（无线电物理专业论文）太阳能led路灯节能控制系统的设计.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：歪堡兰日期：冱! i ：堕：互i 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：矽饕之 导师( 签名) 蝣期沙f 口s 1 摘要 随着太阳能照明技术的发展，近几年太阳能路灯行业发展迅速，规模不断扩 大。并且随着新型节能l e d 灯具的出现，太阳能l e d 路灯以其节能性好的优势 得到了广泛的推广。随着太阳能灯具逐渐用于主干道路，对灯具照明功率、控 制器和驱动器的要求有所提高。 目前市面上的控制器大多只能完成基本的控制功能，对系统的能量利用率和 蓄电池的保护等方面考虑的不够深入。本系统从成本、可靠性、稳定性、节能 性等方面出发，设计了一款基于p i c l 6 f 8 7 6 的太阳能路灯控制器。完成了硬件 电路的设计和软件部分的编写。 论文首先根据太阳能电池的输出特性，蓄电池的充电特性及可接受的电流瞳 线等因素设计出符合蓄电池可接受充电电流的充电方案。充电包括三个阶段： 第一阶段结合太阳能电池的输出特性设计了最大功率跟踪充电法，第二阶段为 变电流间歇充电，达到浮充电压之后第三阶段为涓流充电。整个充电过程中结 合温度补偿对阶段转换点电压进行补偿，保证充电过程较高的能量转换率和对 蓄电池的充分保护。放电过程结合温度补偿实现蓄电池过放保护、负载短路保 护以及根据蓄电池电压决定夜间放电方式。系统控制器完成了预期设计各种功 能和技术指标并实现对蓄电池的科学有效管理。 l e d 灯具驱动电源模块的设计根据系统中l e d 照明灯具的组合方式，选择 t l 3 8 4 3 p 为主控芯片，确定驱动源为恒流驱动源。经试验验证其具有较好的稳 定电流的能力，与l e d 灯具具有较高的匹配性，在蓄电池电压不同时，驱动电 源均达到了较高的效率。 将控制器和驱动器安装到路灯系统中，经过现场调试和观察，系统工作稳定， 达到预期技术指标并实现了一定程度上的节能。 关键词：太阳能路灯最大功率跟踪变电流间歇充电l e d 灯具驱动电源 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o l a rl i g h t i n gt e c h n o l o g y , i nr e c e n ty e a r st h e s o l a r s t r e e tl i g h ti n d u s t r yh a v er a p i dd e v e l o p m e n ta n da l li n c r e a s i n gs c a l e a n dw i n lt h e e m e r g e n c eo fn e we n e r g y - s a v i n gl e dl a m p s ，s o l a rl e ds t r e e tl i g h th a v ew i d e e x t e n s i o nb e a c a u s eo fi t sg o o de n e r g y - s a v i n ga d v a n t a g e w i t ht h es o l a rs t r e e tl a m p s d e v e l o pt o t h et r u n kr o a d ，i td e m a n dh i g h e rr e q u i r e m e n t st ot h el i g h t i n gp o w e r , c o n t r o l l e ra n dt h ed r i v e r m o s tc o n t r o l l e r sc u r r e n t l yo nt h em a r k e tc a no n l yp e r f o r mb a s i cc o n t r o lf u n c t i o n s ， b u tn o th a v ee n o u g hc o n s i d e rt ot h es y s t e m se n e r g ye f f i c i e n c ya n dp r o t e c t i o no ft h e b a t t e r yo ro t h e ra s p e c t so ft h es y s t e m c o n s i d e ro ft h ec o s t ，r e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , e n e r g y e f f i c i e n c ya n do t h e ri s s