【毕业论文】太阳能草坪灯的设计

河南科技学院 2009 届本科毕业论文（设计） 论文题目：太阳能草坪灯的设计 学生姓名：杨 进 宇 所在院系：机 电 学 院 所学专业：应用电子技术教育 指导老师：赵 明 富 完成时间： 2009 年 5 月 25 日 摘 要 太阳能作为可再生能源的一种，指太阳能的直接转化和利用，通过转换装置把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电。 本 设计 是 对目前草坪灯存在的抗干扰性低，不能自动化控制 ，且寿命短等缺陷进行改进与创 新。 本设计 首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节 能 的目的 ； 利用单片机技术实现 草坪灯 的光电控制、定时控制和节能控制 ， 其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气对 蓄电池进行 充电 ，以给草坪灯供电 。 控制电路 分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略 ，能根据光线和定时 控制 的要求 决定草坪灯 的点亮和关断 。 系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数。 关键词： 太阳能光电池，控制器，蓄电池，草坪灯 ，单片机 as a of to to is of be as of of as a of in to of by up to to to of of on of of of a be V， 录 1 引言 . 1 内外太阳能的发展现状 . 1 阳能的利用 . 2 2 方案论证 . 3 计要求 . 3 案 选择 . 3 3 系统整体电路 . 4 阳能电池板 . 4 阳能控制器 . 6 电池的选择 . 7 片机介绍 . 8 要特性 . 8 脚说明 . 8 荡器特性 . 10 片擦除 . 10 构特点 . 10 4 系统单元电路的设计 . 10 明负载 . 10 放电控制原理 . 12 阳能供电系统容量的计算 . 13 制器电源电路 . 14 控电路 . 14 统时钟电路 . 15 电存储电路 . 16 码管 显示电路 . 17 片机硬件电路 . 18 5 系统程序设计 . 19 6 结束语 . 19 致谢 . 20 参考文献 . 21 附录 1 总体电路图 . 22 附录 2 程序 . 23 1 1 引言 太阳能是各 种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。 70 年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国 家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。 1973 年，美国制定了政府级的阳光发电计划， 1980 年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达 8亿多美元。 1992 年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在 70 年代制定了 “阳光计划 ”， 1993 年将 “月光计划 ”（节能计划）、 “环境计划 ”、 “阳光计划 ”合并成 “新阳光计划 ”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。 90 年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太 阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制定可持续发展战略的重要内容。 自“六五”以来我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。二十多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 内外太阳能的发展现状 国际光伏工业在过去 15 年的平均年增长率为 20。 90 年代后期，世界市场出现了供不 应求的局面，发展更加迅速。以美国为代表，政府（能源部）在1990 年起动了 伏制造技术）的产业化计划，通过国家可再生能源实验室（ 施，并成立了国家 心，联合产业界、大学和研究机构共同进行攻关，以求大幅度降低成本。这一计划的实施已经产生了非常明显的效果，使商品化电池效率提高到 12市场发展将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到下世纪中叶，太阳能光伏发电将达到世界总发电量 15成为人类的基础能源之一。第二届世界太阳能光伏会议主席 大会上说到： “作为全球一种能源，光伏发电在下世纪 2 前半期将超过核电，是 2030 年还是 2050 年的最后几年超过，只是个时间问题。 ” 我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近 20 年的努力，已经奠定良好的基础。目前有 4 个单晶硅电池及组件生产厂和 2 个非晶硅电池生产厂。但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，主要表现在以下几个方面： （ 1）生产规模小。目前 4 个单晶硅电池生产厂基本上保持在 1986引进时的规模和水平。各厂家在引进时标称生产能力为 1，但在不同的工艺环节上都存在着 “瓶颈 ”，实际生产能力都在 0 5左右，所以我国太阳电池总的实际生产能力约 2， 1998 年我国太阳电他的产量为2占世界产量的 1 3。生产的规模化程度比国外 5产规模低一个数量级。目前各厂都在努力扩大生产能力，可望在 1内将各厂的实际生产能力扩大到 1，总能力达到 4。多晶硅电池有利于进一步降低成本，目前我国还是空白。国家已将多晶硅电他的产业化作为 “九五 ”计划的重点进行了安排，可望在 2000 年形成规模化生产。 （ 2）技术水平较低。