（微电子学与固体电子学专业论文）太阳能与市电互补的led照明控制系统研究.pdf

摘 要 摘要 太阳能光伏发电作为一种清洁无污染的新型能源，其推广应用发展迅速，将 逐步成为人类的基础能源之一。白光l e d 是继白炽灯、荧光灯之后的新一代电光 源，随着其流明效率的提高，白光l e d 正逐步向普通照明领域发展。太阳能光伏 发电与白光l e d 照明结合构成的照明系统是一个最优的环保节能照明系统，是今 后的一个重要发展方向。 课题的主要内容是对太阳能与半导体l e d 照明控制系统的研究，结合目前城 市景观灯和草坪灯供电实际情况，提出了太阳能电池与市电互补供电的设计思 想。论文的研究内容和成果对太阳能l e d 照明系统的推广应用具有理论参考意义 和良好的应用前景。 本文围绕太阳能光伏发电和白光l e d 照明技术，阐述了相关的基础理论，对 l e d 照明控制系统的组成及其功能进行了详细的分析与论证，研究了系统中的硅 太阳电池、铅酸蓄电池、l e d 负载等组成部分的配置。论文重点研究了太阳能与 市电互补的l e d 照明系统的设计，包括硬件、软件及相关的检测、控制和保护功 能电路等设计，其中系统控制器的设计是核心内容。论文根据系统各组成单元的 特性，设计了一款基于p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机的系统控制器。它充分利用单片机的内 部资源，具有结构简单，功耗低等特点。 最后，论文完成了一种简易太阳能与市电互补的l e d 照明控制系统的硬件实 现，并对其部分功能及工作性能参数进行了测试和分析。结果表明，系统控制器 满足设计要求，系统运行良好。 关键词：光伏发电；半导体照明；l e d ；p i c 单片机控制；互补 a b s t r a c t a b s t r a c t s o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e r ，w h i c hi sas o r to fn e wc l e a na n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ne n e r g y ，i sa p p l i e dt op r a c t i c ew i d e l yi nr e c e n ty e a r s a n di t w i l lg r a d u a l l y b eo n eo ft h eb a s i ce n e r g yf o rh u m a nb e i n g a san e w g e n e r a t i o no fp o i n tl i g h ts o u r c e ， w h i t el e da r ee n t e r i n gt og e n e r a li l l u m i n a t i n ga r e aw i t ht h ei n c r e a s eo fl u m i n o u s e f f i c i e n c y i l l u m i n a t i o ns y s t e mb a s e do ns o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e ra n dw h i t el e d i s a no p t i m a ls a v i n ge n e r g ya n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o ns y s t e m i tw i l lb ea ni m p o r t a n t d e v e l o p m e n td i r e c t i o ni nf u t u r e t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h es t u d ya n dd e s i g no fa ni l l u m i n a t i o ns y s t e m b a s e do ns o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e ra n dw h i t el e d a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls a t u r a t i o n o fp o w e rs u p p l yo fs i g h ta n dl a w ni l l u m i n a t i o n s ，ad e s i g ni d e ao fm u t u a ls u p p l e m e n t b e t w e e ns o l a rp h o t o v o l t a i cc e l la n dc o m m e r c i a lp o w e ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e r t h e m a i nw o r ki st od e s i g nt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mo fl e di l l u m i n a t i o n ，w h i c hi so fa t h e o