u e s ，f a c i n gt h ew e a k n e s so ft h ec o n t r o l l e ro nt h em a r k e t ，t h e p a p e rd e s i g n e das o l a rs t r e e tl a m pc o n t r o l l e rb a s e do np i c 16 f 8 7 6 c o m p l e t e dt h e h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r e p a r a t i o n t h ep a p e rd e s i g n e dt h ec h a r g es c h e m em a t c ht h ea c c e p t a b l ec h a r g i n gc u r r e n to f t h eb a t t e r yb a s e do nt h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rc e l l s i ti n c l u d i n gt h r e ep r o g r e s s d u r i n gt h ec h a r g e ：t h ef i r s ts t a g ed e s i g n et h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gc h a r g e m e t h o da c c o r d i n gt ot h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fs o l a rc e l l s ，t h es e c o n ds t a g eu s e v a r i a b l ei n t e r m i t t e n tc u r r e n tc h a r g e ，w h e nt h ev o l t a g eo ft h eb a r e r yr e a c ht h ef l o a t v o l t a g ec h a n g et h ec h a r g em o d e t ot h et r i c k l ec h a r g e t h ew h o l ep r o c e s so fc h a r g i n g w i t ht e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt oc o m p e n s a t ef o rt h ec o n v e r s i o nv o l t a g e t oe n s u r e t l l a tt h ep r o c e s so fc h a r g i n gw i mah i g h e re n e r g yc o n v e r s i o nr a t ea n dt h ef u l l p r o t e c t i o no ft h eb a r e r y d i s c h a r g eb a t t e r yw i t ht e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nt oa c h i e v e o v e r - d i s c h a r g ep r o t e c t i o n , l o a ds h o r t c i r c u i tp r o t e c t i o n ，a n dt h ed e c i s i o no ft h e d i s c h a r g em o d e a tn i g h tb a s e do n b a t t e r yv o l t a g e t h es y s t e mc o n t r o l l e rc o m p l e t et h e d e s i r e dd e s i g nf u n c t i o n sa n ds p e c i f i c a t i o n s ，t oa c h i e v es c i e n t i f i ca n de f f e c t i v e m a n a g e m e n to ft h eb a t t e r y t h ed e s i g no ft h el e dl a m p sd r i v e rp o w e rs u p p l ym o d u l ea c c o r d i n gt ot h e c o m b i n a t i o no