太阳能供电LED路灯智能控制器研究毕业论文.doc

本科毕业设计（论文）太阳能供电LED路灯智能控制器研究*燕 山 大 学年 月 本科毕业设计（论文）太阳能供电LED路灯智能控制器研究学院（系）：里仁学院电气 工程系专 业： 应用电子 学生 姓名： * 学 号：* 指导 教师： * 答辩 日期： 燕山大学毕业设计(论文)任务书学院：里仁学院 系级教学单位： 电气工程系 学号*学生姓名*专 业班 级应电08题目题目名称太阳能供电LED路灯智能控制器研究题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）。2.文管类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）。题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1、 学习掌握 太阳能发电、LED控制器工作原理2、 设计太阳能供电LED路灯智能控制系统3、 认真进行仿真实验工作4、 研究撰写毕业论文，绘制相关工程图纸基本要求1、 每周定期汇报工作进展2、 定期进行学术探讨和交流3、 认真查阅资料和参考书籍4、 按照毕业论文规范认真撰写毕业论文参考资料IEEE期刊、中文学术期刊电力电子技术太阳能发电LED照明周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查阅资料了解行情针对设计确定方案分析原理明确特征仿真试验系统总结形成论文准备答辩指导教师：*职称：副教授 2012年1月8日系级教学单位审批： 年 月 日摘要近年来，随着能源短缺、环境污染影响的加剧，太阳能作为可再生能源具有清洁性、安全性、资源充足性等优点，日益受到广泛关注。而LED太阳能光伏照明，是太阳能光伏发电一个重要的应用领域。本文主要研究光伏发电路灯系统管理控制器的设计问题，首先介绍了太阳能电池、铅酸蓄电池和LED灯的基本工作原理及特性，研究了太阳能电池的最大功率点跟踪（MPPT）问题和蓄电池优化充放电策略问题。根据光伏发电系统的工作方式，设计了包括充放电管理与保护和LED 的驱动控制。还根据太阳能电池的理论模型和数学模型应用MATLAB/SIMULINK 工具对太阳能电池进行建模和仿真，并对输出特性进行了仿真研究 。关键词充电；最大功率点跟踪（MPPT）；LED；控制器AbstractIn recent years, with intensify of energy shortage and environmental pollution,due to solar energy clean,security and resource adequacy and so on,it is increasingly becoming the public concern.And the LED solar illumination, is an important application domain for solar photovoltaic power generation.This paper studies photovoltaic power generation system management controller design problems.the basic work principles of solar cells、LED and leadacid batteries have been introduced firstly,the issues of the most power point tracking(MPPT)of the solar cells and charging and discharging strategy optimizing of leadacid batteries has been researched. Depending on how the work of photovoltaic power generation system, management and protection of the charge and discharge and led driver control has been designed.according to the theoretical model and mathematical model, the solar cell is modeled and simulated by MATLAB/SIMULINK tool, and have a simulation study on output characteristic.Keywords Charge；maximum power point tracking ( MPPT )；led；controller目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 