1、太陽能光伏發電系統照明系統的設計摘 要：本文介紹一種基于光伏發電的多電源智能管理系統太陽能照明系統的設計。這個設計，從根本上對太陽能得到全面的了解，掌握太陽能照明的優勢，并闡述了太陽能路燈與普通路燈的本質區別，從中了解到太陽能是一種潛力無限的清潔、高效而且可持續的可再生能源，是全人類節能環保的首選。本文還對太陽能路燈照明的太陽能電池，蓄電池，支架等各方面作了一個詳細的分析，比較，再根據光伏發電的原理特性，系統采用了智能化控制器，對智能控制器編程序，使得程序可以滿足太陽能LED路燈的自動蓄電，自動照明，自動熄滅等一系列工作過程，使太陽能照明更加智能化。最后，本文還舉出例子，對現在正使用的太陽能路

2、燈進行了分析，研究，明確太陽能發展的趨勢及前景。關鍵字：光伏發電，太陽能，節能環保，智能控制1 緒 論1.1太陽能照明是發展的趨勢太陽的能源非常巨大，可以說太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。利用太陽能發電的經濟性在很多情況下要優于常規的供電方式。太陽能照明本質上是一個光電轉換系統，專業領域稱為“硅晶片地面光伏組件”。其工作原理是通過硅晶片接收太陽光線后轉變為電能，然后儲存在蓄電池中，再由光感開關進行控制，當天黑時能夠自動點亮，天亮時又自動熄滅。太陽能燈是光電轉換技術的一種應用產品，憑借其節能、環保、無需布線、自動控制、隨時變換位置等優點，在照明行業中樹立起神圣的地位。隨著太陽能光伏技術的發

3、展和進步，在民用方面首先應用在照明燈具上。據了解，太陽能的優點已被越來越多的人所接受。作為太陽能應用的系列產品之一，太陽能燈具一直是各方研究和關注的焦點。在已有技術基礎上，技術人員與廠商集思廣益，在諸多方面取得了突破性進展，為太陽能燈最終走向千家萬戶打下了堅實基礎。專家預測，太陽能照明在未來十年后將會普及，成為未來照明行業發展趨勢。1.2太陽能路燈與普通路燈相比較1.大陽能路燈的造價其實不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算2.偷盜難，也不劃算，太陽能路燈燈桿一般都在8米高以上，偷盜電線不合算2 設計思路太陽能光伏發電系統的基本原理相同，因而太陽能路燈的設計思路也可依據一般的太陽能發電系統，先

4、確定太陽電池組件的功率，然后計算蓄電池的容量。但太陽能路燈又有其特殊性，需要確保系統工作的穩定與可靠，所以在設計時需要特別注意。太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點，因此受到人們的廣泛關注，又因其不污染環境，而被稱為綠色環保產品。太陽能路燈即可用于城鎮公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經濟不發達、缺乏常規燃料，難以用常規能源發電，但太陽能資源豐富的地區，以解決這些地區人們的家用照明問題。現本人想設計一個太陽能路燈的電路.白天充電靠太陽能電池吸收光能產生電能.而LED照明熄滅.夜晚L

5、ED點亮進行照明.并有電路保護電池不會過充過放。3 太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理3.1太陽能路燈的組成太陽能路燈由太陽能電池組件、蓄電池、電源控制器、光源等組成。如圖3.1圖3.1 太陽能原理方框3.2太陽能路燈的工作原理太陽能光伏發電是依靠太陽能電池組件，利用半導體材料的電子學特性，當太陽光照射在半導體PN結上，由于P-N結勢壘區產生了較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區中的非平衡電子和空穴或產生在勢壘區外但擴散進勢壘區的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，各自向相反方向運動，離開勢壘區，結果使P區電勢升高，N區電勢降低，從而在外電路中產生電壓和電流，將光能轉化成電能。太陽能光伏發

6、電系統大體上可以分為兩類，一類是并網發電系統，即和公用電網通過標準接口相連接，像一個小型的發電廠；另一類是獨立式發電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路。并網發電系統通過光伏數組將接收來的太陽輻射能量經過高頻直流轉換后變成高壓直流電，經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨立式發電系統光伏數組首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中。白天的時候，太陽能電池吸收太陽光子能產生電能，通過控制器吧電能儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或者燈具周圍的廣度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電設定的時間后切斷，這樣就可以照

