基于單片機(jī)的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、吉林工程技術(shù)師范學(xué)院信 息 工 程 學(xué) 院 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 基于單片機(jī)的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計基于單片機(jī)的太陽能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計the design of solar street lamp control system based on mcu學(xué)生姓名： 張建木 班級： d0745 指導(dǎo)教師： 吉李滿 職稱： 副教授 專業(yè)名稱： 電子信息工程 答辯時間: 答辯委員會主席： 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱人： 2011 年 6 月摘 要隨著可持續(xù)發(fā)展的不斷深入，人們在積極開發(fā)各類可再生新能源的同時也在倡導(dǎo)節(jié)能減排的綠色環(huán)保技術(shù)。太陽能作為一種清潔的優(yōu)秀的可再生能源，已成為最有價值的新能源。而在照

2、明領(lǐng)域，壽命長、節(jié)能、安全、綠色環(huán)保、色彩豐富、微型化的led固態(tài)照明也已被公認(rèn)為一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。本文研究的路燈同時整合了這兩者的優(yōu)勢，利用清潔能源以及高效率的led實現(xiàn)綠色照明。太陽能led路燈是一種結(jié)合太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與led技術(shù)的新型路燈。系統(tǒng)通過蓄電池將太陽電池組件產(chǎn)生的電能儲存起來供負(fù)載在夜晚照明使用?；趩纹瑱C(jī)控制的太陽能路燈具有很多優(yōu)點：安全可靠，維護(hù)方便；不需要常規(guī)能源，不污染環(huán)境；安裝方便，自動控制。從而不僅節(jié)約了電能，而且避免了由于四季晝夜長短不一，需要調(diào)整電路系統(tǒng)的麻煩，使路燈更為人性化。關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電，蓄電池，發(fā)光二極管abstractwith the de

3、epening of the sustainable development, people are active in the development of all kinds of renewable energy, while also advocating green environmental technology of energy saving and reducing emission. solar energy as a kind of clean excellent renewable energy has become the most valuable new ener

4、gy. while in the lighting area, long life, energy saving, safety, green environmental protection, rich colors, miniaturization of light emitting diode (led) solid-state lighting has been considered as one of the important ways of saving energy and environmental protection. the street lamp in this pa

5、per simultaneously integrates both the advantages; utilize clean energy and high efficient led to realize green lighting. solar led lamp is one new type of street lamp by uniting solar photo- voltaic (pv) power generation technology and led technology. the system stores electrical energy via battery

6、, generated by components of solar cells, to supply night illumination of street lamps. solar street lamps based on mcu control have many advantages: safety, reliability, easy to maintain; energy saving, without pollution to environment; easy installation, automatic control. consequently, not only s

7、ave electrical energy but also avoid the troubles to need adjusting the circuit system due to the different day-and-nights lengths in the four seasons, to make the street lamp more user-friendly. key words: pv, battery, led目 錄第一章 緒論11.1 概述11.2 太陽能路燈的優(yōu)勢21.3 太陽能路燈的應(yīng)用現(xiàn)狀31.4 本論文研究的主要內(nèi)容5第二章 系統(tǒng)方案論證及選擇62.1

8、 方案比較與論證62.1.1 太陽能電池板的選擇62.1.2 蓄電池的選擇62.1.3 照明燈具的選擇82.1.4 控制器芯片的選擇92.2 方案的配置與計算112.2.1 路燈設(shè)計所需的數(shù)據(jù)112.2.3 路燈設(shè)計參數(shù)的確定12第三章 系統(tǒng)設(shè)計的理論分析143.1 系統(tǒng)基本介紹143.2 太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計總體分析153.3 太陽能光伏發(fā)電的理論153.4 控制器設(shè)計的理論基礎(chǔ)173.5 蓄電池的充放電原理183.6 蓄電池充電技術(shù)研究203.6.1 恒流充電203.6.2 恒壓充電213.6.3 恒壓限流充電223.6.4 兩階段、三階段充電223.6.5 快速充電233.6.6 智能充電

9、243.7 led的發(fā)光及驅(qū)動原理253.7.1 發(fā)光原理253.7.2 驅(qū)動原理27第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計294.1 系統(tǒng)電路框圖294.2 硬件設(shè)計的原理流程圖304.3 電源電路設(shè)計314.4 led指示電路314.5 光控電路324.6 led驅(qū)動電路設(shè)計334.7 涓流充電電路354.8 過充、過放控制電路354.9 單片機(jī)外圍電路設(shè)計374.9.1 復(fù)位模塊電路設(shè)計374.9.2 晶振電路374.9.3 按鍵開關(guān)電路384.9.4 顯示模塊電路設(shè)計38第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計405.1 系統(tǒng)軟件框圖405.2 計時程序設(shè)計415.3 中斷程序設(shè)計43第六章 系統(tǒng)調(diào)試446.1軟件調(diào)試

10、446.2硬件及總體電路調(diào)試446.3系統(tǒng)改進(jìn)方案45第七章 總結(jié)與展望46附錄 147附錄 248參考文獻(xiàn)i致 謝i前 言城市照明是一門科學(xué)、一種文化、一項藝術(shù)。城市照明體現(xiàn)了一個城市的形象，反映了一個城市的科學(xué)管理，是一項社會系統(tǒng)工程。太陽能led燈具以其優(yōu)越的節(jié)能效果、人文的光源照明控制，倍受客戶青睞，其性價比與工頻交流電燈具基本持平，且具有不破壞環(huán)境、不消耗不可再生能源的特點，易于客戶接受，所以只要光源充足的地方就有太陽能led燈具開發(fā)應(yīng)用的市場。太陽能led照明是未來照明的方向，其最大的特點：環(huán)保、節(jié)能、發(fā)光效率高，因此使它將會逐步取代傳統(tǒng)光源。更值得一提的是，led發(fā)光效率是以每十

