太阳能路灯系统毕业论文

本 科 毕 业 设 计 第 1 页 共 34 页1 引言由于现在社会上的工业企业大量燃烧矿物能源，造成了目前全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成严重的威胁。在这样的背景情况下，在巴西召开的世界环境与发展大会，把目前的环境与发展纳入了统一的框架，确立了可持续发展的模式。在这次会议之后，世界各国都加强了清洁性能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护紧密的结合在了一起，使太阳能得到了大家的充分的认可。世界环境发展大会之后，我国政府对目前的环境与发展十分重视，提出了相应的对策和措施，制定了中国 21 世纪议程章程，进一步明确了太阳能为国家的重点发展项目。这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发利用太阳能的坚定决心，要求全球人们共同行动 ，广泛利用太阳能资源。太阳能利用与世界的可持续发展和环境保护紧密的结合在一起，要求全球共同采取行动，为实现全世界的太阳能发展战略而努力；由于人们对太阳能的利用和发展历程的认识远远不同于煤、石油和核能，这就说明了太阳能的开发和利用难度系数大，在很短的时间内很难实现大规模化得开发和利用；从另一方面也说明了太阳能的发展道路很艰难曲折。尽管如此，从目前的总体上来看，太阳能对于我们来说还是得到了一定的开发与利用 【1】 。太 阳 能 路 灯 是 近 些 年 来 新 开 发 的 项 目 之 一 ， 由 于 路 灯 系 统 不 受 供 电 的 影 响 ，不 用 大 量 铺 设 电 线 ， 不 用 消 耗 常 规 电 厂 所 发 的 电 能 ， 只 要 有 太 阳 光 照 的 地 方 就 可以 安 装 和 使 用 ， 它 具 有 不 污 染 环 境 ， 因 而 人 们 称 其 为 绿 色 环 保 产 品 。 太 阳 能 路 灯既 从 目 前 来 看 可 以 被 大 量 用 于 道 路 、 公 园 、 草 坪 等 设 施 的 照 明 ， 又 可 用 于 人 口 数量 少 ， 经 济 不 发 达 、 常 规 燃 料 缺 乏 ， 但 是 太 阳 能 资 源 丰 富 的 地 区 ， 来 解 决 这 些 地区 人 们 的 日 常 照 明 用 电 所 需 。路灯系统是城市道路交通不可缺少的照明设施，对于目前生活在城市的人们来说，设计一种新型的智能化路灯控制系统，意义非常重大。目前路灯应用市场已经全面启动，随着效率的进一步提高和技术水平的日趋完善，相信将有很快的发展，市场前景更为可观。面对难得的发展机遇和目前的市场需要，LED 路灯虽然还存在很多不足之处，但是由于节能环保的特点，LED 路灯的发展已经形成一种趋势。相信在不久的将来，太阳能的发展一定会有飞跃性的进步，并会在全球范围内开始使用 【2】 。本 科 毕 业 设 计 第 2 页 共 34 页1.1 太阳能路灯系统的组成及工作原理太阳能路灯控制器是路灯系统最主要的一部分，整个系统主要由六大部分组成：太阳能电池板、蓄电池、路灯控制器、充电驱动电路、放电驱动电路和负载。路灯控制器的工作原理如下：首先通过传感器将采集的信号转变为模拟电压信号，然后将模拟电压信号通过放大器进行放大，当信号达到单片机可处理的范围时，送入单片机中进行处理。在单片机中对信号进行连续采样，然后单片机将检测到的信息与单片机本身的设定值进行比较，如果达到相符的范围之内，则触发控制器将路灯打开，进行照明。整个系统的基本结构图如图 1.1 所示。