r e t i c a lc o n s u l t i n gm e a n i n ga n dag o o da p p l i c a t i o np e r s p e c t i v et ow i d e nl e d i l l u m i n a t i o ns y s t e ma p p l i c a t i o n s b a s e do ft h es t u d yo nt h er e l e v a n tt h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fs o l a rp h o t o v o l t a i c p o w e ra n dw h i t el e di l l u m i n a t i o n ，d e e pa n a l y s i s a n da r g u m e n t a t i o no ft h e c o n t r o l l i n gs y s t e mc o n f i g u r a t i o na n df u n c t i o na r ed i s c u s s e dd e e p l yi nt h i sp a p e r ，s u c h a ss i l i c o ns o l a rc e l l s ，l e a d a c i ds t o r a g eb a r e r y ，a n dl e dl o a d t h i sp a p e rf o c u s e so n t h ec o n t r o l l i n gs y s t e md e s i g no fl e di l l u m i n a t i o n ，w h o s ec o r ei st h ec o n t r o l l e rd e s i g n i n c l u d i n gi t sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g n ，d e t e c t i n gc i r c u i td e s i g n ，a n d c o n t r o l l i n gc i r c u i t a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i co fe a c hc o n s t r u c t i n gu n i t ，a c o n t r o l l e rb a s e do np i c16 f 7 7 am i c r o p r o c e s s o rh a sb e e nd e v e l o p e di nt h i sp a p e r ， w h i c hu s e sa d e q u a t e l yt h ei n s i d er e s o u r c e so ft h em i c r o p r o c e s s o r ，p o s s e s s i n gs u c h a d v a n t a g e sa ss i m p l ec o n s t r u c t i o n ，l o wp o w e r a n ds oo n f i n a l l y ，t h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h ew h i t el e d i l l u m i n a t i o nc o n t r o l l i n g s y s t e mi si m p l e m e n t e di nt h i sp a p e r ，a n ds o m ew o r k i n gp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so f s y s t e mh a v eb e e nt e s t e da n da n a l y z e d t h er e s u l ts h o w s t h ec o n t r o l l e rm e e t sd e s i g n r e q u i r e m e n t s ，a n dt h es y s t e mr u n sw e l l k e y w o r d s ：s o l a r p h o t o v o l t a i c p o w e r ； s e m i c o n d u c t o r i l l u m i n a t i o n ； l e d ( l i g h t e m i t t i n gd i o d e ) ；p i cs i n g l e c h i pc o n t r o l ；c o m p l e m e n t a r y i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个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，除了文中特另, j ) j r l 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或 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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至玺丛 导师签名：2 ) 邈丝日期：竺翌：兰： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 选题的背景和意义 当今世界，石油、煤炭、天然气等主要能源正面临资源枯竭的危险，据中 国新能源与可再生能源1 9 9 9 白皮书介绍，全球能源消耗平均每年以3 的速 度增长，从现在算起全球的化石燃料( 石油、煤炭、天然气等) 耗尽的时间平均不 足1 0 0 年，而照明能耗是人类所有能源消耗中最多的一项。