畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的太陽(yáng)能路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 密級(jí)： 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能壁燈設(shè)計(jì)學(xué) 院： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 完成日期： 學(xué)士學(xué)位論文原創(chuàng)性申明本人鄭重申明：所呈交的設(shè)計(jì)（論文）是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論

2、文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江西科技學(xué)院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于保 密 ， 在 年解密后適用本授權(quán)書。不保密 。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“” 學(xué)位論文作者簽名（手寫）： 指導(dǎo)老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 摘 要隨著可持續(xù)發(fā)展的不斷深入，人們?cè)诜e極開(kāi)發(fā)各類可再生新能源的同時(shí)也在倡導(dǎo)節(jié)能減排的綠色環(huán)保技術(shù)。太陽(yáng)能作為一種清潔的優(yōu)秀的可再生能源，已成為最有價(jià)值的新能源。而在照明領(lǐng)域，壽命長(zhǎng)、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

3、公認(rèn)為一種節(jié)能環(huán)保的重要途徑。本文研究的壁燈同時(shí)整合了這兩者的優(yōu)勢(shì)，利用清潔能源以及高效率的LED實(shí)現(xiàn)綠色照明。太陽(yáng)能LED壁燈是一種結(jié)合太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與LED技術(shù)的新型壁燈。系統(tǒng)通過(guò)蓄電池將太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來(lái)供負(fù)載在夜晚照明使用。太陽(yáng)能壁燈有很多優(yōu)點(diǎn)：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(dòng)控制。從而不僅節(jié)約了電能，而且避免了由于四季晝夜長(zhǎng)短不一，需要調(diào)整電路系統(tǒng)的麻煩，使壁燈更為人性化。關(guān)鍵詞：光伏 太陽(yáng)能 壁燈 AbstractWith the deepening of the sustainable development, people are

4、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 energy. While in the lighting area, long life, energy s

5、aving, 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 paper simultaneously integrates both the advantages;

6、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, generated by components of solar cells, to supply

7、 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 save electrical energy but also avoid the troubles t

8、o 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: Solar LED lamp LED目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc295202867 HYPERLINK l _Toc295202868 第一章 緒論 PAGEREF _Toc295202868 h 1 HYPERLINK l _Toc29520

9、2869 1.1 概述 PAGEREF _Toc295202869 h 1 HYPERLINK l _Toc295202870 1.2 太陽(yáng)能壁燈的優(yōu)勢(shì) PAGEREF _Toc295202870 h 2 HYPERLINK l _Toc295202871 1.3 太陽(yáng)能壁燈的應(yīng)用現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc295202871 h 3 HYPERLINK l _Toc295202872 1.4 本論文研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc295202872 h 5 HYPERLINK l _Toc295202873 第二章 壁燈設(shè)計(jì)方案論證及選擇 PAGEREF _Toc295202873

10、 h 6 HYPERLINK l _Toc295202874 2.1 方案比較與論證 PAGEREF _Toc295202874 h 6 HYPERLINK l _Toc295202875 2.1.1 太陽(yáng)能電池板的選擇 PAGEREF _Toc295202875 h 6 HYPERLINK l _Toc295202876 2.1.2 蓄電池的選擇 PAGEREF _Toc295202876 h 6 HYPERLINK l _Toc295202877 2.1.3 照明燈具的選擇 PAGEREF _Toc295202877 h 8 HYPERLINK l _Toc295202878 2.1.4

11、控制器芯片的選擇 PAGEREF _Toc295202878 h 9 HYPERLINK l _Toc295202879 2.2 方案的配置與計(jì)算 PAGEREF _Toc295202879 h 11 HYPERLINK l _Toc295202880 壁燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc295202880 h 11 HYPERLINK l _Toc295202881 2.2.3 壁燈設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 PAGEREF _Toc295202881 h 12 HYPERLINK l _Toc295202882 第三章 太陽(yáng)能壁燈設(shè)計(jì)的理論分析 PAGEREF _Toc295202882 h