ft h el e dl i g h t i n gl a m p s ，s e l e c tt l 3 8 4 3 pa st h em a i nc h i pa n d d e t e r m i n et h ed r i v i n gs o u r c ea st h ec o n s t a n tc u r r e n td r i v e t h ee x p e r i m e n tv m f yt h e d r i v e rc a nk e e pt h ec u r r e n ts t e a d yt oac e r t a i nd e g r e e ，a n dh a v eh i 曲c o m p a t i b i l i t y w i t ht h el e dl a m p s ，t h ed r i v ep o w e re f f i c i e n c yc a nr e a c hu pt oah i l g he n e r g y a v a i l a b i l i t yf a c t o r i n s t a l l e dt h ec o n t r o l l e ra n dd r i v e rt ot h es t r e e tl i g h ts y s t e m ，a f t e rt h ed e b u ga n d o b s e r v e ，t h es y s t e mi ss t a b l e ，a c h i e v i n gt h ed e s i r e ds p e c i f i c a t i o n sa n dr e a l i z i n gt h e e n e r g yc o n s e r v a t i o nt oac e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：s o l a rl a m p ，m p p t , v a r i a b l ec u r r e n ti n t e r m i t t e n tc h a r g e ，l e dl a m p s ， d r i v ep o w e r 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论l 1 1 课题的背景和意义l 1 1 1 课题的背景l 1 1 2 课题的意义2 1 2 太阳能l e d 路灯综述3 1 2 1 太阳能l e d 路灯的优势3 1 2 2 太阳能l e d 路灯的发展现状和前景4 1 3 太阳能l e d 路灯控制器综述4 1 4 太阳能l e d 路灯驱动器概述5 1 5 本课题研究内容、完成目标和论文组织结构一5 1 5 1 研究内容5 1 5 2 研究目标6 1 5 3 论文的组织结构6 第二章太阳能l e d 路灯节能控制系统整体设计8 2 1 太阳能l e d 路灯节能控制系统的组成8 2 1 1 太阳能电池板的工作原理及特性8 2 1 1 1 太阳能电池板的工作原理8 2 1 1 2 太阳能电池板的i v 特性9 2 1 2 蓄电池12 2 1 2 1 蓄电池的工作原理1 2 2 1 2 2 影响v r l a 蓄电池的使用寿命的因素和解决办法。1 4 2 1 2 3 蓄电池的充电控制技术1 5 2 2 本课题所用的v r l a 蓄电池快速充电控制技术16 2 2 1m p p t 充电阶段1 7 2 2 2 变电流间歇充电阶段1 9 2 2 3 涓流充电阶段19 2 3 太阳能路灯控制器的设计目标2 0 2 4 太阳能l e d 路灯系统实现的功能2 1 2 4 1 系统的基本控制功能2 1 2 4 2 系统的智能控制功能2 1 2 5 本章小结2 2 第三章路灯节能控制系统控制器的硬件电路实现2 3 3 1 概j 苤2 3 3 2 微处理器的选择2 3 3 3 功能模块的实现一2 4 3 3 1 电源电路设计2 4 3 3 2 主控芯片工作外围电路2 5 3 3 3 太阳能电池电压采集电路一2 6 3 3 4 蓄电池电压采集电路。2 7 3 3 5 太阳能电池电流检测电路2 7 3 3 6 充电回路控制电路2 8 3 3 7 放电回路控制电路。