太阳能光伏发电系统—照明系统的设计
摘 要：本文介绍一种基于光伏发电的多电源智能管理系统——太阳能照明系统的设计。这个设计，从根本上对太阳能得到全面的了解，掌握太阳能照明的优势，并阐述了太阳能路灯与普通路灯的本质区别，从中了解到太阳能是一种潜力无限的清洁、高效而且可持续的可再生能源，是全人类节能环保的首选。本文还对太阳能路灯照明的太阳能电池，蓄电池，支架等各方面作了一个详细的分析，比较，再根据光伏发电的原理特性，系统采用了智能化控制器，对智能控制器编程序，使得程序可以满足太阳能LED路灯的自动蓄电，自动照明，自动熄灭等一系列工作过程，使太阳能照明更加智能化。最后，本文还举出例子，对现在正使用的太阳能路灯进行了分析，研究，明确太阳能发展的趋势及前景。
关键字：光伏发电，太阳能，节能环保，智能控制
1 绪
论
1.1太阳能照明是发展的趋势
太阳的能源非常巨大，可以说太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。利用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式。太阳能照明本质上是一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。其工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制，当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、随时变换位置等优点，在照明行业中树立起神圣的地位。随着太阳能光伏技术的发展和进步，在民用方面首先应用在照明灯具上。据了解，太阳能的优点已被越来越多的人所接受。作为太阳能应用的系列产品之一，太阳能灯具一直是各方研究和关注的焦点。在已有技术基础上，技术人员与厂商集思广益，在诸多方面取得了突破性进展，为太阳能灯最终走向千家万户打下了坚实基础。专家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。 1.2太阳能路灯与普通路灯相比较
1.大阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算
2.偷盗难，也不划算，太阳能路灯灯杆一般都在8米高以上，偷盗电线不合算
2 设计思路
太阳能光伏发电系统的基本原理相同，因而太阳能路灯的设计思路也可依据一般的太阳能发电系统，先确定太阳电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。但太阳能路灯又有其特殊性，需要确保系统工作的稳定与可靠，所以在设计时需要特别注意。
太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。
现本人想设计一个太阳能路灯的电路.白天充电靠太阳能电池吸收光能产生电能.而LED照明熄灭.夜晚LED点亮进行照明.并有电路保护电池不会过充过放。 3 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理 3.1太阳能路灯的组成
太阳能路灯由太阳能电池组件、蓄电池、电源控制器、光源等组成。如图3.1
图3.1 太阳能原理方框
3.2太阳能路灯的工作原理
太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P-N结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。白天的时候，太阳能电池吸收太阳光子能产生电能，通过控制器吧电能储存在蓄电池里，当夜幕降临或者灯具周围的广度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电设定的时间后切断，这样就可以照明了。 4 各部件的组成及工作原理 4.1硅太阳能电池工作原理与结构
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图4.1。
图4.1 图4.1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴。
当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电 势差，这就形成了电源 ，如图4.5所示。
图4.5 由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖p－n结，以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。 4.2蓄电池的组成及工作原理
太阳能照明必须配备蓄电池才能工作，这是因为：
（1）太阳能电池只能在白天进行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，因此必须储备在蓄电池内，储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。
（2）太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后，太阳能灯等负荷才能正常
工作。
由于太阳能路灯采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析。铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下： 1.充电：
蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时，在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅，同时在负极板上产生氢气，正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加，电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时，充电就结束了。
在充电时，在正、负极板上生成的氧和氢会在电池内部“氧合”成水回到电解液中。 化学反应过程如下：
（正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液） （负极） PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充电反应） (硫酸铅) （水） （硫酸铅） 2.放电
蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时， 硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应，生成化合物“硫酸铅”，放电时间越长，硫酸浓度越稀薄，电池里的“液体”越少，电池两端的电压就越低。 化学反应过程如下：
（正极） （电解液） （负极） （正极） （电解液）（负极） PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 （放电反应） (过氧化铅) （硫酸） （海绵状铅）