12、14 HYPERLINK l _Toc295202883 3.1 系統(tǒng)基本介紹 PAGEREF _Toc295202883 h 14 HYPERLINK l _Toc295202884 3.2 太陽(yáng)能壁燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體分析 PAGEREF _Toc295202884 h 15 HYPERLINK l _Toc295202885 3.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的理論 PAGEREF _Toc295202885 h 15 HYPERLINK l _Toc295202886 3.4 控制器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ) PAGEREF _Toc295202886 h 17 HYPERLINK l _Toc295202887

13、3.5 蓄電池的充放電原理 PAGEREF _Toc295202887 h 18 HYPERLINK l _Toc295202888 3.6 蓄電池充電技術(shù)研究 PAGEREF _Toc295202888 h 20 HYPERLINK l _Toc295202889 3.6.1 恒流充電 PAGEREF _Toc295202889 h 20 HYPERLINK l _Toc295202890 3.6.2 恒壓充電 PAGEREF _Toc295202890 h 21 HYPERLINK l _Toc295202891 3.6.3 恒壓限流充電 PAGEREF _Toc295202891 h 2

14、2 HYPERLINK l _Toc295202892 3.6.4 兩階段、三階段充電 PAGEREF _Toc295202892 h 22 HYPERLINK l _Toc295202893 3.6.5 快速充電 PAGEREF _Toc295202893 h 23 HYPERLINK l _Toc295202894 3.6.6 智能充電 PAGEREF _Toc295202894 h 24 HYPERLINK l _Toc295202895 3.7 LED的發(fā)光及驅(qū)動(dòng)原理 PAGEREF _Toc295202895 h 25 HYPERLINK l _Toc295202896 3.7.1

15、發(fā)光原理 PAGEREF _Toc295202896 h 25 HYPERLINK l _Toc295202897 3.7.2 驅(qū)動(dòng)原理 PAGEREF _Toc295202897 h 27 HYPERLINK l _Toc295202898 第四章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202898 h 29 HYPERLINK l _Toc295202899 4.1 系統(tǒng)電路框圖 PAGEREF _Toc295202899 h 29 HYPERLINK l _Toc295202900 4.2 硬件設(shè)計(jì)的原理流程圖 PAGEREF _Toc295202900 h 30 HYPERLI

16、NK l _Toc295202901 4.3 電源電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202901 h 31 HYPERLINK l _Toc295202902 4.4 LED指示電路 PAGEREF _Toc295202902 h 31 HYPERLINK l _Toc295202903 4.5 光控電路 PAGEREF _Toc295202903 h 32 HYPERLINK l _Toc295202904 4.6 LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202904 h 33 HYPERLINK l _Toc295202905 4.7 涓流充電電路 PAGEREF _Toc

17、295202905 h 35 HYPERLINK l _Toc295202906 4.8 過(guò)充、過(guò)放控制電路 PAGEREF _Toc295202906 h 35 HYPERLINK l _Toc295202907 4.9 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202907 h 37 HYPERLINK l _Toc295202908 4.9.1 復(fù)位模塊電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202908 h 37 HYPERLINK l _Toc295202909 4.9.2 晶振電路 PAGEREF _Toc295202909 h 37 HYPERLINK l _Toc295

18、202910 4.9.3 按鍵開(kāi)關(guān)電路 PAGEREF _Toc295202910 h 38 HYPERLINK l _Toc295202911 4.9.4 顯示模塊電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202911 h 38 HYPERLINK l _Toc295202912 第五章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202912 h 40 HYPERLINK l _Toc295202913 5.1 系統(tǒng)軟件框圖 PAGEREF _Toc295202913 h 40 HYPERLINK l _Toc295202914 5.2 計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc2952029

19、14 h 41 HYPERLINK l _Toc295202915 5.3 中斷程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc295202915 h 43 HYPERLINK l _Toc295202916 第六章 系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc295202916 h 44 HYPERLINK l _Toc295202917 軟件調(diào)試 PAGEREF _Toc295202917 h 44 HYPERLINK l _Toc295202918 硬件及總體電路調(diào)試 PAGEREF _Toc295202918 h 44 HYPERLINK l _Toc295202919 系統(tǒng)改進(jìn)方案 PAGEREF _Toc

20、295202919 h 45 HYPERLINK l _Toc295202920 第七章 總結(jié)與展望 PAGEREF _Toc295202920 h 46 HYPERLINK l _Toc295202921 附錄 1 PAGEREF _Toc295202921 h 47 HYPERLINK l _Toc295202922 附錄 2 PAGEREF _Toc295202922 h 48 HYPERLINK l _Toc295202923 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc295202923 h I HYPERLINK l _Toc295202924 致 謝 PAGEREF _Toc2952029

