太陽能LED照明系統(tǒng)的設(shè)計(最終方案

1、I目錄中文摘要ABSTRACT第一章 引言1.1選題的背景和意義.11.2國內(nèi)外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀.1.2.1世界光伏產(chǎn)業(yè)的新進展及應(yīng)用特點.1.2.2我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀.1.3光伏電源具有以下優(yōu)勢.1.4新一代照明光源-白光LED.1.5論文的研究目的和意義.第二章 太陽能LED照明系統(tǒng)的總體設(shè)計.2.1太陽能LED照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu).2.2控制器的整體結(jié)構(gòu)第三章 太陽能電池板3.1太陽能的工作原理和特性3.1.1太陽能電池的基本原理3.1.2太陽能電池的特性曲線3.2太陽能電池的最大功率跟蹤3.2.1最大功率點跟蹤原理3.3本系統(tǒng)采用的MPPT控制方式3.3.1功率比較法3.3.1.1功率

2、比較法原理3.3.1.2功率比較法的算法設(shè)計3.4本章小結(jié)第四章 主體電路的設(shè)計4.1整體電路設(shè)計4.1.1電源電路設(shè)計4.1.2 LED驅(qū)動電路4.2單片機的算法實現(xiàn)4.3 DC/DC變換器式.254.3本系統(tǒng)采用的MPPT控制方式.294.3.1功率比較法.294.3.2最大功率的模糊控制.324.4本章小結(jié).33第五章太陽能LED照明系統(tǒng)光源優(yōu)化的研究.345.1超高亮白光LED的原理和特性.345.1.1發(fā)光原理.345.1.2工作特性.345.2 LED照明系統(tǒng)光源亮度的提高方案.355.2.1光度量參數(shù)及其測量方法.355.2.2主要技術(shù)改進.365.2.3 LED的布板.375.

3、3 LED照明光源散熱問題的研究.375.3.1半導(dǎo)體制冷的工作原理.385.3.2半導(dǎo)體制冷的散熱效果.395.3.3半導(dǎo)體制冷的設(shè)計.405.4本章小結(jié).40六章結(jié)束語.416.1本文所做的工作及得到的結(jié)論.41有待于進一步研究的問題.41考文獻.43謝.46錄.47學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和參加的科研情況.52第一章 引言1.1選題的背景和意義在世界能源短缺,環(huán)境污染日益嚴重的今天,充分開發(fā)并利用太陽能是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。太陽能LED照明系統(tǒng)以其不用專人管理和控制，安裝一次性投資無需日后電費開支，無需架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜，可以方便安裝在廣場、校園、公園、街道等多方面

4、的優(yōu)點而越來越受重視。我國在1996年提出了“綠色照明工程”，主要就是為了解決與照明相關(guān)的能源供應(yīng)和經(jīng)濟效益問題。綠色照明的科學(xué)定義為：綠色照明是指通過科學(xué)的照明設(shè)計采用效率高、壽命長、安全和性能穩(wěn)定的照明電器產(chǎn)品（電光源、燈用電器附近、燈具、配線器材，以及調(diào)光控制和控光器件），改善提高人們工作、學(xué)習(xí)、生活的條件和質(zhì)量，從而創(chuàng)造一個高效、舒適、安全、經(jīng)濟、有益的環(huán)境并充分體現(xiàn)現(xiàn)代文明的照明。許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家先后制訂了“綠色照明工程”計劃，并取得了顯著效果。照明的質(zhì)量和水平已成為人類社會現(xiàn)代化程度的一個重要標志之一，成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的一項重要的措施。作為固體光源的LED發(fā)光二極

5、管，真正點燃了“綠色照明”的光輝，被認為是21世紀最有價值的新光源，將取代白熾燈和日光燈成為照明市場的主導(dǎo)，使照明技術(shù)面臨一場新的革命，從而一定程度上改善人類的生產(chǎn)和生活方式。LED照明的應(yīng)用前景在全世界掀起了高潮，被給予了厚望。目前照明消耗約占整個電力消耗的20%，大幅降低照明用電是節(jié)約能源的重要途徑。開發(fā)和應(yīng)用更高效，可靠，安全，使用壽命長的新型太陽能節(jié)能光源勢在必行。一般的太陽能LED照明系統(tǒng)如下圖1-1所示，其實質(zhì)是一個小的獨立光伏系統(tǒng)，主要由幾大部分組成，即太陽能電池、蓄電池、控制器、LED光源。太陽能電池板蓄電池LED光源控制器圖1-1 太陽能LED照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖太陽能路燈控制器主

6、要采用脈寬調(diào)制充電方式，具有過充、過放、短路保護和過充點的溫度自動補償功能。在獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，為了降低成本、提高效率和可靠性，應(yīng)該既保證光伏陣列處于最佳工作狀態(tài)，又要使蓄電池正確充放電，同時還要最大限度地利用所發(fā)電能。但在目前的光伏系統(tǒng)中，這三者的實現(xiàn)存在矛盾，在設(shè)計充電控制時通常只顧及到一個方面，如何兼顧三者的關(guān)系，尋求最優(yōu)充電控制策略，是一個設(shè)計難點。針對目前的太陽能照明路燈系統(tǒng)所存在的問題，本文通過對典型的照明控制器進行優(yōu)化設(shè)計，將最大功率跟蹤技術(shù)引入太陽能LED照明系統(tǒng)中，保證光伏陣列工作在最佳工作狀態(tài)，以提高系統(tǒng)的工作效率。從而使整個路燈系統(tǒng)的可靠性得以提高。研究和開發(fā)光效更高

