太阳能智能节能路灯

1、太阳能智能节电路灯设计摘要：由于全球性能源危机，世界普遍重视可再生能源的利用与研究。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染等优点，正得到迅速的推广应用。太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆可以方便安装在广场、校园、公园以及不便于架设输电线路的地方等多方面的优点而越来越受到重视。随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路 是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求新的节能技术，降低能源的消耗， 提高能源的利用效率。 太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源， 太阳能作为一种巨量可再生能 源，每天达到

2、地球表面的辐射能大约等于 2.5 亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之 不竭。LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节 能灯可节能 4/5 是伟大的创举，但 LED 比节能灯还要节能 1/4，这是固体光源更伟大 的改革。太阳能 LED 照明集成了太阳能与 LED 的优点。针对现有太阳能照明系统普遍存在的效率低、寿命短、运行不稳定等问题, 提出了一种应用于太阳能照明系统的新型智能控制器。控制器实现了基于单片机89C51 的工作状态控制和蓄电池能量智能管理, 满足了太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求。太阳能电池最大功率点跟踪和蓄电池充电精确控制也

3、在此控制器中得到实现。系统不同工作状态的控制转换和蓄电池能量管理由A/D电压采样，比较器比较，输出信号给单片机89C51 的控制电路实现。其控制信号蓄电池输出电压，如果电压过低，控制继电器吸起，对蓄电池充电，如果电压过高，控制继电器落下，开关断开，停止对蓄电池的充电。能量管理模块通过监测系统工作状态和统计蓄电池电压选择系统的工作方式, 防止对蓄电池过充电和深度放电, 同时尽可能满足照明需求。通过智能控制，从而提高太阳能电池输出功率及手机电池的使用效率，达到延长电池使用寿命的目的。本设计根本思想是开发出一种具有实用价值的太阳能节能路灯。概括介绍：本设计的太阳能LED照明系统主要由太阳能电池组件、

4、蓄电池、电源控制器（过压欠压比较判断是否对蓄电池充电）、发光组件组成。过压欠压采样蓄电池电压89c51单片机判断并发出信号是否电从而更好的保护了蓄电池，延长了寿命。白天利用太阳能电池板对蓄电池充电，晚上蓄电池释放能量点亮LED灯，选择一种合适的蓄电池充电管理模式，并要求对电压的实时监测，及时配合指令控制。并且确定最少的太阳能电池组件和蓄电池能量，选择合适的灯具。关键词： 智能节电太阳能路灯 ， 89c51单片机控制系统技术指标：太阳能板：29cmX21cm,有效面积25cmX16cm的矩阵块输出电压：额定电压17.2V，额定功率5v蓄电池：标准时12V，随工作有变动灯具：3.5V的LED灯具3

5、0个，采用三 三串联后并联，由蓄电池提供9v电压控制器：89c51单片机，连续阴雨天气：5天系统方案论证然后选择控制思路 方案的比较，与论证：太阳能电池板的选择：太阳能电池是太阳能照明系统的输入, 为整个系统提供照明和控制所需电能。在白天光照条件下, 太阳能电池将所接收的光能转换为电能, 经充电电路对蓄电池充电; 天黑后, 太阳能电池停止工作, 输出端开路。太阳能电池板是太阳能供电系统中心的核心部分，其转换率和使用寿命是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。其功能是将太阳能的辐射能量转化为电能，能量转化率是一个重要的参数。电池板收光照强度影响，电压、功率呈显著变化；一种光照强度，阳能电池板

6、也有一个输出功率点，应电压也不尽相同。为保证较高的转换效率，使电池板尽量工作在其最大功率点附近，也就需要根据实际情况，选择合适的工作电压。太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。太阳能电池板提供的电力是一种电流有限的电压电源。我们可在系统和电池充电所需的总电流超过太阳能电池板提供的电流时，通过降低充电电流并在 MPP 附近调节系统总线电压，从而使太阳能电池板给锂离子电池充电提供最大电力。系统电源和电池充电电源控制架