2 9 3 3 8 温度补偿电路3 0 3 4 本章小结3 l 第四章路灯节能控制系统控制器的软件设计3 3 4 1 系统软件设计概述3 3 4 2 系统软件设计流程图3 4 4 2 1l e d 路灯控制器软件设计的总体思路【3 2 - 3 9 3 4 4 2 21 2 v 2 4 v 系统识别3 5 4 2 3 白天黑夜识别3 6 4 2 4 白天服务程序3 7 4 2 5 黑夜服务程序3 9 4 2 6 温度补偿程序4 0 4 3 软件测试4 3 4 3 1 充电算法的验证4 4 4 3 2 夜间放电算法验证4 6 4 4 本章小结4 7 第五章太阳能路灯控制系统中驱动器的设计4 8 5 1 白光l e d 的组合方式及优缺点一4 8 5 2 本课题的l e d 阵列组合及课题所选的驱动电源4 9 5 3 本课题的主电路拓扑结构5 0 5 3 1 常见l e d 灯的驱动方法5 0 5 3 2 本系统主电路拓扑结构5 l 5 4 本次课题的l e d 驱动电源主电路设计一5 2 5 4 1 本系统驱动器的设计要求一5 2 5 4 2 芯片的选型5 3 5 4 3 驱动电源硬件电路组成5 4 5 5 驱动器性能调试5 6 5 5 1 驱动器的稳定电流的性能5 6 5 5 2 驱动器效率5 7 5 6 本章小结5 8 第六章总结与展望一5 9 翌贮谢6 l 参考文献6 2 在攻读硕士学位期间发表的论文及工作6 5 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 1 1 1 课题的背景 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。曾建立在煤炭、石油、天然 气等化石燃料基础上的常规能源体系，极大的推动并会继续支持人类的发展。 但化石燃料的过分开采和使用，已经使环境污染日益严重，能源日益枯竭。当 今世界面临着能源危机，而社会的发展和建设必然导致对能源的掠夺和对环境 的破坏。在这种情况下，如果不加以控制，就有可能诱发地区和国家之间的政 治经济纠纷，以及冲突和局部战争。把世界经济和人类推向灾难的深渊【l 】。全球 的石油存储量只能满足未来几年的发展，天然气只能维持3 0 年左右，矿物能源 资源中煤的存储量最丰富，但也只能维持3 0 0 年左右的消耗【2 】。从能源的利用结 构来看，我国是世界上最大的煤炭消耗国。煤炭占我国能源总消耗量的6 7 ， 燃烧煤炭产生二氧化碳和二氧化硫，导致环境污染严重、生态逐年恶化。还有 化石能源的燃烧产生大量的氧化物，这些温室气体的排放导致日益严重的温室 效应，引起全球气候变暖，冰川融化，海平面升高等重大影响人类生存的问题【3 j 。 因此，彻底改变我国的能源结构非常重要。大力利用可再生资源和新能源，是 我国解决能源紧张和保护生态环境的重要战略任务。 太阳能是可再生资源和新能源的重要组成部分。太阳能有取之不尽、用之 不竭、不会污染环境和破坏生态平衡等特点。太阳光线照射地球4 0 分钟产生的 能量够全球一年的总能源消耗。新能源技术现在已经成为2 1 世纪各国都重点研 究的热点问题。即使有经济危机的压力，各国仍然投入大量的人力物力研究新 能源技术。在各种新能源技术的研究和应用中，太阳能光伏技术及相关产业在 世界发达国家和我国都得到了迅速发展，产业规模也不断扩大。 我国提出了可再生能源的中长期计划，预期到2 0 2 0 年装机总量达到2 0 0 0 万千瓦。全球4 0 以上的太阳能电池板是中国生产，但是2 0 0 9 年我国太阳能发 电设施的实际部署仅占全球的5 。由此看出我国的太阳能光伏发电产业发展远 远落后与国外。由于太阳能发电在现阶段仍然是计划经济产业，并没有发展成 为市场经济，目前还是一个亏本产业。中国的政府现在并没有投入大量的财力 来为太阳能发电产业买单。 武汉理工大学硕+ 学位论文 我国照明用电量中的很大一部分用于户外照明，由此可见太阳能l e d 路灯在 我国有着广阔的发展前景。据统计中国在2 0 0 9 年已经安装的路灯大约有2 亿盏。 每盏灯平均每天消耗2 度电，一盏灯一年消耗7 3 0 度电，2 亿盏路灯一年消耗的能 源相当于三峡发电站两年的发电总量。而且随着城市化建设的加快，路灯的总 量每年还在剧增。目前几乎所有路灯用的照明光源均为高压钠灯，随着l e d 技术 的不断发展和成熟，其优势会不断显现，势必取代高压钠灯成为一种新型的照 明光源。 由于l e d 光源有巨大市场潜力，科技部提出了l e d 路灯的“十城万盏 计划。 现在l e d 路灯发展势头相当强劲。据保守估计，十城万盏计划的总数将会超过2 0 0 万盏。由此可见太阳f l 皂l e d 路灯在我国是一个举足轻重的大市场【3 】。 1 1 2 课题的意义 我国土地辽阔，资源富饶，总面积有9 6 0 万平方公里。占世界陆地总面积 的7 。在我国广阔富饶的土地上，太阳能资源十分丰富。我国和同纬度的其它 国家相比，除了四川盆地和其周围的地区外，绝大部分地区的太阳能资源非常 丰富。我们要利用先天的优势，充分利用起太阳能，解决好人民生活生产所需 的能源问题，发展好我国的太阳能相关产业。 近几年太阳能照明技术快速发展，太阳能路灯行业规模不断扩大，随着l e d 节能灯具的出现，利用l e d 作为照明灯具的太阳能l e d 路灯得到了大幅推广。 