关于本课题的背景及研究意义11.2 国内外技术现状21.2.1 光伏发电技术现状21.2.2 太阳能路灯控制器技术现状31.3 论文主要研究内容3第2章 太阳能路灯系统的基本构成和特性42.1 太阳能路灯系统典型结构42.2 太阳能电池42.2.1 太阳能电池基本工作原理52.2.2 太阳能电池的分类及比较52.2.3 太阳能电池的数学模型72.2.4 太阳能电池的基本特性92.3 蓄电池102.3.1 光伏发电对蓄电池的基本要求112.3.2 蓄电池种类122.3.3 铅酸蓄电池工作原理122.3.4 在太阳能光伏系统中铅酸蓄电池寿命影响因素分析132.3.5 太阳能光伏系统中的蓄电池应用特点162.4 白光LED灯162.4.1 LED灯的简介162.4.2 白光LED灯发光原理172.4.3 白光LED灯的控制方式182.4.4 白光LED灯的驱动方式192.5 太阳能路灯控制器212.6 本章小结22第3章 蓄电池充电方式分析233.1 常用充电方法比较233.1.1 恒电流充电法233.1.2 恒电压充电法233.1.3 阶段充电法243.1.4 智能充电法243.1.5 PWM充电法243.2 最大功率点跟踪原理253.3 最大功率点跟踪方法比较263.3.1 恒电压法263.3.2 扰动观察法273.3.3 电导增量法283.3.4 其他跟踪方法283.4 最大功率点跟踪算法仿真293.5 本章小结30第4章 系统的参数及总体设计314.1 系统相关参数计算314.1.1 LED灯的参数计算314.1.2 蓄电池的参数计算314.1.3 光伏电池的参数计算314.2 系统总体要求324.3 硬件设计方案324.4 本章小结33第5章 系统的硬件设计345.1 充电电路345.2 放电电路365.3 信号采集电路385.4 保护电路385.5 本章小结39第6章 控制器的软件开发406.1 系统软件设计概述406.1.1 总体设计406.1.2 总体软件流程406.2 系统软件具体设计406.2.1 充电控制程序406.2.2 放电控制程序41结论44参考文献45致谢47附录148附录253附录357附录464第1章 绪论1.1 关于本课题的背景及研究意义能源是当今世界存在和保持发展的核心动力，随着社会生产的扩大、科技的发展、人口的增长等，对能源的需求也在不断增长，当今世界已经面临着能源需求量成倍增长的挑战，全球范围内的能源危机也日益突出。现在的能源结构中，人类所利用的煤、石油和天然气等化石能源，由于近百年来基本趋于稳定增长态势的消耗，总有一天将达到极限而面临枯竭。根据目前已探明的储量与年开采量计算，它们尚可开采的年限分别是：石油40年、天然气50年、煤炭240年1。不仅如此，化石能源的大量使用还造成了全球的环境恶化。气候异常，臭氧层空洞扩大，酸雨频发，等恶果。由化石能源的消耗所产生的大量二氧化碳是导致地球温室效应的最主要原因，目前全世界每天产生的温室效应气体以亿吨计，如果不加以控制，气温持续走高，两极冰山融化，海平面上升，连人类生活的空间都将面临极大威胁。因此，开发利用可再生的绿色能源以逐步减少和替代化石能源，保护好人类赖以生存的地球环境与生态，已经成为一个引起世界各国普遍关注的热点问题，对各种可再生绿色能源发电技术的研究正在迅速发展。在目前所研究的替代能源中，太阳能以其取之不尽、用之不竭且无任何污染的独特优势，成为国际上公认的理想替代能源2。目前太阳能发电有两种方法3：一种是将太阳能转换为热能，然后按常规方式发电，称为太阳能热发电；另一种是通过光电器件利用光生伏打原理将太阳能直接转换为电能，称为太阳能光伏发电。太阳能光伏发电技术成为目前各国都在研究的重大课题。太阳能光伏发电是一种不需燃料、无污染获取电能的高新技术，具有许多优点，如:安全可靠、无噪声，能量随处可得，不受地域限制，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无需架设输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，因此，在太阳能的有效利用中，光伏发电是近些年来太阳能众多利用方式中发展最快、最具活力的研究领域4。在光伏太阳能应用领域，太阳能照明占有重要的地位和份额，而LED太阳能路灯是一个具体而有价值的应用。有资料显示，每年用于照明的电力在3000亿度以上，若采用LED照明，每年就可以节约1/3的照明用电，基本上相当于总投资规模超过2000亿元的三峡工程的全年发电量。由于太阳能电池板输出的是直流电能，而LED也是直流驱动光源，两者的结合更能提高整个系统的效率，降低市政成本，所以LED太阳能路灯越来越受到人们的重视5。1.2 国内外技术现状1.2.1 光伏发电技术现状 光伏电池是太阳能光伏发电系统中基本核心部件，它的大规模应用需要解决两大难题：一是提高光电转换效率；二是降低生产成本。以硅片为基础的第一代光伏电池，其技术虽已经发展成熟，但成本一直高居不下。