图 1.1 太阳能路灯太阳能 LED 路灯按照以下方式进行工作：在晴朗的白天，通过路灯控制器的控制，太阳能电池组件为蓄电池进行充电；当夜间的时候，路灯控制器就控制蓄电池给负载供电，使路灯点亮，进行照明。然而太阳能电池容易受环境的温度、湿度、光照条件等因素的影响，所以这就有可能使路灯的供电电路部分不稳定，在这里蓄电池完全可以满足以上的要求，这是因为蓄电池可以提供恒定的电流和电压，使整个系统处于稳定的状态。1.2 课题研究内容及意义本课题设计的是新型太阳能路灯控制器，它是基于单片机来设计实现的，在当前的社会需求中，具有深远的意义，此设计更符合当今可持续发展的要求。（1）课题从以下几个方面进行研究：针对目前市场上销售的太阳能路灯控制器的一些不足之处，在本课题的设计中提出了改进型的控制方案；改进后的方案中，我们通过控制蓄电池的剩余荷电容量（SOC） ，来实现 LED 路灯控制器的独立运行，这就是传感器 控制器充电驱动电路蓄电池放电驱动电路路灯太阳能电池电池本 科 毕 业 设 计 第 3 页 共 34 页太阳能路灯系统的总体设计方案。在本课题的设计中，我们把软件和硬件结合在一起，经过有效的组装和仿真，最终实现了智能化控制。（2）对于本课题的设计研究意义归纳如下：本设计能够实现智能化控制，增强了控制系统的稳定性和可靠性。设计独立运行的太阳能 LED 路灯控制器的技术，我们可以根据此技术，进行多方面的研究，设计不同的控制器，应用于不同的领域。太阳能的开发和利用为我国乃至全人类的能源消耗模式的转变和升级做出了初步的探究，为由传统的能源开发到新能源（太阳能）的利用的过渡，提供了相应的理论支持和实践探索，具有深远的意义 【3】 。本 科 毕 业 设 计 第 4 页 共 34 页2.蓄电池剩余容量（SOC）控制法2.1 概述蓄电池剩余容量（SOC）控制法是通过检测蓄电池的剩余容量而实现的，在本课题的设计中，系统将根据蓄电池的剩余容量（SOC） ，分别采取不同的方法进行不同的处理，蓄电池的剩余容量（SOC）的状态将跟随着负载的大小变化而变化，这样一来，完全可以满足课题的要求，此控制方法既能对蓄电池进行有效的充电，同时又能够防止蓄电池过多的放电。在本系统的设计中的一个难题就是怎样完成检测铅酸蓄电池的剩余容量（SOC）是本控制法的最核心的技术问题，所以我们必须要在蓄电池的使用过程中，来确定铅酸蓄电池的剩余容量（SOC） ；只有这样，才能有效地使用蓄电池剩余容量（SOC）的控制法进行有效地控制。在本章中，首先建立了铅酸蓄电池剩余容量（SOC）的基本数学模型，基于这个基本的数学模型，就可以得知当前蓄电池的容量（SOC） 。此数学模型经过我们进行测试证明，能够较准确地表达出蓄电池在充电和放电的过程中的电压和剩余容量之间的关系，并能够很好地反映出各个参数对电池的影响。有了这样的结论，我们就可以根据铅酸蓄电池剩余容量（SOC）的基本数学模型，检测出蓄电池的剩余容量（SOC） 。2.2 蓄电池剩余容量（SOC）的数学模型此数学模型的建立十分复杂，它要求考虑各个方面的情况，比如说温度、湿度、光照条件等外部因素的同时还得需要考虑铅酸蓄电池本身的情况，例如内阻的大小，蓄电池在充电和放电情况下的密度，所以我们要根据铅酸蓄电池的热力学和动力学公式给出以下结论。2） SOC 充放电数学模型的推导公式如下：1(1)o ecr RTSOCIVIELnRSOVFDAH 充 充（2.1）其中 ：实测的蓄电池充电过程中的端电压；充：蓄电池充电初始（或放电终了）的静态电压；V充本 科 毕 业 设 计 第 5 页 共 34 页：蓄电池充电过程的阴极和阳极极化电位之和；r：蓄电池的充电率；IAhIR：蓄电池的内阻。