（通信与信息系统专业论文）基于太阳能光控高压三波诱虫灯的设计与实现.pdf

硕论文 y 1918 9 3 0 唧l i f f f f f f l f 舢舢f f f f f i l i i i 删 摘要 本文分析了国内外诱虫灯发展的历史和现状，针对传统的交流电诱虫灯耗费较 多人力和物力的缺点，介绍了一种基于太阳能的三波诱虫灯装置( 江苏省南通市 2 0 1 0 年立项科研课题( 课题编号：k 2 0 1 0 0 6 4 ) ) 。 本文首先分析了基于太阳能诱虫灯的光伏发电系统的整体设计方案：其次依据 诱虫灯负载情况介绍了太阳能电池板和蓄电池的选型及容最设计；再则，对蓄电池 的充放电特性作了分析，提出了适合本系统的快速充电( 充电初期) + p w m 充电( 充 电末期) 相结合的充电方法，整个充电系统采用单片机8 9 s 5 2 作为控制核心，在充 电后期通过计算蓄电池的荷电状态来确定充电开关管的占空比，使得在充电后期不 会因为电流过大导致过充，达到保护蓄电池的目的，并且又分析了根据蓄电池荷电 状态控制放电开关管的方法；同时，对于逆变电路和高压电网电路也做了分析和说 明。最后编制了系统软件，实现光控、过充保护、过放保护、温度补偿等功能，并 对系统做了测试。 论文的最后对整体工作做了总结，并指出不足和改进方法。本文的研究结果具 有较强的实用价值，对于诱虫灯的广泛推广有重要的意义。 关键字：系统容量，充放电控制电路，逆变电路，高压电网电路，三波诱虫灯 a b s 仃a c t硕上论文 a b s t r a c t t l l i sp a p e ra n a i y z e st l l ed e v e l o p m e n to fd o m e s t i c 孤di m e m 撕o n a l 仃a pl 锄ph i s t o 巧 a n dc u f r e ms t a _ m so ft h e 仃a d i t i o l l a la ct r 印l a m pc o n s 姗i n gm o r eh u m a n 粕dm a t c r i a l s h o r t c o m i n g s ，w ei n l m d u c eat h r e e w a v e - b a s e ds o l a re n e r g yt r a pl a l i l pu n i t ( n a m o n g c i t ) ，j i a n g s up r o v i n c ep 删e c ti n2 0 l or e s e a r c hp r o j e c t s ( p r o j e c tn u m b e r ：k 2 0l 0 0 6 4 ) ) t l l i sp a p e ra n a l y z e st h e 仃a pl a m pb a s e ds 0 l a rp h o t o v o l t a j cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m o v e r a nc l e s i g no ft h ep r o g r 锄；f o l l o w e da c c o r d i n gt ot r a pi 锄pl o a di n t r o d u c e ds o l a f p a n e l sa n db a ：t t e 巧c a p a c 时o ft h es e l e c t i o n 锄dd e s i 弘；f u n h e 珊o r e ，t h eb a 牡e 巧c h a r g e 锄dd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i c sf o rt h ea n a l y s i si sm a d ef 0 rt h es y s t 锄o ft h ef 破c h 鹕e ( i i 血i a lc k 讧g e ) + p w m ( c 嘶n gs t a g e ) ac o m b i n a 缸o no fc h a r 舀n gm e t h o d s ，t h ee m i r e c h a r g i n gs y s t e ml l s e s 她m c u8 9 s 5 2 豁舭c o n t r o li l lm el 蹴c i 埝r g eb yc a l c u l a t i n gm c b a t t e 呵s t a t eo fc h a r g et od e t e m i n ec h a 哂n gt l l ed u t yc y c l eo fs w i t c h ，m 撕n g l el a 钯 c h 踟学、) v i l l 玎【0 to v e r c h 矗r g ec l l i t e 眦i st 0 0i a f g et oa c h i e v et t l ep u 珥) 0 o fp r o 钯c 缸n gt l l e b a ：t t e 巧，a n da l s o 觚a l y z e dn l eba _ t l e 巧s t a 把o fc i l a r g eu n i 舱rt h ec o n t r o lo f t h ed i s d l 鹕e s 、析t c hm e a i i s ；m es 缸n et i m e ，t h ei n v e r t e