11、年提高十倍的速度來提高，成本也將逐年下降。1.系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：(1)太陽能板：18v，110wp(2)輸出電壓：12v(3)輸出電流：恒流(4)燈具：6支1w大功率白光led(5)控制器：光控，時控，防止蓄電池過度充放電(6)陰雨天連續(xù)工作時間：7天2.系統(tǒng)用途：(1)安裝在公園、小區(qū)等小路兩旁當(dāng)路燈使用。(2)安裝在交通路段、港口等作為指示燈，保證交通航海的安全有序。(3)安裝在繁華鬧區(qū)或旅游景區(qū)作為裝飾照明，營造氣氛。(4)應(yīng)用于果園，種植園，草坪等場所，既可以照明又可以殺蟲。第一章 緒論1.1 概述跨入21世紀(jì)后，人類面臨著實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和能源可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，如何能在能源有限和環(huán)境保護(hù)的雙

12、重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球的熱點問題。而能源問題更為突出，不僅表現(xiàn)在常規(guī)能源的匱乏，更嚴(yán)重的是化石能源的開發(fā)利用更加劇了環(huán)境的惡化。主要表現(xiàn)為以下幾個方面：(1)能源短缺。常規(guī)能源的有限性和分布不均勻，造成了世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。從長遠(yuǎn)來看，全球已探明石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。因此，人類遲早要面臨化石燃料枯竭的危機(jī)局面。(2)環(huán)境污染。燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)排入天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，甚至在局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染

13、水土資源。(3)溫室效應(yīng)。化石能源的利用不僅造成環(huán)境污染，同時會排放大量的溫室氣體，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化。太陽能作為可再生能源，很早就被人們開發(fā)和利用了。隨著科學(xué)和技術(shù)的迅速發(fā)展，世界能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，利用常規(guī)能源已不能適應(yīng)世界經(jīng)濟(jì)快速增長的需要，開發(fā)和利用新能源，尤其是太陽能越來越引起各國政府的重視。同時，以煤、石油等作為燃料油面臨嚴(yán)重的環(huán)境污染，再者人民生活水平的提高對能源的需求量越來越大，這就迫使政府和社會在大力發(fā)展常規(guī)能源的同時必須加大對新能源的開發(fā)和利用。為貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀，把節(jié)約資源作為基本國策，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)

14、與人口、資源、環(huán)境相互協(xié)調(diào)發(fā)展的要求。因而，可再生、無污染的太陽能利用在世界各國崛起，世界光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。根據(jù)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護(hù)的需求，在可以預(yù)計的將來，光伏發(fā)電必將部分取代常規(guī)能源。目前太陽能企業(yè)面臨新機(jī)遇，由于光伏發(fā)電技術(shù)的逐漸成熟，成本不斷下降，太陽能的利用無處不在。各種各樣的利用太陽能開發(fā)的太陽能電子產(chǎn)品發(fā)展非常迅速。1.2 太陽能路燈的優(yōu)勢太陽能路燈以太陽光為能源，不需要鋪設(shè)復(fù)雜的管線，安全節(jié)能無污染。基于單片機(jī)的太陽能控制系統(tǒng)很好的把太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與單片機(jī)智能控制技術(shù)結(jié)合了起來。而且具有電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、實用性強(qiáng)等優(yōu)點。綜上，太陽能路燈較傳統(tǒng)路燈的優(yōu)勢有如下幾

15、點：1.節(jié)能環(huán)保：據(jù)統(tǒng)計，所有路燈改為太陽能路燈可以節(jié)省一個三峽水電站的發(fā)電量。不僅如此，太陽能是一種清潔的可再生能源，它不僅節(jié)約了電能，而且減少了二氧化碳的排放量。有關(guān)數(shù)據(jù)表明太陽能路燈每年可以減少7740萬噸二氧化碳就相當(dāng)于節(jié)省了310億美元的二氧化碳減量成本！2.可靠耐用：太陽能路燈在惡劣的環(huán)境和氣候條件下，光伏發(fā)電系統(tǒng)很少發(fā)生故障；目前絕大多數(shù)太陽能電池組件的生產(chǎn)技術(shù)都足以保證10年以上性能不下降，太陽能電池組件可以發(fā)電25年或更長的時間。 3.成本低廉：就產(chǎn)品本身價格和首次投入費用而言，太陽能路燈比普通路燈造價要高。若按使用壽命15年把運(yùn)行費用和路燈維護(hù)費用考慮進(jìn)去的話，太陽能路燈在

16、壽命周期內(nèi)所發(fā)生的總費用要比普通路燈的總費用要低。且規(guī)模越大，普通路燈安裝的相關(guān)費用越高，如把電力增容費用、架設(shè)電力變壓器、光源的功率因數(shù)補(bǔ)償耗能、電力電纜、遠(yuǎn)距離線路功率損耗及路燈開啟控制系統(tǒng)和管理人員工資等相關(guān)費用考慮進(jìn)去的話實際費用要遠(yuǎn)大于預(yù)計費用。 4.安全穩(wěn)定：運(yùn)行維護(hù)費用低，普通路燈明顯高于太陽能路燈，而且會隨著使用時間的增長而越來越高（電費、人工等）。太陽能路燈免維護(hù)，絕對安全，不會發(fā)生觸電事故且可通過改變控制方式來增強(qiáng)其穩(wěn)定性。5.自主供電：離網(wǎng)運(yùn)行的太陽能路燈具有供電的自主性、靈活性。但是太陽能led路燈的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)不只這些。一般認(rèn)為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉，但led比

