太阳能庭院灯的设计

摘 要太阳能路灯作为新型高科技节能产品替代传统路灯，可以实现路灯白天自身发电，晚上照明，路灯不耗能。具有环保节能，解决城市公共照明耗能大的问题，节省 电费开支，经济效益和社会效益明显。本文首先综述了太阳能电池和蓄电池及其充放电的发展动态、原理、性能、特点及其相关知识。然后以当今使用的庭院灯铅酸蓄电池的充放电为模型，设计了一套蓄电池充放电管理系统。本文对太阳能 LED 庭院灯系 统的应用做了较深入探讨与介绍。关键词： 太阳能电池，LED， 铅酸蓄电池，充放电控制器The design of Solar-powered garden lamp1AbstractSolar lighting products as a new alternative to traditional high-tech energy-efficient lighting, lighting can achieve their own electricity during the day, night lighting, street not energy. With environmental conservation and solve major problems of urban public lighting energy saving electricity costs, economic benefits and social benefits obvious.This article investigates the developments of the solar panel and storage battery and storage battery intelligent charging and discharging system. Afterward,an intelligent garden lamp system for battery charging and discharging is designed, based on garden lamp battery used in the submarines charging and discharging as a model.The application of this text to the solar energy LED street lamp system did the more thorough study and introductions.Key words：solar battery，LED，plumbum and vitriol storage battery，Charge and discharge Controller2目 录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 太阳能的利用可行性分析 .11.3 太阳能能源的现状及前景 .12 太阳能庭院灯系统结构 .22.1 太阳能庭院灯的构造 .22.2 太阳能庭院灯的工作原理 .32.3 太阳能庭院灯的优点 .32.3.1 太阳能庭院灯优点 .32.3.2 与传统路灯的比较 .43 太阳能庭院灯零部件选用 .43.1 太阳能电池 .43.1.1 太阳能电池的构造 .43.1.2 太阳能电池的原理与特性 .43.1.3 太阳能电池的选择 .63.2 铅酸蓄电池 .73.2.1 铅酸蓄电池的工作原理 .73.2.2 铅酸蓄电池的使用寿命及影响因素 .93.2.3 蓄电池的选择 .93.3 控制器的选择 .93.3.1 蓄电池充电控制基本原理 .103.3.2 蓄电池放电控制基本原理 .113.4 光源的选择 .1234 太阳能庭院灯的设计 .134.1 太阳能电池安装倾斜角度的选择 .134. 2 热岛效应 .144. 3 太阳能庭院灯控制器的设计 .144.3.1 电源电路 .154.3.2 充电控制电路 .154.3.3 放电控制电路 .164.3.4 控制电路 .164.3.5 系统的软件设计 .174.2 太阳能电池组件支架 .184.2.1 倾角设计 .184.2.2 抗风设计 .185 结 论 .20致谢 .20参考文献 .21电路图 .22程序清单 .231 绪论1.1 课题背景当代已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源，主要有五类，即煤炭、石油、天然气、水和核裂变能等。目前世界能源消耗几乎全靠这五大能源来供应， 电力只是上述这 些能源转化生出来的“二次能源 ”。世界能源的消耗结构在近 20 年中发生了很大变化。虽然，目前各种新型能源在不断开发利用，但在五大能源中，主要依靠石油、天然气和煤三大能源，其他能源消耗比重还很低，不足以根本改 变原有的以石油、天然气消耗为主体的结4构类型。 太阳能行业是世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔，在可再生能源行业中，太阳能没有污染、市 场空间非常大，太阳能现已 经在民用 领域内广泛应用于照明、发电 等方面，太阳能应用的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。太阳能灯作为一种新型节能灯具，它与传统灯具相比有节能、环保、安全、方便、寿命长等许多优点。 发展可持续能源和绿色能源从照明这种小方面入手，可节约更多的电能，技 术条件和市 场环境成熟后可在该领域和其他领域进行广泛推广。