从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。
4.3电源控制器的组成及工作原理
4.3.1系统硬件结构
太阳能路灯智能控制系统硬件结构，如图4.6所示，该 以STC12C5410AD单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳能光线强弱的识别及蓄电池电压的获取。单片机的P3口的两位作为键盘输入口，用于工作模式参数的设置。
图4.6
蓄电池电压采集，用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能，对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护：万一蓄电池开路，若在太阳能电池正常充电时，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。 4.3.2电压采集与电池管理
太阳能电池板电压采集用于太阳光线强弱的判断，因而可以做为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。
蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，控制器由于自身得不到电力，不会有任何动作。当充电电压高于保护电压（15V）时，自动关断对蓄电池的充电；此后当电压掉至维护电压（13.2V）时，蓄电池进入浮充状态，当低于维护电压（13.2V）后浮充关不，进入均充状态。当蓄电池电压低于保护电压（11V）时，控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM充电电路，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。 4.3.3负载输出控制与检测电路
本系统设计了两路负载输出，每路输出均有独立的控制于检测，具有完善的过流、
短路保护措施，电路原理如图4.7所示。
图4.7 注：P1.6为单片机18引脚；P1.7为单片机19引脚；
P3.2为单片机6引脚
负载过流及短路保护：设计了两级保护。第一级采用了R7(0.01Ω康铜丝)以及运放LM3
58、比较器LM393等器件组成的过流、短路检测电路配合单片机的A/D转换及外部中断响应来实现，这里使用了硬件+软件的方式，LM358的输出送P1.7(A/D转换)口，用作过流信号识别，当电流超过额定电流20%并维持30s以上时，确认为过流；短路电流整定为10A，响应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子保险丝保护，当流经电子保险丝的电流骤然增加时，温度随之上升，其电阻大大增加，工作电流大幅降低，达到保护电路目的，响应时间为秒数量级，过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体，无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后，在长达数小时时间负载短路实验后，控制器仍没出现电路烧毁现象。解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护，一旦烧毁必须人为更换的问题，同短路后需手动复位或断电后重新开启的系统相比，也具有明显的优点，简化了维护，提高了系统的安全性能。 4.3.4系统软件设计 1..单片机软件编程
本设计方案的硬件电路对应的软件程序包括：主程序、定时中断程序、A/D转换子程序、外部中断子程序及键盘处理子程序、充电管理子程序、负载管理子程序。单片机的软件编程上，以KeilC编译器的Windows集成开发环境μvision2作为软件开发平台，采用C51高级语言编写。按键处理流程如图4.8所示，电压检测子程序如图4.9所示。
图4.8 按键程序流程图
图4.9 电压检测子程序流程图
1.ADS子程序
INT8U ADC(INT8U number)using 2 {number=number&0x0.7；//通道号不超过7
ADS_CONTR= ADS_CONTR e0； //清ADC_FLAG、AD不启动 While（（ADS_CONTR&0x10）=0x10）； 等待A/D转换结束 return（ADC_DATA）；//结束返回 } 2.外部0中断响应子程序
void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1 {if（P3_2） //高电平，认为是干扰信号触发中断 return delay 1（5000）； //10ms 延时 if（P3_2=0）
{load_switch_1=LSTOP；//负载开关1关 LOOP1_DL=1； 置负载短路标志 } } 这个太阳能路灯控制器可适用12V或24V工作光伏系统，可以直接驱动只留节能灯或通过逆变器驱动无极灯等作为照明光源，也可以驱动一些直流低压负载用于城市亮化。控制器的两路负载输出可以用于电动车道和人行道的照明，照明时间和工作模式可以灵活设置。着重解决了如何对蓄电池及负载进行有效管理问题，提高了太阳能电池板的使用效率，延长了蓄电池的使用寿命，防止因线路问题而造成的意外事件的发生。 4.4各数据计算
4.4.1太阳能电池组件计算
设计要求：负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。
（1）湖州地区近二十年年均辐射量Kcal/cm2，经简单计算湖州地区峰值日照时数约为3.424h；
（2）负载日耗电量=12.2AH （3）所需太阳能组件的总充电电流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A 在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。
（4）太阳能组件的最少总功率数= 17.2×5.9 = 102W 选用峰值输出功率110Wp、两块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。 4.4.2蓄电池计算
蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。
根据上面的计算知道，负载日耗电量12.2AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：
12.2×（7+1）= 97.6（AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。 4.4.3太阳能电池组件支架 1.倾角设计
为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。 2.抗风设计
在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。
（1）太阳能电池组件支架的抗风设计