7、构是设计可靠的太阳能电池板供电系统的关键组成部分在众多太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能路灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天的情况下更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天路灯无法提供照明。综合各方面的因素我们选择的太阳能规格为最大电压为17.2V，最大功率为5W，LED路灯的工作电压为12V或24V，功率30瓦，本系统的直流工作电压为12V，太阳能输出功率30瓦。一下提供太阳能电池板和蓄电池配置计算。蓄电池：由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。

8、太阳能路灯也不例外，必须配置蓄电池才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni -Cd 蓄电池、Ni-H 蓄电 池， 它们的容量选择直接影响系统的可靠性以及系统价格。太阳能照明必须配备蓄电池才能工作， 这是因为： （1）太阳能电池只能在白天进行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，因此必须 储备在蓄电池内；储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。 （2）太阳能电池板的输出能 量极不稳定，配备蓄电池后，太阳能灯等负荷才能正常工作。蓄电池组的作用是贮存太阳能电池 方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是： a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电

9、效率高；e.少维护或免维护；f.工作温 度范围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍 蓄电池。配套 200Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只 蓄电池的额定电压为 2VDC； 配套 200Apage 8h 以下的铅酸蓄电池， 一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池， 每只蓄电池的额定电压为 12VDC。1）蓄电池容量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。但是

10、，所选蓄电池容量过大，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。另外，蓄电池的选择还要看太阳能电池、负载等来确定 的.我国地域广阔，气候差异很大，蓄电池白天储存的电能应能满足夜晚照明的需求，同时应该 满足当地连续阴雨天气时夜晚照明的需求。对蓄电池容量大小的选择，我国西部地区建议高出照 明灯日耗电量的4 倍以上；北方地区建议高出照明灯日耗电量 5 倍以上；南方地区建议高出照明 灯日耗电量 6 倍以上。2）蓄电池的种类铅酸蓄电池是传统蓄电池，它的能量密度较低，对环境污染较为严重，将逐渐被淘汰。而 N （镍镉）蓄电池的性能较铅酸蓄电池优越，但能量密度不足，镉的污染严重，多数国 家

11、严格控制此类蓄电池的生产和使用。但是 N（镍氢）蓄电池具有能量密度高、重量轻、 寿命长、无环境污染等优点，各国正在积极开发。发达国家在 20 世纪0 年代已经进入产业化阶 段。又因锂电池是新型高能化学电源，它具有高容量、高功率、小型化、无污染的特点。锂电池 主要用于笔记本电脑和手机。目前，我国室外照明大量使用全封闭、免维护的铅酸蓄电池。小型 照明工程、笔记本电脑和手机等大量使用锂电池、镍氢电池。锂电池的应用领域正在逐步扩大。3）蓄电池的充放电控制无论太阳能照明大小，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。另

12、外，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。对于太阳能路灯的设计来说，成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失 败，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路灯。 1.防反充电控制 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。另外，还可以用场效应 晶体管控制防止反充电功能， 它的管压降比肖特基二极管更低， 只是控制电路要比前面复杂一些。 2.防过充电控制 防止过充电功能，可以在输入回路

13、中串联或者并联一个泄放晶体管。电压鉴别电路控制晶体 管的开关，将多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。关键 是防止过充电压的选择，单节铅酸蓄电池为 2.2V。 3防过放电控制 除了 Ni-Cd 电池外，其它蓄电池一般都要具有防止蓄电池过放电功能。因为会造成蓄电池过 放电永久性损坏。需要注意的是，太阳能电池系统一般相对蓄电池是小倍率放电，所以放电截止 电压不宜过低。我们的选择：额定电压为12v的铅蓄电池控制器的选择：控制器的作用是控制太阳能灯系统的工作状态，如照明灯的光控或设置开关、调光、雷电 保护、电路短路保护、过充电保护、过放电保护、温度补偿等。控制器是太阳能灯