21、24 h I前 言城市照明是一門科學(xué)、一種文化、一項(xiàng)藝術(shù)。城市照明體現(xiàn)了一個(gè)城市的形象，反映了一個(gè)城市的科學(xué)管理，是一項(xiàng)社會(huì)系統(tǒng)工程。太陽(yáng)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(jià)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(diǎn)，易于客戶接受，所以只要光源充足的地方就有太陽(yáng)能LED燈具開(kāi)發(fā)應(yīng)用的市場(chǎng)。太陽(yáng)能LED照明是未來(lái)照明的方向，其最大的特點(diǎn)：環(huán)保、節(jié)能、發(fā)光效率高，因此使它將會(huì)逐步取代傳統(tǒng)光源。更值得一提的是，LED發(fā)光效率是以每十年提高十倍的速度來(lái)提高，成本也將逐年下降。1.系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)：(1)太陽(yáng)能板：18V，110Wp(2)輸出電

22、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(shí)控，防止蓄電池過(guò)度充放電(6)陰雨天連續(xù)工作時(shí)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)壁燈使用。(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(yíng)造氣氛。(4)應(yīng)用于果園，種植園，草坪等場(chǎng)所，既可以照明又可以殺蟲(chóng)。第一章 緒論1.1 概述跨入21世紀(jì)后，人類面臨著實(shí)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)的雙重制約下發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球的熱點(diǎn)問(wèn)題。而能源問(wèn)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(kāi)

23、發(fā)利用更加劇了環(huán)境的惡化。主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)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(guó)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，全球已探明石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)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(wàn)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)重污染水土資源。(3)溫室效應(yīng)?；茉吹睦貌粌H造成環(huán)境污染，同時(shí)會(huì)排放大量的溫室氣體，產(chǎn)生溫室效應(yīng)，引起全球

24、氣候變化。太陽(yáng)能作為可再生能源，很早就被人們開(kāi)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(zhǎng)的需要，開(kāi)發(fā)和利用新能源，尤其是太陽(yáng)能越來(lái)越引起各國(guó)政府的重視。同時(shí)，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(duì)能源的需求量越來(lái)越大，這就迫使政府和社會(huì)在大力發(fā)展常規(guī)能源的同時(shí)必須加大對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)和利用。為貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀，把節(jié)約資源作為基本國(guó)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(huì)，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)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(wú)污染的太陽(yáng)能利用在世界各國(guó)崛起，世界光伏產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展

25、。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(jì)的將來(lái)，光伏發(fā)電必將部分取代常規(guī)能源。目前太陽(yáng)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(yáng)能的利用無(wú)處不在。各種各樣的利用太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)的太陽(yáng)能電子產(chǎn)品發(fā)展非常迅速。1.2 太陽(yáng)能壁燈的優(yōu)勢(shì)太陽(yáng)能壁燈以太陽(yáng)光為能源，不需要鋪設(shè)復(fù)雜的管線，安全節(jié)能無(wú)污染?；趩纹瑱C(jī)的太陽(yáng)能控制系統(tǒng)很好的把太陽(yáng)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(lái)。而且具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。綜上，太陽(yáng)能壁燈較傳統(tǒng)壁燈的優(yōu)勢(shì)有如下幾點(diǎn)：1.節(jié)能環(huán)保：據(jù)統(tǒng)計(jì)，所有壁燈改為太陽(yáng)能壁燈可以節(jié)省一個(gè)三峽水電站的發(fā)電量。不僅如此，太陽(yáng)能是一種清潔

26、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(yáng)能壁燈每年可以減少7740萬(wàn)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(yáng)能壁燈在惡劣的環(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(yáng)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(yáng)能電池組件可以發(fā)電25年或更長(zhǎng)的時(shí)間。 3.成本低廉：就產(chǎn)品本身價(jià)格和首次投入費(fèi)用而言，太陽(yáng)能壁燈比普通壁燈造價(jià)要高。若按使用壽命15年把運(yùn)行費(fèi)用和壁燈維護(hù)費(fèi)用考慮進(jìn)去的話，太陽(yáng)能壁燈在壽命周期內(nèi)所發(fā)生的總費(fèi)用要比普通壁燈的總費(fèi)用要低。且規(guī)模越大，普通壁燈安裝的相關(guān)費(fèi)用越高，如把電力增容費(fèi)用