发达国家的照明约占 总能耗的1 2 以上，我国发达地区的照明能耗占总能耗的1 0 1 2 i l l 2 jo 同时， 化石能源大量的开采和利用，带来严重的环境污染，环保压力不断增加。环境污 染和能源短缺愈来愈制约着人类的发展。环保、节能已经成为二十一世纪世界经 济发展中最具决定性的五项技术之一，开发绿色的可再生能源和节能技术已被列 入许多国家的发展规划。太阳能是一种清洁的绿色能源，充分开发太阳能是世界 各国政府可持续发展的战略决策。 利用太阳能发电具有以下一些优点口】【4 】： 无需任何燃料，无污染、无噪音，无任何废料排出，只要有阳光即可发 电； 太阳能取之不尽，用之不竭，无枯竭的危险； 不受资源分布和地域的限制，太阳能分布广泛，可在用电处就近发电， 不须长距离输送，减少了线路上的损耗； 太阳能不用燃料，运行成本小； 太阳能电池工作时输出直流电； 系统中没有运动部件，可靠性高，维护简单； 太阳能发电建设周期短，一次投资长期受益。 我国在1 9 9 6 年提出了“绿色照明工程”，主要就是为了解决与照明相关的能 源供应和经济效益问题。绿色照明的科学定义是指通过科学的照明设计采用效率 高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品，改善人们工作、学习、生活的条 件和质量，从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代 文明的照明晦1 。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计 划，并取得了显著效果。照明的质量和水平已成为人类社会现代化程度的一个重 要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。 作为固体光源的半导体发光二极管( l i g h te m i t t i n gd i o d e ，l e d ) ，真正点 燃了“绿色照明”的光辉，被认为是2 1 世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯 和日光灯成为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上 改善人类的生产和生活方式。白光l e d 照明的应用前景在全世界掀起了高潮，被 北京t 业大学硕士学何论文 给予了厚望。 与传统的照明光源相比，白光l e d 具有以下优点 ： 流明效率高。理论流明效率达2 0 0 1 m w ，远高于白炽灯和荧光灯； 节能。节能灯比白炽灯节能4 5 已是伟大的创举，而l e d 比节能灯还要 节能1 4 ； 无有害金属汞，无红外线和紫外线辐射； 体积小，可实现多芯片封装，易于集成： 多为固态封装，可靠性高； 寿命长，理论寿命长达1 0 万小时，远长于传统照明光源； 低压直流驱动； 响应速度快，易于进行数字控制。 太阳能是一种清洁的绿色能源，半导体发光二极管( l e d ) 也是一种环保、节 能、高效的固态电光源。将l e d 技术和太阳能技术相结合在一起，开发太阳能半 导体照明，是最佳的节能、环保组合，是新一代能源和新一代光源的完美结合。 研究开发利用太阳能l e d 照明技术将是世界各国政府可持续发展的战略决策，意 义重大。 能源与环保是人类社会生存的物质基础。太阳能半导体照明代表着时代发展 的潮流。自1 9 9 5 年以来世界太阳能产业以平均超过3 3 的增长率发展，近两年 来更是超过了4 0 。而l e d 是未来照明的方向，环保，节能，发光效率高，它 将逐步取代传统光源。更值得注意的是，白光l e d 发光效率以每十年提高1 0 倍 的速度发展，成本也在逐年下降。 在中国，照明所消耗的电能在整个用电资源消耗中占1 2 左右，在能源的 消耗中占很大的市场份额。l e d 作为节能的先锋，也将是照明的主流。太阳能与 半导体照明的结合应用将是能源和环保这个主题中的一大亮点。在国家十一五发 展计划中也把此项作为一个重要方向来发展，本课题就是在这样的背景下进行 的。 利用太阳能照明是人类开发利用太阳能的一个主要手段，然而，由于太阳能 辐射的不连续性和间歇性，以及目前单纯太阳能照明系统的投资和成本较高及部 分技术不够成熟等原因，太阳能照明系统经常出现在连续阴雨天时，由于蓄电池 电压不足，负载不能点亮的情况。将太阳能与市电组成双电源互补供电照明系统， 不仅可以有效解决太阳能利用不稳定的问题，同时可以适当减小太阳能电池和蓄 电池的容量，降低开发利用太阳能技术的经济成本。 本课题研究太阳能与市电互补的l e d 照明控制系统，主要内容是太阳能半导 体l e d 照明系统的研究，课题主要针对小区现有草坪灯、路灯( 已具备市电网的 情况) 的改造，结合灯的实际供电情况，提出了太阳能电池与市电互补的设计思 想。