我国太阳电他的效率较低，平均在 14组件封装水平低，工程现场证明，部分产品大约 3就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，近几年产品质量有提高，但同国外仍有一定差距。 （ 3）专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、 尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入 “八五 ”计划，并取得一定成果，但性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。 （ 4）成本高。目前我国电池组件成本约 35 元 4 2 美元 平均售价 44 元 5 3 美元 成本和售价都高于国外产品。 我国地域广大、 人口众多， 7000 万人生活在无电地区，光伏发电的潜在市场非常巨大。但由于光伏发电成本高，目前尚不能与常规发电相比。尽管如此，我国的光伏市场仍在逐年地发展和扩大， 1998 年的安装容量约 2 5 1998年底，光伏发电系统总保有量约 12对这样一个将被开发的巨大市场，我国的光伏发电产业必须加快发展步伐。 阳能的利用 人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期，就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来干燥农副产品。发展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太 阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和 光电转换 两种方式。使用 太阳电池 ，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能，使用 太阳能热水器 ，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电，利用太 3 阳能进行海水淡化。 太阳能发电 一种新兴的 可再生能源 利用方式 18。 本课题将充分利用太阳能资源、太阳能电池和光电转换技术给草坪 灯提供电力，利用单片机技术实现草坪灯的光电控制、定时控制和节能控制。 2 方案论证 计要求 （ 1） 电池板面积、功率的计算和选用； （ 2） 蓄电池容量、恒流充放电控制和充放电状态显示； （ 3） 光电控制要求光线较暗、路灯未点亮时草坪灯开始照明草坪，天亮后自动关断； （ 4） 定时控制要求晚上 12 点时关断草坪灯电源，早上 6 点接通、天亮后自动关断； （ 5） 系统有很好的抗干扰性，断电时可以保存用户所设定的各种参数。 案选择 太阳能草坪灯控制与路灯控制电路功能一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用 ,还 有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有光控制开关，钟控器、经纬型控制器等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。 单独的光控开关一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启草坪灯；早上光线较强时，自动关闭草坪灯，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如 ，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用 中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作 1。 采用钟控器的草坪灯控制器，要预先设定开关时间，使草坪灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多，常用 几年还出现将电子钟 晶显示为一体的集成块，体积小、外围元器件少，可设六组开关点，有星期功能，许多厂家大 4 量生产该产品，但现在大多用于路灯控制中，草坪灯控制中尚未大规模使用 5。 经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在草坪灯中使用将会增加 不必要的成本。灯箱的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，来实现根据天气状况自动控制灯箱电源的目的。经过综合考虑，决定采用光控和定时控制相结合的控制方式。 3 系统整体电路 图 1 总体方框图 太阳能草坪灯由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）、灯源等组成。利用单片机技术实现 草坪灯 的光电控制、定时控制和节能控制 ， 其次内部 设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气对 蓄电池进行 充电 ，以给草坪灯供电 。 总体设计电路图见附录 1。 阳能电池板 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 太阳能电池方阵一般由多块太阳能电池组件串并联而成，每个支路通过防反充二极管、充电控制器并联向蓄电池充电。太阳能电池方阵分为若干个子阵列，每个阵列由一个电子开关控制。当蓄电池的充电电压达到设 定的最电高压时，自动依次切断一个或数个子阵列，以限制蓄电池的充电电压继续增单片机系统 时控电路 光控电路 掉电存储 充放电总电路 太阳能电池板 蓄电池组 充放电控制器 5 长确保蓄电池的寿命，并最大限度地利用和储存太阳能电池发出的电能。晴天时，太阳能电池为蓄电池充电，在夜幕来临时通过定时装置为太阳能草坪灯供电 。 太阳能电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光伏效应。