27、、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壁燈開(kāi)啟控制系統(tǒng)和管理人員工資等相關(guān)費(fèi)用考慮進(jìn)去的話實(shí)際費(fèi)用要遠(yuǎn)大于預(yù)計(jì)費(fèi)用。 4.安全穩(wěn)定：運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，普通壁燈明顯高于太陽(yáng)能壁燈，而且會(huì)隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而越來(lái)越高（電費(fèi)、人工等）。太陽(yáng)能壁燈免維護(hù)，絕對(duì)安全，不會(huì)發(fā)生觸電事故且可通過(guò)改變控制方式來(lái)增強(qiáng)其穩(wěn)定性。5.自主供電：離網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能壁燈具有供電的自主性、靈活性。但是太陽(yáng)能LED壁燈的優(yōu)勢(shì)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(wú)輻射，可靠耐用，維護(hù)

28、費(fèi)用極為低廉等優(yōu)勢(shì)，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(yáng)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(bào)價(jià)，并且具有保護(hù)環(huán)境、安裝簡(jiǎn)便、操作安全、經(jīng)濟(jì)節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。由于LED具有發(fā)光效率高，發(fā)熱量低等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)越來(lái)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(shì)。太陽(yáng)能與LED相結(jié)合的技術(shù)運(yùn)用在壁燈領(lǐng)域完全符合“綠色，節(jié)能，低成本”的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)理念。而且針對(duì)現(xiàn)階段太陽(yáng)能LED壁燈研究遭遇技術(shù)“瓶頸”而處于“花香”卻難“滿園綻放”的尷尬境地的情況，這個(gè)課題具有很大的研究?jī)r(jià)值，而從上面一系列的分析中也不難看出這個(gè)課題本身所具有的潛在價(jià)值更是無(wú)法估量的。1.

29、3 太陽(yáng)能壁燈的應(yīng)用現(xiàn)狀在國(guó)家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的推動(dòng)下，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)從無(wú)到有、從小到大發(fā)展起來(lái)。國(guó)內(nèi)各大研究單位都對(duì)太陽(yáng)能壁燈作了詳盡的研究，特別是近幾年來(lái)，在“產(chǎn)業(yè)上規(guī)模、技術(shù)上水平、產(chǎn)品上檔次和市場(chǎng)上規(guī)范”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路引導(dǎo)下，太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)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(lái)，隨著我國(guó)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(guó)城市的壁燈總數(shù)以每年約20%的平均速度遞增，全國(guó)數(shù)千萬(wàn)盞壁燈的節(jié)電問(wèn)題已引起政府部門的關(guān)注。在能源日趨緊張、電力供應(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

30、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(yáng)能發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能壁燈以環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)勢(shì)成為城市道路照明行業(yè)的新寵，市場(chǎng)潛力巨大。我國(guó)太陽(yáng)能壁燈首先在沿海發(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(guó)西部，非主干道太陽(yáng)能壁燈、太陽(yáng)能庭院燈漸成規(guī)模，太陽(yáng)能資源相對(duì)豐富的青海省自2006年以來(lái)已在西寧等地安裝太陽(yáng)能壁燈超過(guò)200套；在北京奧運(yùn)會(huì)主要場(chǎng)館及其相關(guān)場(chǎng)所，太陽(yáng)能壁燈得到普遍應(yīng)用。歐洲各國(guó)都在開(kāi)辟通向持久能源的通道，影響他們決策的主要因素是環(huán)境保護(hù)、創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)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(shì)。它對(duì)環(huán)境的影響最小