太阳能与市电互补的l e d 照明控制系统既利用了太阳能新能源和l e d 新光源， 第1 章绪论 实现了节能和环保，同时充分利用了小区( 草坪灯、路灯) 已有的市电网络作为 备用电源。这样既避免出现较长的阴雨天灯不亮的情况，又可以适当降低蓄电池 的容量，降低成本，达到可靠性和经济性要求。课题研究的内容和成果对太阳能 l e d 照明系统的推广应用具有理论参考意义和良好的应用前景。 1 2 国内外相关领域的研究进展 日本是世界上开展太阳能光伏照明研发活动最为活跃的国家之一，1 9 7 9 年8 月l af o r e t 工程公司推出第一台光伏照明系统隅1 。 美国对光伏照明的研究始于2 0 世纪9 0 年代中期。1 9 9 5 年前后，美国能源 部橡树岭国家实验室( o a kr i d g en a t i o n a ll a b o r a t o r y ) 发明了组合太阳光照 明系统。即以太阳光照明为主，不足部分用电照明补充。此项研究工作获得能源 部和联邦资金( 美国政府专用资金) 的支持。工业周刊杂志将组合照明选为 1 9 9 8 年度2 5 项尖端技术之一。目前有8 家公司和8 所大学及科研院所组成协作 组进行联合研发1 0 1 。 欧盟将近1 0 年太阳能供暖研究和发展预算的8 5 转向日光照明技术研究。 到2 0 1 0 年，美国、日本、欧盟预计安装光伏容量达1 1 g w ；到2 0 5 0 年光伏 发电总装机容量将达到4 4 0 g w 。 为了在半导体照明领域占领技术高地，各国政府、国际照明企业纷纷投入人 力、物力开发白光l e d 光源。美国政府计划在2 0 0 0 2 0 1 0 年投入5 亿美元，实 施国家半导体照明计划；日本于1 9 9 8 年制定2 1 世纪光计划”，从1 9 9 8 年到2 0 0 2 年间已投资5 0 亿日元进行白光l e d 的开发研究；欧盟也提出了“彩虹计划”； 2 0 0 3 年6 月，我国政府也紧急启动“国家半导体照明工程”，使我国半导体照明 工程进入实质性推进阶段四卜【i l 】。 我国的太阳能光伏发电产业，至今仅限于在中西部等地区推广太阳能光伏发 电照明。主要应用于无电网地区城镇道路照明，无电网或远离电网及环保节能地 区的路灯工程照明以及小区的草坪灯、路灯的照明。在有电网的地方，也大多是 只用太阳能作为唯一的能源，没有利用已有的市电网。太阳能与市电互补的系统 目前研究较少。 1 3 本课题的研究内容 1 3 1 论文研究的基本内容 本课题研究太阳能与市电互补的l e d 照明控制系统，主要内容是太阳能半导 体l e d 照明控制系统的研究，特别提出了与市电互补的设计思想。为太阳电池与 l e d 的结合寻找技术方案。 本课题涉及3 大新领域：太阳能光电转换技术、半导体发光材料的应用、太 北京t 业大学硕十学何论文 阳能与市电互补技术。课题研究内容包括四部分。 ( ) 太阳能与市电互补l e d 照明控制器的研究。包括1 、蓄电池电压、太 阳电池电压的监控和采集；2 、蓄电池充电方式和方法及其转换控制；3 、蓄电池 供电和市电供电方式之间的转换控制；4 、负载点亮和熄灭的控制等。研究系统 控制器硬件电路设计和软件流程、程序编写及调试。 ( 二) 蓄电池的特性及优化。包括研究蓄电池的参数和电特性、分析蓄电池 在系统中的工作状态，确定对蓄电池的充电方式和方法，对蓄电池过充电、反充 电和过放电进行保护，配置合适的蓄电池容量，以延长蓄电池的使用寿命，降低 系统运行成本等。 ( 三) 太阳能电池技术及优化。研究太阳电池的输出特性，最大输出功率点， 优化系统设计，尽可能使太阳电池工作在最大输出状态。研究系统设计的原则和 方法，根据l e d 负载情况，确定太阳电池和蓄电池的容量，尽量做到系统容量的 最佳配置。 ( 四) l e d 电光源特性。 其中，太阳能与市电互补l e d 照明系统控制器的设计是研究的重点内容，难 点内容是系统控制器及整个照明系统的搭建和调试，对太阳能电池优化、l e d 负 载的研究是非重点内容。 太阳能与市电互补的l e d 照明控制系统由太阳能电池板、蓄电池、系统控制 器、l e d 负载、市电电源等几部分构成。 1 3 2 课题主要任务 ( 1 ) 结合太阳电池光电转换技术、蓄电池充放电特性和l e d 光源特性提出一 种适用于市电互补的l e d 光伏照明系统且性能可靠的充放电控制器设计方案，达 到各种控制和保护的功能，给出硬件电路的设计和软件流程及程序设计。 ( 2 ) 在总结太阳电池和蓄电池特性的基础上，对系统进行优化设计。包括照 明光源、系统控制器、太阳能电池组件最佳倾角确定、太阳能电池组件和蓄电池 容量确定、太阳能电池最大输出功率等方面。 1 4 本章小结 本章分别介绍了太阳能光伏发电和半导体l e d 照明的技术现状及相关背景， 阐述了基于太阳能的半导体照明技术的研究意义，从而分析了对本课题研究和设 计的重要性。明确指出了论文研究的基本内容和主要任务。 第2 章太阳能与市电互补l e d 照明系统基础理论 第2 章太阳能与市电互补l e d 照明系统基础理论 2 1 互补照明系统的组成 太阳能与市电互补的l e d 照明控制系统主要由太阳能电池、蓄电池、系统控 制器、l e d 照明负载和市电电源五部分组成，系统组成原理图如图2 - 1 所示。在 四个主要组成部分基础上把已有的市电作为备用电源。系统正常工作时，由蓄电 池向l e d 负载供电，在蓄电池电压不足时，由市电( 备用电源) 直接向l e d 负载 供电，避免了蓄电池电压不足时l e d 负载不亮的情况。