7、、更節(jié)能、更能適合太陽能燈具發(fā)展的LED新型發(fā)光源就顯得勢在必行。新型LED發(fā)光源的開發(fā)與利用，可以提高光源亮度，降低功率消耗，提高發(fā)光效率，降低整體太陽能燈具的功率匹配，從而降低太陽能燈具成本，使其性價比提高，在節(jié)能環(huán)保和太陽能燈具的市場普及方面具有重大的現(xiàn)實意義。1.2國內(nèi)外光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀1839年法國學(xué)者貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)，1954年美國貝爾實驗室的三位科學(xué)家首次制成實用的單晶硅太陽電池。在可再生能源中，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)是全球發(fā)展最快的新興產(chǎn)業(yè)之一。最近10年太陽電池產(chǎn)量年平均增長率為37%，最近五年的年平均增長率為45%。發(fā)展可再生能源的時代己經(jīng)到來傳統(tǒng)的化石能源日益枯竭，并且利

8、用過程中嚴重污染環(huán)境制約了世界經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。能源的需求有增無減，能源資源已成為重要的戰(zhàn)略物資。而太陽能是最有發(fā)展前景的可再生能源。1.2.1世界光伏產(chǎn)業(yè)的新進展及應(yīng)用特點。1997年，美國提出“百萬太陽能光伏屋頂”計劃，預(yù)計2010年完成。同年，日本“新陽光計劃”，到2010年將生產(chǎn)43億瓦光伏電池。同年，歐盟提出“百萬光伏屋頂計1999年，德國實施“十萬光伏屋頂計劃”，并實行低息貸款。近年發(fā)達國家還制定了“研發(fā)路線圖”。在光伏應(yīng)用和安裝方面，德、日、美依然是世界上三個最主要的光伏應(yīng)用市場。年全球安裝太陽電池組件1460MW，比前一年增長了34%。德國安裝837MW，比前一年增53%;占世

9、界安裝量的57%;日本安裝292MW，比前一年增長了14%，占世界安裝量的2美國安裝102MW，占世界安裝量的7%;歐洲其它地區(qū)安裝88MW，占世界安裝量的6%;其它地區(qū)安裝146姍，占世界安裝量的10%。1.2.2我國光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀1958年，我國開始研究太陽電池。1971年，首次將光伏電池成功應(yīng)用于東方紅2星。1973年，開始太陽電池地面應(yīng)用。從上世紀70年代初到80年代末，由于成本高，陽電池在地面的應(yīng)用非常有限。90年代以后，隨著成本的降低，太陽電池向工業(yè)領(lǐng)域和村電氣化應(yīng)用方向發(fā)展。市場穩(wěn)步擴大，國家和地方政府開始制訂光伏計劃。2002年，家發(fā)改委啟動了“送電到鄉(xiāng)”項目，使得中國的光伏

10、市場迅速發(fā)展起來，總裝機容量從2年的23500kw迅速增長到2002年的45000kw，至2003年達到55000kw。20032005年，德國巨大的市場需求影響，國內(nèi)光伏企業(yè)產(chǎn)能迅速擴展，產(chǎn)量迅速增長。1.3光伏電源具有以下優(yōu)勢(1)可靠。光伏電源很少用到運動部件，工作可靠。目前己有數(shù)千套光伏系統(tǒng)的運行驗，晶體硅的壽命可達20年以上。(2)安全、無噪聲及其它公害。不產(chǎn)生任何的固體，液體和氣體有害廢棄物，噪音幾沒有，無環(huán)境污染和公害問題。(3)安裝維護簡單，運行成本低，適合無人值守等優(yōu)點。(4)兼容性好，光伏發(fā)電可以與其他能源配合使用，也可以根據(jù)需要而使光伏系統(tǒng)任增容。(5)標準化程度較高，可

11、由組件的串并聯(lián)滿足不同用電的需要，通用性強。(6)太陽能無處不有，應(yīng)用范圍廣。1.4新一代照明光源一白光LED近年來，全球性的能源短缺和環(huán)境污染問題日益突出，人們迫切希望應(yīng)用節(jié)能環(huán)保的新技術(shù)。而半導(dǎo)體照明正是具有這種魅力的新技術(shù)。所謂半導(dǎo)體照明，是以半導(dǎo)體發(fā)光二極管(Lightning Emitting Diode，LED)作為光源的照明。應(yīng)用半導(dǎo)體pN結(jié)發(fā)光原理制成LED問世于20世紀60年代初。在早期，由于LED光色、發(fā)光效能、光通量、光功率和價格等方面的限制，主要應(yīng)用于指示、顯示領(lǐng)域，如電子電氣、熱工儀表、自動化系統(tǒng)、通信設(shè)置、宇航空間開發(fā)、家用電氣、交通運輸工具中作為指示燈、告示牌、警

12、戒燈以及信息廣告、顯示牌等。90年代以來，隨著氮化稼為代表的第三代半導(dǎo)體的興起，以及白色LED的成功研制，使LED照明成為可能。白光LED被認為是21世紀最有價值的新光源，白光LED照明取代傳統(tǒng)照明而成為人類照明的主要方式，將是大勢所趨。“綠色照明”是九十年代初國際上對節(jié)約電能、保護環(huán)境的照明系統(tǒng)的形象性說法。許多發(fā)達國家和部分發(fā)展中國家先后制訂了“綠色照明工程”計劃，并取得了顯著效果。照明的質(zhì)量和水平己成為人類社會現(xiàn)代化程度的一個重要標志之一，成為人類社會可持續(xù)發(fā)展的一項重要的措施。作為固體光源的白光LED，真正點燃了“綠色照明”的光輝。白光LED照明的應(yīng)用在全世界掀起了高潮，被寄予了厚望。