1.2 太阳能的利用可行性分析太阳是一个炽热的气体球，内部不停地进行着由氢聚变成氦的热核反应，不停地向宇宙空间释放出巨大的能量， 这就是太阳能。地球上除了地热能和核能以外，所有能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人 类的“ 能源之母”。没有太阳能，就不会有人类的一切。 太阳能，因为它是一种辐射能，不带任何化学物质，是最洁净，最可靠的巨大能源宝库。经测算表明，太阳能释放出相当于 10 万亿千瓦的能量，而 辐射到地球表面的能量，虽然只有它 22 亿分之一，但也相当于全世界目前发电总量的八万倍。1.3 太阳能能源的现状及前景太阳能作为一种巨量的可再生能源，已被广泛应用在各个领域，是当前能源利用的补充能源，并被认为 是未来人类生活的可替代能源。每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济 社会走可持续发展之路，还是保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视， 还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大的战略意义。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80 万千瓦，若人把地球表面 0.1%的太阳能转为电能，转变率为 5%，每年 发电量可达 5.61012 千瓦小时，相当于目前世界上能耗的 40 倍。我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年 17000 亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以5争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家 1015 年。我国光伏产业正以每年 30%的速度增长，国内光伏电池生产能力已达 100MW。在国家各部委大力支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达 21%，可商业化光伏组件效率达 1415%，一般商业化电池效率 1013%。目前我国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从 2000 年的 40 元 / 瓦降到 2003 年的 33 元/ 瓦，现在已经降到 27 元/瓦。这对国内太阳能市 场走向壮大与成熟起到了决定作用， 对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。2 太阳能庭院灯系统结构2.1 太阳能庭院灯的构造太阳能 LED 庭院灯的基本构造，如图 1 和图 2 所示。图 1 太阳能庭院灯实物图 图 2 太阳能庭院灯基本构造系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED 灯头 、控制箱 （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到 127Wp/m2，效率 较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以 1W 白光 LED 集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用 阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电 池” ，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保 护等）。2.2 太阳能庭院灯的工作原理系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能6电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低到一定程度时，充放电控制器侦测到低于设定电压值后动作，蓄电池对灯头放电，开始照明。蓄 电池放电到设 定时间后，充放电控制器动作，切断路灯供电电路，使路灯熄灭蓄电池放电结束。图 3 即为太阳能庭院灯系统的基本原理框图。图 3 太阳能庭院灯系统基本原理图2.3 太阳能庭院灯的优点2.3.1 太阳能庭院灯优点（1）节能：以太阳能光电转换提供电能，取之不尽、用之不竭；（2）环保：无污染、无噪音、无辐射；（3）安全：绝无触电、火灾等意外事故；（4）方便：安装简洁，不需要架线或“开膛破肚”挖地施工、也没有停电限电顾虑；（5）寿命长：产品科技含量高，控制系统、智能化 设计， 质量可靠；（6）投资少：一次性投资与交流电等价（交流电投资从变电、进电、控制箱、 电缆、工程起），一次投资、 长期受用；（7）适用广：太阳能源来于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用，特别适合于绿地景观灯光配备，高档次住宅及室外照明，旅游景点海岸景观照明及点缀，工业开发区、工矿企业路灯，各大院校室外灯光照明。2.3.2 与传统路灯的比较整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比 较全面；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。