其转换过程由以下三个阶段组成： （ 1） 光的吸收和空穴电子对的产生 4 在外部不给半导体任何能量的状态（绝对零度）下，电子充满介电子带，而导带则不存在电子。在这种状态下，半导体不显示导电性，而是绝缘体。当具有一定能量的光入射半导体时， 如果光子的能量大小比特定值 么，这种光就被半导体吸收。如果半导体晶格吸收的光足够大，能够解除半导体晶格对电子的约束，就产生自由电子，留下空穴。为使被晶格约束的电子变为自由电子，光子的能量必须等于或大于该半导体的禁带宽度，即 子伏 。若比携带能量 么它仅能透过半导体晶格，而对光电转换没有作用。 （ 2）电子空穴对的分离 当半导体中没有电场时，光激发的电子空穴对均匀的分布在半导体中，但在外电路中并不能得到电流。只有以某种方法在半导体中形成势垒，才能使受激发的电子空 穴对分开，从而可向外电路供电。这种势垒常用 穴对的分离是有限的，但如果没有连接外部电路，则被分离的电荷不能消失，从而电荷蓄积在 向着电位势垒变小的方向偏转，结果分离过程停止，得到正常状态。这时，把 考虑使电荷短路状态，则分离的电荷在外部回路中流动而形成短路电流。因此，短路电流与照射的光量成正比。 （ 3）过剩载流子的移动 图 2 太阳能电池的发电原理图 吸收入射光能产生的电子空穴对也不一定全部分离，电子空穴对产生的 6 数目 与分离的数目之比叫做收集效率。半导体中产生的电子空穴对借助存在于半导体中的电场产生的偏移效应和电荷的浓度梯度产生的扩散而移动。过剩载流子是超过热平衡状态存在的载流子，所以，通常在某个时间常数下，具有返回平衡状态的倾向。通常把这个时间常数叫做过剩载流子寿命。因此，在产生的电荷从产生的地方向 荷不会因 能量的产生没有作用。这样，收集效率就由过剩载流子的寿命和 如图 2所示那样，当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子与空穴（因失去电子而带正的电荷）。如半导体中存在么电子向 穴向 分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端。这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。 当受光照的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图 3所示的等效电路来描述。 在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流 等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载 时在负载两端建 立起端电压 V，此电压反过来它又正向偏置于 起与光电流反向的暗电流 是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻 时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻 I s 图 3 阳能控制器 太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，可以设定 草坪灯的工作时间并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 对负载供电时，也是让蓄电池的电流先流入 7 太阳能控制器，经过它的调节后，再把电流送入负载。这样做的目的：一是为了稳定放电电流；二是为了保证蓄电池不被过放电；三是可对负载和蓄电池进行一系 列的监测保护。若要使用交流用电设备，还需在负载前加入逆变器逆变为交流。控制器由 据蓄电池电压高低，调节充电电流大小，决定是否向负载供电，并具有以下性能： 经常保持蓄电池处在饱满状态， 防止蓄电池过度充电， 防止蓄电池过度放电， 防止夜间蓄电池向太阳能板反向充电，蓄电池反接保护，太阳能极板反接保护。 电池 的选择 蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。目前常用的是铅酸蓄电池，重要的场合也有用镉镍蓄电池，但价格较高，相对来说应用没有前一种广泛。 蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来 。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者称为蓄电池放电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时。蓄电池也能够提供相对稳定的电能 12。 蓄电池的循环寿命主要由电池工艺结构与制造质量所决定。但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时，产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减小，这样使用寿命也会受到影响。 本电路采用铅酸免维护蓄电池， 不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。但是对蓄电池的过充电更为敏感，因此对过充保护要求高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变形。 在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出。在 这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给。因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。 如前所述，当蓄电池端电压达到设定的最高值时，由电压检测电路得到信 8 号电压，通过控制电路进行开关切换，使系统进入稳压闭环控制，既保持对蓄电池充电，又不致使蓄电池过充，造成电解液中水的大量分解和过热而导致极板损坏，从而使蓄电池得到合理的保护和利用。如过充保护失灵导致蓄电池端电压过高时，系统发出报警指令。当蓄电池端电压下 降至过放值时，系统也会发出报警指示，同时草坪灯自动关闭，以保证蓄电池不再继续放电。 