13、美國能源部預(yù)測，到2010年將會有55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈替代，每年可節(jié)電350億美元。而我國科技部有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)提出:我們要以2008年北京奧運會和2010年上海世博會為契機，推動半導(dǎo)體燈在城市景觀照明的應(yīng)用?？萍疾俊皣野雽?dǎo)體照明工程”計劃2007年半導(dǎo)體照明逐步取代白熾燈，2012年后取代熒光燈。目前，白光LED在發(fā)光強度方面，軸向已達到ZOcd以上，光效達50一70lm/W;色溫可在5000K一10000K之間任意選擇;顯色指數(shù)在80以上。完全能符合普通照明之需要。1.5論文的研究目的和意義在光伏應(yīng)用領(lǐng)域，太陽能照明占有重要的地位和份額，而LED太陽能路燈是一個具體而有價值的應(yīng)用。太

14、陽能與半導(dǎo)體LED照明的有機結(jié)合，能有效發(fā)揮二者的優(yōu)勢。在該照明系統(tǒng)中，包括硬件和軟件兩方面，從硬件上來說，要配備性能可靠、價格合理的光伏配套部件，如太陽能電池、蓄電池、控制器及燈具等。在軟件方面，則要對光伏系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，包括確定合適的太陽能電池輸出功率和蓄電池的容量、負載的大小、控制方式等。這項工作十分重要，如果設(shè)計不當.即使光伏配套部件再好，結(jié)果要么光伏系統(tǒng)不能正常運行，要么就是容量過大，造成很大浪費。所以，從一定意義上來講，光伏系統(tǒng)設(shè)計要比光伏器件更加重要。目前，光伏照明難以大面積推廣的瓶頸不在于技術(shù)問題，而在于成本價格問題。本課題擬在太陽能電池、蓄電池和LED負載三者間進行合理測算

15、、設(shè)計和實施以確定最佳匹配方案，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，旨在保證同樣照明要求的前提下降低運行成本，提高性能價格比。第二章 太陽能LED照明系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1太陽能LED照明系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)太陽能LED照明優(yōu)化系統(tǒng)主要由以下部分組成，即太陽能電池、控制器、蓄電池、DC/DC、驅(qū)動電路、LED光源，如圖2-1所示。太陽能電池板蓄電池LED光源控制器驅(qū)動電路DC/DC圖 2-1 太陽能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖太陽能LED照明系統(tǒng)在白天通過太陽能電池組件采集太陽光的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，在晚上點亮LED用于照明，是現(xiàn)代化綠色環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品。具有智能控制系統(tǒng)，全天候供電無需管理人員。在系統(tǒng)設(shè)計時考慮連雨天氣，把平

16、時多余的電能儲存到蓄電池內(nèi)，確保用于陰雨天有足夠的電能使用。系統(tǒng)各個組成部分的主要功能如下:(1)太陽能電池陣列由許多太陽能電池組件串、并聯(lián)而成，其合成的容量可以是數(shù)百峰瓦(WP),也可達數(shù)個兆峰瓦(WP)甚至更大，組件可由單晶硅、多晶硅、非晶硅或其它類型的太陽能電池組成。一般來說，光伏陣列由于多為半導(dǎo)體器件構(gòu)成，其特性(伏安特性)具有強烈的非線性。(2)DC/DC（直流-直流變換器）環(huán)節(jié)DC/DC環(huán)節(jié)是本系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，它是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。在該環(huán)節(jié)中，由于太陽能電池陣列具有強烈的非線性特性，通過控制開關(guān)閉合跟斷開的時間（即PWM脈沖寬度調(diào)制），就可以

17、控制輸出電壓。如果通過檢測輸出電壓來控制開、關(guān)的時間，以保持輸出電壓不變，這就實現(xiàn)了穩(wěn)壓的目的。(3)驅(qū)動電路驅(qū)動電路對輸出的控制信號進行放大，產(chǎn)生滿足功率器件正常工作要求的驅(qū)動電壓。(4)蓄電池組蓄電池組一般是由一定數(shù)量的鉛酸蓄電池經(jīng)由串、并聯(lián)組合而成，其容量的選擇應(yīng)與太陽能電池陣列的容量相匹配。該部分的主要作用是儲存太陽能陣列所產(chǎn)生的電能，以備不時之需。而且由于蓄電池對電壓的波動具有“緩沖”作用，還可使得負載系統(tǒng)的運行更加平穩(wěn)可靠。雖然鉛酸蓄電池具有容量大、價格低等優(yōu)點，但若使用不當，很容易加速蓄電池的老化，具體表現(xiàn)為:電池的容量下降很快、壽命縮短，因此對蓄電池的充、放電保護是光伏充電系統(tǒng)

18、中必不可少的環(huán)節(jié)。(5)控制器太陽能控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命;同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。如果用戶使用的是直流負載，通過太陽能控制器可以為負載提供穩(wěn)定的直流電(由于天氣的原因，太陽能電池方陣發(fā)出的直流電的電壓和電流不是很穩(wěn)定)。為保證太陽能電池陣列在任何日照和環(huán)境溫度下始終以相應(yīng)的最大功率輸出，引入了太陽能電池最大功率點跟蹤(MPPT-Maximum Power Point Tracking)控制策略。在芯片內(nèi)部寫上由程序所構(gòu)成的控制軟件，配合外圍的相關(guān)電路完成主要控制