17、節(jié)能燈還節(jié)能1/4，這是固體光源偉大的革新。除此之外，led還具有光線質(zhì)量高，基本上無輻射，可靠耐用，維護(hù)費用極為低廉等優(yōu)勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮led的研制成功，大大地降低了太陽能燈具使用成本，使之達(dá)到或接近工頻交流電照明系統(tǒng)初裝的成本報價，并且具有保護(hù)環(huán)境、安裝簡便、操作安全、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點。由于led具有發(fā)光效率高，發(fā)熱量低等優(yōu)勢，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用在照明領(lǐng)域，并呈現(xiàn)出取代傳統(tǒng)照明光源的趨勢。太陽能與led相結(jié)合的技術(shù)運(yùn)用在路燈領(lǐng)域完全符合“綠色，節(jié)能，低成本”的現(xiàn)代化設(shè)計理念。而且針對現(xiàn)階段太陽能led路燈研究遭遇技術(shù)“瓶頸”而處于“花香”卻難“滿園綻放”的尷尬境地的情況，這

18、個課題具有很大的研究價值，而從上面一系列的分析中也不難看出這個課題本身所具有的潛在價值更是無法估量的。1.3 太陽能路燈的應(yīng)用現(xiàn)狀在國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動下，太陽能產(chǎn)業(yè)從無到有、從小到大發(fā)展起來。國內(nèi)各大研究單位都對太陽能路燈作了詳盡的研究，特別是近幾年來，在“產(chǎn)業(yè)上規(guī)模、技術(shù)上水平、產(chǎn)品上檔次和市場上規(guī)范”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路引導(dǎo)下，太陽能產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，如太陽能熱水器、太陽能光伏電池技術(shù)日趨成熟，產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。近年來，隨著我國城市建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和建設(shè)水平的不斷提高，我國城市的路燈總數(shù)以每年約20%的平均速度遞增，全國數(shù)千萬盞路燈的節(jié)電問題已引起政府部門的關(guān)注。在能源日趨緊張、電力供

19、應(yīng)持續(xù)緊張的今天，低效、高耗的傳統(tǒng)城市照明已成為節(jié)能降耗的重要領(lǐng)域。為此，建設(shè)部和發(fā)改委明確提出城市道路照明要向“高效、節(jié)能、環(huán)保、健康”的“綠色照明”方向發(fā)展。隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能路燈以環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢成為城市道路照明行業(yè)的新寵，市場潛力巨大。我國太陽能路燈首先在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)使用，上海市于2005年在崇明島建成風(fēng)光互補(bǔ)道路照明工程。在我國西部，非主干道太陽能路燈、太陽能庭院燈漸成規(guī)模，太陽能資源相對豐富的青海省自2006年以來已在西寧等地安裝太陽能路燈超過200套；在北京奧運(yùn)會主要場館及其相關(guān)場所，太陽能路燈得到普遍應(yīng)用。歐洲各國都在開辟通向持久能源的通道，影響他們決策的主要

20、因素是環(huán)境保護(hù)、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會和能源供應(yīng)的安全可靠，可再生能源技術(shù)在這些方面有著較大優(yōu)勢。它對環(huán)境的影響最小、可替代部分常規(guī)能源、增加能源供應(yīng)的安全性和可靠性。它要求較大的設(shè)備投資、創(chuàng)造了更多的就業(yè)機(jī)會、有助于經(jīng)濟(jì)增長。在歐洲大部分地區(qū)，環(huán)保的思路推動著替代能源技術(shù)的開發(fā)，太陽能被公認(rèn)為是一種極好的替代能源。它的利用有助于降低co2的排放，因而達(dá)到保護(hù)環(huán)境，很多國家，如丹麥、芬蘭、德國和瑞士，都認(rèn)為氣候變暖是推動太陽能研究開發(fā)、發(fā)展和銷售活動的主要因素。盡管受到常規(guī)能源的低價影響，在歐洲很多國家中，太陽能路燈市場仍然持續(xù)增長。1.4 本論文研究的主要內(nèi)容1.分析太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和led技術(shù)2.

21、根據(jù)太陽能電池板輸出特性和蓄電池的特性，設(shè)計蓄電池的充放電控制方法。4.根據(jù)led驅(qū)動原理設(shè)計led驅(qū)動電路3.設(shè)計電源控制電路。5.根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計控制器外圍電路。6.編寫單片機(jī)執(zhí)行程序。7.調(diào)試、實驗硬件電路，保證可以實現(xiàn)既定功能。第二章 系統(tǒng)方案論證及選擇2.1 方案比較與論證2.1.1 太陽能電池板的選擇太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。在眾多太陽光電池中比較普遍且較實用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池等三種。(1)單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定，適合在陰雨天比較多、

22、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)使用；(2)多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單，價格比單晶硅低，適合在太陽光充足、日照好的東西部地區(qū)使用；(3)非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低，適合在室外陽光不足的地區(qū)使用。太陽能電池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍，才能保證給蓄電池正常充電。如6v蓄電池充電需要用89v太陽能電池，給12v蓄電池充電需要用1518v太陽能電池。2.1.2 蓄電池的選擇由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。一般有鉛酸蓄電池、ni-cd蓄電池、ni-h蓄電池。鉛酸蓄電池有多種充電形式，主要為：恒流充電、恒壓充電和3階段最優(yōu)形式充電。一般