基于薄膜技术的第二代光伏电池中，很薄的光电材料被铺在非硅材料的衬底上，大大减少了半导体材料的消耗，且易于批量自动化生产，从而大大降低光伏电池的成本。国际上已经开发出电池效率在15以上、组件效率10以上和系统效率8以上、使用寿命超过15年的薄膜电池工业化生产技术。继晶体硅和薄膜电池之后，一些新概念、新结构的电池，通过减少非光能耗，增加光子有效利用以及减少光伏电池内阻，使得光伏转换效率的上限有望获得新的提升。目前许多研究人员把目光投向了以先进薄膜制造技术为基础的，理论极限光电转换效率最高可达93的第三代太阳能电池，主要有量子点、多层多结、染料敏化太阳能电池、有机聚合物电池、纳米结构电池等，这些新型太阳能电池目前正围绕提高光电转换光电效率和降低生产成本两大目标展开研发。4整体上看，我国不但在太阳能电池生产能力上进入国际先进行列，而且在薄膜太阳能电池的研究开发上达到国际先进水平，同时还在新的有机纳米晶太阳能电池的研究中取得国际领先成果。目前，薄膜电池的转换效率达到，近两年可达到1012，五年内有望达到18，其功率衰退问题也已解决。薄膜电池对弱光的转化率十分高，即使在阴天照样能够发电。其技术正在成为太阳能电池主流技术，与晶体硅太阳能电池技术并驾齐驱。61.2.2 太阳能路灯控制器技术现状在独立光伏发电系统中，电源控制器是整个系统的核心组成部分，负责对储能设备的充电和对负载的放电任务。目前日本、德国、美国等发达国家对于独立光伏系统电源控制器的研究主要侧重在以下三个方面：提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池充电策略和提高系统稳定性。通过研究不同的电路拓扑结构和先进的控制算法，在太阳光强度、太阳能电池温度以及负载改变的情况下，尽可能使太阳能电池时刻保持最大输出功率状态。即实现最大功率点跟踪。蓄电池充电策略直接影响到蓄电池的寿命，研究智能化的充电方法，提高蓄电池的充电接受率，减少充电时间，对于整个光伏系统的工作状态具有重要意义。独立光伏系统的应用环境一般比较恶劣，如何提高系统稳定性也是当前所有光伏电源控制器研究者最急需解决的问题之一。第三代控制器是具有两路调节功率的控制器，现已被广泛推广，在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明，节约用电，还可以针对LED灯进行功率调节。并具有对蓄电池等组件的保护功能，像具有涓流充电模式的控制器就可以很好的保护蓄电池，增加蓄电池的寿命。1.3 论文主要研究内容本论文以独立太阳能路灯系统为例，针对太阳能路灯系统的充分利用太阳能电池，对蓄电池的保护，LED路灯工作方式切换等问题，研究设计了一种基于51单片机的太阳能光伏电源控制器。本文在太阳能电池对蓄电池的充电方式、控制器的功能要求方面做了分析，完成了算法研究和软件编制，实现了对蓄电池的科学管理。第2章 太阳能路灯系统的基本构成和特性2.1 太阳能路灯系统典型结构 新能源的利用已快速进入我们的生活，太阳能路灯系统的应用前景更是非常广阔。太阳能路灯以太阳光为能源，且无需铺设复杂、昂贵的管线，安全节能无污染，工作全程采用自动控制，无需人工操作，工作稳定可靠，节省能源，免维护，太阳能路灯的实用性已充分得到人们的认可。太阳能路灯系统实质上是一个小型的独立光伏系统，一般由太阳能电池组、蓄电池、控制器和灯具组成，系统构成如下图2-1所示。 图2-1 太阳能路灯系统的典犁结构在典型的太阳能路灯系统中，太阳能电池是整个系统能源的来源，它把照射到其表面的太阳能转化为电能；蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能，并在无光照时向负载供电：灯具一般都采用白光LED，更是体现了“绿色照明”的环保概念；控制器是整个系统的核心部件之一，其运行状态决定着系统的运行状态，系统在控制器的管理下运行。72.2 太阳能电池太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光能通过半导体物质转变为电能的一种器件，它是光伏发电系统的最基本组成单元，是整个系统的能量源泉。太阳能电池作为有潜力的可再生能源，多年来其产量一直以每年10到25的增长率在增加，目前主要应用领域包括航空航天、军事以及民用消费品等8。2.2.1 太阳能电池基本工作原理光伏发电是利用半导体材料光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在1839年，法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应( Photovoltaic Effect) ”，简称“光伏效应”。然而，第一个实用单晶硅光伏电池(Solar Cell) 直到1954年才在美国贝尔实验室研制成功，从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术4。物质根据导电性分为：导体，半导体和绝缘体。从物质内部结构来讲，物质的导电性是由电子运动引起的。