19、功能。(6)LED光源應(yīng)保證亮度高，亮度輻射范圍大且均勻，所使用的超高亮LED數(shù)量少。在太陽能照明燈具中，發(fā)光體所使用的LED數(shù)量從一個到上千個不等，一定數(shù)量的LED組合成一個發(fā)光體時，其排列和組合是一個非常重要的問題。即不同的排列和組合對整體的亮度都有影響。在LED排列組合上依據(jù)光學(xué)原理及數(shù)學(xué)模型，最有效的發(fā)揮超高亮LED的發(fā)光效率，并使得單位面積LED燈的數(shù)量少以降低成本。2.2控制器的整體結(jié)構(gòu)在太陽能LED照明系統(tǒng)中，太陽能充放電控制器是整個照明系統(tǒng)中的核心部件，它的性能在一定程度上決定了整個照明系統(tǒng)的性能好壞。目前，市場上有各種各樣的太陽能LED照明系統(tǒng)，典型的太陽能充放電控制器結(jié)構(gòu)框

20、圖如圖2-2所示：輸出驅(qū)動模塊微處理器電源和復(fù)位模塊太陽能電池電壓采樣模塊蓄電池電壓采樣模塊溫度采樣模塊電阻分壓網(wǎng)絡(luò)顯示模塊時鐘電路模塊圖2-2 控制器的結(jié)構(gòu)框圖該控制器為脈寬調(diào)制型控制器，即太陽能電池對蓄電池充電采用脈寬調(diào)制方式，具有如下功能：1)采用容量控制法防止蓄電池的過放電。容量控制方式：雙燈控制（調(diào)整負載和工作時間）。2)該控制器具備蓄電池充滿點溫度補償功能：以25為基準，每2V蓄電池，溫度補償為-0.3mV/。3)防止任何負載短路的電路保護。4)防止夜間蓄電池向太陽能電池組件反向放電的保護。5)防止蓄電池極性反接的電路保護。6)該控制器最大自身耗電電流不得超過50mA。7)該控制器

21、充、放電回路的壓降不得超過系統(tǒng)額定電壓的5%。8)該控制器的耐沖擊電壓為：在一小時內(nèi)可承受高于太陽能電池組件開路電壓的1.25倍的電壓，而自身不損壞。9)該控制器的耐沖擊電流為：在一小時內(nèi)可承受太陽能電池組件短路電流1.25倍的電流的沖擊，而自身不損壞。該控制器具有較高的價格性能比,安裝維護簡單,且工作穩(wěn)定可靠。此控制器的電路特點是：1、由于系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換速度要求不高，該控制器電路采用價格便宜的LM331構(gòu)成A/D轉(zhuǎn)換器，調(diào)節(jié)參數(shù)，可使LM331的轉(zhuǎn)換精度達到4mv,如果采用12位的A/D轉(zhuǎn)換器，其精度為10mv,而高精度的A/D轉(zhuǎn)換器價格較貴。如果采用內(nèi)部集成有A/D轉(zhuǎn)換模塊的PIC單片機，其A

22、/D轉(zhuǎn)換模塊為10位，精度只能達到40mv，不能滿足系統(tǒng)的精度要求。2、充放電開關(guān)管采用功率MOSFET，只要保證開關(guān)的柵源電壓，具有好的開關(guān)特性，而且采用繼電器作為比較開關(guān)，耗能小。3、單片機與開關(guān)管之間采用光電耦合器作為驅(qū)動和隔離元件，這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機的影響，減少系統(tǒng)所受的干擾，提高系統(tǒng)的可靠性。此路燈控制器采用了脈寬調(diào)制充電方式，并且具有過充點的溫度自動補償功能。在獨立太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，為了降低成本、提高效率和可靠性，既保證太陽能電池陣列處于最佳工作狀態(tài)，又要使蓄電池正確充放電，同時還要最大限度地利用所發(fā)電能。在目前的光伏系統(tǒng)中，這三者的實現(xiàn)存在矛盾，在設(shè)計充電控制通

23、常只顧及到一個方面，如何兼顧三者的關(guān)系，尋求最優(yōu)充電控制策略，這也是一個設(shè)計難點，也是本文所重點研究的內(nèi)容。第三章 太陽能電池板3.1太陽能的工作原理和特性3.1.1太陽能電池的基本原理太陽能電池的原理是基于半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)將太陽輻射直接轉(zhuǎn)化為電能。所謂光生伏特效應(yīng)，簡單地說，就是當物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)和外觀?？蓪雽?dǎo)體太陽能電池的發(fā)電過程概述如下：首先是收集太陽光和其他光使之照射到太陽能電池表面上。太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出非平衡載流子（光生載流子）電子空穴對。這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在它們被分離之前不會復(fù)合消失。這

24、些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池p-n結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在另一邊，在p-n結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動勢，即光生電壓。在太陽能電池p-n結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能（或其他光能）直接轉(zhuǎn)換成了電能。圖3-1太陽能電池的電路及等效電路太陽能電池的電路及等效電路如圖3-1所示，其中中為電池的外負載電阻。當=0時，所測的電流為電池的短路電流，就是將太陽能電池置于標準光源的照射下，在輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流。當趨于無窮時，所測得的電壓為電池的開路電壓。所

25、謂開路電壓，就是將太陽能電池置于100的光源照射下，在兩端開路時，太陽能電池的輸出電壓值。（二極管電流）為通過p-n結(jié)的總擴散電流，其方向與相反。為串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電極與硅表面間接觸電阻所組成。為旁漏電阻，它是由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。一個理想的太陽能電池，串聯(lián)電阻很小，而并聯(lián)電阻很大。由于和是分別串聯(lián)和并聯(lián)在電路中的，所以在進行理想的電路設(shè)計時，它們可以忽略不計。此時，流過負載的電流為:（3-1）理想的p-n結(jié)特性曲線方程為（3-2）式中太陽能電池在無光照時的飽和電流，A;q電子電荷，C；K玻爾茲曼常數(shù)；T熱力學(xué)溫度，K；A常數(shù)因子（正偏電