7、明了。4 各部件的組成及工作原理4.1硅太陽能電池工作原理與結構太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構，如圖4.1。圖4.1圖4.1中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴。當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P型區移動，而P型區中的電子往N型區移動，從而形成從N型區到P型區的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源 ，如圖4.5所示。圖4.5由于半導體不是電的良導體，電子在通過pn結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽

8、光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋pn結，以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜，將反射損失減小到5甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36個）并聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。4.2蓄電池的組成及工作原理太陽能照明必須配備蓄電池才能工作，這是因為：（1）太陽能電池只能在白天進行光電轉化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲備在蓄電池內，儲備的容量要足夠當地連續幾個陰天的照明需要。（2）太陽能電池板的輸出能量極不穩定，配備蓄電池后，太陽能燈等

9、負荷才能正常工作。由于太陽能路燈采用的是鉛酸蓄電池，所以這里只對鉛酸蓄電池進行分析。鉛酸蓄電池充、放電化學反應的原理方程式如下： 1.充電：蓄電池從其他直流電源獲得電能叫做充電。充電時，在正、負極板上的硫酸鉛會被分解還原成硫酸、鉛和氧化鉛，同時在負極板上產生氫氣，正極板產生氧氣。電解液中酸的濃度逐漸增加，電池兩端的電壓上升。當正、負極板上的硫酸鉛都被還原成原來的活性物質時，充電就結束了。 在充電時，在正、負極板上生成的氧和氫會在電池內部“氧合”成水回到電解液中。化學反應過程如下： （正極）  （電解液）     （負極）  

10、  （正極） （電解液）  （負極）PbSO4  + 2H2O  +  PbSO4  PbO2 + 2H2SO4 +  Pb （充電反應）(硫酸鉛)     （水）      （硫酸鉛）2.放電蓄電池對外電路輸出電能時叫做放電。蓄電池連接外部電路放電時， 硫酸會與正、負極板上的活性物質產生反應，生成化合物“硫酸鉛”，放電時間越長，硫酸濃度越稀薄，電池里的“液體”越少，電池兩端的電壓就越低。化學反應過程如下： （正極）

11、  （電解液）    （負極） （正極） （電解液）（負極） PbO2  + 2H2SO4 +  Pb PbSO4 + 2H2O + PbSO4  （放電反應） (過氧化鉛) （硫酸）    （海綿狀鉛） 從以上的化學反應方程式中可以看出，鉛酸蓄電池在放電時，正極的活性物質二氧化鉛和負極的活性物質金屬鉛都與硫酸電解液反應，生成硫酸鉛，在電化學上把這種反應叫做“雙硫酸鹽化反應”。在蓄電池剛放電結束時，正、負極活性物質轉化成的硫酸鉛是一種結構疏松、晶體細密的結晶物，活性程度非常高

12、。在蓄電池充電過程中，正、負極疏松細密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池就又處于充足電的狀態。正是這種可逆轉的電化學反應，使蓄電池實現了儲存電能和釋放電能的功能。4.3電源控制器的組成及工作原理4.3.1系統硬件結構太陽能路燈智能控制系統硬件結構，如圖4.6所示，該 以STC12C5410AD單片機為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽能光線強弱的識別及蓄電池電壓的獲取。單片機的P3口的兩位作為鍵盤輸入口，用于工作模式參數的設置。圖4.6 蓄電池電壓

13、采集，用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM功能，對蓄電池進行充電管理。蓄電池開路保護：萬一蓄電池開路，若在太陽能電池正常充電時，控制器將關斷負載，以保證負載不被損傷，若在夜間或太陽能電池不充電時，控制器由于自身得不到電力，不會有任何動作。4.3.2電壓采集與電池管理 太陽能電池板電壓采集用于太陽光線強弱的判斷，因而可以做為白天、黃昏的識別信號。同時本系統支持太陽能板反接、反充保護。 蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器PWM功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路，控制器將關斷負載，以保證負載不被損傷，若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路，控制器由

14、于自身得不到電力，不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓（15V）時，自動關斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓（13.2V）時，蓄電池進入浮充狀態，當低于維護電壓（13.2V）后浮充關不，進入均充狀態。當蓄電池電壓低于保護電壓（11V）時，控制器自動關閉負載開關以保護蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路，可使太陽能電池板發揮最大功效，提高系統充電效率。本系統支持蓄電池的反接、過充、過放。4.3.3負載輸出控制與檢測電路 本系統設計了兩路負載輸出，每路輸出均有獨立的控制于檢測，具有完善的過流、短路保護措施，電路原理如圖4.7所示。圖4.7注：P1.6為單片機18引腳；P1.7為單片機19引腳