23、來講，這種蓄電池充電時，應(yīng)外接直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。其過充電時間與充電速率有關(guān)，實際工作中可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。鎳鎘（ni-cd）蓄電池的正極為氧化鎳，其負(fù)極為海綿狀金屬鎘，電解液多為氫氧化鉀，氫氧化鈉堿性水溶液。小型密封鎳鎘電池的結(jié)構(gòu)緊湊，堅固，耐沖擊，震動，成品電池自放電小，在使用上適合大電流放電，使用溫度范圍廣，零下40度到零上60度。鎳氫（ni-h）蓄電池鎳氫電池的設(shè)計源于鎳鎘電池，但在改善鎳鎘電池的記憶效應(yīng)上，有極大的發(fā)展。其主要的改變，在于以儲氫合金取代負(fù)極原

24、來使用的鎘，因此鎳氫電池可以說是材料革新的典型代表。鎳氫電池所造成的污染，會比含有鎘的鎳鎘電池小很多。蓄電池是太陽能燈具的核心部件，它儲存、并釋放電能，功能等同于電能倉庫。蓄電池容量的選擇一般遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件吸收的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、用電負(fù)荷（路燈）相匹配?？捎靡环N簡單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池功率必須比負(fù)載功率高出4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽能電池的電壓要

25、超過蓄電池的工作電壓2030%，才能保證給蓄電池正常供電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜。蓄電池結(jié)構(gòu)分為：板柵（正極板柵、負(fù)極板柵）、隔板、電解質(zhì)及其它部件（外殼、電氣蓋等）。目前市場上蓄電池因酸液不同分為鉛酸蓄電池和膠體蓄電池（固體蓄電池）。鉛酸蓄電池因其維護(hù)復(fù)雜（酸液因為析氫的損耗，需要補(bǔ)充酸液），使用壽命短（3年左右），自恢復(fù)能力差等因素，正逐漸被膠體蓄電池所替代。膠體蓄電池的特點：1.深度放電后回充電性能強(qiáng)，甚至在放電后未及時補(bǔ)充電的情況下容量也能100得到回充；2.循環(huán)使用壽命長達(dá)810年，適合每天使用；3.適合用于較長時間的放電使用；4.工作環(huán)境溫度更高；5.優(yōu)越的耐低溫

26、性能；6.適合在電力干線不穩(wěn)定的環(huán)境下使用；7.無流動的膠體電解液使電解液在電池內(nèi)部不產(chǎn)生分層現(xiàn)象；8.自放電小，很小均衡充電；9.內(nèi)阻低，充電接受能力強(qiáng)；10.與普通鉛酸蓄電池相比較，電池內(nèi)部水分損耗小。綜上對比，以及客觀條件的要求可得，太陽能燈具優(yōu)先采用膠體蓄電池。2.1.3 照明燈具的選擇太陽能路燈采用何種光源，是判斷太陽能燈具能否正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、led光源。1.低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，但使用壽命在2000小時左右，電壓低，燈管發(fā)黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。2.低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達(dá)200lm/w），但需逆變器，低壓

27、鈉燈價格貴，整個系統(tǒng)造價高，采用較少。3.無極燈：功率小，光效較高。該燈在220v（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達(dá)到5萬小時，但在太陽能燈具上使用壽命大大減少，與普通節(jié)能燈差不多（因為太陽能燈具都是方波逆變器，太陽能電源220v輸出頻率、相位、電壓都是不能和普通市電相比的）。4.led：led燈光源，壽命長，可達(dá)100000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產(chǎn)50lm/w，進(jìn)口80lm/w。隨著技術(shù)進(jìn)步，led的性能將進(jìn)一步提高。筆者認(rèn)為led作為太陽能路燈的光源將是一種趨勢。因此，為達(dá)到最佳性能要求，選擇led燈具作為光源。2.1.4 控制器芯片的選擇智能化

28、控制芯片中，單片機(jī)憑其體積小、封裝形式簡單、易于焊接、功能齊全、功耗較小等優(yōu)點不失為最佳選擇。利用單片機(jī)完全可以實現(xiàn)路燈亮度的自動調(diào)節(jié)并能達(dá)到節(jié)省能源的目的，并且一旦開機(jī)就可以智能地持續(xù)工作，減少了工作人員的維護(hù)量。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，充電器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，能快速、平穩(wěn)高效的為蓄電池充電，同時保護(hù)蓄電池，避免過充現(xiàn)象的發(fā)生，并在充電過程中減少損耗，盡量延長蓄電池的使用壽命。選擇控制器的關(guān)鍵取決于芯片的不同和電路的不同，以下從三個方面進(jìn)行對比論證。首先是簡易并聯(lián)調(diào)節(jié)的控制器，其近似可以看作是恒流源對蓄電池充電。因此，當(dāng)在蓄電池達(dá)到浮充電壓點時，蓄電池并沒有充滿，切斷電

29、源后，蓄電池電壓會有很大的降落。如果將浮充電電壓點值設(shè)定得太高，欲使蓄電池盡量充滿，這樣又會導(dǎo)致蓄電池的過早損壞。其充放電曲線不是很好，因此只適用于小功率的用戶和要求不高的場合，特別適用于12v和24v輸入的220w以下的用戶系統(tǒng)。其次是pic1f6716，眾所周知的pic系列單片機(jī)具有的特點有，哈佛總線結(jié)構(gòu)，精簡指令集技術(shù)，尋址方式簡單、尋址空間獨立，代碼壓縮率高、程序保密性強(qiáng)，功耗低，驅(qū)動力強(qiáng)，擁有兩種串行總線端口，外接電路簡潔，開發(fā)方便，運(yùn)用c語言編程，程序存儲器版本齊全等。具有性能完善，功能強(qiáng)大，學(xué)習(xí)容易，開發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點。最后，對于芯片at89c51的單片機(jī)。at89c51單片機(jī)是