片机介绍 89一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（ 低电压，高性能 微处理器，俗称单片机。 89一种带 2K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 100 次。该器件采用密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 令 集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8 位 闪烁存储器组合在单个芯片中， 89一种高效微控制器， 89它的一种精简版本。 89C 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 要特性 与 容 ， 4K 字节可编程闪烁存储器 ， 寿命： 1000 写 /擦循环数据保留时间： 10 年 ， 全静态工作： 0级程序存储器锁定 128*8 位内部 编程 I/O 线 ， 两个 16 位定时器 /计数器 5 个中断源 ， 可编程串行通道 ，低功耗的闲置和掉电模式 ， 片内振荡器和时钟电 路 。 脚说明 电电压。 地。 ： 为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当 的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 出原码，此时 部必须被拉高。 ： 是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器能接收输出 4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用 作输入，被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 程和校验时， 作为第八位地址接收。 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， 缓冲器可接收，输出 4 个 电流，当 被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 9 为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。 当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据 存储器进行读写时， 输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 电流。当 写入 “1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 也可作为 一些特殊功能口，如下表所示： 行输入口） 行输出口） 部 中断 0） 部中断 1） 0（记时器 0 外部输入） 1（记时器 1 外部输入） 部数据存储器写选通） 部数据存储器读选通） 同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 位输入。当振荡器复位器件时，要保持 两个机器周期的高电平时间。 访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在 程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在 平时， 以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 冲。如想禁止 输出可在 址上置 0。此时， 有在执行 令是 起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 止，置位无效。 /部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次 /效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /号将不出现。 / /持低电平时，则在此期间外部程序存储器（ 0000不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时， /内部锁定为 /保持高电平时，此间内部程序存储器。在 程期间，此引脚也用于施加 12V 编程电源（ 10 向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 自反向振荡器的输出。 荡器特性 别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以 配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 片擦除 整个 列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 脚处于低电平 10完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写 “1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外， 有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑， 支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下， 止工作。但 时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存 内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 构特点 8 位 片内振荡器和时钟电路； 32 根 I/O 线； 外部存贮器寻址范围 2 个 16 位的定时器 /计数器； 5 个中断源，两个中断优先级； 全双工串行口； 布尔处理器 。 