rc i r c u “a l l dm g h - v 0 l t a g ep o w e rc i r c u i t sa r ea l s o a n a 坶z c d 皴l de ) 【p l a 删0 l 塔f i n a l l y ，t h ep f e p 日r a 矗o no f 也es y s t e ms o 行w a r e ，t 0a c k e 、，e l i g h tc o n 协0 l ，o v e rc l i a 】g ep r o t e c d o n o v e rd i s c k u g ep r o t e c t i o n ，t e i n p 羽m 鹏 c o m p e i l s a d o na 1 1 d0 t b e r 内_ n ：t i o i l s ，锄dm cs y s t e mw 弱t e s 钯d f i l l a l l y ，t l l ep a p e rs 砒m n a i i z e s 雠0 、惯试1w o r kt 0d 0 ，a n dp o i n to u ta n d 证i p 】耐t h e m e t h o d s t h cr e s u l t so ft l l i sp a p e rh a sas 们n gp m c t i c a l 砌u e ，f o ra 丽d e 聊1 9 c0 f p m o t i o n a l 订印l 锄p1 1 2 峪a ni n l p o r t a l i ts i g i l i f i c a n c e k e yw o r d ：s y s t e mc 印a c i 吼c h a r | 乒a n dd i s c h a r i 筘c o n t r o lc i r c u i t ，i n v e n e rc i r c u i t h i g l l v o l t a g ep o 、e rc i r c l l i t ，t l l r e e 一、a v e 仃 l pl a m p i i 硕 论文 基卜太阳能光控高压兰波诱虫灯的设计与实现 l 绪论 1 1 课题背景与意义 为开辟新能源，迅速改变原诱虫灯使用的交流电，改用太阳能已成当务之急。 太阳能诱虫灯研发后，不仅免用交流电和节省人力物力，而且解决了原来因田块大 小，地形复杂而受到的制约。将来，即使是辽阔的东北三江大平原，或西南云贵丘 陵山区，都能自由设置孑应用。 我国改革开放3 0 年来，经济和科技迅速发展。特别是近几年国家把发展三农 放到突出位置，正在致力发展现代农业、生态农业和高效农业。太阳能诱虫灯研发 后，不仅是农业机具上的创新，也是支援与发展农业必不可少的新技术。对推动整 个农业害虫防治手段现代化以及经济发展，具有明显时代特征。其结果，减少用药 次数与农业污染、节省大量人力物力、提高作物产量与品质、农民收入增加和生态 环境明显改善。 。1 2 国内外研究现状 4 目前，国外应用于害虫测报和防治的诱虫灯仍以黑光灯为主，而国内诱虫灯的 发展较为迅速。上世纪五、六十年代应用于农业害虫测报的诱虫灯主要为2 0 0 w 白 8 炽灯，后来逐步使用2 0 w 直管型黑光灯。七十年代初期，开始应用黑光灯治水稻害 虫。七十年代中期，开始出现双光源诱虫灯( 4 0 w 一2 2 0 w ) 及2 0 w 直管型黑白双光灯。 1 9 8 7 年，2 0 w 直管型混粉诱虫灯( 即双波灯) 出现，诱虫量比黑光灯增加3 0 左右， 天敌杀伤有所下降。1 9 9 3 年，全国棉铃虫暴发，又相继出现了高压汞灯( 4 5 0 w ) 、 双波灯( 4 5 0 w 高压汞灯+ 2 0 w 白炽灯) 、诱捕电击灭蛾灯( 1 0 0 0 w ) 和频振灯( 3 0 w 黑光灯) ，对害虫测报与防治都收到很好的效果。但由于能源紧张，2 0 0 2 年1 8 w 高 效节能双波诱虫灯问世，2 0 0 5 年高效节能三波诱虫灯又相继出现。不仅诱虫量多， 防效好，对天敌杀伤又有所减轻，生态效益明显。 由于上述诱虫灯大多数都使用交流电，架设时拉电线长，竖电线杆多，耗费较 多人力和物力。为节省能源或利用自然能源，近两年来诱虫灯正由交流电转向使用 太阳能的发展趋势，增加了广泛而又方便使用空间，逐步迈向防治技术的现代化。 1 3 现有科技水平及知识产权情况 太阳能光控高压( 网) 三波诱虫灯的研发基础，源自从7 0 年代中期开始，经 过双光源诱虫灯双管诱虫灯单管双光诱虫灯单管双波诱虫灯节 l 绪论 硕士论文 能双波诱虫灯节能三波诱虫灯，前后经过近四卜年的不断改进创新，并经过田 间大面积示范推广戍用，证明防治效果和生态效益好，又节能，具有可持续发展的 环保绿色光源，技术较为成熟，有较高科技含量与科技水平。 在太阳能光控高压( 网) 三波诱虫灯中，其灯泡为三“u 形节能灯管和其中 所应用的荧光粉配比所制成的具有发出兰种光波的灯管为专利产品，于2 0 0 9 年5 月1 4 日由国家知识产权局下达专利申报受理通知书，申请号：2 0 0 9 2 0 0 3 9 0 0 4 5 。 1 4 研究课题的创新之处及应用前景 ( 1 ) 研究课题的技术创新之处 太阳能光控高压三波诱虫灯比较新颖，它的创新之处： 改使用交流电压为太阳能； 改人工开关为光控； 改诱虫光源中的两个光波为三个光波； 改单纯的诱虫增加一个高压杀虫网后，杀死的速度加快，减少漏网的机率。 早在1 9 8 5 年由中科院北京动物所、南农大和省农业厅专家鉴定双波灯时，一 致认为该项技术为国内首创，国外未见报道。