30、美國atmel公司生產(chǎn)的低電壓，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度，非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)。功能強(qiáng)大的at89c51單片機(jī)可為用戶提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。at89c51的芯片管腳圖如圖2-1.其主要特性為：與mcs-51兼容4k字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級程序存儲器鎖定1288位內(nèi)部ram 32可編程i/o線 兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷

31、源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路鑒于對at89c51比較熟悉，而且對于應(yīng)用大型功率無人看守的光伏發(fā)電系統(tǒng)，直接關(guān)系到運(yùn)行、維修的成本及系統(tǒng)的可靠性因此選擇此款芯片。圖2-1 at89c51芯片管腳2.2 方案的配置與計算在眾多太陽能路燈實際應(yīng)用中，很多地方的太陽能路燈不能滿足正常照明需要，尤其在陰雨天的情況下更為突出，除使用了質(zhì)量較差的相關(guān)組件外，另一個主要的原因就是一味的降低組件成本，不按需求設(shè)計配置，減小電池板和蓄電池的使用標(biāo)準(zhǔn)，所以導(dǎo)致在陰雨天路燈無法提供照明。2.2.1 路燈設(shè)計所需的數(shù)據(jù)1.太陽能路燈使用地的經(jīng)度與緯度。通過地理位置可以了解并掌握設(shè)備使用地

32、的氣象資源，比如月（年）的平均太陽能輻照情況、平均氣溫、大氣質(zhì)量等，根據(jù)這些條件可以確定當(dāng)?shù)氐奶柲軜?biāo)準(zhǔn)峰值時數(shù)(h)和太陽能電池組件的傾斜腳與方位角。2.路燈所選用光源的功率。光源功率大小直接影響整個系統(tǒng)的參數(shù)。3.太陽能路燈每天晚上工作時間(h)。這是決定系統(tǒng)組件大小的核心參數(shù)，通過確定工作時間，可以初步計算負(fù)載每天的功耗和與之對應(yīng)的太陽能電池組件的充電電流。4.太陽能路燈需要保持的連續(xù)陰雨天數(shù)(d)。此參數(shù)決定了蓄電池容量大小及陰雨天過后恢復(fù)電池容量所需要的太陽能電池組件功率。5.確定兩個連續(xù)陰雨天之間的間隔天數(shù)(d)。這是決定系統(tǒng)在一個連續(xù)陰雨天過后充滿蓄電池所需要的電池組件功率。2.

33、2.3 路燈設(shè)計參數(shù)的確定以某市為例，安裝一批太陽能路燈，光源功率8w，要求路燈每天工作11小時，保證連續(xù)7個陰雨天能正常工作。當(dāng)?shù)貣|經(jīng)114度，北緯23度，年平均日太陽輻射為3.82kw.h/m2，年平均月氣溫為20.5度，兩個連續(xù)的陰雨天間隔時長25天。根據(jù)以上資料，計算出光伏組件傾斜角26度，標(biāo)準(zhǔn)峰值時數(shù)約4小時。(1) 負(fù)載日耗電量： (2-1)式中u為系統(tǒng)蓄電池標(biāo)稱電壓(2)滿足負(fù)載日用電的光伏組件的充電電流： (2-2)式中系數(shù)分別為太陽能充電綜合損失系數(shù)，蓄電池充電效率和控制器效率(3)蓄電池容量： (2-3)式中0.75為蓄電池放電深度，1.2為蓄電池安全系數(shù)(4)連續(xù)陰雨天過

34、后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流： (2-4)式中0.75為蓄電池放電深度(5)太陽能電池組件的功率為： (2-5)式中18為太陽能電池工作電壓第三章 系統(tǒng)設(shè)計的理論分析3.1 系統(tǒng)基本介紹系統(tǒng)由太陽能電池組件部分(包括支架)、led光源、控制箱(內(nèi)有控制器)等幾部分構(gòu)成,太陽能電池板的設(shè)計對系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計非常有利。蓄電池采用地埋式，蓄電池箱采用防腐材料加工而成，可有防盜、防水、易于維修等作用。如圖3-1所示。太陽能電池：吸收太陽能，將光能轉(zhuǎn)換成直流電能?？刂破鳎嚎刂菩铍姵氐某浞烹姷纳疃龋娱L蓄電池壽命，控制負(fù)載運(yùn)行時間及狀態(tài)。蓄電池：儲存太陽能電池板產(chǎn)生的電能，在夜晚為負(fù)載提供電

35、力。圖3-1 系統(tǒng)組成3.2 太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計總體分析太陽能路燈以控制、工作方式的不同，可分為兩種系統(tǒng)：1、光控開光控關(guān)原理：白天，太陽光照射到太陽電池組件表面時，光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，并通過控制器對蓄電池進(jìn)行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽電池組件產(chǎn)生的電壓不斷下降，當(dāng)電壓值低于控制器設(shè)置的啟動電壓值時，控制器啟動負(fù)載工作。光線逐漸增強(qiáng)，電池組件產(chǎn)生的電壓增大并達(dá)到控制器設(shè)定關(guān)斷電壓值時，控制器切斷負(fù)載。2、光控開時控關(guān)原理：白天，太陽光照射到太陽電池組件表面時，光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，并通過控制器對蓄電池進(jìn)行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽電池組件產(chǎn)生的電壓不斷下降，當(dāng)電壓值低于控制器設(shè)置的啟動電壓值時，

