照明系统的散热问题进行研究,具有很高的实用价值太阳能电池板蓄电池LED光源控制器太阳能电池板蓄电池LED光源控制器驱动电路DC/DC输出驱动模块微处理器电源和复位模块太阳能电池电压采样模块蓄电池电压采样模块温度采样模块电阻分压网络显示模块时钟电路模块开始PWM输出采集U、I数据,A/D转换计算计算采集U、I数据,A/D转换PWM输出负载接口蓄电池接口功率回路光伏电池接口电流反馈电压反馈驱动电路电压反馈PWM调制器电源模块电流调节器电压调节器显示电路D/AMCUPIC16F877A按键输入UDARK=2UDARK4UDI=15UDI18Uov=10Uov11识别键号有键按下返回中断启动UDARK+
0.2Uov+
0.1更新EEPROM键号4键号1通、断负载UDI+
0.5键号3键号2。