有了市电作为备用电源， 在设计时可以适当降低蓄电池的容量，降低成本。同时避免了由于利用太阳能而 导致的市电资源的浪费，达到可靠性和经济性要求。 - - ： ；市电( 备用) 电源i 图2 - 1 太阳能与市电互补l e d 照明系统组成原理图 f i g 2 一ls t r u c t u r ep r i n c i p l ed r a w i n go fs o l a rb a t t e r ya n dc o m m e r c i a lp o w e rc o m p l e m e n t a r y l e di l l u m i n a t i o ns y s t e m 系统工作时通过太阳能电池将太阳辐射能转化为电能，但是由于太阳能电池 的输出受温度和太阳辐射强度影响很大，输出功率不稳定，因而在太阳辐射强度 足够大的时( 白天) 需要利用蓄电池将转化的电能储存起来，以便在需要照明时 ( 晚上) 向半导体照明负载供电，图2 - 2 所示为太阳能系统工作原理图u2 1 。在太 阳能半导体照明系统中，控制器是其核心部分，系统工作时通过控制器实现对系 统工作状态的控制和对蓄电池充放电过程的管理，以使系统在不同的工作状态下 均能稳定可靠地工作。 系统各个组成部分的主要功能如下： ( 1 ) 太阳能电池 由许多太阳能电池组件串、并联而成，其合成的容量可以是数百峰瓦( w p ) ， 也可达数个兆峰瓦甚至更大，组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的太 阳能电池组成。一般来说，光伏阵列由于多为半导体器件构成，其伏安特性具有 强烈的非线性。 北京工业大学硕士学位论文 太阳能电池的作用是将太阳的辐射能转换为电能，送往蓄电池中存储起来， 推动负载工作。整个系统中，太阳能电池是太阳能发电系统中的核心部分，也是 发电系统中价值最高的部分，是系统成本的最主要部分。要使太阳能l e d 照明系 统得推广应用，就必须降低系统的运行成本。在太阳能电池价格居高不下的情 况下，提高太阳能电池的利用率就成了一种最有效的方法。太阳能电池的输出具 有非线性特性，要提高太阳能电池的利用率，需要对太阳能电池的输出进行m p p t 控制，以提高太阳能电池在不同温度和太阳辐射强度下的输出功率。 圈2 - 2 太阳能系统工作原理 f i 9 2 - 2p n n c i p l e o f s o l a r e n e r g y i l l u m i n a t i o ns y s t e m ( 2 ) 蓄电池组 蓄电池也称电瓶，是太阳能l e d 照明系统的关键部分。一般是由一定数量的 铅酸蓄电池经由串、并联组合而成，其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相 匹配。它的主要作用是在白天储存太阳能阵列所产生的电能，晚上把储存的能量 释放出来，供负载照明使用。它的最佳充电电流和放电电流，一般按1 0 小时充、 放电率计算n ”。 由于蓄电池对电压的波动具有“缓冲”作用，还可使得负载系统的运行更加 平稳可靠。虽然铅酸蓄电池具有容量丈、价格低等优点，但若使用不当很容易 加速蓄电池的老化，使蓄电池的寿命急剧缩短，造成系统运行成本的增加，充、 放电电流过大都会对电瓶的寿命有一定的影响。因此对蓄电池的充放电进行合理 规划和控制是光伏充电系统中必不可少的环节。 ( 3 ) 控制器 控制器的作用是对太阳能电池、蓄电池电压、市电电源和l e d 负载进行总体 监控。为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，同时保护蓄电池，避免过充电和过 放电现象的发生。需要时完成太阳能电池和市电两个电源之间的转换，保证l e d 负载稳定可靠的工作。 ( 4 ) l e d 照明光源 半导体l e d 照明光源是系统的重要组成部分。l e d 应保证亮度高，亮度辐射 范围大且均匀，所使用的白光l e d 数量少。控制器中的负载控制策略和l e d 驱动 第2 章太阳能与市电互补l e d 照明系统基础理论 电路的设计直接决定了系统的照明效果。因此，需要根据l e d 响应速度快和低压 直流驱动等特性，选择合适的驱动方案及控制策略，实现与蓄电池电压的匹配， 以充分发挥l e d 照明的优点。 ( 5 ) 市电电源 在出现阴雨天时，蓄电池不能及时充电，出现蓄电池电压不足，不能正常向 负载供电时，由开关电源将2 2 0 v 交流市电变换成低压直流电，供l e d 负载使用。 控制器系统设计中为市电电源提供了一个低压直流电输入接口。 2 2 太阳能电池特性研究 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把 光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。光伏电池是太阳能光伏发电的基 础。 2 2 1 太阳能电池的发展历史 对太阳能电池的研究始于1 0 0 多年前。1 8 3 9 年，法国物理学家a e 贝克勒 尔( b e c q u r e l ) 意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，光照时会产生 额外的伏打电势，他把这种现象称为“光生伏打效应( p h o t o v o l t a i c - e f f e c t ) ”。 