36、控制器啟動負(fù)載工作。當(dāng)負(fù)載工作時間達(dá)到控制器預(yù)先設(shè)定時間時，控制器切斷負(fù)載，負(fù)載停止工作。由于單片機(jī)程序設(shè)計十分靈活，所以可由軟件設(shè)計選擇控制方式。本系統(tǒng)的程序采用第二種方案。3.3 太陽能光伏發(fā)電的理論為什么半導(dǎo)體pn結(jié)經(jīng)由太陽光一照就有電呢?科學(xué)家們將這種光照生電的現(xiàn)象叫做“光生伏打效應(yīng)”，簡稱“光伏效應(yīng)”。光伏效應(yīng)的核心原理就是pn結(jié)的“空穴導(dǎo)電”。空穴代表著正電荷，正電荷的移動就形成了電流，這個電流就叫“光生電流”，它與光電池板的面積、光照度、光電池板表面溫度等因素有關(guān)。實驗證明，光生電流的大小，受光電池板安裝角度偏差的影響也是非常大的而且變化迅速，在相同實驗條件下，光伏電壓對安裝角度

37、的偏差變化則反應(yīng)遲鈍，受其影響很小。電池的驅(qū)動能力的大小也即電動勢的大小與電流是直接相關(guān)的，雖然電動勢是以“伏特”為單位來表示的，但其“實力”是由內(nèi)部電流的強(qiáng)弱決定的，實踐中我們經(jīng)常能遇到這樣的情況，一節(jié)（塊）電池的電壓還很高，但是電流特別小，電壓再高也是虛的。那什么是電流呢？電流就是電子的定向移動?；芈分须娏鞯姆较蛴肋h(yuǎn)與電子流動的方向相反。對太陽能電池來說，光生電流的方向就是“空穴”移動的方向，也就是電子流的反方向。光生電流決定了太陽能電池的發(fā)電效率，因此光電產(chǎn)品和光伏發(fā)電工程特別要注意光電池組件板的安裝角度。角度偏差一點，光生電流都會下降很多。光生電流的產(chǎn)生，表面上看是“空穴導(dǎo)電”形成的，

38、但實質(zhì)上還是電子的“定向填充空穴”形成的。那么“空穴移動”和電子“填充空穴”又是怎么回事呢？先看看太陽能電池的制作材料單晶硅的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。單晶硅內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)是四價電子結(jié)晶形態(tài)。硅原子靠這四價電子相互間形成強(qiáng)勁有力的離子鍵從而即相互吸引、又相互排斥，所有的硅原子都形成有規(guī)則的排列，豎看成列，縱看成行，美麗而神奇。原子間的空格也叫晶格，是自由電子活動的空間。p型半導(dǎo)體就是在美麗的四價單晶硅中摻雜了三價的硼原子，結(jié)果，某一個硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因為硼原子周圍只有三個電子，必定有一對離子鍵因失配而呈現(xiàn)“空缺”（缺少單價電子相配），這就存在了一種不穩(wěn)定或者說不平衡的趨勢，“空穴”的形象化比

39、喻由此而來，“空穴”時時表現(xiàn)出使晶格趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。這就是p型半導(dǎo)體的特性。再說n型半導(dǎo)體。與p型半導(dǎo)體相類似，單晶硅在高溫高壓下形成結(jié)晶態(tài)之前，在純硅當(dāng)中摻雜了五價的磷原子，結(jié)晶形成后，某一個磷原子占據(jù)了硅原子的位置混在晶格中，結(jié)果必定有一價電子找不到配對、無家可歸因而成為不安定因素。n型半導(dǎo)體就形成了?，F(xiàn)在要做一件好事，就是把p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體貼合在一起。結(jié)果在接觸面上就形成了很薄的半導(dǎo)體膜層，這個膜層被科學(xué)家稱為pn結(jié)，pn結(jié)是一個內(nèi)建電場，具有單向?qū)щ娦?，即加上正向電場就?dǎo)通，加上反向電場就截止。pn結(jié)是半導(dǎo)體器件技術(shù)和電子科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。目前實驗室內(nèi)的pn結(jié)可以細(xì)微到納米級。

40、這意味著超大規(guī)模集成電路的開發(fā)應(yīng)用會來一次歷史性的飛躍，帶給我們的好處是最高檔的pc機(jī)可以制作得很輕、很薄、很小巧。太陽能電池的外表面向陽的一面是富空穴的p型半導(dǎo)體，緊貼下面的就是富電子的n型半導(dǎo)體。在太陽光子的激發(fā)下，n區(qū)的自由電子異常活躍，終于沖破pn結(jié)的阻擋，逐次開始填充p區(qū)中的空穴。有意思的是，這些空穴由下向上依次被電子填充，就好像空穴由上而下在悄悄移動。這就是“空穴的移動”，這個移動是虛擬移動，晶格中的每個原子都在各自的位置上紋絲不動，動的只是與正電荷相配對的電子而已。太陽能電池的電動勢由此而生。但是，空穴的虛擬移動和電子的實際定向移動還都只是帶有電荷的載流子向電池上下兩面的聚集，只

41、能形成電動勢，還不能形成電流。要形成電流還得怎么樣？還要在電池的兩端加上導(dǎo)線使其構(gòu)成回路才行。3.4 控制器設(shè)計的理論基礎(chǔ)太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中最為重要的部件，也是各種路燈系統(tǒng)最大的區(qū)別所在?？梢哉f，光伏路燈系統(tǒng)的不同，其實質(zhì)就是控制器的不同。其設(shè)計的好壞，決定了一個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況的優(yōu)劣。所以設(shè)計功能完備，結(jié)構(gòu)簡單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。太陽能燈具中,一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命,必須對它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方,合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。同時太陽能控制器應(yīng)兼有路燈控制功