太阳能灯具的照明需求逐渐往干道路灯发展，这样对灯具照明功率、控制器及 驱动器的要求会有所提高【4 j 。 我国在太阳能电池技术的发展和生产规模、l e d 光源技术的发展等方面的 产业规模在逐渐扩大，已经在世界上占有一席之地了，但是太阳能路灯控制器 作为太阳能路灯系统中的核心部件之一，其研究还有待深入【5 。7 】。市场上的太阳 能控制器大多属于简易型，仅有基本的充放电控制功能，没有考虑到如何使太 阳能电池的能量转换率最大，提高蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问 题。本课题的控制器在完成基本的充放电控制的基础上设计了合理的充放电控 制算法来实现能量的充分利用和蓄电池的充分保护。 另一核心部件l e d 灯驱动电源，一般没有根据路灯的组合形式具体分析设 计。由于不同厂商生产的的白光l e d 的正向压降可能相差数百毫伏，因此直接 影响了白光l e d 实际消耗的功率在驱动器的输出总功率中的比例。本系统的驱 2 武汉理工大学硕士学位论文 动器是在l e d 路灯先串后并的组合形式以及具体的正向导通电压和额定功率的 基础上设计的。 本套太阳能l e d 路灯控制系统，用合理的充放电算法控制太阳能路灯正常 的充放电功能，完成充电阶段自动转换，l e d 亮度智能控制且完成对蓄电池的 充分保护。驱动器和l e d 阵列能够很好的匹配，使l e d 阵列发光质量高且实现 较高的能量利用率。整套系统的成功设计无论在价格和性能方面均具有一定的 市场竞争力。 1 2 太阳能l e d 路灯综述 1 2 1 太阳能l e d 路灯的优势 太阳能l e d 路灯系统用太阳能电池供电，阀控式密封铅酸蓄电池储存电能， 用高效节能的l e d 灯照明，用控制器控制智能充放电，配合l e d 灯驱动电源， 具有稳定性高、发光性能好、能量利用率高、安装方便、采用直流供电、经济、 环保、实用灯优势，是未来户外照明的发展趋势嗍。 l e d 照明灯工作电流是直流，并且在低电压下工作。太阳能电池将光能转 化为直流电能，这点恰好与l e d 相匹配。若将两者组合配以控制器和驱动器即 可获得很高的能量利用率、较高的安全性和可靠性的照明系统。因为两者结合 不需要将太阳能电池输出的直流电转变为交流电，因此整个照明系统的照明效 率会大大提高。随着l e d 灯相关技术的不断成熟，其使用寿命会不断延长。在 未来几年里，若其价格继续下降，则白光l e d 必将取代旧有灯具成为2 1 世纪照 明的新光源剀。 l e d 作为路灯的一种光源，它和传统路灯光源相比较其优势主要体现在： 1 ) 节能且光效高。按照l e d 技术的发展趋势，l e d 的光效在未来五年里有达 到1 5 0 2 0 0 1 m w 的可能，大大超过了现在所有光源的光效。另外，现在使 用的荧光灯、汞灯等照明光源中含有汞，对人体有害。而l e d 中不含此种 物质所以它是一种“清洁 的光源。 2 1 寿命长，节约成本。一般情况下l e d 光源的使用寿命可以达到十万小时， 在恶劣的自然条件下工作，寿命也至少可达到五万小时。因此，在一些维护 和更换设备困难的地方，使用太阳能l e d 路灯照明系统，可显著降低安装 和使用的成本。 3 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) 可以自动控制其功率。可通过控制器控制其夜间亮灯的功率，提高节能性。 l e d 灯可以实现完美调光功能，因此在本系统中将通过调节脉冲的占空比来 有效的调节其发光强度。 4 ) 具有很好的显色性。阳光的显色系数为1 0 0 ，一般情况下显色系数与1 0 0 相 差越小，显色性越好，反之越差。高压钠灯显色系数仅为2 3 ，而l e d 灯的 显色系数达到8 5 以上，发出的是白光。由此可见大功率l e d 路灯显色性明 显好与高压钠灯。 5 ) 直流供电，提高能量利用率。太阳能电池输出的是直流电，路灯系统中l e d 的驱动也是用直流电源，这样可以不用太阳能光伏系统中使用其他照明设备 所需要的逆变器，既使系统有较高的能源利用率，又降低了成本，还可以改 善系统的可靠性。 太阳能l e d 路灯系统白天将太阳能的能量存储在蓄电池里，夜间通过蓄电 池把化学能转化成l e d 路灯消耗的光能。不消耗常规能源，循环使用，不产生 发电和运输过程中的污染，非常清洁。另外安装方便，不需要架设输电线路， 也不需要铺设电缆所需的通道。在这种背景下，太阳能路灯应运而生，而且会 不断的发展，成为照明行业的趋势。 1 2 2 太阳能l e d 路灯的发展现状和前景 目前，太阳能路灯主要用在城市道路、公园、工业园区，旅游景点，也可 以用于人口密度小，不易铺设电缆但太阳能资源丰富的偏远地区人们的照明问 题。 