3 太阳能庭院灯零部件选用充放电控制和 保护电路蓄电池LED 灯太阳电池板73.1 太阳能电池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。这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。3.1.1 太阳能电池的构造太阳能电池是利用硅等半导体的光伏效应通过 p-n 结构直接把太阳光转化为电能。由于太阳电池本身易破碎、易被腐 蚀，若直接暴露在大气中，光电转化效率会由于潮湿、灰尘、酸雨等影响而使性能下降，以至损坏失效。因此，太阳电池一般都必须通过胶封、层压 等方式封装成平板式构造再投入使用。其中以层压封装的方法最为普遍，即将太阳 电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、粘结性好的热熔性 EVA 胶膜包封，采用透明率高、耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的 Tedlar 复合薄膜（聚氟乙烯复合膜）或玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺使 EVA 胶膜将 电池片、正面盖板和背板黏合为一个整体，从而构成一个实用的太阳电池发电器件，一般称为太阳电池组件或组件，俗称太阳电池或电池板。3.1.2 太阳能电池的原理与特性（1）太阳能电池的结构图 4 太阳能电池构形图常规硅太阳能电池（如图 4），是一个 p 型硅材料制成的 n+/p 型结构常规太阳能电池的示意图。p 层为基体，厚度 为 0.2-0.5mm。基体材料称为基区层，简称基区。 p 层上面是 n 层。它又称 为顶区层，有 时也称为发射区层，简称顶层。它是在同一块材料的表面层用高温掺杂扩散方法制得的，因而又称为扩散层。由于它通常是重掺杂的，故标记为 n+ 。n+层的厚度为 0.20.5m。扩散层处于电池的正面。所谓正面，就是光照的表面，所以也称 为光照面。p 层和 n 层的交界面处是 pn 结。扩散层上有与它形成欧姆接触的上电极。它由母线和若干条栅线组成。 栅线的宽度一般为 0.2mm 左右。 栅线通过 母线连接起来。母 线宽度为0.5mm 左右， 视电池面积 大小而定。集体下面有与它形成欧姆接触的下电极。上下 电极均由金属材料制作，其功能是将由电池 产生的电能引出。在电池8的光照面有一层减反射膜，其功能是减少光的反射，使电池接受更多的光。常见的太阳能电池有：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。（2）太阳能电池的基本工作原理太阳能电池工作原理的基础，是半导体 pn 结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应， 简单地说，就是当物体受到光照 时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可 产生这种效应，但在固体尤其是半导体中，光能 转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并 发明制造出了半 导体太阳能电池。可将半导体太阳能电池的发电过程概括成以下四点：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。太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）电子空穴对。这些电子和空穴 应有足够的寿命，在他们被分离之前不会复合消失。这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池 p-n 结内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一 边，空穴集中在一边，在 p-n 结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生 电动势，即光生 电压。在太阳能电池 p-n 结的两侧引出电极，并接上负载，则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。图 5 光生伏打效应原理图总所周知，物质的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电， 电子带负电。电子就像行星围绕太阳 转动一样，按照一定的 轨 道绕着原子核旋转。硅原子的外层中有四个电子。每个原子的外壳 电子都有固定的位置，并接受原子核的约束。他们 在外来能量的激发 下，就会摆脱原子核的束 缚而成为自由电子，并同 时在原来的地方留出一个空位，即空穴。由于电子带负电 ，空穴就表 现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、 镓等杂质元素，9它就成了空穴型半导体，简称 p 型半导体。如果在硅晶体半导体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，它就成了电子型半导体， 简称 n 型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成 pn结，并在结的两边形成内建电场，又称 势垒电场。