42、能,具有光控、時控的功能,并應(yīng)具備夜間自動切斷負(fù)載功能,便于陰雨天延長路燈工作時間?？刂颇K的基本思想是檢測太陽能電池板電壓，若白天到，封鎖控制電路，led燈關(guān)閉；夜晚，太陽能電池板電壓較低，開啟控制電路，led燈點亮。同時檢測蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對負(fù)載led的供電方式?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)電路主要由充電電路、放電電路、單片機(jī)外圍電路和led驅(qū)動電路等幾部分組成。太陽能控制器功能：1.電池組件防反充保護(hù)；2.蓄電池過充保護(hù)；3.蓄電池的過放保護(hù)。4.電池組件、蓄電池的反接保護(hù)；5.負(fù)載過壓保護(hù)；6.智能充電：增加浮充功能，即恒壓控制。3.5 蓄電池的充放電原理以鉛酸電池為例。所謂蓄電池即是

43、貯存化學(xué)能量，于必要時放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)備。 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛（），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（），與電解液中的硫酸（）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個電子（2e）。可見，在未接通外電路時（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如圖3-2所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。圖3-2 鉛酸蓄電池電動勢產(chǎn)生原理其原理可通過下面的反應(yīng)方程式來表示：負(fù)極：

44、 (3-1)正極： (3-2)總反應(yīng)： (3-3) 1. 放電中的化學(xué)變化 蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng),生成新化合物“硫酸鉛”。經(jīng)由放電，硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測其比重，即可得知放電量或殘余電量。 2. 充電中的化學(xué)變化 由于放電時在陽極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會在充電時被分解還原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此電池內(nèi)電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升，并逐漸回復(fù)到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質(zhì)已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當(dāng)兩極的硫酸鉛被還原成

45、原來的活性物質(zhì)時，即等于充電結(jié)束，而陰極板就產(chǎn)生氫，陽極板則產(chǎn)生氧，充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會減少，此時應(yīng)以純水補(bǔ)充。太陽能綜合供電系統(tǒng)中的蓄電池主要以浮充方式運(yùn)行。一般來說，當(dāng)有日照時，蓄電池與光伏陣列發(fā)電裝置并聯(lián)運(yùn)行，此時蓄電池自放電或瞬間放電所損失的容量由浮充電流補(bǔ)足；在無日照時，則由蓄電池單獨向負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池組電量未飽和時，系統(tǒng)通過輸入變換單元對蓄電池組進(jìn)行補(bǔ)充充電。隨著充電過程的進(jìn)行，蓄電池組端電壓將逐漸上升，控制單元適時檢測蓄電池組的荷電狀態(tài)，當(dāng)蓄電池組端電壓達(dá)到充電保護(hù)電壓時，充電過程終止。在浮充方式運(yùn)行下的蓄電池，其充放電循環(huán)次數(shù)較少，自放電和瞬

46、間放電后的電量能夠很快恢復(fù)，因此蓄電池的使用壽命可以得到延長。3.6 蓄電池充電技術(shù)研究蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法3.6.1 恒流充電恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種方法特別適合于有多個蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長時間的充電模式。這種充電方式的不足之處是，蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長，特別在充電后期，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗

47、高，其充電效率不足65%。為避免充電后期電流過大的缺點，一種改進(jìn)型的恒流方法得到應(yīng)用，它就是分段恒流充電，這種方法在充電后期把電流減小。具體充電電流的大小、充電時間以及何時轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說明書中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。充電過程中電壓、電流變化關(guān)系如圖3-3所示。 圖3-3 恒流充電曲線 圖3-4 恒壓充電曲線3.6.2 恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對蓄電池進(jìn)行充電。因此在充電初期由于蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的漸漸升高，電流逐漸減小。在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中就不必調(diào)整電流。相對恒流充電來說，此法的充電電流自動減小，所

48、以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達(dá)80%，如充電電壓選擇適當(dāng)，可在8小時內(nèi)完成充電。此法的充電特性曲線如圖3-4所示，此法也有其不足之處： 在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過流而受到損傷。 如果蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電。 蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方式，在光伏小系統(tǒng)中常采用，由于其充電電源來自太陽能陣列，其功率不足以使蓄電池產(chǎn)生很大的電流，所以在這樣的系統(tǒng)中蓄電池組串聯(lián)不多。3.6.3 恒壓限流充電恒壓限流充

49、電方式是為克服恒壓充電時初始電流過大而進(jìn)行改進(jìn)的一種方式。它是在充電電源與蓄電池之間串聯(lián)一限流電阻，當(dāng)電流大時，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當(dāng)電流小時，限流電阻上的電壓降也小，從而加到蓄電池上的電壓也增大，這樣就自動調(diào)整了充電電流，使之在某個限定范圍內(nèi)，這樣在充電初期的電流就得到限制，雖然充電控制器輸出是恒壓，但加在蓄電池上的電壓不為恒壓，因此也稱這種方式為準(zhǔn)恒壓方式。這種采用串電阻限流的方式對于光伏系統(tǒng)來說，肯定是不實用的，因為串聯(lián)電阻將消耗掉有限的電能。但如果采用其它非能耗限流方式，還是有其優(yōu)越性。3.6.4 兩階段、三階段充電這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點而結(jié)合的一種充電