1 8 7 3 年英国科学家w i l o u g h b ys m i t h 就观察到了对光敏感的硒材料，并推断出 在光的照射下硒导电能力的增加正比于光通量。1 8 8 0 年c h a r l e sf r i t t s 开发出 以硒为基础的太阳能电池。以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光 伏器件 半导体p - n 结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件 为“太阳能电池”( s o l a rc e l l ) 。2 0 世纪3 0 年代尽管太阳能电池能量转换效率 低，生产成本高，科学家仍致力于硒太阳能电池的研究。2 0 世纪5 0 年代初，美 国贝尔实验室，科学家发现经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1 9 5 4 年在贝尔实验室恰宾( c h a r b i n ) 和皮尔松，第一次做出了光电转换效率为6 的实 用单晶硅太阳能电池，开创了光伏发电的新纪元n 4 儿1 5 1 。 2 2 2 太阳能电池的工作原理和分类 2 2 2 1 工作原理 太阳能电池就是利用半导体p - n 结的“光生伏打效应”将太阳能直接转换成 电能的器件，其工作原理如图2 3 所示。光生伏打效应是光照射半导体时，激发 自由电子和空穴分别向左右漂移、扩散，分别聚集在两端电极上而产生光生电动 势。如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电流。 太阳能电池的发电过程概述如下：1 首先是收集太阳光和其他光使之照射到 太阳能电池表面上。2 太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流 北京工业大学硕十学位论文 子( 光生载流子) 电子一空穴对。这些电子和空穴具有足够的寿命，在它们 被分离之前不会复合消失。3 电性符号相反的载流子在太阳能电池p - n 结内建电 场的作用下，电子一空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在 p - n 结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势。4 在太阳能电池p - n 结 的两侧引出电极，并接上负载，在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输 出。这样太阳能电池就把太阳能( 或其他光能) 直接转换成了电能n 钔n 。 e 屯子 0 空穴毫丧r ? 惫o 油 宅电 毡 毒 | 月 ( b ) 图2 - 3 太阳能电池发电原理 f i g 2 3p o w e rg e n e r a t i o np r i n c i p l eo fs o l a rc e i l s 2 2 2 2 太阳能电池的分类 太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今，业已种类繁多，形式各样。 ( 1 ) 按照材料分类 硅太阳能电池 以硅材料作为基体的太阳能电池。如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、 非晶硅太阳能电池等。制作多晶硅太阳能电池的材料，用纯度不太高的太阳级硅 即可。而太阳级硅由冶金级硅用简单的工艺就可加工制成。多晶硅材料又有带状 硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种。用它们制造的太阳能电池有薄膜和片状两种。 硫化镉太阳能电池 这种电池是以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池。如硫化亚铜一硫 化镉太阳能电池、碲化镉一硫化镉太阳能电池、硒铟铜一硫化镉太阳能电池等。 砷化镓太阳能电池 这种电池是以砷化镓为基体材料的太阳能电池。如同质结砷化镓太阳能电 池、异质结砷化镓太阳能电池等。 ( 2 ) 按照结构分类 可分为同质结太阳能电池，异质结太阳能电池和肖特基太阳能电池。 同质结太阳能电池。由同一种半导体材料构成一个或多个p - n 结的太阳 能电池。如硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。 异质结太阳能电池。用两种不同禁带宽度的半导体材料在相接的界面上 釜 第2 章太阳能与市电互补l e d 照明系统基础理论 构成一个异质p - n 结的太阳能电池。如氧化铟锡一硅太阳能电池、硫化亚铜一硫化 镉太阳能电池。 肖特基太阳能电池。用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的太 阳能电池，也叫做m s 太阳能电池。其原理是基于金属一半导体接触时在一定条件 下可产生整流接触的肖特基效应。目前已发展成为金属一氧化物一半导体太阳能电 池，即m o s 太阳能电池：金属一氧化物一半导体太阳能电池，即m i s 太阳能电池。 如铂一硅肖特基太阳能电池、铝一硅肖特基太阳能电池。 按照太阳能电池的结构来分类，其物理意义比较明确，因而被作为太阳能电 池命名方法的依据。 2 2 3 太阳能电池的工作特性 2 2 3 1 光伏阵列的卜v 方程 光伏阵列是将太阳能转换成电能的器件，其输出的i - v 特性强烈地随日照强 度和较强烈地随电池温度t 而变化，其等效电路如图2 4 所示n8 1 。