直到2 0 0 3 年获国家专利 ( z l o l 2 3 7 8 8 4 4 ) 。接着又改进与创新研制成三波诱虫灯。发出的三种波中，3 6 5 0 a o 与5 4 0 0 a o 及4 3 6 0 a o 与3 6 5 0 a o 两两组合，优于黑光灯中单向3 6 5 0 a o 光波。同时，发 光的“u 形灯管为节能型，这也是目前应用诱虫灯种中的唯一类型。 ( 2 ) 研究课题的应用前景 由于该诱虫装置能广泛应用于农、林、果、蔬、仓储、高尔夫球场草坪害虫测 报和防治及家庭畜禽、水产养殖( 包括稻田养殖) 等。加上近年来土地流转，集体 种植面积逐步集中，应用前景广阔。同时，该诱虫灯中的三种波，光波与光波间产 生增效，诱虫多、防效好，增加收益，有明显的社会效益，以及该灯对天敌杀伤轻 于黑光灯生态效益好，所以在市场上有较强的竞争力。 1 5 论文主要内容以及章节安排 针对基于太阳能的光控高压三波诱虫灯的研究和设计，归纳出本课题主要完成 的工作如下： ( 1 ) 太阳能的储备与转化研究，能使之正常供应诱虫光源及高压网的用电。 设置一个蓄电池，为r 使得蓄电池和太阳能电池板实现智能工作，需设计以下 控制电路及程序： 在线自动检测蓄电池电压电路设计 在线自动检测太阳能电池板电压电路设计 一2 硕t 论文基于太阳能光控高压- 波诱虫童i 的设计与实现 充电控制电路与放电控制电路设计 负载短路或过载保护电路设计 ( 2 ) 高压网的杀虫电压设计，使其达到将虫杀死的电压。 蓄电池电压转化为高压网用电电路设计。 ( 3 ) 光控的设计，使其天黑自动开灯，天亮自动关灯。 若为白天，转为白天的处理程序，即进行充电，并且关闭蓄电池供电电源：若 为黑天转到黑天的处理程序，即开启蓄电池供电电源，逆变成交流电供诱虫灯使用， 并通过升压电路实现高压，进而达到灭虫的效果。 ( 4 ) 逆变电路的设计 实现直流1 2 v 电源逆变为2 2 0 v 的交流电源，供负载使用。 ( 5 ) 电源电路设计 结合各电路中电源要求，设计出稳定的符合要求的电源输出电路。 全文的内容安排如下： 第l 章综合概述了本设计的背景以及国内外诱虫灯的历史和发展现状。 第2 章介绍了太阳能光控高压三波诱虫灯的整体设计思路和方案，并介绍了 诱虫灯的系统结构及光伏系统设计所需的基本理论知识和所用技术要点。 第3 章介绍了光伏发电控制系统容量设计、充放电控制电路、逆变电路、光 控电路、升压电路、电源电路等单元电路的具体实现方法。 第4 章对系统软件进行设计，并对系统进行功能测试，对测试结果进行分析 和评估。 第5 章对本文的工作进行总结，并提出了设计中需要改进的方面。 2 太阳能光控高压三波诱虫灯的整体设计思路和方案 硕 论文 2 太阳能光控高压三波诱虫灯的整体设计思路和方案 2 1 太阳能诱虫灯的基本结构及原理 2 1 1 太阳能诱虫灯基本组成 太阳能诱虫灯主要由太阳电池组件、光源、控制器、蓄电池、逆变器、高压网、支 架、诱虫灯等几部分组成。如图2 1 和2 2 所示。 图2 1 太阳能诱虫灯组成及结构 图2 2 太阳能诱虫灯结构示意图 硕t 论文基于太阳能光控高压三波诱虫灯的设计与实现 2 1 2 太阳能诱虫灯的工作原理 太阳能诱虫灯利用太阳电池的光生伏打效应原理，白天太阳能电池吸收太阳能能景 产生电能，通过控制器的控制有效的储存在蓄电池里，当黑夜来临时，即灯具周围光照 度较低时，蓄电池自动的通过控制器和逆变器向高压网和光源供电。在夜晚，实现诱虫 和杀虫的目的。 诱虫灯头是通过三个u 型灯管发出的不同波长光吸引虫子、飞蛾等昆虫，本系统采 用的是三波诱虫灯，其参数和应用特点如下： ( 1 ) 此灯可发出三种波长的光，3 6 5 0 a o 与5 4 0 0 a o 及4 3 6 0 a o 与3 6 5 0 a o 两两组合，优 于黑光灯中单向3 6 5 0 a o 光波。 ( 2 ) 发光的“u 形灯管为节能型。 ( 3 ) 可广泛用于农、林、果园、菜园、烟草、茶园、水产养殖业、学校、住宅小 区等。可以诱杀各类害虫近千种，如：水稻二化螟、三化螟、稻螟、叶蝉、大豆食心虫、 谷子钻心虫、红头丽蝇、玉米螟、豆天蛾、麦蛾、高粱条螟、菜蛾、甜菜夜蛾、天蛾、 斜纹夜蛾、菜螟、白飞虱、盲蝽象、金龟子、蝼蛄等、桃天蛾、苹果圈叶蛾、盗毒蛾、 芡刺蛾、吸果夜蛾、斑红蝽、小灰蝶等。 高压网主要是为了把诱虫灯吸引来的昆虫通过高压电网的方式使其杀死，我们的电 网电压设置在6 0 0 0 v 以上。并且对人体是保证绝对安全的。 2 1 3 本系统设计时需达到的主要性能参数及经济指标 制作一台( 套) 达到商品要求的太阳能光控三波诱虫装置。主要性能参数如下： ( 1 ) 根据灯泡和高压网等负载功率，合理选择蓄电池和太阳能电池组件容量，蓄 电池的电量要满足夜间使用l o 小时。 ( 2 ) 开发设计太阳能电池板对蓄电池充放电的控制电路，另外，此控制电路对系 统也应具有一定的保护功能。如防止太阳能电池板极性反接、蓄电池极性反接、系统亏 电运行等。 ( 3 ) 依据蓄电池宜流工作电压和负载的交流电压参数制作一个d c 以c 逆变器电路， 使其能够正常工作，同时逆变效率要大于8 5 。 ( 4 ) 设计升压电路，使得高压杀虫网上的电压要达到6 0 0 0 伏以上，要将扑向光源 撞碰到网上的昆虫绝大部分击毙，并且保证高压网对人体是安全的。 ( 5 ) 实现智能光控效果。使其天黑自动开灯，天亮自动灭灯。 ( 6 ) 所制作诱虫装置除达到所设计的各种技术指标外，还要既美观又实惠。 