50、策略。它要求首先對蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓方式進(jìn)行充電。這樣蓄電池在初期充電不會出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。其充電特性如圖3-5所示。在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達(dá)其額定容量(當(dāng)時環(huán)境條件下)時，許多充電控制器允許對蓄電池繼續(xù)以小電流進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)蓄電池的自放電，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。這就是在兩階段基礎(chǔ)上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。如圖3-5的虛線段。圖3-5 兩階段、三階段充電曲線3.6.5 快速充電正常充電方式蓄電池從0%到100%容量比，一般需要8-20小時，充電時間長。在

51、某些場合需要縮短充電時間，但采用電流過大時蓄電池的溫度會升高過快，對蓄電池有損害，且電流利用率也下降?？焖俪潆娋褪遣捎么箅娏骱透唠妷簩π铍姵爻潆?，在1-2小時內(nèi)把蓄電池充好，而且在這個過程中不會使蓄電池產(chǎn)生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過高(一般在45以下)。這種方式解決不產(chǎn)生大量析氣和不使溫度升高過大的方法是采用不斷地脈沖充電和反向電流短時間放電相結(jié)合方法。短時反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過程中產(chǎn)生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時間。當(dāng)然脈沖充電電流、持續(xù)時間和放電電流以及持續(xù)時間必須根據(jù)蓄電池的要求進(jìn)行。3.6.6 智能充電智能充電是以美國人j.a.mas（馬斯）研究

52、提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線。1967 年美國學(xué)者麥斯(j. a. mas)經(jīng)過大量試驗提出了電池充電可接受電流定律，如式3-4 所示 (3-4)上式中：電池可接受的充電電流；開始充電(t=0)時電池可接受的最大充電電流；a充電可接受電流衰減常數(shù)(接收率)，與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，a=i /c，其中i 為任意充電狀態(tài)下蓄電池可接受的充電電流，c 表示蓄電池的容量。由此可見，a 的數(shù)值越大則表示蓄電池的充電接受能力越強(qiáng)，其充電時間也就越短。電池在充電過程中其充電可接受電流按圖3-6所示，具有指數(shù)規(guī)律下降

53、的可接受電流特性。當(dāng)充電電流大于充電可接受電流時，即處在1 區(qū)域時則會導(dǎo)致部分電流消耗于電離電解液中的水，使電池電解液產(chǎn)生析氣反應(yīng)；當(dāng)充電電流在可接受電流曲線以下時，即處在2 區(qū)域時，不產(chǎn)生析氣，此時充入的電量幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵氐幕瘜W(xué)能量。在1 區(qū)域時，充電電流越大，電解水反應(yīng)就越劇烈，并使電池內(nèi)部的壓力增大、溫升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。圖3-6充電可接受電流曲線圖雖說按照圖3-6所示的特性曲線進(jìn)行充電，可以使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對蓄電池影響較小。但是在光伏系統(tǒng)中因為充電電源本身并不是真正意義上的“無

54、限電源”，而是來自太陽能光伏陣列這個“有限電源”，對蓄電池充電的同時還必須考慮電源電流的“來源”是否足夠。3.7 led的發(fā)光及驅(qū)動原理3.7.1 發(fā)光原理發(fā)光二極體是一種將電流順向通到半導(dǎo)體p-n結(jié)處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)。led發(fā)光的原理如下：1.p-n結(jié)電子注入發(fā)光如圖3-7所示。p-n結(jié)結(jié)電壓構(gòu)成一定的勢壘；當(dāng)加正向偏置時勢壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)散。由于電子遷移率比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向p區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對p區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時得到的能量以光能的形式釋放。圖3-7p-n結(jié)發(fā)光的原理圖2.異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光白光為了提

55、高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)（兩種不同材料的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域）。圖3-8左圖表示未加偏置時的異質(zhì)結(jié)能級圖，對電子和空穴具有不同高度的勢壘。右圖表示加正向偏置后，這兩個勢壘均減小。但空穴的勢壘小得多，而且空穴不斷從p區(qū)向n區(qū)擴(kuò)散，得到較高的注入效率，n區(qū)的電子注入p區(qū)的速率卻較小。這樣n區(qū)的電子就越遷到價帶與注入的空穴復(fù)合，而發(fā)射出由n型半導(dǎo)體能隙所決定的輻射。由于p取得的能隙大，光輻射無法把點自己發(fā)到導(dǎo)帶，因此不發(fā)生光的吸收，從而可直接透射處發(fā)光二極管外，減少了光能的損失。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體二極管同樣加正向電壓，但效果不同。發(fā)光二極管把注入的載流子轉(zhuǎn)變成光子，輻射出光。一般半導(dǎo)體二極管注入的載流子構(gòu)成正向電流。應(yīng)嚴(yán)格加以區(qū)別。圖3-8 異質(zhì)結(jié)發(fā)光原理圖led有三種激勵方式：(1)用藍(lán)色led激勵發(fā)黃光的熒光體。這種白光構(gòu)就是將藍(lán)光led與yag熒光物質(zhì)放在一起，用藍(lán)光激發(fā)熒光物質(zhì)，這樣它發(fā)出的光譜就是白光。在這方面日亞化學(xué)公司擁有世界性的專利。(2)用紫外led激勵rgb熒光體。激勵熒光體的白色led照明光源因熒光體組拿來不同可發(fā)射白光以外的各種顏色的光，因而可廣泛應(yīng)用于照明。用r.g.b三基色led開發(fā)了白色led，現(xiàn)實驗室水準(zhǔn)的發(fā)光效率已超過50 lm/w，近幾年內(nèi)可望超過100 lm/w，而紅光部份最佳的發(fā)光效率已超過100 lm/w。(3)利