近年来，随着我国城市建设水平的不断提高和环保低碳意识逐渐增强，城 市路灯总量在逐年攀升，随着光伏电源照明的不断发展和优势的显现，乡村以 及适合安装太阳能路灯的一些地区也会慢慢普及。 因为太阳能l e d 路灯有如此广阔的市场，所以更应该做好太阳能l e d 路灯 的控制和驱动，让整个太阳能路灯系统更稳定更长久的工作。 1 3 太阳能l e d 路灯控制器综述 太阳能l e d 路灯系统由太阳能电池板、铅酸蓄电池、l e d 灯、驱动电路和 控制器等部分组成。控制器白天控制太阳能电池给蓄电池充电，夜晚蓄电池给 4 武汉理工大学硕士学位论文 负载放电。在充放电过程中控制系统实现过充保护，过放保护，完成充电各阶 段自动转换，夜晚放电方式的自动转换等功能。目前市场上已经有多家公司生 产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般没有充分考虑如何提高太阳能电池 的能量转换效率，蓄电池的能量转换效率和延长使用寿命等问题。蓄电池的充 电方式以及根据蓄电池的荷电量来决定放电深度等问题都可以在很大程度上影 响蓄电池的充电速度和循环使用的次数，因此控制器如何控制充放电的时间和 方式便是影响蓄电池的转换效率和使用寿命的一个很重要的方面。 1 4 太阳能l e d 路灯驱动器概述 l e d 驱动电源是系统重要的组成部分。控制器的输出电压和l e d 阵列不匹 配，因此需要一个模块来驱动l e d 阵列。常见的有四种驱动方式，考虑控制器 输出电压小于l e d 阵列的导通电压，因此本系统中的驱动模块为升压方式。l e d 的使用寿命很大程度上受其发光稳定性影响，在实际使用过程中，因驱动电源 设计及选择不当导致l e d 发光稳定性差，严重缩短了使用寿命。因此本系统在 设计驱动电源时根据l e d 阵列的组合方式选择恒流源来驱动，提高l e d 阵列的 的照明可靠性和效率。 1 5 本课题研究内容、完成目标和论文组织结构 1 5 1 研究内容 近年来，国家越来越重视环境保护，倡导低碳生活，坚持优化能源结构， 重视能源的可持续发展。因此太阳能的开发和利用受到了极大的重视，太阳能 光伏照明技术及相关产品得到了广泛应用。由于这种市场和社会发展的需求， 目前已经有多家公司生产太阳能路灯控制器，但是这些控制器一般只具有基本 的充放电控制，没有充分考虑到如何使太阳能电池的能量转换率最大，蓄电池 的能量转换效率最大和蓄电池的使用寿命等问题。本课题从这些存在的问题着 手研究，设计一种具有节能控制功能的太阳能路灯控制器：并根据l e d 灯的组 合方式，设计一种与之匹配的驱动电源。使整个系统能够达到预期设定的功能 和指标，能够稳定长久高效地运行。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 2 研究目标 根据太阳能路灯控制系统的需求，设计一种能够自动控制太阳能路灯系统 工作且节能的控制器。并根据l e d 路灯的组合方式设计一种与之匹配的驱动电 源，完成太阳能l e d 路灯节能控制系统的硬件电路设计及软件编写。除了实现 系统的过充保护，过放保护，欠压保护，防反充保护，温度补偿等功能以外， 还充分考虑到太阳能l e d 路灯整个系统的节能。节能从以下几个方面来实现： 1 ) 通过最大功率跟踪控制法实现太阳能电池能量的最大化输出，从系统能 量来源来实现节能。 2 ) 蓄电池充电过程采用p w m 脉冲充电法使蓄电池的转换效率增大，且在 很大程度上减弱了极化现象，从而延长了蓄电池的使用寿命。 3 ) 根据不同季节夜间需要亮灯时间的不同设置l e d 亮灯的时间，实现节 能。 4 ) 采用调光功能，由实际需要来决定l e d 灯具亮度，其节能效果非常明 显。 5 ) 控制器芯片选用p i c l 6 f 8 7 6 ，其功耗很低，实现系统节能的目的。 6 ) 本课题路灯所用l e d 灯一颗额定功率仅为0 0 4 w ，其具有导通电压低、 电流小、亮度高等特点。2 6 4 颗组合总功率为1 0 5 6 w ，1 0 , 、- 1 2 w 的l e d 光源发出的光能相当于3 5 一1 5 0 w 的白炽灯发出的光能。照明效果l e d 比传统光源节能8 0 9 0 。 7 ) 设计合适的驱动电源使之能够很好的与l e d 灯组匹配，从而提高l e d 灯组的发光效率。 1 5 3 论文的组织结构： 本论文分为六个章节，每章内容分布如下： 第一章：绪论。主要阐述本课题的研究背景和意义，以及论文的研究目标 和论文的组织结构。 第二章：太阳能l e d 路灯节能控制系统整体设计。本章从太阳能路灯控制 系统的实际应用出发，确定了太阳能路灯控制器需要实现的功能及电路的充放 电算法。 第三章：路灯控制系统控制器的硬件电路实现。本章设计了太阳能l e d 路 灯系统控制器的硬件电路，并画出原理图、p c b 图，制成实物。 6 武汉理工大学硕士学位论文 第四章：路灯控制系统控制器的软件实现。