太阳电池是利用半导体内部的光电效应，当太阳光照射到一种称为“PN 结”的半导体上时，波长极短的光很容易被半导体内部吸收，并去碰撞硅原子中的“价电子”使“价电子”获得能量变成自由电子而逸出晶格，从而产生电子流动9。其具体过程为10：平衡态时P-N结处存在着由N区指向P区的势垒电场。当具有适当能量的光子入射于半导体时，光子激发半导体材料而产生电子一空穴对，势垒电势就会推动电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分。N区积累了过剩的电子，P区积累了过剩的空穴，于是就产生了一个与势垒电场方向相反的光生电动势，这就是“光生伏打效应”。如果将此P-N结两端与外部负载相连构成回路，就会形成电流并产生一定的输出功率。2.2.2 太阳能电池的分类及比较太阳能电池技术是太阳能发电技术的主要组成部分。太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等6。它们的具体比较如下11：（1）晶体硅片电池 晶体硅片电池被称为第一代太阳能电池。纯硅含有极少量的诸如硼和磷之类的元素。这些元素分别形成空穴型半导体和电子型半导体，而这两种半导体一旦接触将会产生内置电场。正是因为这种电场的存在，半导体装置就会释放出大量电子，电子通过晶体硅片电池将光能转换成电能。单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的加工处理工艺基础上的。它的转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23，而规模生产的单晶硅太阳能电池，其效率为15，硅电池进展的重要原因之一是表面钝化技术的提高。此外 倒金字塔技术、双层减反射膜技术以及陷光理论的完善也是高效晶硅电池发展的主要原因。多晶硅太阳能电池与单晶硅比较，由于所使用的硅远比单晶硅少，其成本远低于单晶硅电池，具有独特的优势。但是由于它存在着晶粒界面和晶格错位的明显缺陷，造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20的关口， 低于单晶硅电池。多晶硅太阳能电池的实验室以往的最高转换效率为18，工业规模生产的转换效率为10。12（2）薄膜型太阳电池 第二代太阳能电池是继晶体硅片电池之后发展起来的薄膜型太阳电池，主要有硅基薄膜型太阳电池、化合物半导体薄膜型太阳电池、染料敏化太阳电池等，若按衬底分，其又分为硬衬底和柔性衬底两大类薄膜型太阳电池。与晶体硅片电池相比，薄膜型太阳电池的特点在于它所采用的半导体层更薄。晶体硅片电池的半导体层厚度为170200m，而薄膜型太阳电池的半导体层厚度为23m。此外，随着薄膜光伏技术的快速发展，也呈现多样化的特点，除微晶体硅薄膜技术处于发展中外，其他如碲化镉电池(CdTe) 、铜铟镓锡(CIGS)电池等技术也在逐步发展起来，并且开始步入商业化。（3）高效多结电池 第二代太阳电池的另一种类型是高效多结电池，其主要采用元素周期表中第三价和第五价元素的化合物。这种多结电池的结构为：从底至上，分别为锗、磷化铟、砷化镓三层结构。高效多结电池的这种结构，可使光电转换率达到40。但因第三价和第五价元素的材料生产成本居高不下，所以高效多结电池的应用范围受到较大限制。（4）第三代太阳能电池 目前，科学家们正致力于第三代太阳能电池的研发和探索。一种趋向是研发转换效率非常高的太阳能电池，但会大幅度增加生产成本。目前太阳能电池转换效率处于领先水平的磷化铟、砷化镓多结电池也只有40. 8。另一种趋向是研发生产成本较低的电池，虽然降低了生产成本，但其太阳能电池转换效率也较低。比如:染料敏化电池，这种电池的太阳能电池转换效率仅为10，但其制作材料简单，生产成本低廉。再一种趋向是研发包括以量子点为基础的高效电池、有机电池等，但这类电池的研发目前还处于概念性阶段。量子点，又称纳米晶、“人造原子”，是准零维的纳米材料，由少量原子组成，其粒径一般介于110m。预期采用纳米技术的这种材料，在21 世纪有着极大的应用前景。2.2.3 太阳能电池的数学模型（1）理论数学模型 理想光伏电池的等效电路可用一个二极管和电流源并联的等效电路来表示。但实际上，光伏电池内部存在串联电阻和分流电阻，图2-2所示为实际光伏电池的等效电路模型。 图2-2 太阳能电池等效电路由图中各物理量的关系，可得光伏电池的输出特性方程为 (2-1)式中 光伏电池输出电流； 光伏电池的光生电流； V光伏电池输出电压； 光伏电池反向饱和电流； 光伏电池的内阻； 光伏电池的并联电阻； T光伏电池温度； K玻尔兹曼常数，值为J/K； q电荷量，值为C；n二极管因子。以上是光伏电池的理论模型，已经广泛应用于太阳能电池的理论分析中，但式（2-1）中参数，和n难以确定，且不是厂家提供的技术参数，不便于工程的分析应用。（2）工程数学模型 为便于工程的分析和应用，文献13,29提出了一种可以满足绝大多数工程项目要求的工程用数学模型，这种数学模型仅采用太阳能电池生产厂商提供的几个在标准测试条件(日照强度w/，电池温度=25)下的重要参数：短路电流、开路电压、最大功率点电流和最大功率点电压。