依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。 （2）路灯灯杆的抗风设计路灯的参数如下：
电池板倾角A = 16o
灯杆高度= 5m 设计选取灯杆底部焊缝宽度δ = 4mm灯杆底部外径= 168mm 焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。根据27m/s的设计最大允许风速，
2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F = 1.3×730 = 949N。
所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。 上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。 破坏面抵抗矩 W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）
=π×（3×842×4＋3×84×42＋43） = 88768mm3 =88.768×10-6 m3
风荷载在破坏面上作用矩引起的应力= M/W= 1466/（88.768×10-6）=16.5×10-6pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa，其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。
所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。
5 太阳能路灯的实际应用
日前，浙江省质量技术监督局审核通过了由湖州勤上光电股份有限公司提出并组织起草的《浙江省太阳能LED灯地方标准》，将于09年7月1日起实施。“以前没有行业标准，生产什么、怎么生产、产品达到什么技术要求没有明确规定。标准出台后，行业门坎提高了，肯定要淘汰一批不符合标准的企业，企业要做好准备。”国家照明电器标准化技术委员会负责人表示，标准的出台将使太阳能LED产业提前进入规范化调试期，引导行业由无序、无标准状态，向有序、有标准状态转变，“山寨灯”横行的局面将得以改变。
即将实施的《浙江省太阳能LED灯地方标准》是中国大陆地区LED行业首个地方标准，适用于250V以下直流电源或1000V以下交流供电的道路、街路、隧道照明和其它室外公共场所照明用太阳能LED灯。对于照明领域来说，这是一次不小的革命。
本次设计的太阳能路灯的总电路图如图5.1所示，其工作原理：太阳照射在硅光板上，太阳能电池开始工作，使二极管D1跟三极管Q1工作，蓄电池开始蓄电，待蓄电池蓄电完毕后，根据程序的设定，Q1反作用，停止蓄电；到晚上天色昏暗时，设定的程序启动，使蓄电池开始放电，二极管D2，D3， D4，D5，导通，三极管Q2，Q3工作，使LED灯照明，直到第二天早上，预先设定的程序又作用，使LED灯熄灭；当有
太阳照射硅光板的时候，蓄电池又开始蓄电，这样，无限的循环，就可以使路灯自动蓄电，自动照明，自动熄灭，大大减少了人力物力，而且这样的设计，能节约更多的电能。
图5.1 太阳能路灯的总电路图
如图5.2所示，下面是本次设计的实际应用例子。
图 5.2 头顶太阳能板，晒一天太阳能照明6天的新式太阳能路灯，近期出现在了肇庆园区星港街上。从园区城管部门了解到，今年园区将改造多处路灯，推广绿色照明。
在基本完成改造的湖滨街上可以看到一批造型简洁的新式太阳能路灯已经竖立了起来。据路灯施工方相关负责人介绍，这批路灯头顶有一块太阳能板，将光能转换为电
能后自动存储在路灯的蓄电池中。太阳能板晒一天太阳后，可以在蓄电池内储存供路灯正常工作6天所需的电量，即使接下来6天都是阴雨天，路灯照样还能亮起来。
为了保证路灯的照度，这批太阳能路灯还安装了一个特殊的控制转换器，当太阳能发电不能满足路灯照明需要时就会自动切换到普通电源。有了太阳能板、蓄电池和控制转换器的路灯，在造价上自然比普通路灯要贵一些。据该负责人介绍，星港街沿线共要安装1500套太阳能路灯，部分景观带上的照明灯也将使用太阳能灯。
从园区城管部门了解到，今年园区将着手改造部分道路照明，全部使用节能灯具和绿色能源。首期老路灯改造，要把园区8到10条主要道路的老式路灯灯头更换为LED路灯灯头，预计可节电三分之二。另外，中新科技城今年也将改造安装太阳能LED路灯3500套。园区在亮化工程建设中，将尽可能地采用以LED为主的节能型光源和灯具，可比传统光源节能约30%。
据了解到，在厦门，北京，甘肃，上海，广东等城市也开始着手安装新式的太阳能LED灯，这对我国推行节能照明迈出了一大步。 结 论
整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。
目前，太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。 参考文献：
[1] 王长贵 王斯成.太阳能光伏发电实用技术[D].化学工业出版社 版次：2005-09-01 [2] 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术——可再生能源丛书[D] ．化学工业出版社 版次：2005-9-1 [3] 杨德仁，汪雷.第十届中国太阳能光伏会议论文集迎接光伏发电新时代[D] ．浙江：浙江大学出版社 版次：2008-9-1 [4] 赵争鸣 刘建政 孙晓瑛 袁立强.太阳能光伏发电及其应用[D].科学出版社 版次：1
[5] 刘树民，宏伟.太阳能光伏发电系统的设计与施工[D] ．科学出版社 版次：2006-4-1 [6] 冯良桓 张静全.中国太阳能光伏进展[D].西南交通大学出版社 版次：2006年 [7] 张和生．光伏发电系统理论[D] ．太原：太原理工大学，1998． [8] 王七斤.太阳能应用技术[D].中国社会 版次：2005年
[9] Mr West Bridge.Analysis of solar energy applications [R].Beijing： Institute of Nuclear Energy Technology， Tsinghua University， 1997.[10] 730C0004-D IEE Proceedings-D： Control Theory and Applications 2002， vol.149，
no.3 247～255
致 谢
历时三天，在我参考、收集大量资料和本班同学讨论研究之下，太阳能路灯课题设计总算完成了。
由于设计课题较为困难，期间，我花了较多的时间去收集相关资料，对其进行学习了解。在写这一设计的时候，我对我们的专业有了更深一层的了解和认识，同时也使我对太阳能光伏发电这个领域有了进一步的了解。
感谢指导老师郑老师，在我设计论文期间给了我很多的启蒙及指导。她严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样。从课题的选择到最终完成，都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向邵师致以诚挚的谢意和崇高的敬意！
基于TMS320F2812 DSP的太阳能独立光伏发电系统设计概要