本装置投入使用后，预计达到下述经济指标： ( 1 ) 水稻纵卷叶蚣：灯区虫量比无灯区下降6 0 左右，灯区的白叶率比无灯区下 降6 0 左右。 2 太阳能光控高压波诱虫灯的整体设计思路和方案硕士论文 ( 2 ) 花生蛴螬：灯区虫量基数f 降4 0 以上，虫量下降6 0 左右，果荚危害率下降 6 0 左右，产量与效益明显增加。 ( 3 ) 蚕桑害虫：灯区虫量比无灯区下降6 0 左右，蚕茧与经济效益明显增加。 ( 4 ) 蔬菜害虫：灯区虫量比无灯区下降4 0 以上，危害率下降5 0 左右。省工省本 效益明显增加。 2 2 太阳能诱虫灯光伏发电系统设计思路 2 2 1 整体设计思路 依据2 1 所述本系统基本结构和性能指标，本研究的核心研究内容就是进行基于太 阳能诱虫灯的光伏发电系统的设计( 包括发电系统容量设计、充放电控制设计、逆变电 路设计、光控电路设计、升压电路设计等) 。一般光伏发电系统的设计流程如图2 3 所 刀o 用电量需求的分析与计算 当地气候资源、经度、纬度；年最高、最低气 温：全年太阳能辐射鼍：平均峰值日照时数；年 最长连续阴雨天数等 r 确定光伏发电系统的形式 1r 1 r 系统容量设计：( 1 ) 太阳能电池组件功率和方阵构成的设计与计算 ( 2 ) 蓄电池的容量与组合的设计与计算 1r 系统配置与设计：( 1 ) 控制器的设计( 2 ) 交流逆变电路的设计 ( 3 ) 组件组件支架及固定方式设计( 4 ) 防雷和接地系统的配置和设计 图2 3 太阳能光伏发电系统设计思路与步骤 光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，确定最少的太阳 电池组件和蓄电池容黾，以尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。 本诱虫灯是完全基于太阳能电池组件转化的电能来供电的，故在进行设计时，太阳 能发电系统的设计是本设计的要点。在设计太阳能光伏发电系统时，我们要考虑以下两 方面因素：第一，与设计有关的参数，如负载功率、连续阴雨天数等；第二，主要外围 器件或电路的选犁和设计，如蓄电池的容量大小、太阳能电池组件的功率大小、充放电 控制电路的设计、逆变电路的设计、升压电路的设计等。 硕士论文基于太阳能光控高j 基三波诱虫灯的设计与实现 2 2 2 各功能部分设计思路 ( 1 ) 确定与设计有关的参数 太阳能诱虫灯使用地的经度与纬度。 我们首先要了解太阳能诱虫灯使用的地理位置，通过地理位置我们可以了解并掌握 当地气象资源，比如年平均太阳能辐照黾、气温高低、风力大小等。根据这蝗数据，我 们可以确定当地的太阳能标准峰值时数( h ) 和太阳电池组件的方位角与倾斜角。 负载的功率。 在整个发电系统中，负载主要有升压网和诱虫灯具两部分来组成，负载功率的大小 直接影响着整个系统的参数。 太阳能诱虫灯每天晚上工作的时间( h ) 。 通过负载的工作时间可以确定光伏发电系统中组件的大小，这是一个极其重要的参 数。通过确定工作时间，可以初步确定负载每天的功耗与太阳电池组件的充电电流的匹 配或关系。 太阳能诱虫灯需要保持的连续阴雨天数( d ) 。 蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳电池组件功率是通过 这个参数来决定的。 确定两个连续阴雨天之间的间隔天数( d ) 。 连续阴雨天间隔的时间决定了整个系统在一个连续阴雨天过后下一个连续阴雨天 到来之前对蓄电池充满电所需要的电池组件功率。 ( 2 ) 主要外围器件的选型和控制、逆变、升压电路设计思路 太阳电池组件的选型 在考虑电池组件的选型时要依据系统容量考虑所选电池组件的类型、工作电压、最 大输出功率等参数。 a ) 类型 太阳能电池将太阳能转换为电能。有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池等三种类 型。 单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定， 故此类型比较适合。 多晶硅太阳能电池生产工艺比较简单， 雨水少，此种类璎适合使用。 南方的阴雨天较多、并且阳光不是很充足， 价格比单晶硅的低，东西部地区阳光充足， 非晶硅太阳能电池适合用于对太阳光照条件要求比较低的环境。 b ) 工作电压 太阳能电池组件的工作电压约为蓄电池工作电压的1 5 倍，才能保证给蓄电池正常 充电。如给6 v 蓄电池充电需要用8 9 v 太阳能电池组件：给1 2 v 蓄电池充电需要用1 5 1 8 v 7 2 太阳能光控高压三波诱虫灯的整体设计思路和方案 硕t 论文 太阳能电池：给2 4 v 蓄电池充电需用3 3 3 6 v 太阳能电池。 c ) 最大输出功率 最大输出功率又称最佳输出功率，是指太阳能电池组件在正常工作或测试条件下的 最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：p m = i m u m 峰值功率的单位为瓦。 太阳能电池的峰值功率取决于太阳幅照度、太阳光谱分布和组件的温度等。 蓄电池选择 蓄电池在白天将太阳能电池板所发出的电储存起来，到了夜晚或光照度低时释放出 来供负载使用。在选择本诱虫灯系统的储能设备一蓄电池时要从类璎、容量、蓄电池连 接方式上进行选择和设计。 a ) 类璎选择 铅酸( c s ) 蓄电池：适于低温高倍率放电，能鼍比偏低，是目前采用较多的一类蓄电 池。其优点是：价格低，密封免维护。