26、壓大時A值為1，正偏電壓小時A值為2）；e自然對數(shù)的底。當=0時，電壓U即為可用下式表示：（3-3）3.1.2太陽能電池的特性曲線根據(jù)（3-2）（3-3）兩式作圖，及坐標變換可得到太陽能電池的電流電壓關(guān)系曲線，如圖3-2所示.這個曲線，可簡稱為IU曲線，或伏安曲線。 圖3-2 太陽能電池特性曲線太陽能電池的I-V特性曲線包含其絕大多數(shù)技術(shù)特性，是系統(tǒng)分析最重要的方面。太陽能電池的I-V特性是指在某一確定的日照強度和溫度下，太陽能電池的輸出電壓和輸出電流之間的關(guān)系，如圖3-2所示。I-V特性曲線表明:太陽能電池既非恒壓源，也非恒流源，它不可能為負載提供任意大的功率，是一種非線性直流電源。輸出電流

27、在大部分工作電壓范圍內(nèi)相對恒定，最終在一個足夠高的電壓之后，電流迅速下降至零。曲線上的每一點都唯一對應(yīng)著太陽能電池在該一工作電壓下的輸出功率，表示對應(yīng)于該日照強度和環(huán)境溫度下的太陽能電池所能輸出的最大功率，和則表示太陽能電池輸出最大功率時所對應(yīng)的工作點電壓和電流。也就是說，在一定的溫度和日照強度下，太陽能電池具有唯一的最大功率點，當太陽能電池工作在該點時，能輸出當前溫度和日照條件下的最大功率。在最大功率點左側(cè)，太陽能電池的輸出功率隨著工作點電壓的增加而增大;在最大功率點右側(cè)，太陽能電池的輸出功率隨著工作點電壓的增加而減小。根據(jù)特性曲線可以定義出太陽能電池的幾個重要技術(shù)參數(shù):(1)短路電流()在

28、給定溫度照度下所能輸出的最大電流。(2)開路電壓()在給定溫度照度下所能輸出的最大電壓。(3)最大功率點電流()在給定溫度照度下最大功率點對應(yīng)的電流。(4)最大功率點電壓()在給定溫度照度下最大功率點對應(yīng)的電壓。(5)最大功率點功率()在給定溫度照度下所能輸出的最大功率， = 。此外，P-V特性曲線可以更直觀的確定、和，它是利用I-V特性曲線數(shù)據(jù)通過計算后作出的，如圖3-3中虛線所示。圖3-3(a)和圖3-3(b)分別為太陽能電池在溫度變化和日照強度變化下的P-V特性曲線，從圖中可以看一出，太陽能電池的輸出功率受日照強度、電池結(jié)溫等因素的影響。當結(jié)溫增加時，太陽能電池的開路電壓下降，短路電流略

29、有增加，最大輸出功率減小;當日照強度增加時，太陽能電池的開路電壓變化不大，短路電流增加明顯，最大輸出功率增加。 圖3-3 太陽能電池的P-V特性曲線3.2太陽能電池的最大功率跟蹤3.2.1最大功率點跟蹤原理由于目前太陽能電池的成本高、轉(zhuǎn)換效率低，并且其輸出功率易受日照強度、環(huán)境溫度等因素的影響，因此，為了提高太陽能照明系統(tǒng)的效率，在現(xiàn)在的太陽能照明系統(tǒng)中，通常要求太陽能電池的輸出功率始終保持最大，即系統(tǒng)要能實時地跟蹤太陽能電池的最大功率點。最大功率點跟蹤控制（MPPT）策略實時檢測太陽能電池陣列的輸出功率，采用一定的控制算法預(yù)測當前工況下陣列可能的最大功率輸出，通過改變當前的阻抗情況來滿足最大

30、功率輸出的要求。這樣即使太陽能電池的結(jié)溫升高使得陣列的輸出功率減少，系統(tǒng)仍然可以運行在當前工況下的最佳狀態(tài)。3.3本系統(tǒng)采用的MPPT控制方式太陽能電池的輸出呈非線性，隨著光照強度和電池表面溫度的改變，它的輸出也發(fā)生改變。為了避免能量的損失，國內(nèi)外提出了多種實現(xiàn)辦法。本論文采用功率比較法以此來提高系統(tǒng)的跟蹤效率。3.3.1功率比較法3.3.1.1原理讓流通率連續(xù)變化，即可得出功率的輸出特性如圖3-4所示，由圖可見，輸出最大功率值。由于用變換器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)其輸出特性具有上述特征，故可取實時的發(fā)電功率，把作定量()增減，以決定最大功率。這是一種最簡單的求取最佳工作點方法，稱為功率比較法。當變換

31、器流通率的變化量值恒定時，功率比較法的核心是用前后功率大小的比較來確定最佳工作點。該方法的特點是:(1)當增加時，P單調(diào)增加，則應(yīng)當讓進一步增加(圖4-9中的A區(qū));(2)當增加時，P單調(diào)減少，則應(yīng)當讓減少(圖4-9中的B區(qū))(3)當減少時，P單調(diào)增加，則應(yīng)當讓進一步減少(圖4-9中的C區(qū));(4)當減少時，P單調(diào)減少，則應(yīng)當讓增加(圖4-9中的D區(qū))如圖3-4所示的P-特性曲線是一條凸形的非線性曲線，只要選定初始值。和適當?shù)?，可以逐步逼近到值。此外，檢測的信息只是發(fā)電功率大小，因此硬件結(jié)構(gòu)簡單是其優(yōu)點。該方案的最大缺陷是不能適應(yīng)日照量的急劇變化，在短時間內(nèi)尋找出正確的最佳工作點。此外，當固定