在系统硬件的基础上，结合p i c 系列单片机的c 语言编程特点编写了整个系统的程序。 第五章：太阳能路灯控制系统中驱动器的设计。本章结合l e d 路灯的实际 组合方式，设计了与之相匹配的l e d 驱动电源。 第六章：总结与展望。分析了本次课题中的不足之处和以后的努力方向，展 望下一阶段的工作。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第二章太阳能l e d 路灯节能控制系统整体设计 2 1 太阳能l e d 路灯节能控制系统的组成 太阳能l e d 路灯系统由太阳能电池板、铅酸蓄电池、l e d 灯、驱动电路和 控制器等部分组成【1 0 1 。太阳能l e d 路灯系统的组成框图如下图2 1 所示： t i 图2 1 系统组成框图 太阳能路灯系统各个组成部分的功能介绍如下： 太阳能电池板：将太阳能转化为电能的装置； 蓄电池：白天将太阳能电池的电能储存起来，夜间将蓄电池的化学能转化为 电能供给l e d 灯照明所需； 控制器：控制太阳能电池给蓄电池充电的方式，以及蓄电池给负载放电的时 间和亮度，并完成过充保护，过放保护，防反充保护，温度补偿等功能； 驱动电路：蓄电池的输出电压和l e d 灯组所需电压不匹配，经过驱动电路 的升压和稳流使其和负载有较好的匹配性，驱动l e d 负载稳定、安全地运行。 2 1 1 太阳能电池板的工作原理及特性 2 1 1 1 太阳能电池板的工作原理 太阳能电池的工作原理是利用半导体p - n 结的光生伏特效应。 所谓光生伏特效应，就是当光照向物体时，物体内的电荷状态发生改变， 8 武汉理工大学硕士学位论文 自由电子和空穴发生定向移动使物体内部产生电动势和电流的一种效应。当有 太阳光或者其他光源产生的光照射半导体的p n 结时，会在p - n 结两端出现电 压，这种电压叫做光生电压。这种现象就是光生伏特效应【l 。这便是太阳能电 池应用的理论基础。在太阳能电池的正反面分别接上电极，通过导线连上负载， 就会有持续的光生电流流过负载，便会获得功率输出。但是由于太阳能电池板 输出受外界环境的影响很大，所以产生的电流大小不稳定。 2 1 1 2 太阳能电池板的i v 特性 为了能够让太阳能电池有最大的输出功率，必须知道太阳能电池输出电流 和输出电压之间的关系。将太阳能电池的模型用等效电路模拟出来后便可分析 输出电流和输出电压之间的关系。当太阳能路灯控制系统工作时，将蓄电池和 负载系统用等效电路来模拟。其等效电路图如下图2 2 所示1 2 】： 黜 寸、 ：护 甩 u 一 t r s hi l 图2 2 太阳能电池等效电路 根据图2 2 ，可以得到太阳电池输出电流i 和输出电压v 之间的关系： m 。半- i 工- i o h 吗掣 - 1 - 百v + i + r s 泣1 ， 其中 厶= i o ( e 懈r - 1 ) ( 2 2 ) a ：二极管因子 k ：波尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 。2 3j k ) t ：电池表面温度 q ：电子电荷 i o ：二极管反向饱和电流 当负载电阻r 。为o 时，输出电压v 为o 。输出电流i 为最大i 贸，当负载慢 慢变到无穷大时，输出电压从0 慢慢变到最大，输出电流从最大i 窝慢慢变为0 。 由此可以得到在一定的光照和温度下太阳能电池的输出i v 特性，如2 - 3 所示： 9 武汉理工大学硕+ 学位论文 图2 3 太阳能电池的输出i - v 特性 曲线上的每一点对应一个输出电压v 和一个输出电流i ，两者乘积即为此时 太阳能电池的输出功率p = v i 。由一定温度和光照下的太阳能电池的i v 输出 特性，可以得到其p v 输出特性，如图2 - 4 所示： vv铀 u t ” 图2 - 4 太阳能电池的p v 输出特性 由图可以看出当外界光照和温度保持一定的情况下，太阳能电池的最大功 率处对应一个工作电压v m 和一个工作电流i m 。 太阳能电池既非恒流源，也非恒压源，由于太阳能电池受到光照和温度的 影响较大，所以下面分析在太阳能电池的i v 和i v 曲线如图2 5 ，2 6 所示，以 及在相同温度，不同的光照下太阳能电池的p 。v 和一定光照，不同温度下的p v 曲线【1 3 - 1 4 1 。曲线图如图2 7 ，2 8 所示： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图2 52 5 。c 不同光照下太阳能电池的i v 曲线 图2 - 6 相同光照不同温度下太阳能电池的i v 曲线 图2 72 5 。c 不同光照下太阳能电池的p v 曲线 图2 8 相同光照不同温度下太阳能电池的p v 曲线 武汉理工大学硕士学位论文 分析图2 5 可知当太阳能电池输出电流为0 时，电路处于开路状态，太阳能 电池对应的电压为开路电压v o e ；当太阳能电池输出电压为0 时，电路处于短路 状态，此时的输出电流为短路电流i s c 。