当太阳光照射 pn 结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，并在势垒电场的作用下，电子被驱向p 型区，从而使 n 区有过剩的电子， p 区有过剩的空穴；于是就在 pn 结的附近形成了与势垒电场相反的光生电场。这就是 p-n 结接触型硅太阳能电池发电的基本原理（如图 5）。若把数个太阳能单体串联或并联起来封装成为太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。3.1.3 太阳能电池的选择（1）太阳能电池封装形式的选择目前太阳能电池的封装形式主要有 2 种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命 25 年以上，滴胶 虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅 12 年。因此， 1W 以下的小功率太阳能草坪灯，在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对 于使用年限有规定的太阳能灯，我选择使用层压的封装形式。（2）太阳能电池组件选型设计要求：河南地区，负载输入电压 12 功耗 12W，每天工作时数 10h，保证连续阴雨天数 3 天。河南地区近二十年年均辐射量 1389Kcal/cm2，经简单计算河南地区峰值日照时数约为 4.5h；负载日耗电量 =10AH所需太阳能组件的总充电电流= 1.0510 （4.50.85）=2.75A在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为 5 天，1.05 为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85 为蓄电池充电效率。太阳能组件的最少总功率数 = 102.75 = 28W选用峰值输出功率 30Wp、单块 30W 的标准电池组件，应该可以保证庭院灯系统在一年大多数情况下的正常运行。3.2 铅酸蓄电池用铅和二氧化铅分别作为负极和正极的活性物质（参与化学反应的物质），以浓度为 27% 37%的硫酸水溶液作为电解液的电池，称为铅酸蓄电池（亦称铅蓄电池）。由于铅酸蓄电池具有运行温度适中和放 电电流大，可以根据电解液比重的变化检查电池的荷电状态， 储存性能好及成本较低等优点，目前在蓄电池生产10和使用中仍保持着领先地位。铅酸蓄电池不仅具有化学能和电能转换效率较高、使用简单、维修方便、原材料丰富、能够大规模生产 、循环寿命较长、端电压 高，容量大的特点，而且还具备防酸、隔爆、消氢、耐腐 蚀的性能。同时随着新工艺、新技术的采用，铅酸蓄电池的使用寿命仍在不断提高。3.2.1 铅酸蓄电池的工作原理（1）铅酸蓄电池结构铅酸蓄电池主要由以下部分构成：正、负极板组，隔板， 衬板，接线端子，电池盖，电 池槽和电解液等。固定型 铅蓄电池的外形和 结构如图 6 所示。图 6 铅酸蓄电池外形结构机壳；隔板；电池槽；电解液监视窗极板：铅酸蓄 电池的正、负极基板由纯铅制成，上面直接形成有效物质，有些则是用铅合金制成板栅或骨架。基板用铅镍合金制成栅架，上面涂以有效物质。正极的有效物质为二氧化铅，负极有效物质为海绵状铅。在同一个电池内，同极性的极板片数超过两片者，用金属条连接起来称为“ 极板组”或“极板群” 。至于极板组内的极板片数的多少，随其容量的大小而异。隔板：在各种类型的铅酸蓄电池中，除少数特殊组合的极板间留有宽大的空隙外，在正、负极板间均需要放置隔板，以防止正 负极相互接触而发生短路。隔板有木质、橡胶、微孔橡胶、烧结式 PVC、聚丙烯（PE）以及超细玻璃纤维等材料制成的隔板，可根据蓄电 池的类型适当选空。电池槽：是用来盛装 电 解液和支撑极群组的，通常有玻璃容器、衬铅木质容器、硬橡胶容器和塑料容器四种。电解液：铅 酸蓄电池的 电解液是用蒸馏水稀释高 纯度浓硫酸而成。它的密度高低视电池类型和所有极板而定，一般在 1.200g/cm3 （15)1.300g/cm 3(15)之间。蓄电 池用的电解液（稀硫酸）必须保持纯净，不能含有重金属等有害于铅酸蓄电池的杂质。11（2）铅酸蓄电池的基本原理铅酸蓄电池由极群组插入稀硫酸溶液中构成。电极在完成充电后，其中极群组的正极板为二氧化铅，负 极板为海绵状铅。放 电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅，充电后又恢复 为原来的物质。对铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆性反应理论有多种解释，目前公认得是格来斯顿（Gladstone ）和特里波（Tribe）两人提出的“双硫酸化理论” 。该理论的含义为铅酸蓄电池在放电后，两电极大有效物质和硫酸发生作用，均转变为硫酸化合物硫酸铅；当充电时，又恢复为原来的铅和二氧化铅。铅酸蓄电池的平衡电压约为 2V，而水的分解 电压（正极上析出氧气，负极上产生氢气）也约为 2 V 左右，因此热力学上铅酸蓄电池完全不会工作，而且在充电时从硫酸铅生成二氧化铅和铅之前就已经析出氧气和氢气。二氧化铅和铅电极表面上有极高的氧与氢的过电位，因而能使正、负电 极在析出大量氢之前被再充电，如果 过量的负极活性物 质和有限的电液这些原则条件得到满足，就可将氧气循环应用于铅酸蓄电池。阴极吸附式密封铅酸蓄电池在充电时，正极上析出氧气，在负 极上被化合，从而维持负极在部分充电状态 ，使 氢所析出得以抑制，图7 即为铅酸蓄电池内部基本构成。