32、時，該值的大小將對最佳工作點的跟蹤時間和發(fā)電功率的脈動值有影響。因此，的選擇要十分慎重。4.3.1.2功率比較法的算法設(shè)計初始值設(shè)定為0.5,初取為0.01，設(shè)程序的控制周期T為70（ms）,則控制流程圖如圖3-5所示。開始PWM輸出采集U、I數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換計算計算采集U、I數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換PWM輸出圖3-5功率比較法跟蹤最大功率流程圖3.4本章小結(jié)本章對太陽能發(fā)電系統(tǒng)中重要的環(huán)節(jié)“太陽能電池最大功率點的跟蹤方案”進行原理的闡述和實驗論證。證明不管日照量是恒定還是急變，均能高速而穩(wěn)定地跟蹤最大功率點。本方案的另一優(yōu)點是確定變換器通流率的檢測信息只是發(fā)電功率，因此，控制硬件簡單，只要用單片機即

33、可構(gòu)成簡單、廉價裝置，對于小規(guī)模太陽能發(fā)電系統(tǒng)非常適用。同時在最大功率點跟蹤策略中引入模糊控制理論，并對這一思想進行簡要介紹。 第四章 主體電路的設(shè)計為了使路燈亮度能夠調(diào)節(jié)，本文采用由多個LED組成一盞路燈的方法，控制各個LED的亮滅來達到調(diào)節(jié)路燈亮度的目的。為了使分析簡單明了，在本文以下的分析中暫且假設(shè)一盞路燈內(nèi)部包含三個LED。4.1整體電路設(shè)計整個太陽能路燈系統(tǒng)的原理示意圖如圖4-1所示，其中的太陽能電源電路采用光伏電池和超級電容器作為能量轉(zhuǎn)化與儲能系統(tǒng)；微控制器采用AT公司生產(chǎn)的AT89C51；單盞路燈中暫設(shè)為包含三個LED，可以通過控制LED亮滅的個數(shù)調(diào)節(jié)路燈的亮度；驅(qū)動電路為恒流L

34、ED驅(qū)動電路，可以保證電流穩(wěn)定和LED亮度恒定。 圖4-1 整體電路框圖4.1.1電源電路設(shè)計如圖4-2所示，BT1為光伏電池，C1為超級電容器，為單片機以及LED提供電源，R1，R5為分壓電阻，R2，R3，R4為限流電阻，C2為濾波及穩(wěn)壓電容器。Q1用來控制Q2的導(dǎo)通與關(guān)斷，Q2的發(fā)射極接單片機電源，控制單片機的開關(guān)。白天有太陽照射時，光伏電池產(chǎn)生電能，通過二極管D0將電能儲存進超級電容器C1，D0可以保證超級電容器中的電流不倒灌入光伏電池。此時A點電位上升，三極管Q1基極為高電平，Q1導(dǎo)通，B點電位為低，致使三極管Q2關(guān)斷，超級電容器儲存的電能無法送到單片機，單片機沒有電源，處于未啟動狀態(tài)

35、，路燈處于熄滅狀態(tài)。當夜晚降臨，陽光減少，光伏電池上儲存的電量開始降低，致使A點電位降低，Q1關(guān)斷，超級電容器儲存的電能開始令B點電位上升，Q2開通，單片機上電，路燈被點亮，整個路燈系統(tǒng)開始運行。 圖4-2電源電路4.1.2 LED驅(qū)動電路直接從單片機管腳輸出的電平難以驅(qū)動高輝度的LED路燈，因此本文采用如圖4-3所示的驅(qū)動電路。此驅(qū)動電路為恒流LED驅(qū)動電路，Q7基極接單片機PX（X=1，2，3）口。D1為齊納二極管，作為加在Q3的基極上，由于基極偏壓穩(wěn)定，集電極電流Ic也隨著穩(wěn)定，根據(jù)Ic=（VZD-VBE）/R10，即使電壓源VDD變化Ic也不會變化，可以保證電流和亮度穩(wěn)定。4.1.3單

36、片機的算法實現(xiàn)本文從合理利用能源的角度出發(fā)，分析了太陽能路燈在一天內(nèi)的運行狀態(tài)，認為其工作過程可分為三個階段：（1）下午18點至晚上20點。此階段是全天開始進入黑暗的時段，路面光線逐漸變暗，太陽能路燈開始投入運行，此時路燈的亮度不必達到最大，我們將其亮度等級劃為C級；（2）晚上20點至凌晨12點。此時段路面光線最暗，路燈亮度應(yīng)調(diào)為最大。亮度等級為A級；（3）零點至次日凌晨3點。此階段間路上行人較少，因此路燈亮度可稍稍降低，亮度等級為B級；（4）凌晨3點至5點。此階段所需亮度也較低，亮度等級也為C級?；谝陨戏治龅贸鼋Y(jié)論：太陽能路燈必須擁有智能化控制技術(shù)才能實現(xiàn)路燈亮度的自動調(diào)節(jié)。單片機控制LE

37、D亮度變化的算法如圖4所示。 圖4-3 單片機算法流程圖由圖4-3算法可知，當單片機上電時，程序自動運行，當P1輸出高電平時，驅(qū)動LED1發(fā)光，此時路燈亮度級別為C級，經(jīng)延時2個小時后P2與P3口同時輸出高電平，LED2與LED3也開始發(fā)光，路燈亮度級別為A級，依次類推直到P1，P2，P3口全部輸出低電平，此時路燈徹底熄滅。 4.2 DC/DC變換器目前DC/DC主要有Buck電路結(jié)構(gòu)、Boost電路結(jié)構(gòu)、Buck一Boost電路結(jié)構(gòu)和Cuk電路結(jié)構(gòu)四種，圖4-4的a)、b)、c)、d)分別表示了這四種電路結(jié)構(gòu)的拓撲，這四種結(jié)構(gòu)都是由功率開關(guān)管、二極管、電感元件、電容元件組成的Dc一Dc變換電