31、、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(huì)、有助于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。在歐洲大部分地區(qū)，環(huán)保的思路推動(dòng)著替代能源技術(shù)的開(kāi)發(fā)，太陽(yáng)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(guó)家，如丹麥、芬蘭、德國(guó)和瑞士，都認(rèn)為氣候變暖是推動(dòng)太陽(yáng)能研究開(kāi)發(fā)、發(fā)展和銷售活動(dòng)的主要因素。盡管受到常規(guī)能源的低價(jià)影響，在歐洲很多國(guó)家中，太陽(yáng)能壁燈市場(chǎng)仍然持續(xù)增長(zhǎng)。1.4 本論文研究的主要內(nèi)容2.根據(jù)太陽(yáng)能電池板輸出特性和蓄電池的特性，設(shè)計(jì)蓄電池的充放電控制方法。3.設(shè)計(jì)電源控制電路。5.根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)控制器外圍電路。6.編寫單片機(jī)執(zhí)行

32、程序。7.調(diào)試、實(shí)驗(yàn)硬件電路，保證可以實(shí)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(yáng)能電池板的選擇太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能壁燈中的核心部分，也是太陽(yáng)能壁燈中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。在眾多太陽(yáng)光電池中比較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池及非晶硅太陽(yáng)能電池等三種。(1)單晶硅太陽(yáng)能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定，適合在陰雨天比較多、陽(yáng)光相對(duì)不是很充足的南方地區(qū)使用；(2)多晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格比單晶硅低，適合在太陽(yáng)光充足、日照好的東西部地區(qū)使用；(3)非晶硅太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光照條件要求比較低，適合

33、在室外陽(yáng)光不足的地區(qū)使用。太陽(yáng)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(yáng)能電池，給12V蓄電池充電需要用1518V太陽(yáng)能電池。2.1.2 蓄電池的選擇由于太陽(yáng)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。一般來(lái)講，這種蓄電池充電時(shí)，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(lái)的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。其過(guò)充電時(shí)間與充電速率有關(guān)，實(shí)際工作中

34、可以根據(jù)電解液比重的變化來(lái)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(jiān)固，耐沖擊，震動(dòng)，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(jì)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(chǔ)氫合金取代負(fù)極原來(lái)使用的鎘，因此鎳氫電池可以說(shuō)是材料革新的典型代表。鎳氫電池所造成的污染，會(huì)比含有鎘的鎳鎘電池小很多。蓄電池是太陽(yáng)能燈具的核心部件，它儲(chǔ)存、并釋放電能，功能等同于電能倉(cāng)庫(kù)。蓄電池容量的

35、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(yáng)能電池組件吸收的能量盡量存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過(guò)小不能夠滿足夜晚照明的需要，容量過(guò)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(shí)造成浪費(fèi)。蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)能電池、用電負(fù)荷（壁燈）相匹配?？捎靡环N簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽(yáng)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(yáng)能電池的電壓要超過(guò)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）

36、。目前市場(chǎng)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?yàn)槲鰵涞膿p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(diǎn)：1.深度放電后回充電性能強(qiáng)，甚至在放電后未及時(shí)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(zhǎng)達(dá)810年，適合每天使用；3.適合用于較長(zhǎng)時(shí)間的放電使用；4.工作環(huán)境溫度更高；5.優(yōu)越的耐低溫性能；6.適合在電力干線不穩(wěn)定的環(huán)境下使用；7.無(wú)流動(dòng)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

37、，電池內(nèi)部水分損耗小。綜上對(duì)比，以及客觀條件的要求可得，太陽(yáng)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(yáng)能壁燈采用何種光源，是判斷太陽(yáng)能燈具能否正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽(yáng)能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無(wú)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(shí)左右，電壓低，燈管發(fā)黑，一般適合太陽(yáng)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，低壓鈉燈價(jià)格貴，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)高，采用較少。3.無(wú)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(wàn)小時(shí)，但在太陽(yáng)能燈具上使用壽命大大減少，

38、與普通節(jié)能燈差不多（因?yàn)樘?yáng)能燈具都是方波逆變器，太陽(yáng)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(zhǎng)，可達(dá)100000小時(shí)，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國(guó)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L(zhǎng)ED作為太陽(yáng)能壁燈的光源將是一種趨勢(shì)。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控制芯片中，單片機(jī)憑其體積小、封裝形式簡(jiǎn)單、易于焊接、功能齊全、功耗較小等優(yōu)點(diǎn)不失為最佳選擇。利用單片機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)壁燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)并能達(dá)到節(jié)省能源的目的，并且一旦開(kāi)機(jī)就可以智能地持