图 7 铅酸蓄电池内部基本构成3.2.2 铅酸蓄电池的使用寿命及影响因素蓄电池经历一次充电和放电，称为一次循环（一个周期）。在一定放电条件下，电池使用至某一容量规定值之前，电池所能承受的循环次数，称为循环寿命。后备电源一般采用浮充寿命来衡量电池的使用寿命。影响电池循环寿命的主要因素是产品的性能和质量，其次是维护工作的质量。影响蓄电池寿命的因素是综合原因，不仅是极板的内在因素，例如活性物 质的组成、晶型（高温固化或常温固化）、极板尺寸和板栅材料等，而且液取决于外在因素，如放电倍率和深度（图 8 即为12放电深度对蓄电池循环寿命的影响）、工作使用条件（温度和压力等）和使用维护状况等。图 8 放电深度对蓄电池循环寿命的影响3.2.3 蓄电池的选择蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄 电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，一方面蓄电池始终处 在亏电状态，影响蓄 电 池寿命，同 时造成浪费。蓄电池装置为免维护铅酸蓄电池，铅酸蓄电池在 30浅放电的情况下，循环充放次数应在 1000 以上。 铅酸蓄电池置于具有防晒、散热好的控制箱内， 铅酸蓄电池的容量应与太阳电池功率、负载功率以及使用条件相匹配。蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。蓄电池容量 系 统 电 压用 电 时 间用 电 器 功 率 ）系 统 安 全 系 数 （阴 雨 天 数 8.14根据上面的计算知道，负载日耗电量 10AH。在蓄电池充满情况下，可以 连续工作 3 个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：10（3+1） =40AH，选用 2 台 12V24AH 的蓄电池就可以满足要求了。3.3 控制器的选择为了保护铅酸蓄电池不受过度放电的损害，控制器必须具有防过充和防过放的功能。控制器通过检测 蓄电池的荷电状态，可以发出蓄电池继续放电、减少放电量或停止放电的指令。太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池，基本功能必须具备过充保护、过放保 护、防反接、防反充等保 护措施。3.3.1 蓄电池充电控制基本原理目前在太阳能庭院灯系统中，问题最多的仍然是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池控13制器的充电控制基本原理。如图 9 所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理，在该电路原理图中由太阳能电池组件、蓄电池、控制器电路和负载（LED 灯）组成了一个基本的太阳能光伏庭院灯系统。这里的开关 K1、K2 分别为充电 开关和放电开关，它 们均属于控制器电路中的一部分， K1、K2 的开合由控制电 路根据系统充放电状态来决定：等蓄电池充满时断开充电开关 K1。否则闭合；当蓄 电池过放时断开放电开关K2，否 则闭合，开关 K1、K2 是广义上的开关，它可能是各种开关元件或由电路组成。图 9 太阳能庭院灯充放电控制器基本原理图在实际的太阳能光伏庭院灯系统中，充放电控制器一般采用单片机和外围电路构成的充放电控制电路。由单片机设计的庭院灯控制器，这种电路是由硬件和软件共同组成的控制系统，通过 修改软件来实现设 定控制状态，具有 简单可靠、维护方便、成本低、 电路本身功耗也极低，是一种匹配性能很好的电路，由 ADC0809 采样蓄电池的端电压，送入 单片机对充放电的 电流进行控制， 电路非常 稳定，外在干 扰很小，加上由发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能很强的控制器电路。铅酸蓄电池充电特性见图 10。由充电曲线可以看出，蓄电池充电过程有三个阶段，初期（OA）电压快速上升，中期（ABC）电压缓慢上升，延续较长时间，C 点开始为充电末期，电化学反 应接近结束， 电压开始迅速上升，接近 D 点时，负极析出氢气，正极析出氧气，水分被分解。上述所有迹象表明，D 点电压标志着蓄电池已充满电，应立即停止充 电，否 则将给铅酸蓄电池 带来损坏。14图 10 铅酸蓄电池充电特性通过对蓄电池充电特性（图 10）的分析可知，在蓄电池充电过程中当充电到D 点的电压出现时就标志着该电 池已充满。依据这 一原理，在控制器的软件中设置电压值，通 过检测出 D 点电压值 ，即可判断蓄电池是否应该结束充电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标 准状态（25， 0.1C 充电率）下的充电终了（D 点）电压约 2.52.6V。对于阀控密封式 铅酸蓄电池， 标准状态下的充电终了（D 点）电压约 2.352.4V。在控制器里比 较设置的 D 点电压称为“ 门限电压”或“电压阈值” 。3.3.2 蓄电池放电控制基本原理目前在光伏发电和风力发电系统中，使用更多的仍然是铅酸蓄电池，因此这里仅以铅酸蓄电池为例介绍控制器的过放电保护原理。铅酸蓄电池放电特性见图 11。由放电曲线可以看出，蓄电池放电过程有三个阶段，开始（OE ）阶段电压下降较快，中期（ EFG）电压缓慢下降，延续时间较长，G 点后放电电压急剧下降。其原因首先是酸 浓度降低，引起电动势基地；其次是活性物质的不断消耗，反应 面积减小，使极化不断增加。