但有铅酸污染，随着蓄电池工艺和其他类型的出 现，此类型蓄电池会逐步淘汰。 镍镉( n i c d ) 蓄电池：此种蓄电池放电倍率高、低温性能好，并且循环寿命长，适 合小型电能存储系统采用。但在使用时，要注意防止镉污染。 镍氢( n i h ) 蓄电池：此种蓄电池也可高倍率放电，并且低温性能好，价格便宜，基 本无污染，是一种绿色环保电池。很适合于小型系统采用，即容量有限。 目前广泛采用的有普通铅酸蓄电池、免维护铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。 b ) 容量选择 蓄电池容萤的大小对整个供电系统有决定性的影响，若蓄电池容量过小，则不能满 足夜晚照明的需要；若容量过大，则蓄电池始终处在亏电状态，对蓄电池寿命有较大影 响，况且也造成浪费。建议蓄电池容量( a h ) 与负载容量( a h ) 之比控制在在3 6 倍左右 为宜( 连续阴雨天数较少的地区可控制在3 4 倍左右，连续阴雨天较多地区控制在5 6 倍左右) 。 c ) 蓄电池联结 蓄电池可进行串联和并联连接，串联可提高蓄电池供电电压和容量，而并联连接可 提高蓄电池的蓄电能力。但在并联连接时，要考虑防止有的蓄电池亏电，有的满电的不 平衡影响。并且并联组数不宜超过4 组。同时也要注意蓄电池防盗。 控制器设计思路 太阳能诱虫灯的运行状态是由控制器来控制的，控制器对整个系统实现智能控制。 本系统中的控制器应满足以下功能： a ) 光控 依据太阳能电池板白天和晚上呈现不同电压的特性，通过检测太阳能电池极板电 压，把参数反馈给控制器，控制器通过对参数的处理控制连接蓄电池与负载问开关按钮 硕七论文基f 太阳能光控高压i 波诱虫士r 的设计与实现 的工作，实现白天自动充电，晚上自动放电，或者说白天蓄电，晚上供诱虫灯使用。 b ) 蓄电池管理 控制蓄电池的充放电，对充放电的条件加以限制，延长蓄电池使用寿命，主要包括： 防反充电控制、防过充电控制、防过放电控制：。 c ) 自动保护 太阳电池板反接保护、蓄电池反接保护、夜间防反充保护、输出短路保护等。 本设计采用m c u 进行充放电的管理和控制，核心芯片采用通用性单片机芯片一8 9 s 5 2 。 此种单片机芯片功能强大，特别是在控制方面的优势明显，并且电路实现较简单。 逆变器设计思路 逆变电路的作用是使得直流电变换为交流电，本设计中提供的直流电源的电压为 1 2 v ，要得到的交流电源的参数为单向2 2 0 v 5 0 h z 。逆变电路的类型较多，本项目设计的 逆变器为工频5 0 h z 的无源逆变器，并且属于小功率逆变器，在设计过程中，我们采用易 于实现的方波逆变器进行实现。 高压电路设计思路 高压电路主要是为高压电网工作的，诱虫灯吸引过来虫子以后，要利用高压将其杀 死，故要使得蓄电池的宜流1 2 v 电压利用专门的升压电路使其电压上升到6 0 0 0 v 以上，同 时保证电流值不宜过大，保证安全性。 电源电路设计思路 无论是控制器电路，还是逆变器电路、高压电路都会用到供电路工作的电源，但蓄 电池的电压由于不稳定性和电路中所需电压值的不统一性，故应专门设置电源电路。本 设计中，依据电路中的电源要求，需设计5 v 电源电路和l o v 电源电路。 2 3 光伏系统设计相关技术 2 3 1 太阳能光伏技术的发展及前景 在地球上，太阳能是最丰富的能源资源。太阳能照到地球表匾一小时的能量相当于 全球人类一年的活动的能量。光伏发电即太阳光直接转换成电能是利用太阳能的三个主 要技术之一，另外两个是集中太阳能发电( c s p ) 和太阳能集热器加热和冷却。如今， 光伏发电量为全球总发电量的o 1 。然而，如果在光伏发展上每个国家和地区都有 行之有效的配套政策，并且能有效降低光伏发电成本的话，光伏发电具有一个很好的商 业前景，具有很大的发展潜力。在国际能源机构的太阳能光伏发展蓝图中提到，到2 0 3 0 年，预计光伏发电提供全球电力消耗5 的电能，2 0 5 0 年上升到1 l 。实现这种光伏 电力供应水平与环境、经济和社会福利相关，并且需要更多的政策协调支持，持续、有 效和适应性奖励计划是需要帮助弥补光伏竞争力差距的举措，再加上长期注重技术的发 2 太阳能光拧高压三波诱虫灯的咎体设计思路和力案 硕士论文 展，改进所有类璎的光伏技术，包括商用系统以及新技术。 2 3 2 太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接 转换为电能的一种新型发电系统。尽管太阳能光伏发电系统应用形式多种多样，应用规 模跨度也很大，从小到不足一瓦的太阳能草坪灯，到大到几百千瓦甚至几兆瓦的大型光 伏发电站，但太阳能光伏发电系统的组成结构和工作原理却基本相同。其主要结构由太 阳能电池组件( 或方阵) 、蓄电池( 组) 、光伏控制器、逆变器( 在有需要输出交流电的情 况下使用) 以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。 ( 1 ) 太阳能电池组件( 方阵) 太阳能电池组件也叫太阳能电池板，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。其作用是将太阳光的辐射能鼍转换为电能，并送往蓄电池 中存储起来，也可以直接用于推动负载工作。当发电容量较大时，就需要用多块电池组 件串、并联后构成太阳能电池方阵。目前应用的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单 晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。 ( 2 ) 蓄电池 蓄电池的作用主要是存储太阳能电池发出的电能，并可随时向负载供电。太阳能光 伏发电系统对蓄电池的基本要求是：自放电率低、使用寿命长、充电效率高、深放电能 力强、工作温度范围宽、少维护或免维护以及价格低廉。目前为光伏系统配套使用的主 要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超 级电容器。当需要大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组。 ( 3 ) 光伏控制器 太阳能光伏控制器的作用是控制整个系统的工作状态，其功能主要有：防止蓄电池 过充电保护、防止蓄电池过放电保护、系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充 保护等。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外控制器还可以安装光 控开关、时控开关等工作模式，以及充电状态、蓄电池电量等各种工作状态的显示功能。 光伏控制器一般分为小功率、中功率、大功率和风光互补控制器等。 ( 4 ) 直流交流逆变器 交流逆变器是把太阳能电池组件或者蓄电池输出的直流电转换成交流电供应给电 网或者交流负载使用的设备。逆变器按运行方式可分为独立运行逆变器和并网逆变器。 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并 网运行的太阳能发电系统。 ( 5 ) 光伏发电系统附属设施 光伏发电系统的附属设施包括直流配线系统、交流配电系统、运行监控和检测系统、 硕士论文基f 太阳能光控高压三波诱虫灯的设计与实现 防雷和接地系统等。 2 3 3 光伏发电系统的工作原理及分类 太阳能光伏发电系统在应用形式上分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。 ( 1 ) 独立光伏发电系统 通常的独立太阳能光伏发电系统足由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、逆变器 等部分组成，其系统组成如图2 4 所示。 图2 4 太阳能电池发电系统示意图 太阳能电池方阵是整个发电系统的核心部件，通过日照方式产生的电能供整个系统 工作，并将电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器合理地分 配到各个负载上。太阳能电池所产生的电流为宣流电，可以直接以直流电的形式应用， 也可以用交流逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即 发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来，在需要时使用。 独立型光伏发电系统依据用电负载的特点，可分为以下类型： 无蓄电池的直流光伏发电系统 无蓄电池的直流光伏发电系统是太阳能电池组件发的电直接供负载使用，如图2 5 所示。该系统的特点是用电负载是直流负载，对负载使用时间没有要求，负载主要在白 天使用。太阳能电池与用电负载直接连接，有阳光时就发电供负载工作，无阳光时就停 止工作。系统不需要使用控制器，也没有蓄电池储能装置。该系统的优点是省去了能量 通过控制器及在蓄电池的存储和释放过程中造成的损失，提高了太阳能的利用效率。太 阳能光伏水泵是这种系统类型的典型应用。 太阳能电池板 图2 5 无蓄电池的直流光伏发电系统 有蓄电池的直流光伏发电系统 有蓄电池的直流光伏发电系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载 1 l 2 太阳能光：l 空高压三波诱虫灯的整体设计思路和方案硕士论文 等组成，如图2 6 所示。有阳光时，太阳能电池将光能转换为电能供负载使用，并同时 向蓄电池存储电能。夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。这种系统应用广泛，小 到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村 供电等。当系统容景和负载功率较大时，就需要配备太阳能电池组件方阵和蓄电池组了。 图2 6 有蓄电池的直流光伏发电系统 交流及交、直流混合光伏发电系统 交流及交、直流混合光伏发电系统与直流光伏发电系统相比，交流光伏发电系统多 了一个交流逆变器，用以把直流电转换成交流电，为交流负载提供电能。交、直流混合 发电系统则既能为直流负载供电，也能为交流负载供电。如图2 7 所示。 图2 7 交壹流混合光伏发电系统 市电互补型光伏发电系统 所谓市电互补光伏发电系统，就是在发电系统中以太阳能光伏发电为主，以市电 2 2 0 v 交流电补充电能为辅，如图2 8 所示。这样光伏发电系统中太阳能电池和蓄电池 的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨 天时就用市电能量进行补充。我国大部分地区基本上全年都有三分之二以上的晴好天 气。这样系统全年就有三分之二以上的时间用太阳能发电，剩余时间用市电补充能量。 这种形式可减少太阳能光伏发电系统的一次性投资，又节能减排，是太阳能光伏发电在 现阶段推广和普及过程中的一个过渡性的好办法。 