38、路。 圖4-4四種主要充電電路拓撲結(jié)構(gòu)圖a)為Buck電路，又稱Buck變換器，其工作原理是:當開關(guān)管導(dǎo)通時，電流通過電感L對蓄電池和電容充電，二極管承受反向電壓，電能轉(zhuǎn)變?yōu)榇艌瞿?當開關(guān)管閉合時，由于電感線圈電流不突變，負載電流方向不變，電容處于放電狀態(tài)，從而繼續(xù)維持輸出電流和電壓恒定，此時二極管承受正向偏壓。Buck電路的輸出電壓v。滿足vo=Dutyvs，其中Duty為開關(guān)管的占空比。由于Buck變換器輸出電壓小于輸入電源電壓Vs，故又稱為降壓變換器。圖b)為Boost電路，其工作原理是:當開關(guān)管導(dǎo)通時，電流流過電感L，電能以磁場能形式儲存在電感線圈中，電容C放電，二極管承受反向電壓;當

39、開關(guān)管關(guān)閉時，由于電感線圈電不突變，電感線圈中產(chǎn)生與電流方向相反的感應(yīng)電動勢與電源電壓串聯(lián)，共同給電容和蓄電池充電，二極管正向?qū)āＲ驗锽oost的輸出電壓vo滿足vo二vs/(l一Duty)，輸出電壓大于輸入電壓，故又稱為升壓變化器。圖c)為Buck一Boost電路，又稱降壓一升壓變換器或反號變換器，電路的工作過程為:當開關(guān)管導(dǎo)通時，電流流過電感L，電能以磁場能形式儲存在電感線圈中，電容向負載放電;當開關(guān)管關(guān)閉時，由于電感線圈電流不突變，電感線圈中產(chǎn)生與電流方向相反的感應(yīng)電動勢，下正上負，二極管正向?qū)?，電容蓄電池充電。輸出電壓Vo滿足VO=VsDuty/(l一Duty)。圖d)所示為Cuk

40、電路，又稱升降壓變換器，其主要原理是把Boost電路與Buck電路串聯(lián)起來，即升壓變換器后串接一個降壓變換器。電路的工作過程為:當開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管反向截止，電流通過電感將電能轉(zhuǎn)換為磁場能儲存在電感中，電容C向負載端放電;當開關(guān)管關(guān)閉時，二極管正向?qū)?，由于電感線圈電流不突變，電感線圈中產(chǎn)生與電流方向相反的感應(yīng)電動勢，電感Ll和L:分別給電容C和C:充電，L:同時給負載供電。與前三個電路以電感作為能量的傳遞元件不同，Cuk電路用電容C完成整個過程中的能量傳遞，輸出電壓Vo滿足關(guān)系Vo二VSDuty(l一Duty).。四種變換器參數(shù)的比較見下表 4-1 表4-1 四種基本DC-DC變換器特性參

41、數(shù)比較再次考慮到外部電路的實現(xiàn)難易程度和可靠性分析，四個充電電路拓撲的連續(xù)和非連續(xù)狀態(tài)的臨界電感大小經(jīng)過轉(zhuǎn)換相差不大;但是因為Cuk電路使用電容做為能量轉(zhuǎn)換器件，電容需要耐受的紋波電流較大，成高，可靠性稍差。這就是為什么Cuk電路雖然其他性能較好，但仍不被廣泛使用的原因。4.2DC/DC變換器主電路 由于該DC/DC變換器的輸入電壓較高，主電路選取半橋式拓撲，如圖4-5所示。V1，V2，C3，C4和主變壓器T組成半橋式DC/DC變換電路。CT為初級電流檢測用的電流互感器。C5為防止變壓器偏磁的隔直電容。變壓器的副邊采用全波整流加上兩級濾波以滿足低輸出紋波的要求。R1，C1，R2，C2，R5，C

42、6和R6，C7為吸收電路。R3和R4起到保證電容C3及C4分壓均勻的作用。電阻R7和R8為輸出電壓的采樣電阻。 圖4-5 DC/DC變換器主電路 4.2.1控制器的技術(shù)指標本論文光伏充放電控制器預(yù)期的技術(shù)指標如表4-2表4-2 光伏充放電控制器的技術(shù)指標以本論文光伏充放電控制器控制高效LED負載組成50W中小功率照明系統(tǒng)為例，說明光照明系統(tǒng)容量匹配設(shè)計方法?？紤]到太陽能照明系統(tǒng)的特殊性，其能量取自于白天之光照，能量有限，因此光源功率不該選擇太大。高效LED光源光效達50Lm/W，故50W的LED光通量達2500Lm，相當于250w白熾燈，已經(jīng)具有良好的照明效果。假設(shè)LED負載每天夜間照明時長為

43、10個小時，并且要保證陰雨天能連續(xù)工作3天。上述情況下，每天LED消耗的能量為:50WX10h=500w.h太陽能組件配置的基本原理是使得組件每天所得到的電能等于或者略大于負載每天所消耗的電量?？紤]到一定的損耗，對于有效光照保守估計為3小時的地區(qū)，選擇200W的太陽能板，每天將產(chǎn)生600W的電能，可以滿足要求，并且有一定的裕度。本文選擇12V的蓄電池，其配置要滿足最長供電時間的要求，所以儲能最小應(yīng)該為500Wh3(天)=1500Wh,留取一定的裕量，將儲能調(diào)整為1600 Wh.故選擇12V蓄電池時，蓄電池的容量不應(yīng)該低于：1600 Wh/12133.3Ah,這樣光伏電池，蓄電池，LED負載容量