此外由于硫酸 铅的不断生成，使电池内阻不断增加。上述使放 电电压急剧下降的所有迹象表明，G 点电压标志着蓄电池已经接近放电终了，应立即停止放电，否则将给铅酸蓄电池带来不可逆转的损坏。图 11 铅酸蓄电池放电特性通过上述对蓄电池放电特性（图 11）的分析可知，在蓄电池放电过程中当放电到相当于 G 点的电压出现时就标志着该电池已放电终 了。依据 这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过监测出 G 点电压值，即可判断蓄电池是否应结束放电。对于开口式固定型铅酸蓄电池， 标准状太（25， 0.1C 放电率）下的15放电终了（G 点）电压约 1.751.8V。对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态（25，0.1C 放电率）下的放 电终了(G 点)电压约 1.781.82V。在控制器里比较器设置的 G 点电压称为“ 门限电压” 或“电压阀值”。蓄电池过放电保护措施：控制器防止蓄电池过放电的措施是在达到预置的过放电电平时，断开负载。蓄电池防过充、过放保护电压 功能，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。庭院灯控制器为低功耗的具有微处理器的充放电装置。具有实时时钟电路，控制输出具有 PWM（脉宽调制）输出。通 过实时时钟电路，设定对长时间浅放电的蓄电池作每 6 个月一次的全充全放养护激活操作，消除记忆效应以延长蓄电池的使用寿命，实践证明通 过养护激活操作，蓄 电池的使用寿命可以延长 50左右。通过时钟电路还可以提供 时间输出， 对路灯进行 时间控制。控制器的充放 电控制输出都提供 PWM（脉宽调制）功能直接对 MOSFET 开关管进行控制，大大提高充放电效率，尤其突出的是在 PWM 输出控制下可调节 LED 光源的功耗（因为 LED 可以在高 频下工作）。例如：控制器在天黑 时 到晚上 12 点，为全功率输出，到 12 点以后夜深人静时可以适当降低 LED 光源的亮度，这样提高能源的利用效率，也延长了使用时间。3.4 光源的选择LED 是一种固体光源，半导体中的载流子在两端加上正向 电压下发生复合，放出能量引起光子发射。作 为一种新的光源，近年很多研究机构对 LED 的不断开发，使 发光效率得到很大提高。我国已研 发并生产 出光效达到 150m/W 的白色LED，已接近白 炽灯的水平。和白炽灯的相比较，LED 在性能上具有很多优点。LED 光源为平面型或多 层电 路板叠加的立体型，通过一个或三个定位螺丝固定在灯头内，然后用玻璃罩密封。LED 灯的打开是由控制器的定时输出与光孔输出共同决定的，灯的关闭 是由控制器的定时输出与蓄电池容量控制输出决定，即：定时时间到，且天气暗，光控由输出时亮灯；定时 关时间到或者蓄电池容量低于设定容量低于设定容量时关灯。灯头由 12 个超高亮度发光二极管串并联组成，该灯蓄电池充满电后，每天使用 10h，可连续三个阴雨天使用，适合于主次干道、公园、绿化广场以及住宅小区使用。目前多数太阳能庭院灯选用 LED 作为光源，LED 寿命长，可以达到 100000小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能庭院灯上。特别是 LED 技术已经实现了其关键性突破，并且其特性在过去 5 年中有很大地提高。同时性能价格比也有较大地提高。另外，LED 由低压直流供电，其光源控制成本低， 调节明暗，频繁开关都是可能的，并且不会对 LED 的性能产生不良影响。控制颜色，改变光的16分布，产生动态幻景都是可能的，所以它特 别适合在太阳能庭院灯、太阳能路灯和装饰灯上应用。有许多其固有的特性，使用时如果不注意就会造成不良后果。随着对 LED 研究的进一步深入，其太阳能电池光效将 进一步得到提高，而其成本将一步下降，在不久的将来 LED 取代白炽灯甚至 荧光灯而发展成 21 世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势。相信在不久的将来 LED 太阳能庭院灯必将大量地替代传统路灯，成 为今后节能环保领域力推的新产品。目前，太阳能 LED 照明的初期投资问题仍然是困扰 我们使用的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上 LED光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及 LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能 LED 照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。4 太阳能庭院灯的设计4.1 太阳能电池安装倾斜角度的选择安装时太阳电池总是朝向正南，角度基本与当地纬度一致。太阳电池置于灯架顶端， 连接线全部穿管走 线，全部走在灯杆的内部。（1）倾角在正午时刻，为了使阳光垂直照射在太阳电池板上，在安装时太阳电池板与水平平面之间要有一个角度，通常称电池板与水平面的夹角为倾角，以度量计。斜面上接受的太阳总辐射量达到最大时，称为最佳倾角。图 12 就为太阳电池板与地面角度关系。根据几何学原理，欲使阳光垂直照射在太阳电池板上， 电池板的倾角应该按下式计算：倾角90高度角（仰角）由于地球是以一定的倾斜角度绕轨道运行，太阳正午时在地平线以上的角度每年都有一个周期性的改变，上式说明了合理的电池板倾角应随太阳高度的变化而变化。