太阳能电池的短路电流随光照的变化改 变较大，且近似呈线性关系，而开路电压v o e 受光照影响不大。 由图2 - 6 可知，太阳能电池的短路电流随温度变化不明显，但开路电压随温 度变化变化明显。 图2 7 可以看出太阳能电池在一定的温度下，开始时功率随着电压的增加而 增加，到达最大功率点后增加电压功率反而减小，且最大功率随着光照的增加 而显著增加。 分析2 8 可知，太阳能电池在相同光照不同温度下最大功率点随着温度的增 加反而较小。 综上所述，太阳能电池输出特性受到外界因素的影响较大，且呈非线性关 系，因此无法由这些变量建立一个准确的数学模型，所以选择智能跟踪型算法 来实现最大功率跟踪。太阳能电池是整个系统的初始能量来源，其转换效率直 接影响到系统的能量利用率，因此控制器采用最大功率跟踪是很有必要的【1 5 。1 6 1 。 2 1 2 蓄电池 2 1 2 1 蓄电池的工作原理 蓄电池主要有三种：普通铅酸蓄电池、阀控式密封铅酸蓄电池和碱性镉锂 蓄电池。本系统中所用的蓄电池为阀控式密封铅酸( v r l a ) 蓄电池。一般来讲， 只要严格按照国家标准生产，一般可使用十年以上。然而市面上使用的铅酸蓄 电池的使用寿命只有3 年左右。原因在于蓄电池将电能转化为化学能的过程中 会产生硫化现象，会影响其使用寿命和能量转换率。 蓄电池是太阳能路灯控制系统中很重要的组成部分。研究表明，充电方式 会在很大程度上影响蓄电池的使用寿命。蓄电池的能量转换率直接决定了整个 系统的能量使用率，因此要延长整个控制系统的寿命，提高能量使用率，必须 对蓄电池的原理和充放电过程进行研究。 一般的铅酸蓄电池是由极板组、电池槽、隔板、接线端子和电解液等组成。 正负极板都是由活性物质和板栅组成。其中负极板上的活性物质为深灰色纯铅， 正极板上的活性物质由二氧化铅组成。电解液为硫酸溶液【1 7 j 。 在蓄电池充电时，电解液与正负极上的活性物质进行反应，正极板上由硫 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 酸铅( p b s 0 4 ) 转化为硫酸铅( p b 0 2 ) ，负极板上由硫酸铅( p b s 0 4 ) 转化为铅( p b ) ， 将电能转化为化学能。铅酸蓄电池进行放电时，电解液也与正负极板上的活性 物质进行反应释放化学能，此化学反应过程中正极上的硫酸铅( p b 0 2 ) 反应生 成硫酸铅( p b s 0 4 ) ，负极上的铅( p b ) 发生反应生成硫酸铅( p b s 0 4 ) 。蓄电池 充电反应时正极被氧化，负极被还原；放电反应时正极被还原，负极被氧化 1 5 】。 铅酸蓄电池的工作原理可以用式( 2 3 ) 表示： 助d 2 + p 6 + 2 s 0 4 铮2 p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 3 ) 上述反应从左向右发生即为放电反应，从右向左发生即为充电反应。 本此课题中所用的蓄电池为c b l 2 1 2 0 0 型号的v r l a 蓄电池如图2 - 9 所示， 图2 - 9 系统中所用蓄电池实物 其性能指标列于表2 1 ： 表2 - 1c b l 2 1 2 0 0 v r l a 蓄电池各项性能指标 额定电压值 1 2 v 2 0 小时率额定容量 1 2 0 a h 最大放电电流 9 6 0 a 最大短路放电电流 2 4 0 0 a 2 5 时单格浮充电压2 2 7 5 0 0 2 5 v c e l l 温度补偿系数- 3 3 m v c e l l 其工作原理基本和传统的铅酸蓄电池相同，其正极的活性反应物质为硫酸 铅( p b 0 2 ) ，负极活性反应物为铅( p b ) ，电解液为稀硫酸。其化学反应如下： 正极：p b s 0 4 + 2 且0 p 6 d + h s 0 4 一+ 3 日+ + 2 e ( 2 4 ) 负极：p b s 0 4 + 日+ + 2 e p b + h s o , 一 ( 2 5 ) 总反应方程式为：2 p b s 0 4 + 2 1 1 2 0 e p 6 + p 6 n + 2 h 2 s o , ( 2 6 ) v r l a 蓄电池在结构和材料等方面做了重要的改进，其板栅材料主要为铅钙 合金，这样可以提高正负极析气过电位，从而可以减少其充电过程中的析气量。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 正极板充电达7 0 便产生氧气，负极达到9 0 才开始产生氧气。但是生产时， 正负极厚度为6 ：4 ，结合正负极活性物质质量比，正极上的二氧化铅达到9 0