硕士论文 基卜太阳能光拧高压i 波诱虫灯的设计与实现 图2 8 市电互补型光伏发电系统 ( 2 ) 并网型光伏发电系统 所谓并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合 市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。 并网型光伏发电系统由太阳能电池组件方阵将太阳能转变成电能，并经直流配线箱 进入并网逆变器，有些类型的并网型光伏系统还要配置蓄电池组存储直流电能。并网逆 变器由充放电控制、功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分构成。经逆变器输出的 交流电供负载使用，多余的电能通过电力变压器等设备馈入公共电网( 可称为卖电) 。当 并网光伏发电系统因天气原因发电不足或自身用电量偏大时，可由公共电网向交流负载 供电( 称为买电) 。系统还配备有监控、测试及显示系统，用于对整个系统工作状态的监 控、检测及发电量等各种数据的统计，还可以利用计算机网络系统远程传输控制和显示 数据列。 并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏系统，也有分散式小型并网光伏系统。集 中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网， 由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，目前还没 有太大发展。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资 小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网光伏发电的主流。常见 并网光伏发电系统：有逆流并网光伏发电系统、无逆流并网光伏发电系统、切换型并网 光伏发电系统、有储能装置的并网光伏发电系统等。 3 太阳能诱虫灯光伏发电系统设计硕t 论文 3 太阳能诱虫灯光伏发电系统设计 本系统的设计主要包含光伏发电系统容量设计、控制电路设计、逆变电路设计、高 压电路设计、电源电路设计等五个方面。下面对于这五个方面的具体实现方法进行描述。 3 1 太阳能诱虫灯光伏发电系统的容量设计 3 1 1 容量设计步骤 光伏发电系统容量设计主要是为了计算出系统在工作时间内能够有效可靠工作所 需的太阳电池组件和蓄电池的数量。同时也要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成 本两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性的基础上，也要尽量减少系统成本。 光伏发电系统的容量设计主要包括负载用电量的估算、太阳电池组件数量和蓄电池容量 的计算以及太阳电池组件安装最佳倾斜角的计算。其设计步骤可按图3 1 所示进行。 列出基本数据卜_ 一确定负载功率卜- 一确定蓄电池容量 估算方阵( 组 件) 电流 决蹇譬慈方h 计算日辐射量 阵) 倾角广1 w 异口拍剁里 确定最佳电流h 确荐穸鞋组 确定方阵( 组 件) 功率 图3 1 光伏系统发电量的设计步骤 3 1 2 与容量设计有关的因素和条件 ( 1 ) 负载的特性 在进行太阳能发电系统设计之前，我们要充分了解用电负载的特性。如负载是直流 性负载，还是交流性负载，工作电压和功率是多少? 是属于冲击性的负载还是非冲击性 负载? 是电阻性负载，还是电感性负载等。其中电阻性负载，如白炽灯、节能灯、电热 水器、电熨斗等部在使用中无冲击电流，属非冲击性负载。而电感性和电力电子类负载， 如日光灯、电动机、电冰箱、电视机、水泵等在使用时都有冲击电流，且冲击电流较大， 有的是其工作额定电流的l o 倍。因此，诸如此类，在设计容量时，都要留下余量。 本系统所用诱虫灯属于节能灯行列，属电阻性负载，在使用中无冲击电流。 另外，负载在使用时间上又分为仅白天使用的负载、仪晚上实用的负载和白天晚上 均使用的负载二种情况。对于仅仅白天使用的负载，因为白天电池板可以正常的工作， 1 4 硕士论文基f 太阳能光控高压三波诱虫埘的设计与实现 故可以采用光伏电池扳直接供电，不需要储能设备一蓄电池：而对于仪晚上供电的，我 们可以在白天利用光伏电池板蓄电池充电，晚上利用蓄电池的储能进行放电：而对于白 天晚_ 卜均使用的负载，我们可以在利用一定的技术使得在白天电池板可以一边供负载使 用、一边对蓄电池充电，晚上时，负载就可以用蓄电池的电进行工作。本课题中的负载 ( 诱虫灯、高压网等) 仅在晚上工作，故必须设置一个一定容量的蓄电池。 ( 2 ) 太阳能电池组件的方位角与倾斜角 太阳能电池组件的方位角与倾斜角的选定是太阳能光伏发电系统设计时最重要的 因素之一，所谓方位角一般是指东西南北方向的角度，对于光伏发电系统来说，方位角 以正南为o 。，由南向东向北为负角度，由南向西向北为正角度，如太阳在正东方时， 方位角为一9 0 0 ，在正西方时方位角为9 0 。方位角决定了阳光的入射方向，决定了各 个方向的山坡或不同朝向建筑物的采光状况。地平面( 水平面) 与太阳能电池组件之间 的夹角称为倾斜角。倾斜角为o 。时表示太阳能电池组件为水平放置，太阳能电池组件 为垂直放置时倾斜角为9 0 。嘲。 太阳能电池方位角的选择。 在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发 电量最大。