图 12 太阳电池板与地面角度关系（2）确定方阵倾角17为了优化太阳电池接收日光的性能，电池板的倾角应等于场地所在的纬度。当倾角等于纬度时投射在太阳电池板上的平均日照强度最高。此外，为了考虑太阳高度角的周期性变化，电 池板的倾角还要跟踪太阳高度角的变化，这样不仅在技术上有一定难度而且成本也很高。为了美观， 许多将太阳能灯具的太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少 15%-20%，再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少 5%左右，太阳能电池价格昂贵， ，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能。河南地区太阳能电池的最理想倾斜角度是 40 度左右，方向为正南方。 4. 2 热岛效应单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等， 单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这 就是所谓热岛效应 。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。 4. 3 太阳能庭院灯控制器的设计无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充放电控制电路是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必 须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电，由于太阳能光伏 发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。对于太阳能庭院灯的设计，没有一个性能良好的充放电控制电路，就不可能有一个性能良好的太阳能灯具。 充电过程一般分为主充、均充和浮充三个阶段，有 时在充电末期还有以微小充电电流长时间持续充电的涓流充电。主充一般是快速充电，如两阶段充电、 变流间歇式充电和脉冲式充电都是现阶段常见的主充模式。以慢充作为主充模式的一般采用的是低充电电流的恒流充电模式。铅酸蓄电池深度放电或长期浮充后，串联 中的单体蓄电池的 电压和容量都可能出现不平衡现象。为了消除这种不平衡现象而进行的充电叫做均衡充电，简称均充。为保护蓄电池不过充，在蓄电池充电至 90容量后，转为浮充（恒压充电）模式，以适应充电后期蓄电池可接受充电电流的减小。为防止可能出现的蓄电池充电不足，在此之后还可以加上涓流充电，使已基本充电的蓄电池极板内部较多的活性物质参加化学反应，其充 电比较彻底。184.3.1 电源电路由于本方案采用单片机来完成对系统的控制，对单片机等芯片的供电电源质量要求比较严格，因为蓄 电池的端电压会随着充放电的深度而变化 ，所以不能直接从蓄电池端电压进行采取为芯片供电，所以要设计一个为芯片供电的电路。三端集成稳压器具有工作 稳定、 电路简单等优点，普遍让人们选用。电源直接从蓄电池取电， 经过7805 稳压后， 所用的芯片提供5 V 的工作电压， 其电路如图13所示。Vin1GND2Vout 3LM7805C1470uFC2200uF5V12V图13 电源电路4.3.2 充电控制电路过充控制，就是在蓄电池的端电压达到一定值时， 处于过充状态时断开充电电路，以免影响蓄电池的寿命。充电控制电路由图 14 所示，在电路中 D1 是为了防止蓄电池对太阳能电池反向充电， 防止反充电功能，一般来 说，就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二极管 应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。保护太阳能 电池和蓄电池不被损坏。发光管为充电指示。充 电控制原理为：由单片机的输出口 P2.6 经过 放大控制场效应管 50N06，根据单片机采集的电压对场效应管 50N06 进行脉冲宽度调制，来控制充电电流，为蓄电池合理的进行充电控制。19F1 FUSE1D1L3LEDQ150n06Q39012R120KR51KR320KR230012太太太太太 12太太太DW118VC30.1uFR420KR61KR72KQ59013Q49013P2.6图 14 充电控制电路4.3.3 放电控制电路过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长 蓄电池的使用寿命。其原理和充电控制原理以样，由单片机的输出口 P2.7 经过 放大控制场效应管 50N06，根据单片机采集的电压对场效应管 50N06 进行脉冲宽度调制，为蓄电池放电进 行控制。4.3.4 控制电路（1）芯片介绍ADC0809 是 8 路模拟输入的 8 位模数转换器，该芯片是逐次逼近式 CMOS芯片，28 线双列直插式封装。芯片的主要部分是一个 8 位逐次比较式 A/D 转换器和 8 位模拟转换电路。转换 器以 8 个时钟周期的时间完成一位转换值，在 64个脉冲后完成 8 位的转换， 时钟由外电路提供，典型频率为 640KHz，8 路模拟开关由 3 位二进制信息控制，以完成对某一路模拟信号转换。转换得到的数字信号锁存在内部的锁存器中，由 输出允许信号选通锁