为建立工程用模型，在式（2-1）的基础上做了两个近似：（1）由于非常大，所以忽略项。（2）远小于二极管正向导通电阻，所以假设。基于以上假设，光伏电池I-V方程简化为： (2-2) (2-3) (2-4)当日照强度和电池温度均有变化时，重新计算，然后求出，即可得新的I-V特性： (2-5) (2-6) (2-7) (2-8) (2-9)式中 任意的环境温度； K太阳能电池阵列温度系数，其典型值0.03/； T光伏电池板温度； S光照强度； 实际日照强度与参考日照强度的差值； 实际电池温度与参考电池温度的差值； 日照强度S下太阳能电池的开路电压； 日照强度为S和电池温度为T时太阳能电池的短路电流； 照强度为S和电池温度为T时太阳能电池的最大功率点电流； 日照强度为S和电池温度为T时太阳能电池的最大功率点电压；a，b，c为常值，其典型值为：a=0.0025/，b=0.5，c=0.00288/以上为光伏电池的工程用数学模型。2.2.4 太阳能电池的基本特性根据太阳能电池的工程数学模型本文建立了太阳能电池阵列的matlab仿真模型，对本课题选用的太阳能电池进行了仿真，下图为光伏电池仿真模型。图2-3 光伏阵列仿真模型根据图2-3的仿真模型建立了在不同光照强度下或不同温度下太阳能电池输出的I-U和P-U曲线。图2-4、图2-5是太阳能电池阵列在温度为25时，日照强度分别为1000W/、900W/、800W/下表现出的I-U和P-U特性。图2-6、图2-7是太阳能电池阵列在日照强度为1000W/时，温度分别为25、45、65情况下表现出来的I-U和P-U特性。由曲线可以看出太阳能电池板的输出特性具有以下特点：（1）太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压时近似为恒压源；（2）开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度成正比；太阳能电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化；（3）输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点（MPP）且随着外界环境的变化而变化。图2-4 不同光照条件下I-U曲线 图2-5 不同光照条件下P-U曲线图2-6 不同温度条件下I-U曲线 图2-7 不同温度条件下P-U曲线2.3 蓄电池由于太阳能电池并不是一个理想的电源，其输出特性受光照强度和光线频谱等因素影响，输出电流很不稳定，所以太阳能电池不能直接驱动用电装置，而需要将太阳能电池先存储在蓄电池中，然后通过蓄电池为用电装置供电。蓄电池作为整个太阳能路灯系统的储备能源，它是整个太阳能路灯系统的关键部分之一。2.3.1 光伏发电对蓄电池的基本要求（1）高瓦时效率 由于太阳电池发电成本比较高，所以蓄电池的充电、放电效率，是太阳能光伏发电储能蓄电池最重要、最基本的技术指标，但是又是被绝大多数蓄电池生产企业所忽视的技术指标。蓄电池的效率分为电压效率、安时效率和瓦时效率，前2项是蓄电池市场所关注的，对于太阳能光伏发电系统我们最关心的是瓦时效率，这是因为太阳能光伏发电的成本比较高，我们不希望光伏发电的电能在存储过程中损失掉，这对于提高太阳能光伏发电系统效率非常重要。目前太阳能光伏发电系统中最大的能量损失在于蓄电池，遗憾的是几乎没有一个蓄电池厂家关注这个问题。普通蓄电池的瓦时效率是随使用时间而变化的，新的铅酸蓄电池的瓦时效率可以达到90% ，旧的铅酸蓄电池瓦时效率只有90%；再者，蓄电池的瓦时效率是指25条件下的效率，当环境温度在零下或者40以上时实际效率要下降许多，蓄电池的效率往往不被大家注意，其实它对于独立太阳能光伏发电系统非常重要。（2）蓄电池应该有比较平坦的充电特性曲线 对于小型独立光伏发电系统，对MPP（最大输出功率点）的跟踪，绝大多数情况是依靠蓄电池对太阳电池组件工作点的钳位，如果蓄电池的充电特性曲线比较平坦，将有效提高太阳电池的利用效率。即使对于有MPPT（最大输出功率点跟踪）的独立光伏发电系统或者是并网光伏发电系统，由于有了比较平坦的充电特性曲线，MPPT里面的DC/DC变换器的电压差可以做到最小，所以跟踪效率将有所提高。（3）太阳能光伏系统中蓄电池放电深度不稳定，容易出现过放电的情况，因此电池要求有较强的过放电后的容量恢复性能，要求蓄电池100%放电到0 V，搁置120 h 后，充电可恢复到实际容量的95%以上。（4）充电放电循环次数多 充电放电循环次数多，实际上的表现为使用寿命长，这是一个非常重要的指标。当然，这里还涉及放电深度问题、使用环境温度问题、充放电倍率问题；单体电池串联、并联的平衡问题等；它们虽然重要，但是目前还不是最重要的问题，许多企业仅仅在上面某个指标上有所突破，就标称太阳能光伏蓄电池，是极其不妥的。