15、；P3.2為單片機6引腳負載過流及短路保護：設計了兩級保護。第一級采用了R7(0.01康銅絲)以及運放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測電路配合單片機的A/D轉換及外部中斷響應來實現，這里使用了硬件+軟件的方式，LM358的輸出送P1.7(A/D轉換)口，用作過流信號識別，當電流超過額定電流20%并維持30s以上時，確認為過流；短路電流整定為10A，響應時間為毫秒數量級。第二級采用了電子保險絲保護，當流經電子保險絲的電流驟然增加時，溫度隨之上升，其電阻大大增加，工作電流大幅降低，達到保護電路目的，響應時間為秒數量級，過流撤消或短路恢復后電子保險絲恢復成低阻抗導體，無須任何人

16、為更換或維修。系統采用了兩級保護措施后，在長達數小時時間負載短路實驗后，控制器仍沒出現電路燒毀現象。解決了用傳統保險絲只能對電路進行一次性保護，一旦燒毀必須人為更換的問題，同短路后需手動復位或斷電后重新開啟的系統相比，也具有明顯的優點，簡化了維護，提高了系統的安全性能。4.3.4系統軟件設計1.單片機軟件編程本設計方案的硬件電路對應的軟件程序包括：主程序、定時中斷程序、A/D轉換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負載管理子程序。單片機的軟件編程上，以KeilC編譯器的Windows集成開發環境vision2作為軟件開發平臺，采用C51高級語言編寫。按鍵處理流程如圖4.8所

17、示，電壓檢測子程序如圖4.9所示。圖4.8 按鍵程序流程圖 圖4.9 電壓檢測子程序流程圖 1. ADS子程序INT8U ADC(INT8U number)using 2 number=number&0x0.7；/通道號不超過7 ADS_CONTR= ADS_CONTR e0； /清ADC_FLAG、AD不啟動 While（ADS_CONTR&0x10）=0x10）； 等待A/D轉換結束 return（ADC_DATA）；/結束返回 2. 外部0中斷響應子程序void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1if（P3_2） /高電平，認為是干擾信號觸

18、發中斷return delay 1（5000）； /10ms 延時 if（P3_2=0） load_switch_1=LSTOP；/負載開關1關 LOOP1_DL=1； 置負載短路標志 這個太陽能路燈控制器可適用12V或24V工作光伏系統，可以直接驅動只留節能燈或通過逆變器驅動無極燈等作為照明光源，也可以驅動一些直流低壓負載用于城市亮化。控制器的兩路負載輸出可以用于電動車道和人行道的照明，照明時間和工作模式可以靈活設置。著重解決了如何對蓄電池及負載進行有效管理問題，提高了太陽能電池板的使用效率，延長了蓄電池的使用壽命，防止因線路問題而造成的意外事件的發生。4.4各數據計算4.4.1太陽能電池組

19、件計算設計要求：負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數8.5h，保證連續陰雨天數7天。（1）湖州地區近二十年年均輻射量Kcal/cm2，經簡單計算湖州地區峰值日照時數約為3.424h；（2）負載日耗電量=12.2AH（3）所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A在這里，兩個連續陰雨天數之間的設計最短天數為20天，1.05為太陽能電池組件系統綜合損失系數，0.85為蓄電池充電效率。（4）太陽能組件的最少總功率數= 17.2×5.9 = 102W選用峰值輸出功率110Wp、兩塊55Wp的標準電池

20、組件，應該可以保證路燈系統在一年大多數情況下的正常運行。4.4.2蓄電池計算蓄電池設計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數要簡單。根據上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續工作7個陰雨天，再加上第一個晚上的工作，蓄電池容量：12.2×（7+1）= 97.6（AH），選用2臺12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。4.4.3太陽能電池組件支架1.傾角設計為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術刊物上出現得不少。本次路燈使用地區為廣州地區，選定太陽

21、能電池組件支架傾角為16o。2.抗風設計在太陽能路燈系統中，結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計。抗風設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設計，二為燈桿的抗風設計。下面按以上兩塊分別做分析。（1）太陽能電池組件支架的抗風設計依據電池組件廠家的技術參數資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數選定為27m/s（相當于十級臺風），根據非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以，設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。（2）路燈燈桿的抗風設計路燈的參數如下：電池板傾角A = 16o 

22、0;          燈桿高度= 5m設計選取燈桿底部焊縫寬度 = 4mm燈桿底部外徑= 168mm焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W的計算點P到燈桿受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = 5000+（168+6）/tan16o× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風荷載在燈桿破壞面上的作用矩M = F×1.545。根據27m/s的設計最大允許風速，2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N。考慮1.3的安全系數，F = 1.3×730 = 949N。所以，