39、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(shí)保護(hù)蓄電池，避免過(guò)充現(xiàn)象的發(fā)生，并在充電過(guò)程中減少損耗，盡量延長(zhǎng)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(gè)方面進(jìn)行對(duì)比論證。首先是簡(jiǎn)易并聯(lián)調(diào)節(jié)的控制器，其近似可以看作是恒流源對(duì)蓄電池充電。因此，當(dāng)在蓄電池達(dá)到浮充電壓點(diǎn)時(shí)，蓄電池并沒(méi)有充滿，切斷電源后，蓄電池電壓會(huì)有很大的降落。如果將浮充電電壓點(diǎn)值設(shè)定得太高，欲使蓄電池盡量充滿，這樣又會(huì)導(dǎo)致蓄電池的過(guò)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(chǎng)合，特別適

40、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(diǎn)有，哈佛總線結(jié)構(gòu)，精簡(jiǎn)指令集技術(shù)，尋址方式簡(jiǎn)單、尋址空間獨(dú)立，代碼壓縮率高、程序保密性強(qiáng)，功耗低，驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，擁有兩種串行總線端口，外接電路簡(jiǎn)潔，開(kāi)發(fā)方便，運(yùn)用C語(yǔ)言編程，程序存儲(chǔ)器版本齊全等。具有性能完善，功能強(qiáng)大，學(xué)習(xí)容易，開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。最后，對(duì)于芯片AT89C51的單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)是美國(guó)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(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL

41、公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)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(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)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(chǔ)器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定1288位內(nèi)部RAM 32可編程I/O線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源 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(shí)鐘電路鑒于對(duì)AT89C51比較熟悉，而且對(duì)于應(yīng)用大型功率無(wú)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

42、款芯片。圖2-1 AT89C51芯片管腳2.2 方案的配置與計(jì)算在眾多太陽(yáng)能壁燈實(shí)際應(yīng)用中，很多地方的太陽(yáng)能壁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(gè)主要的原因就是一味的降低組件成本，不按需求設(shè)計(jì)配置，減小電池板和蓄電池的使用標(biāo)準(zhǔn)，所以導(dǎo)致在陰雨天壁燈無(wú)法提供照明。2.2.1 壁燈設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)1.太陽(yáng)能壁燈使用地的經(jīng)度與緯度。通過(guò)地理位置可以了解并掌握設(shè)備使用地的氣象資源，比如月（年）的平均太陽(yáng)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?yáng)能標(biāo)準(zhǔn)峰值時(shí)數(shù)(h)和太陽(yáng)能電池組件的傾斜腳與方位角。2.壁燈所選用光源的功率。光源功

43、率大小直接影響整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)。3.太陽(yáng)能壁燈每天晚上工作時(shí)間(H)。這是決定系統(tǒng)組件大小的核心參數(shù)，通過(guò)確定工作時(shí)間，可以初步計(jì)算負(fù)載每天的功耗和與之對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池組件的充電電流。4.太陽(yáng)能壁燈需要保持的連續(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(guò)后恢復(fù)電池容量所需要的太陽(yáng)能電池組件功率。5.確定兩個(gè)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(gè)連續(xù)陰雨天過(guò)后充滿蓄電池所需要的電池組件功率。2.2.3 壁燈設(shè)計(jì)參數(shù)的確定2，年平均月氣溫為20.5度，兩個(gè)連續(xù)的陰雨天間隔時(shí)長(zhǎng)25天。根據(jù)以上資料，計(jì)算出光伏組件傾斜角26度，標(biāo)準(zhǔn)峰值時(shí)數(shù)約4小時(shí)。負(fù)載日耗電量： (2-1)式中U

44、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(yáng)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)(4)連續(xù)陰雨天過(guò)后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽(yáng)能電池組件充電電流： (2-4)(5)太陽(yáng)能電池組件的功率為： (2-5)式中18為太陽(yáng)能電池工作電壓第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析3.1 系統(tǒng)基本介紹系統(tǒng)由太陽(yáng)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(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(yáng)能電池：吸收