44、的匹配設(shè)計就完成。4.3控制器電路總體設(shè)計方案本論文所設(shè)計的光伏充放電控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖4-6所示負載接口蓄電池接口功率回路光伏電池接口電流反饋電壓反饋驅(qū)動電路電壓反饋PWM調(diào)制器電源模塊電流調(diào)節(jié)器電壓調(diào)節(jié)器顯示電路D/AMCUPIC16F877A按鍵輸入圖4-6 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖主控芯片選用PIC16F877A單片機，負責監(jiān)控管理整個充放電過程。單片機根據(jù)反饋采樣得到各種按電壓、電流信息判斷蓄電池和光伏電池的狀態(tài)，以此作為依據(jù)，發(fā)送各控制器指令如給定充電回路的參考電壓u和接通關(guān)斷負載等，保證系統(tǒng)按設(shè)計需求正常工作。光伏電池輸出的直流電壓通過功率回路中DC-DC變換器按單片機控制給定的要求輸出相

45、應(yīng)的直流電壓、電流，完成能量的變換傳遞。系統(tǒng) 各個組成部分的主要功能如下：（1）光伏電池接口：接入光伏電池。光伏電池將光能轉(zhuǎn)化為電能，是系統(tǒng)的能量最原始來源： (2)功率回路:DC/DC功率變換單元。本論文采用P溝道MOSFET組成的BUCK變換器作為功率回路;(3)電壓、電流調(diào)節(jié)器:采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，含雙調(diào)節(jié)器。電流調(diào)節(jié)器的輸出改變PWM調(diào)制器的輸出占空比實現(xiàn)對功率回路的控制。(4) PWM調(diào)制器:采用TL494芯片。TL494設(shè)計使用帶使能端22V射極輸出器供電?？赏ㄟ^單片機控制使能端關(guān)斷對TL494供電，以實現(xiàn)關(guān)斷充電主回路的功能。(5)蓄電池接口:接入蓄電池，蓄電池儲存

46、光伏電池所發(fā)出的能量，并向負載輸送能量;(6)電源模塊:將蓄電池電壓轉(zhuǎn)換成控制器工作需要的各種電壓值;(7)采樣電路:將系統(tǒng)中光伏電池的電壓，蓄電池電壓，反饋給調(diào)節(jié)器或轉(zhuǎn)換為符合MCU端口電氣特性規(guī)范的電壓值，以供系統(tǒng)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后把數(shù)據(jù)交給軟件做控制、運算所用;(8)主控MCU:監(jiān)控系統(tǒng)的狀態(tài)，完成人機交互，參考電壓的給定，開關(guān)的通斷、過壓過流保護等功能。本設(shè)計采用PIC16F877A單片機作為主控MCU;(9)驅(qū)動電路:給DC/DC變換器的開關(guān)管提供合適的驅(qū)動電壓。(10)顯示電路:采用1602液晶模塊顯示模塊指示光伏充放電系統(tǒng)的各種工作狀態(tài)參數(shù)。(l1)D/A轉(zhuǎn)換:單片機內(nèi)部PWM輸出，

47、經(jīng)運算放大器有源低通濾波實現(xiàn)。4.4功率主回路的設(shè)計4.4.1各主要元件參數(shù)設(shè)計與選型分析(l)輸出濾波電感L設(shè)計電輸出濾波電感L對應(yīng)圖4-2中的L2，電感的選擇應(yīng)保證輸出到而額定電流的1/10時，電感電流仍然保持連續(xù)。則: 式（4-1）VIN為光伏電池輸出電壓可取典型值20V，接入12V蓄電池則Vo可去12V。FSW為開關(guān)頻率，開關(guān)頻率提高可以降低對電感的要求，縮小電感的體積，但由于于驅(qū)動電路的局限性開關(guān)頻率不可能無限高，這里折中考慮取: 式（4-2）為輸出的額定電流，根據(jù)設(shè)計預(yù)期指標IoN取5A。代入式(4一1)得: 式（4-3）但由(4一2)(4一3)(2)輸出濾波電容c的設(shè)計輸出濾波電

48、容C對應(yīng)圖4一2中的C21大的輸出電容可以抑制輸出的紋波，但選擇過大會影響到系統(tǒng)的響應(yīng)速度，本設(shè)計取。通常電容生產(chǎn)廠家給出的電容的時間常數(shù)為，則計算出(3)開關(guān)管MOSFETQ6、Q8的選型本設(shè)計BUCK變換器選用P溝道MOSFET型號為IRF9540t301，最大通過電流9A，擊穿電壓為100V。導(dǎo)通電阻0.2歐姆;負載通斷用開關(guān)選用N溝道MOSFET型號為IRF640，最大通過電流6A，擊穿電壓為200V，導(dǎo)通電阻0.2歐姆。以上設(shè)計均滿足性能指標的要求?；芈分蠱OSFET柵源極都接入12v穩(wěn)壓二極管，保護柵源極。(4)其他功率回路元件設(shè)計續(xù)流二極管選型X1選用從快恢復(fù)二極管MUR9146，其最大正向電流為8A;放電回路接到負載的自回復(fù)保險絲選為6A;輸入濾波電容，可以穩(wěn)定光伏電池的工作點; 為防雷擊壓敏電阻;電