4 系统单元电路的设计 明负载 施电压后在其内部 会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。发光二极管的实质性结构是PN 结，在半导体 PN 结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体 PN 结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。半导体材料的发光机理决定了单一 片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成 11 白光。白光 常是在发射蓝光的 材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光 8。 由于 直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。应首选平光型超高亮 平光型与束光型超高亮 多个 中于一起，排列组合成一定规则的 光源。超高亮白光 光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为 17.5 太阳能 具的具体技术指标如表 1 所示 。 超高亮白光 光源具有如下优点 ： 寿命长。 寿命长达 100000h，而白炽灯的寿命一般不超过 2000 h，荧光灯的寿命也不过 5000 h 左右。效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯， 功耗只有前者的 10 20。绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比， 含汞、无频闪，是一种环保光源。耐低温。环境使用温度在一 40 80 ，环境适应性非常强 15。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的 智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能够工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。 表 1 太阳能 具的主要性能指标 太阳能电池 40W ， 12 V 光源 柱式排列， 96 粒 均功耗 3W 工作温度 +80 过充保护电压 14 4V(25C) 过放保护电压 11V 蓄电池 4012V 照明时间 天黑后，光控 自动启动电光转换功能；天亮后光控自动恢复到光电转换模式 太阳能 具的柱式光源耗能仅 3w 左右，但所发出的光的亮度已达到了 20W 节能灯或 40W 白炽灯的亮度，在如此低耗能高亮度的支持下可以更有 12 效利用太阳能，使用太阳能电池的容量只需要 40 w， 12V 30 蓄电池组就已经能够保证此种 光源在 5 个阴雨天持续有效工作，而 20w 节能灯要想在同等条件下正常工作，太阳能电池容量最少要达到 70W 以上，蓄电池组也要到达 70 上，而且超高亮 均使用寿命 10 万小时，使用期最少在10 年以上，而节能灯的 使用寿命仅为 8000 10000h。 由于单个高亮管的正常工作电压只有 3V，所以灯具采用 4 个高亮管串联后并联于电路中，这样也可以减少当电路中的某一个高亮管出现故障时对其他高亮管的影响， 96 个高亮管共分成六列围成一个柱形，每列由 16 个高亮管组成。用 384 个高亮管来代替四个 40W 的日光灯。由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，高亮管尽量选用照射角度大一些的高亮管。这对于一般的广告灯箱来说已经可以提供照明了，但对一些更大的广告灯箱，则需要更多的高亮管来提供照明。 放电控制原理 本系统的设计包括充电控制电路、防过充电路、防过放电路、稳压电路、太阳能电池板和蓄电池的选用等。 充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。 图 4 所示为充放电控制电路， 工作原理当直流电流经过 闭触点和 待对蓄电池进行充电；三端稳压器输出 8V 电压，电路开始工作，过充电压检测比较控制电路和过放电压检测比较控制电路同时对蓄电池端电压进行检测比较。当蓄电池端电压小于预先设定的过充电压值时，脚电位高于脚电位，脚输出低电位使 止， 通， 作，其接点 换位置，电路通过 蓄电池充电。蓄电池逐渐被充满，当其端电压大于预先设定的过充电压值时， 脚电位低于脚电位，脚输出高电位使 通， 止， 灭， 放，开充电回路， 光，指示停止充电。 当蓄电池端电压大于预先设定的过放电压值时， 脚电位高于脚电位，脚输出高电位使 通， 止， 灭， 放。其常闭触点 合， 光，指示负载工作正常；蓄电池对负载放电时端电压会逐渐降低，当端电压降低到小于预先设定的过放电压值时， 脚电位低于脚电位，脚输出低电位使 止， 通， 光指示过放电，作，其接点 开，正常指示灯 灭。 13 图 4 充电控制器 电路 阳能供电系统容量的计算 该电源给草坪灯供电 ,该草坪灯的工作电压为 12V,总耗电量约 3W（该灯用 96粒 个 ,工作电流约 于草坪灯一天要工作九个小时左右 (19:000),考虑阴天情况下系统的供电 ,后备电源须具有 48且按 80%的放电率计算 ,则蓄电池的容量为 : s)=(480( 式中 : 蓄电池容量 ; 蓄电池放电时间 ; 设备工作电流。 应选用 12V/30 有日照时 ,要求太阳能电池供给设备用电 ,同时给蓄电池充电。如按 10充电电流为 : x/0/10=3(A)。 式中 : 充电电流 ; 蓄电池容量 ; 充电时间。 要求太阳能电池提供的总电流为 : c+)。 计算中 ,加上 30%的余量 ,则要求太阳能电池提供的输出功率为 : P=(1+12 )。 式中 :P 太阳能电池提供的输出功率 ; 设备工作电压。 就是按照这样的计算 ,给电阵屏供 电应使用 1块 12V/40容量为 14 40W)供电的 。 制器电源电路 电源电路如图 5 所示。 系统太阳能供电， 12V 蓄电池电压经过 7805 稳压后产生 5V 电压，作为控制器的主电源。电容 为高频旁路电容，将高频信