（5）不污染环境 如果蓄电池在充电、放电过程中或者废弃回收过程中污染了环境，这种蓄电池就悖于太阳能光伏发电绿色环保的初衷，抵消了太阳电池的节能减排效果；在这方面物理法储能有独特的优势。（6）性价比高 除了以上5个要求以外，性价比要高，过高的价格是没有市场竞争力的。量化的概念是：存储1kWh 电能的价格，它的高低将直接体现出蓄电池的价格和使用寿命。142.3.2 蓄电池种类现在在太阳能光伏系统中常用的蓄电池有：铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池。目前中国用于光伏发电站系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍镉电池，大多数是铅酸蓄电池。在小型的太阳能草坪灯和便携式太阳能供电系统使用镍镉或镍氢蓄电池情况比较多，锂电池由于成本以及对充放电控制要求较高的原因，目前在太阳能光伏系统中应用还很少。鉴于铅酸蓄电池容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、寿命长、基本免维护等优点，本系统选用铅酸蓄电池作为储能元件。2.3.3 铅酸蓄电池工作原理（1）充电过程 铅酸蓄电池属于电化学电池，其以海绵状Pb作负极，作正极，硫酸作电解液。充电时，在蓄电池正、负极柱上外接充电电源，使正、负极板上经过化学反应，把电能转化为化学能储存起来。在充电电流的作用下，水分子被分解为氢离子(H+)和氢氧离子(OH一)。H+在外电场作用下向负极板迁移，OH一向正极板迁移，同时正负极板上的硫酸亦发生分解，即： (2-10)正极板上的在外电场的作用下释放出电子而形成。与正极板附近的OH一发牛反应而生成。被分解成： (2-11)生成的依附于正极板上。同时，负极板上的和正极板在外加电场的作用下输送来的电子结合而还原成Pb；电解质溶液的H+与结合，生成。从上述分析可知，充电过程总的化学反应为： (2-12)从上式可知，随着允电的进行，正极板上的逐渐变成Pb。同时，电解质溶液中的硫酸分子逐渐增加，水分子逐渐减少，因此电解质溶液的比重在增加，蓄电池的端电压在增加，蓄电池的能量也随之增加。（2）放电过程 放电过程是允电过程的逆过程，在当蓄电池不接负载的情况下，正负极板各自存在电极电位，在蓄电池内部形成了电动势，但是电极电位各自处于一种平衡状态。若在蓄电池两端接上负载，则在蓄电池的电动势作用之下产生电流。电解质发生电解所示： (2-13)在蓄电池内部，正离子通过溶液向正极迁移，负离子以相反方向向负极迁移。在蓄电池外部，在蓄电池电动势作用下，负极上的负电荷源源不断地经过负载流向正极。整个系统形成了一个回路，与此同时，在蓄电池负极发生氧化反应，如下所示： (2-14)在蓄电池正极上发生还原反应，如下所示： (2-15)由于正极上的还原反应，正极板电极电位逐渐降低，同时负极板上的氧化反应又促使电极电位的升高。整个过程将引起蓄电池电动势的下降。在氧化还原的反应中，正负极板上的活性物质及都不断地变成硫酸铅。同时，电解质溶液逐渐变成水，引起了电解质溶液比重的下降，蓄电池的容量减少。2.3.4 在太阳能光伏系统中铅酸蓄电池寿命影响因素分析蓄电池寿命通常采用循环寿命和使用时间寿命两种方式衡量。循环寿命按照蓄电池每次放电深度与其可循环使用的次数相结合计算得到。蓄电池的放电深度越大，其相应的循环次数也就越少。蓄电池的使用时间寿命按照标准条件下(气候条件等同)以浮充状态进行衡量，目前工业使用的铅酸蓄电池的时间寿命一般均在10年以上15。在实际使用过程中，对铅酸蓄电池寿命影响最大的是频繁深度放电、长时间处于亏电状态和温度变化等。其具体原因分析如下16：（1）放电深度 放电深度即使用过程中放电到何种程度开始充电，在蓄电池循环使用时其寿命主要决定于放电深度。因为蓄电池正极活性物质本身互相结合不牢，放电时生成，充电时又恢复为而，的摩尔体积是的1.94 倍，因此放电时活性物质体积会发生膨胀，这样在充放电过程中体积将反复发生收缩和膨胀，使粒子逐渐松弛，变得易于从板栅上脱落。随着放电深度的增加，这种收缩和膨胀的程度越大，结合力的破坏也越大，因此蓄电池的循环寿命也就越短。（2）长期欠充状态 由于太阳能资源的随机性，使得应用于光伏系统中的蓄电池难以得到完全的再充，蓄电池往往会在一些时间长期处于欠充电状态，这将导致蓄电池电解液发生分层。电解液分层是指蓄电池在低过充和深度放电时，电池底部的酸浓度高于顶部酸浓度。极板上硫酸浓度的不同分布将导致正极板腐蚀和膨胀，负极板底部硫酸盐化。硫酸盐化是指在负极栅板上形成一种粗大、难于接受充电的结晶，蓄电池容量减少，此现象又称为不可逆硫酸盐化。轻微的不可逆硫酸盐化，尚可以用一些方法使它恢复，若严重时则电极失效，蓄电池将充不进电。（3）小电流放电 蓄电池的放电电流越大，电流在电极上分布越不均匀，电流优先分布在离主体电解液最近的表面上，从而在离电极最外的表面优先生成。而的体积比和Pb大，于是放电产物堵塞多孔电极的空口，电解液则不能充分供应电极内部的需要，造成电极内部物质不能得到充分利用，因而大电流放电时会降低蓄电池的放电容量。