由于结电容一 净 削盹j i i 图2 4 太阳电池等效电路 f i g 2 4e q u i v a l e n tc i r c u i to fs o l a rc e l l s 般都很小，对于低频信号呈现出很大的容抗，其作用可以忽略不计。规定图中电 压、电流方向，得出光伏阵列的输出电流电压( i - v ) 方程： m k h 警 _ l _ 警 l ， 其中i 。光电流( a ) ； i 埘反向饱和电流( a ) ； q 电子电荷( 1 6 1 0 叫9 j k ) ： k 玻尔兹曼常数( 1 3 8 1 0 。2 3 j k ) ： t 绝对温度( k ) ： a 二极管因子； r r 串联电阻( q ) ； r 嗣广_ 并联电阻( q ) 北京丁业大学硕十学位论文 2 2 3 2 光伏阵列的输出功率 1 几个重要参数 短路电流( i s c ) 。是指给定日照强度和温度下的最大输出电流。 开路电压( v o c ) 。是给定日照强度和温度下的最大输出电压。 工作电压( v ) 和工作电流( i ) 。工作电压一般为空载电压的8 0 一9 0 ，工 作电流一般为短路电流的8 0 一9 0 。 最大功率点电流( i m ) 。指在给定日照强度和温度下，相应于最大功率点 的电流。 最大功率点电压( v m ) 。指给定日照强度和温度下，相应于最大功率点的 电压。 最大功率点功率( p m ) 。给定日照强度和温度下，太阳电池阵列可输出的 最大功率，p m = i m xv m 。 2 输出特性曲线 太阳能电池由于受外界因素( 温度、日照强度等) 影响很多，其输出具有明显 的非线性，图2 5 和2 6 分别为太阳能电池的伏安特性曲线和伏瓦特性曲线n 引。 2 1 0 口 i i 仉 v o ，)v ( a ) 常温不同日照( b ) 相同日照不同温度 图2 - 5 光伏阵列的i v 特性 f i g 2 5i - vc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i ca r r a y 引”- ( a ) 常温不同日照( b ) 相同日照不同温度 图2 6 光伏阵列的p v 特性 f i g 2 - 6p vc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i ca r r a y 图2 - 5 ( a ) 、图2 - 6 ( a ) 分别是太阳能光伏阵列在温度为2 5 。c ，不同日照( s ) 下表现出的电流一电压( i - v ) 和功率一电压( p - v ) 特性。可以看出，太阳能光伏阵列 第2 章太阳能与市电互补l e d 照明系统基础理论 的输出短路电流( i s c ) 和最大功率点电流( i m ) 随日照强度的上升而显著增大。图 2 - 5 ( b ) 、2 - 6 ( b ) 分别为太阳能光伏阵列在日照射为1 0 0 0 w m 2 ，温度t 变化时的 情况。可以看出，温度对光伏阵列的输出电流影响不大，但对它的输出开路电压 影响较大，因而会对其最大输出功率影响明显。 太阳能电池的输出功率主要受太阳能电池的温度和太阳辐射强度的影响，温 度主要影响开路电压，辐射强度则主要影响短路电流。在不同的温度和辐射强度 下，太阳能电池的最大功率点的位置不同；但在一定的温度和辐射强度下，太阳 能电池具有唯一的最大功率点，输出p - v 曲线呈单峰特性。当太阳能电池工作在 最大功率点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。 2 2 4 太阳能电池最大功率点跟踪 由于目前太阳能电池的成本高、转换效率较低，且其输出功率易受日照强度、 环境温度等因素的影响。为了提高系统的效率，在太阳能照明系统中，通常要求 太阳能电池的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪太阳能电池的最大 功率点。 2 2 4 1 最大功率点跟踪原理 从太阳电池的输出特性曲线可以看出：在某个温度、某个特定的光照条件下， 太阳电池的最大功率点是变化的，这就对最大功率点追踪( m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g 简称m p p t ) 策略提出了要求：必须实现太阳电池在特定光照、温度、 负载条件下的最大功率输出。 传统光伏发电系统中的充电电路如图2 - 7 所示。如果这样对蓄电池进行充 电，将使得太阳电池的输出稳定在蓄电池电压左右，这将使得太阳电池的工作点 稳定在图2 - 8 的p b a t t e r y 点。此时太阳电池的输出功率远小于太阳电池能输出 的最大功率p m a x ，造成了能量的浪费，从而不能最大程度地利用太阳电池。在 太阳能电池板价格较为昂贵的今天，没有哪个企业是可以容忍的，因此，必须对 太阳电池的工作过程进行控制，使其尽可能工作在最大功率点，这就是最大功率 追踪( m p p ，i ) 策略乜乜。 蓄电池 图2 - 7 传统充电电路 f i g 2 7t r a d i t i o n a lc h a r g i n gc i r c u i t ：蛋：兰銮兰塑圭耋堡耋蚤 图28 传统充电电路中硅太阳电池的工作点 f i 9 2 8 w o r k i n g p o i n t o f s i t i c o ns o l a r c e l l s i n t r a d i t i o n a l c h a r g i n g c i r c u i t 进行太阳电池的最大功率点追踪，有以下两个显著的优点陋1 ： 1 减少太阳电池的瓦特数，降低系统制造成本； 2 可保证蓄电池能充满延长蓄电池使用寿命，提升系统性价比。 