45、太陽(yáng)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?，延長(zhǎng)蓄電池壽命，控制負(fù)載運(yùn)行時(shí)間及狀態(tài)。蓄電池：儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能，在夜晚為負(fù)載提供電力。圖3-1 系統(tǒng)組成3.2 太陽(yáng)能壁燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體分析太陽(yáng)能壁燈以控制、工作方式的不同，可分為兩種系統(tǒng)：1、光控開(kāi)光控關(guān)原理：白天，太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池組件表面時(shí)，光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，并通過(guò)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽(yáng)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(dòng)電壓值時(shí)，控制器啟動(dòng)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(shí)，控制器切斷負(fù)載。2、光控開(kāi)時(shí)控關(guān)原理：白天，太陽(yáng)光照射

46、到太陽(yáng)電池組件表面時(shí)，光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，并通過(guò)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；隨著光線逐漸減弱，太陽(yáng)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(dòng)電壓值時(shí)，控制器啟動(dòng)負(fù)載工作。當(dāng)負(fù)載工作時(shí)間達(dá)到控制器預(yù)先設(shè)定時(shí)間時(shí)，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(jì)十分靈活，所以可由軟件設(shè)計(jì)選擇控制方式。本系統(tǒng)的程序采用第二種方案。3.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的理論為什么半導(dǎo)體PN結(jié)經(jīng)由太陽(yáng)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(jiǎn)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”?？昭ù碇姾?，正電荷的移動(dòng)就形成了電流，這個(gè)電流就叫“光生電流”，它與光電池板的

47、面積、光照度、光電池板表面溫度等因素有關(guān)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件下，光伏電壓對(duì)安裝角度的偏差變化則反應(yīng)遲鈍，受其影響很小。電池的驅(qū)動(dòng)能力的大小也即電動(dòng)勢(shì)的大小與電流是直接相關(guān)的，雖然電動(dòng)勢(shì)是以“伏特”為單位來(lái)表示的，但其“實(shí)力”是由內(nèi)部電流的強(qiáng)弱決定的，實(shí)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(dòng)?；芈分须娏鞯姆较蛴肋h(yuǎn)與電子流動(dòng)的方向相反。對(duì)太陽(yáng)能電池來(lái)說(shuō)，光生電流的方向就是“空穴”移動(dòng)的方向，也就是電子流的反方向。光生電流決定了太陽(yáng)能

48、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(diǎn)，光生電流都會(huì)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，但實(shí)質(zhì)上還是電子的“定向填充空穴”形成的。那么“空穴移動(dòng)”和電子“填充空穴”又是怎么回事呢？先看看太陽(yáng)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(jià)電子結(jié)晶形態(tài)。硅原子靠這四價(jià)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(dòng)的空間。P型半導(dǎo)體就是在美麗的四價(jià)單晶硅中摻雜了三價(jià)的硼原子，結(jié)果，某一個(gè)硼原子取代了硅原子，

49、混在晶格中，但因?yàn)榕鹪又車挥腥齻€(gè)電子，必定有一對(duì)離子鍵因失配而呈現(xiàn)“空缺”（缺少單價(jià)電子相配），這就存在了一種不穩(wěn)定或者說(shuō)不平衡的趨勢(shì)，“空穴”的形象化比喻由此而來(lái)，“空穴”時(shí)時(shí)表現(xiàn)出使晶格趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。這就是P型半導(dǎo)體的特性。再說(shuō)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(jià)的磷原子，結(jié)晶形成后，某一個(gè)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(jià)電子找不到配對(duì)、無(wú)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(gè)膜層被科學(xué)家稱為PN結(jié)，PN結(jié)是

50、一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，具有單向?qū)щ娦?，即加上正向電?chǎng)就導(dǎo)通，加上反向電場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室內(nèi)的PN結(jié)可以細(xì)微到納米級(jí)。這意味著超大規(guī)模集成電路的開(kāi)發(fā)應(yīng)用會(huì)來(lái)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(yáng)能電池的外表面向陽(yáng)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(yáng)光子的激發(fā)下，N區(qū)的自由電子異?；钴S，終于沖破PN結(jié)的阻擋，逐次開(kāi)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(dòng)。這就是“空穴的移動(dòng)”，這個(gè)移動(dòng)是虛擬移動(dòng)，晶格中的每個(gè)原子都在各自的位置上紋