如果受太阳能电池设置地点如屋顶、土坡、建筑物结构及阴影等的限制时， 则应尽量考虑与它们的方位角一致，以求充分利用地形和有效面积，避开周围建筑物或 树木等产生的阴影。只要在正南左右偏向2 0 。之内，都不会对发电量有太大影响，偏 西南2 0 。之内是最好的偏向，使太阳能发电量的峰值出现在中午稍过后某时。有些太 阳能光伏建筑一体化发电系统设计时，当正南方向太阳能电池铺设面坡不够时，也可将 太阳能电池铺设在正东，正西方向。 针对本系统及长三角地区日照特点，我们设定太阳能电池方位角为偏西南2 0 。 太阳能电池倾斜角的选择 倾斜角的合适选择会使得太阳能电池板的单位时间发电量尽可能的大，一般取当地 纬度或当地纬度加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。同时还要兼顾夏天和 冬天发电量的均衡问题。有条件的话，可采用计算机进行优化计算。如不进行计算，也 可根据当地纬度粗略计算太阳能电池板的倾斜角。 下面列举了不同纬度地区设置的较佳的太阳能电池的倾斜角： 纬度为o o 2 5 0 时，倾斜角可设置为纬度大小： 纬度为2 6 0 4 0 0 时，倾斜角可设置为纬度加上5 0 l o o ： 纬度为4 1 0 5 5 0 时，倾斜角可设置为纬度加上l o o 1 5 0 ； 纬度为5 5 0 以上时，倾斜角可设置为纬度加上1 5 0 2 0 0 ； 表3 1 给出了部分主要城市的纬度和安装太阳能电池板的最佳倾斜角。 3 太阳能诱虫灯光伏发电系统没计硕 论文 表3 1 全国部分地区纬度及安装太阳能电池组件的最佳倾斜角 城市 纬度 最佳倾角 哈尔滨 4 5 6 8 矽+ 3 沈阳 4 3 9 0 矽+ 1 北京 3 9 8 0 彩+ 4 天津 3 9 1 0 矽+ 5 太原 3 7 7 8 矽+ 5 杭州 3 0 2 3 矽+ 3 济南 3 6 6 8 十6 武汉 3 0 6 3 + 7 广州2 3 1 3 一7 西安 3 4 3 0 矽+ 1 4 上海 3 1 1 7 矽+ 3 南京 3 2 0 0 矽+ 5 合肥 3 1 8 5 矽+ 9 但是，太阳能电池板的安装倾斜角对于不同类型的太阳能光伏发电系统是有所不同 的。对于季节性负载供电的光伏发电系统，如光控太阳能路灯系统，这类负载的每天工 作时间随着季节而变化，其特点是每天工作时间的长短以自然光线的强弱来决定的。在 冬天时，白天时间段，日照量少；而到了夜间，黑夜时间长，导致负载工作时间长，所 以耗电量较大。为了使得系统能在全年都正常工作，因此系统设计时应照顾冬天，倾斜 角按冬天时能得到最大发电量来确定，应该比当地纬度的角度大一些。而对于主要为夏 季负载供电的光伏系统，如本系统的太阳能供电的诱虫灯，其倾斜角应该比当地纬度的 角度小一些，这样系统在夏季时才能得到最大的供电量。 对于本系统来说，有其本身的特点，因本系统仅仅在夏秋季使用，故在考虑倾斜角 的计算时仅仅考虑夏天得到最大发电量即可，不用考虑与冬天发电量兼顾的问题。因为 本系统的推广和应用也蕾要在长三角地区，按照以上理论和上图中纬度分布情况，本系 统中太阳能电池组件的倾斜角的设置可参考上海地区纬度( 3 1 1 7 。) ，将本系统中太阳 能电池板倾斜角设置为比上海纬度偏小一点的3 0 。 ( 3 ) 平均日照时数和峰值日照时数 日照时数是指在指定地点，一天当中太阳光达到一定的1 2 0 w m 2 的幅照度一直到小 于此幅照度所经过的总的时间。通常，日照时数小于日照时间。 某地的一年或若干年的同照时数总和的平均值称为平均日照时数。例如，某地1 9 8 5 年到1 9 9 5 年十年间实际测鼍的年平均日照时数是2 0 5 3 6 h ，则日平均日照时数就是 5 6 3 h 。 1 6 硕士论文基于太阳能光控高压一波诱虫灯的设计与实现 峰值日照时数是将当地的太阳辐射景折算成标准测试条件一即幅照度1 0 0 0 w m 2 下 的时数。例如，某地某天的日照时间是7 5 h ，但不可能在这7 5 h 中太阳的幅照度都是 1 0 0 0 w m 2 ，而是从弱剑强再从强到弱逐渐变化的。在标准测试条件下( 幅照度l o o o w m 2 ) ，若测得某地这天累计的太阳辐射量是4 6 0 0 w h m 2 ，则此地的这天的平均峰值f 1 照时数就是4 6 h 。因此，在计算太阳能光伏发电系统的发电量时一般都采用平均峰值 同照时数作为参考值。据统计，上海每天累计的太阳辐射量是3 8 0 0 w h m 2 ，则平均峰值 日照时数为3 8 h 。 ( 4 ) 全年太阳能辐射总量 在设计太阳能光伏发电系统容量时，也要考虑当地的全年太阳能辐射总量。可通过 气象部门了解当地近几年甚至8 1 0 年的太阳能辐射总量年平均值。通常气象部门会提 供水平面太阳辐射量，而太阳能电池一般都是倾斜安装，因此还需要将水平面太阳能辐 射量换算成倾斜面上的辐射量。 对于本系统来说，由于本系统工作时间区域的特殊性，该系统仅在太阳能辐射量较 多的夏秋季使用，故折合至口辐射量来算的话，应该比年平均值高一些。 ( 5 ) 最长连续阴雨天数 所谓最长连续阴雨天数也就是需要蓄电池向负载连续供电的天数，从发电系统本身 的角度说，也叫“系统自给天数 。也就是说如果有几天连续阴雨天，太阳能电池方阵 就几乎不能发电，只能靠蓄电池来供电，而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。 连续阴雨天数可参考当地年平均连续阴雨天数的数据。对于不太重要的负载如太阳能路 灯等，也可根据经验或需要在3 7 天内选