反之放电电流越小，蓄电池放电容量越大，越容易造成深度放电，极小的放电电流会使硫酸铅的生成量明显增加，对于负极板由于转化为后活性物质膨胀产生应力，会造成极板弯曲或活性物质脱落，从而影响到蓄电池的寿命。根据蓄电池放电时结晶机理，在大电流放电时生成的晶体颗粒小、数目多，而在小电流放电时形成的晶体颗粒数目比较小，尺寸比较大。粗大的晶体溶解困难，是不可逆的硫酸盐化，这将减少蓄电池的容量，而且粗大的晶体颗粒减少了的有效面积，这样在再充电时会加速蓄电池极板极化，进一步影响蓄电池的寿命。在太阳能光伏系统中，蓄电池放电电流通常非常小，所以在太阳能光伏系统中一般要规定比较高的放电终止电压来减小蓄电池小电流放电的影响。（4）过充电 过充电会导致电解液中的水电离，于是阴极上会产生氢气和阳极上产生氧气。如果这些气体被排放会使蓄电池的电解液减少，从而使蓄电池容量减少，而且当排出的气体量很大时有燃烧的危险。同时在过充电时正极活性物质会遭气体的冲击，将使活性物质脱落，此外正极板栅合金也会遭到严重的阳极氧化而腐蚀，因此电池过充电会使蓄电池寿命减小。对于阀控密封铅酸蓄电池过充电情况会更糟，气压过高可能发生爆炸或使蓄电池槽开裂。对于长期处于浮充状态的蓄电池，由于长时间的浮充会使电解液里游离物质的活性减弱和使铅酸蓄电池端电压产生不均衡，严重时甚至会使个别电池单体正、负极反转，即发生“反极”现象，因此对长期处于浮充的蓄电池通常要进行13 h的小电流过充的均衡充电来消除长期浮充带来的蓄电池不均衡，然而均衡充电也是过充充电，所以也是不能太频繁的进行，一般一年内进行12 两次。在光伏系统中蓄电池深度放电后，可以进行均衡充电来减少蓄电池的酸分层。（5）温度影响 温度对铅酸蓄电池的电解液粘度和电阻有很大的影响， 当电解液温度升高时其扩散增加、电阻降低，因此蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加而增加。在环境温度1045 范围内，铅酸蓄电池容量随温度升高而增加，如阀控密封铅蓄电池在40 下的放电电量比在25 下放电的电量大10 %左右，但是，超过一定温度范围情况将发生变化，如在环境温度4550 条件下放电，蓄电池容量明显减小。低温( 5 ) 时，电池容量随温度降低而减小，低温还会导致负极活性物质利用率下降，影响蓄电池容量，如电池在- 10 环境温度下放电时，负极板容量仅达35 %额定容量。从这方面来看，因为蓄电池的容量会随着温度升高而增加，所以在蓄电池放电时，对于相同放电容量，温度升高时其放电深度降低，因此温度升高在一定范围内对蓄电池寿命延长是有利的，然而温度升高同时会引起蓄电池失水干涸、热失控、正极板栅腐蚀和变形等加速，这些都将影响蓄电池寿命。有资料显示，对于铅钙合金板栅蓄电池正常工作温度每提高8 ，蓄电池浮充寿命减少一半。低的工作温度也会对蓄电池的寿命有影响，低温( 5 )会引起负极失效，温度波动会加速枝晶短路等等低温时充电，则会造成氢气产生，增大内部压力，缩短电池寿命。所以综合考虑在设计太阳能光伏系统时对蓄电池安置应最大可能的保证蓄电池有一个良好的工作环境，工作温度控制在2030 内，这样能够延长铅酸蓄电池的寿命。2.3.5 太阳能光伏系统中的蓄电池应用特点（1）晚上以及阴雨天蓄电池放电， 白天由太阳能电池给蓄电池充电，充电方式属于循环、浮充混合工作方式。（2）充电率非常小，平均充电电流一般为C/50 C/ 100 ，很少达到C/ 5 C/ 10; ( C : 用来表示电池充放电时电流大小的比率)。（3）放电电流小，放电率通常为C/ 20 C/240 ，时间长、频率高， 蓄电池通常处于放电状态，有时候甚至形成过放电。（4）一次充电时间短，长的时候也仅仅为白天的10小时左右，太阳能光伏系统很少能够做到安全、快速的满充电，蓄电池往往会在一些时间处于欠充电状态。（5）除了大型的太阳能电站有专门的放置蓄电池的房间，能做到比较好的维护，其他的小型太阳能光伏系统比如太阳能路灯、太阳能草坪灯等蓄电池工作环境比较恶劣，夏季高温和冬季低温工作也是如此。162.4 白光LED灯2.4.1 LED灯的简介LED是英文Light Emitting Diode的缩写，中译名为发光二极管。LED在电子产品中的应用已有较悠久的历史。由于寿命长、发热低，在强电中用作信号指示灯也有较长的历史，在交通信号灯、广告中也得到了较广泛的应用。现在已经应用的太阳能LED照明系统有太阳能路灯、太阳能草坪灯等，以及太阳能室内半导体照明系统。近几年，随着各地城市景观照明项目的越来越多，LED照明产品市场需求日益扩大17。其主要优点为18：（1）高效 白炽灯、卤钨灯光效为1224lm/W，荧光灯光效为50120lm/W。LED光效达到50200lm/W，光谱窄、单色性好。（2）节能 LED具有电压低、电流小、亮度高的特性，单个发光二极管功率为0.051W。一个1012W的LED光源发出的光能与一个3550W白炽灯发出的光能相当。在同等照度下，LED比白炽灯光源节能70%，比荧光灯节能50%。