51、絲不動(dòng)，動(dòng)的只是與正電荷相配對(duì)的電子而已。太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)由此而生。但是，空穴的虛擬移動(dòng)和電子的實(shí)際定向移動(dòng)還都只是帶有電荷的載流子向電池上下兩面的聚集，只能形成電動(dòng)勢(shì)，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(jì)的理論基礎(chǔ)太陽(yáng)能壁燈控制器是太陽(yáng)能壁燈系統(tǒng)中最為重要的部件，也是各種壁燈系統(tǒng)最大的區(qū)別所在?？梢哉f(shuō)，光伏壁燈系統(tǒng)的不同，其實(shí)質(zhì)就是控制器的不同。其設(shè)計(jì)的好壞，決定了一個(gè)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況的優(yōu)劣。所以設(shè)計(jì)功能完備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的智能光伏壁燈控制器是非常重要的。太陽(yáng)能燈具中,一個(gè)性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長(zhǎng)蓄電

52、池的使用壽命,必須對(duì)它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過(guò)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(shí)太陽(yáng)能控制器應(yīng)兼有壁燈控制功能,具有光控、時(shí)控的功能,并應(yīng)具備夜間自動(dòng)切斷負(fù)載功能,便于陰雨天延長(zhǎng)壁燈工作時(shí)間?？刂颇K的基本思想是檢測(cè)太陽(yáng)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(yáng)能電池板電壓較低，開(kāi)啟控制電路，LED燈點(diǎn)亮。同時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對(duì)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(dòng)電路等幾部分組成。太陽(yáng)能控制器功能：1.電池組件防反充保護(hù)；2.蓄電池過(guò)充保護(hù)；3.蓄電池

53、的過(guò)放保護(hù)。4.電池組件、蓄電池的反接保護(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。所謂蓄電池即是貯存化學(xué)能量，于必要時(shí)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(gè)電子（2e）。可見(jiàn)，在未接通外電路時(shí)（電池開(kāi)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

54、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(dòng)勢(shì)。圖3-2 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理其原理可通過(guò)下面的反應(yīng)方程式來(lái)表示：負(fù)極： (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(shí)，稀硫酸即會(huì)與陰、陽(yáng)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(cè)得電解液中的硫酸濃度，亦即測(cè)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(shí)在陽(yáng)極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會(huì)在充電時(shí)被分解還原成硫酸,鉛及過(guò)氧化鉛,因此電池內(nèi)電解液的濃度逐

55、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原來(lái)的活性物質(zhì)時(shí)，即等于充電結(jié)束，而陰極板就產(chǎn)生氫，陽(yáng)極板則產(chǎn)生氧，充電到最后階段時(shí)，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會(huì)減少，此時(shí)應(yīng)以純水補(bǔ)充。太陽(yáng)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(lái)說(shuō)，當(dāng)有日照時(shí)，蓄電池與光伏陣列發(fā)電裝置并聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)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(wú)日照時(shí)，則由蓄電池單獨(dú)向負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池組電量未飽和時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)輸入變換單元對(duì)蓄電池組進(jìn)行補(bǔ)充充電。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，蓄電池組端電壓將逐漸上升，控制

56、單元適時(shí)檢測(cè)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(shí)，充電過(guò)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(zhǎng)。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(guò)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(gè)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(zhǎng)時(shí)間的充電模式。這種充電方式的不

57、足之處是，蓄電池開(kāi)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(gè)充電過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，特別在充電后期，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足65%。為避免充電后期電流過(guò)大的缺點(diǎn)，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(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說(shuō)明書中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。充電過(guò)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(duì)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

58、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(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。相對(duì)恒流充電來(lái)說(shuō)，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)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(shí)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(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過(guò)流而受到損傷。 如果蓄電池電壓過(guò)低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，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(guò)程中對(duì)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

59、用，由于其充電電源來(lái)自太陽(yáng)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電方式是為克服恒壓充電時(shí)初始電流過(guò)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(shí)，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當(dāng)電流小時(shí)，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(dòng)調(diào)整了充電電流，使之在某個(gè)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(duì)于光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，肯定是不實(shí)用的，因?yàn)榇?lián)電阻將消耗掉

60、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(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。它要求首先對(duì)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(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)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(shí)環(huán)境條件下)時(shí)，許多充電控制器允許對(duì)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