通过以上的公式，我们通过蓄电池的特性，经过计算，又可推导得出如下的公式：11o ecr RTDOIVIELnRSOCFSCAh 放 放（2.2）其中 ：实测的蓄电池放电过程中的端电压；放：蓄电池放电初始（或充电终了）的静态电压；rV放：蓄电池放电过程的阴极和阳极极化电位之和；r：蓄电池的放电率；IAhIR：蓄电池的内阻。由上面的分析，从公式 2.1 和 2.2 式子中，推导得出蓄电池剩余容量（SOC）在充电和放电过程的基本数学模型，此模型的数学公式如下 【4,5,6】 ：1110250.2525rDOIVaLnbLnDOSCAhKTIcAhKT 放（2.3）a：由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1-0.2;b：电化学极化项常数，0.1-0.15;c：内阻极化项常数，0.08-0.15（2.4）1 101250.2525rDOIVdLneLnSOCSCAhKTIfDAhKT 充本 科 毕 业 设 计 第 6 页 共 34 页d：由于反应物和生成物比例改变引起的电压变化的常数，0.1-0.2;e：电化学极化项常数，0.2-0.25;f：内阻极化项常数，0.15-0.25;2.3 太阳能 LED 路灯的发展过程随着 LED 照明灯具的逐步发展，在亮化工程辅助照明等公共场合下，LED 渐渐替代了一些传统光源产品。LED 初期是由单色光为主，虽然功率小，价格高，但其可靠性高，控制性强，体积小，所以最先兴起的市场是电子器件指示灯。随着 LED 照明灯具的逐步发展，在亮化工程辅助照明等公共场合，LED 照明灯具渐渐替代了一些传统光源产品。2009 年 ， LED 灯具开始在发达国家进入主照明普及。市场对 LED 灯具产品有了一定的认可和接受。LED 灯具因其环保，体积小，可靠性高等其他特性逐渐凸显出来，在电费较高，使用时间较长的商业应用场所，LED 灯具迅速成为市场的新宠，作为 LED 照明灯具的用途，LED 市场发展分以下几个阶段。阶段一：LED 灯具实用新型在上一阶段的基础上，市场对 LED 灯具产品有了一定的认可和接受。LED 灯具因其环保，体积小，高可靠性等其他特性逐渐凸显出来。由此而开发的一系列完全有别于传统光源应用的产品会大行其道。照明行业会出现更大更广的一个发展空间。光源不再是仅仅起到照明作用，它的多变使得更贴切人们工作生活中的点点滴滴。各厂商拼的是设计应用优势。阶段二：LED 灯具智能控制随着物联网等新技术的发展，LED 作为半导体产业，也将搭上这趟高速列车，发挥出其高可控性特点。从家庭到办公楼，从道路到隧道，从汽车到步行，从辅助照明到主照明，具备智能控制的 LED 照明灯具系统将给人类带来更高等级的服务。LED 灯具产业也将由做产品，到设计产品，到提供整体解决方案的历程。阶段三：LED 灯具替代这一阶段指的是 LED 灯具在发展初期，主要体现出其光效高(能耗小)，寿命长的特点。因为售价高，所以在这一阶段主要为商照市场。客户有一个接受的过程，首先是使用习惯和外观上的过渡与接受。在与传统光源一致的使用情况下，LED 灯具体现出本 科 毕 业 设 计 第 7 页 共 34 页的节电，长寿等特点使得市场容易接受它的相对高价。尤其是在商用场合。各厂商拼的是质量价格优势 【7】 。3 新型太阳能路灯控制器的总体设计方案 3.1 太阳能电池组件众所周知，太阳能电池组件和太阳能电池板不是同一种东西，太阳能电池组件经过串并联，经过封装形成太阳能电池板。电池板再按照实际的需要连接，加上必备的整流器，反向换流器之类的部件，最后形成光伏发电系统。我们用 36 片电池进行组装，组成一个太阳能电池组件，经过这样的改装，我们就能得到大约 17V 的电压，然而我们要为 12V 的蓄电池进行充电，完全可以满足以上的要求。