最大功率追踪( m p p t ) 策略是一个自寻优的过程。采用最大功率点跟踪控制 ( m p p t ) 策略实时检测太阳能电池阵列的输出功率，采用一定的控制方法预测当 前工作情况下太阳电池阵列可能的最大功率输出，通过改变当前的阻抗情况来满 足虽大功率输出的要求。使系统运行在当前工况下的最佳状态。 2 242 几种常见m p p t 控制方式 目前，太阳能电池的晟大功率点跟踪( m p p t ) 控制技术，国内外已有一定程度 的研究，也发展出各种控制方法。常用的m p p t 实现方法有恒压追踪法、扰动观 察法、增量电导法、开路电压法、短路电流法、实际测量法等。 23 铅酸蓄电池 蓄电池是太阳能半导体照明系统中的关键部分，其作用是储存太阳能电池所 产生的电能，并向负载供电。在选择蓄电池类型时，应综合考虑深循环放电性能、 循环寿命、对过充、过放电耐受能力、能量效率、蓄电池电压和最大电流时能输 出的功率等。阀控密封式铅酸蓄电池( v a l v er e g u l a t e dl e a d a c l dv r l a ) 具有 蓄能大、安全和密封性能好、寿命长、免维护等优点，在光伏发电系统中披大量 采用。本文选择v r l a 蓄电池作为系统的储能装置。 2 3 1 铅酸蓄电池的结构与工作原理 铅酸蓄电池主要由正极板组、负极板组、隔板、容罂、电解液及附件等部分 组成。极板组是单片极板组合而成的，单片极板由基极和活性物质构成。 铅酸蓄电池的正、负极板常用铅锑合金制成，正极的活性物是二氧化锚，负 1 2 第2 章太阳能与市电互补l e d 照明系统基础理论 极的活性物质是海绵状纯铅。 铅酸蓄电池是用两个分离的电极浸在电解质中而成。电解质通常是电离度大 的物质，一般是酸或碱的水溶液。以酸性溶液( 常用硫酸溶液) 作为电解质的蓄 电池，称为酸性蓄电池。还原态物质构成的电极为负极，由氧化态物质构成的电 极为正极。当外电路接通两极时，氧化还原反应就在电极上进行，电极上的活性 物质分别被氧化还原，从而释放出电能，这一过程称为放电过程。放电之后，若 有反方向电流流入电池时，就可以使两极活性物质恢复到原来的化学状态。 其正极板、负极板上分别进行着如下的化学反应过程( 2 2 ) ，( 2 - 3 ) ： 正极板：尸6 q + 4 h + + 卿一+ 2 e - 凸、在由p b s 0 4 + 2 h 2 0 ( 2 2 ) 负极板：p b + s o ；一荨崇p 6 觋+ 2 e 一 ( 2 3 ) 总的化学反应方程式如下( 2 4 ) ： 正撮电解藏负极芷极电解藏负撮 p b q + 2 h 2 s 0 4 + p b 等p b s 0 4 + 2 h 2 0 + p b s 0 4 ( 2 - 4 ) 反应方程式从左向右表示放电过程，从右向左表示充电过程，放电过程和充 电过程互为可逆反应。 2 3 2 光伏发电系统中蓄电池组的工作状态 由于太阳能光伏发电系统运行的特殊性，作为系统储能的蓄电池，其工作特 点是频繁处于“充电一放电一充电 的反复循环中，而且会经常发生过充电或深 度放电等不利的工作情况。 对于以照明为主要负载的太阳能l e d 系统，在一般情况下，白天由太阳能电 池对蓄电池充电，没有负载或偶尔有较轻的负载，晚上由蓄电池向负载供电，蓄 电池处于放电状态。对于设计合理的系统，如果蓄电池处于充满电的状态，晚间 放电的电量一般只会占到蓄电池组的很少一部分，属于浅放电状态。第二天如果 天气晴朗，蓄电池组消耗的能量就能够通过充电得到补充。而且如果不采取控制 措施很容易造成对蓄电池组的过充电。因此，在系统设计时需要对蓄电池的充电、 放电加以控制，另外为了防止蓄电池电压高于太阳电池电压时发生蓄电池向太阳 电池反充电，设计时应考虑相应的防反冲控制电路。 但是，如果出现连续的阴雨天气，太阳能电池方阵将会在较长的时间段内无 法为蓄电池组充电，而在此期间，仍要靠蓄电池组储存的能量对负载提供电力。 这就会使蓄电池组的放电加深，如果设计、制造或使用不合理，在这种情况下最 容易发生蓄电池的过放电。当连续阴雨天气结束后，即使天气晴朗、辐射度较强， 由于太阳能电池方阵不可能配置有更大的余量，所以，并不是在当天就可以补足 所有的能量。在随后的若干天内，除了满足每天正常的供电需求外，蓄电池组将 北京工业大学硕士学位论文 靠每天的充放电富裕量逐步得到补充，也就是说，可能会在几天后才能够重新恢 复到充满状态。这是一个持续时间比较长的深放电，缓慢充电的过程，在一年之 中可能会发生多次，在太阳能资源较差的地区出现的次数将会更多，持续时间将 会更长，而太阳能电池方阵的容量不可能继续增加，因此可能会导致夜间灯不亮 的情况。在本文设计中，把市电作为备用电源，解决了由此带来的问题。 2 3 3 蓄电池的参数和电特性 描述蓄电池性能的参数很多，主要参数有蓄电池的端电压、蓄电池容量、荷 电状态和放电深度等。 1 蓄电池的端电压。 铅酸蓄电池的公称电压为2 v 。实际上，铅酸蓄电池的端电压会随着充电和 放电过程而变化。其充电、放电特性曲线如图2 9 和2 一l o 所示心钔。 铅酸蓄电池充电特性见图2 - 9 ，从充电曲线可以看出，蓄电池的充电过程有 三个阶段：充电初期( 曲线o a 段) ，蓄电池端电压上升较快；充电中期( 曲线a b 段) ，端电压上升缓慢，延续较长时间；充电后期(