23、M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。根據數學推導，圓環形破壞面的抵抗矩W = ×（3r23r23）。上式中，r是圓環內徑，是圓環寬度。破壞面抵抗矩 W = ×（3r23r23）=×（3×842×43×84×4243）= 88768mm3=88.768×10-6 m3風荷載在破壞面上作用矩引起的應力= M/W= 1466/（88.768×10-6）=16.5×10-6pa =16.5 Mpa215Mpa，其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強度

24、。所以，設計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質量能保證，燈桿的抗風是沒有問題的。5 太陽能路燈的實際應用日前，浙江省質量技術監督局審核通過了由湖州勤上光電股份有限公司提出并組織起草的浙江省太陽能LED燈地方標準，將于09年7月1日起實施。“以前沒有行業標準，生產什么、怎么生產、產品達到什么技術要求沒有明確規定。標準出臺后，行業門坎提高了，肯定要淘汰一批不符合標準的企業，企業要做好準備。”國家照明電器標準化技術委員會負責人表示，標準的出臺將使太陽能LED產業提前進入規范化調試期，引導行業由無序、無標準狀態，向有序、有標準狀態轉變，“山寨燈”橫行的局面將得以改變。即將實施的浙江省太陽能LED燈地方

25、標準是中國大陸地區LED行業首個地方標準，適用于250V以下直流電源或1000V以下交流供電的道路、街路、隧道照明和其它室外公共場所照明用太陽能LED燈。對于照明領域來說，這是一次不小的革命。本次設計的太陽能路燈的總電路圖如圖5.1所示，其工作原理：太陽照射在硅光板上，太陽能電池開始工作，使二極管D1跟三極管Q1工作，蓄電池開始蓄電，待蓄電池蓄電完畢后，根據程序的設定，Q1反作用，停止蓄電；到晚上天色昏暗時，設定的程序啟動，使蓄電池開始放電，二極管D2，D3， D4，D5，導通，三極管Q2，Q3工作，使LED燈照明，直到第二天早上，預先設定的程序又作用，使LED燈熄滅；當有太陽照射硅光板的時候

26、，蓄電池又開始蓄電，這樣，無限的循環，就可以使路燈自動蓄電，自動照明，自動熄滅，大大減少了人力物力，而且這樣的設計，能節約更多的電能。圖5.1 太陽能路燈的總電路圖如圖5.2所示，下面是本次設計的實際應用例子。圖 5.2頭頂太陽能板，曬一天太陽能照明6天的新式太陽能路燈，近期出現在了肇慶園區星港街上。從園區城管部門了解到，今年園區將改造多處路燈，推廣綠色照明。在基本完成改造的湖濱街上可以看到一批造型簡潔的新式太陽能路燈已經豎立了起來。據路燈施工方相關負責人介紹，這批路燈頭頂有一塊太陽能板，將光能轉換為電能后自動存儲在路燈的蓄電池中。太陽能板曬一天太陽后，可以在蓄電池內儲存供路燈正常工作6天所需

27、的電量，即使接下來6天都是陰雨天，路燈照樣還能亮起來。為了保證路燈的照度，這批太陽能路燈還安裝了一個特殊的控制轉換器，當太陽能發電不能滿足路燈照明需要時就會自動切換到普通電源。有了太陽能板、蓄電池和控制轉換器的路燈，在造價上自然比普通路燈要貴一些。據該負責人介紹，星港街沿線共要安裝1500套太陽能路燈，部分景觀帶上的照明燈也將使用太陽能燈。從園區城管部門了解到，今年園區將著手改造部分道路照明，全部使用節能燈具和綠色能源。首期老路燈改造，要把園區8到10條主要道路的老式路燈燈頭更換為LED路燈燈頭，預計可節電三分之二。另外，中新科技城今年也將改造安裝太陽能LED路燈3500套。園區在亮化工程建設

28、中，將盡可能地采用以LED為主的節能型光源和燈具，可比傳統光源節能約30%。據了解到，在廈門，北京，甘肅，上海，廣東等城市也開始著手安裝新式的太陽能LED燈，這對我國推行節能照明邁出了一大步。結 論整體設計基本上考慮到了各個環節；光伏組件的峰瓦數選型設計與蓄電池容量選型設計采用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學；抗風設計從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面；路燈整體結構簡約而美觀；經過實際運行證明各環節之間匹配性較好。 目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環保節能相比，常