3.2 路灯系统的智能控制器类似于人的大脑的控制器，是整个控制系统的最关键的部分，它控制着整个系统的电路，所以铅酸蓄电池组的过充过放能够有效的得到保障。蓄电池组过充和过放电量后将会严重地影响蓄电池的性能和使用寿命，所以充电放电的控制器是该系统中的必须要有的组成部分。本设计中的充放电路灯控制器，按照我们所需要的控制方式可分为 PWM 脉宽调制控制型和开关控制型，然而脉宽调制(PWM)型的控制器，我们只能采用 MOS 晶体管。在本课题的设计中，我们采用蓄电池剩余容量（SOC）的控制法，设计出了一个高性能的路灯控制器，此控制器可以保证蓄电池永远不会发生过充过放电及短路的现象，此控制器采用了先进的 PWM 进行充电控制，另外还加入了相关的温度补偿功能，这样就能使路灯处在自适应的状态。所以，根据以上的结论，本课题设计的太阳能路灯控制器具有双重的目的 【8】 。3.3 光伏电源的设计在本文的介绍中，太阳能光伏电源板块的安装采用的是太阳光的追踪方式，因此不需要计算光电池板的安装倾角，因为应用此系统，太阳一直能直射到光电池板上的。本 科 毕 业 设 计 第 8 页 共 34 页首先，光伏电源的设计步骤如下：（1）负载日功耗 QL 的计算公式： QLPih（3.1） （2） 计算太阳能电池组件总用量时的计算光伏系统充放电效率 取 0.75，灰尘遮挡部分及其它外部损失修正的系数 取 0.90，太阳能电池组件的组合损失的修正系数 取 0.95。这样就可以得到:（3.2）5618LopQPAKH（3） 串联组件数 Ns 它由经验公式确定： 1.3SMBNVA（3.3）（4）太阳能电池方阵的输出功率为：（3.4）smpspoPNVINP在上式中，P0 为组件的标称功率，P0=VmIm；Im 是组件的工作电流，所以由此求出Np。（5）蓄电池用量的计算：蓄电池放电容量主要考虑电流，跟电压没有太大的关系，负载的电流越大，放电的时间就越短。（6）路灯系统的 LEO 参数的确定方法：小功率 LED 效率高，在某种情况下相当于单只 IW 大功率的 LED 光的通量，所以无需再用 15 只小功率 LED，这里只需要 7 至 8 只即可满足本设计的要求。因此成本要比以前低很多，稳定性和可维护性都将比以前强很多。路灯在空间上可进行自由的组合，不受外界条件的限制，因此排列将更加的灵活。7) 功率及照度的确定办法：每支 LED 灯的工作电压为 3V 到 3.2V 之间，由于我们采用的是 12V 的蓄电池，所以我们把负载的连接方式定为 3 个 LED 串联定为一个小组，所以一共用 28 组进行并联。然后再把干路电路串接限流电阻用来控制每一路路灯的电流，这样流过每只 LED 的电流为 16mA，每盏路灯上消耗的电功率为 5.4W，所以在 12V 蓄电池的直流电源电压下，总的电流大小为 450mA。本 科 毕 业 设 计 第 9 页 共 34 页其次，本文中要求我们设计 12V/20A 新型的太阳能路灯控制器，具体的步骤如下：1） 负载日耗量的确定方法：从太阳能庭院路灯的照度标准手册(81lx)入手，设计照明 121 勒克斯;选择流过每只 LED 路灯的电流为 16mA，所以每盏路灯的电功率为 5.4W；按照一天张灯 10 小时计算，则负载日耗电的功率为：QL=5.4W10h=54Wh2） 太阳能电池总用量的计算方法：太阳能电池方阵面上的总辐射量为 154000 卡/厘米 2，因此在水平面上年平均日辐射量（以北京为例） ，其计算公式如下所示。（3.5） 324150.2178365485.17.138LL popHK