（3）寿命长 白炽灯靠灯丝发光，钨丝受热容易烧断，发热蒸发沉淀，发光效率迅速衰减，玻璃外壳极易损坏，通常寿命为1000h，LED利用半导体芯片将电能转化为光能发光，外加PC材料封装后，可承受高强度机械冲击和震动，LED单管寿命为10万h（4）维修费用低 由于LED光源寿命长、节能，维修很少，5年以后其一次投资加上运行费用是所有光源中最低的。（5）光色多 可以选择白色或彩色光，如蓝色、绿色、黄色、红色，LED灯有许多颜色的产品供用户选择，也可根据需要组合变色。（6）可控制性 由于LED灯可以基本做到瞬间接通发光，通过计算机软件和控制器，可以比较容易地实现LED灯的颜色和图形的各种变化。（7）不会造成光污染 很多建筑用泛光灯做立面照明，泛光灯的最大缺点是对行人和楼内住户有可能造成光污染，而LED做立面照明是把灯具直接安装在建筑物外墙的高处，光是向楼外照射，对行人和住户都不会造成光污染。2.4.2 白光LED灯发光原理LED发光二极管的实质性结构是P-N结，在半导体P-N 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P-N 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LED 芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它的方式合成白光。通常产生白光的方式有两种：一是用单色光激发荧光粉发出其他颜色的光，最终混合成白光；二是采用将几种发不同色光的芯片封装在一起的方法，通过这些色光的混合，构成发白光的LED。这两种方法在实践中都有运用。从结构来分，白光LED 分为单芯片型、多芯片型(双芯片型和三芯片型)，各种不同结构类型LED特点如下19：（1）多芯片型，直接将红、绿、蓝三种颜色的LED芯片组成一组，实现白光。其安装结构比较复杂，而且各色LED 的驱动电压、发光效率、配光特性不同，温度特性也存在差异。（2）单芯片型中在蓝色LED芯片里涂敷高效黄色荧光粉，蓝光及被蓝光激发的荧光粉发射的黄光经调控后可得到各种色温的白光。其安装结构简单，发光效率高，直接与荧光粉有关。（3）单芯片型中在紫外LED 芯片里涂敷红、绿、蓝三基色荧光粉，荧光粉被紫外光激发产生白光。低气压荧光灯中利用2537nm 的紫外光激发荧光粉，但LED中要求三基色荧光粉在更低能量紫外激发下有较高的发光效率。2.4.3 白光LED灯的控制方式目前调节LED 亮度的方式有两种2030: （1）调节工作电流方式 除了红光LED 随着电流的升高亮度会饱和外，一般其他LED 的亮度都会随着其工作电流的增大而增大，因此可以通过调节LED 的工作电流的方法在较大范围内控制LED 的亮度。（2）脉宽调制(PWM) 方式LED的响应时间一般只有几纳秒至几十纳秒，适合于频繁开关以及高频运作的场合，因此可以方便地通过周期性的改变脉冲宽度，亦即控制占空比的方式来实现对LED 亮度的调节，例如要将亮度减半，只需在50 %的占空周期内提供电流就可以实现了。我们选择200300Hz 的开关频率来进行PWM 亮度调节，这是因为人眼无法分辨超过40Hz 的频率的变化，而太高的频率又会引起白光颜色发生移位和亮度调节非线性。比较以上两种亮度调节方式，使用第二种方式更合适于半导体照明，原因是: （1）在某个特定的正向电流下LED 能显示出最纯的白光，随着工作电流偏离这个值，白光LED 发出的光可能偏蓝或偏紫，因此通过改变LED 工作电流的方式调节会使光的颜色发生偏移，而使用PWM 控制方式则不会有这样的问题。（2）现在通常使用的大功率白光LED 都是工作在大电流下，因此其在工作时会产生大量的热量。随着工作温度的升高，LED 器件的性能会降低，因此散热对LED 器件工作性能影响很大，在使用PWM控制方式时其脉冲平均电流和直流电流大小相等的情况时，LED 器件会有更低的温度， 所以有更高的发光亮度。（3）PWM 方式使用控制电路实现起来也比较容易2.4.4 白光LED灯的驱动方式白光LED的驱动方式由它的工作特性决定，其工作特性为21：（1）LED是单向导电器件，由于这个特点，要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。（2）LED是一个具有PN结构的半导体器件，具有势垒电势，这就形成了导通门限电压，加在LED上的电压值超过这个门限电压时LED才会充分导通。LED的门限电压一般在2.5V以上，正常工作时的管压降为3V4V。（3）LED的电流一电压特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以同路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和)。因此，流过LED的电流和加在LED两端的电压不成正比。（4）LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，LED不能直接用电压源