14、的“大脑”， 有了合格的控制器，太阳能灯才能顺利工作，同时延长蓄电池等器件的寿命。充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。 由于蓄电池的循环充放电次 数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素。 因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充 放电控制器是必不可少的设备。对负载供电时，也是让蓄电池的电太阳能路灯工作原理：太阳能照明的原理太阳能电池板把太阳能转化为电能，经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电。充电到一 定程度时，控制器内的自保系统动作，切断充电电源。晚间，太阳能电池板充当了光电控制器， 启动控制器，蓄电池给照明灯供电，点燃照明灯；凌晨，太阳能电池板又充当了光电控制器，启动控制器

15、，切断照明灯电源，重新开始进行转化太阳能为电能的工作。在太阳能灯燃亮时，还能 够根据设置进行调光。白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势。通过组件的串并 联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池 进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变 器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的 放电情况由控制器进行控制， 保证蓄电池的正常使用。 光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置， 以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。 太阳能照明由太阳能电池

16、板、蓄电池、太阳能灯专用控制器、发光体及灯杆等组成。它具有 以下特点：(1）提升电池板的光电转换率；（2）加大系统容量，满足大功率室外照明灯的要求； （3）降低成本。目前，一套太阳能照明灯（全套）是普通照明灯（全套）的几倍，影响了太阳 能照明的推广使用；（4）延长蓄电池等器件的寿命，从而延长太阳能照明系统的寿命；（5）减 小电池板、蓄电池等的体积，美化杆型；（6）逐步淘汰严重污染的铅酸蓄电池、N蓄电 池等，加快开发研制无污染蓄电池，实现真正意义的环保；（7）太阳能照明在经过技术进步和 降低价格后，将成为新世纪的主导光源之一。我们选择了89c51单片机控制开关，设计思路和分析：下面介绍关于各个部

17、件的设计及需要采取的各种措施：1. 系统构架框图2、系统设计理论分析1.总体分析：本设计的太阳能节能路灯，需要我们处理，节能，智能，保护原件等部分，下面我们分别从这三点论述我们的设计。节能：节能这部分包括充分利用光能，储存光能，保证光能的充分利用。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。但是，所选蓄电池容量过大，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。另外，蓄电池的选择还要看太阳能电池、负载等来确定的。蓄电池白天储存的电能应能满足夜晚照明的需求，同

18、时应该满足当地连续阴雨天气时夜晚照明的需求智能：智能系统是实现太阳能灯得运转中心，是实现自动控制的基础站，这里我们需要处理几个方面的问题，1智控制蓄电池的充电，2智能控制放电，3智能控制led负载的工作系统不同工作状态的控制转换和蓄电池能量管理由基于单片机89C51 的控制电路实现。其控制信号蓄电池输出电压，如果电压过低，控制继电器吸起，对蓄电池充电，如果电压过高，控制继电器落下，开关断开，停止对蓄电池的充电。能量管理模块通过监测系统工作状态和统计蓄电池电压选择系统的工作方式, 防止对蓄电池过充电和深度放电, 同时尽可能满足照明需求。智能充放电：无论太阳能照明大小，一个性能良好的充放电控制电路

19、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。另外，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。对于太阳能路灯的设计来说，成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败，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路灯。1. 防反充电控制 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。1. 防止过放电路为了保护蓄电池，蓄电池不能达到深度放电的程度，这样也

20、会影响继电器的寿命，所以我们同样需要在蓄电池电压达到某个比较低的值（预设）的时候，控制充电开关吸起，开始对蓄电池进行充电。实现过程同样是通过采样蓄电池电压，经过欠压比较电路模块，给单片机输入信号，单片机判断，输出信号，控制继电器吸起，开始对蓄电池进行充电。2. 防过充电控制 于此，蓄电池仍然不能过充，防止过充电功能，因此当蓄电池充满后不能再为其充电，否者蓄电池损耗很大，寿命因此而大减，这里我们用到了过压欠压保护装置，采样蓄电池两端得电压。充电后蓄电池电压开始升高，当升高到我们预设的电压的过压值的时候，采样端信号与预设值通过电压比较，输入给单片机，由单片机判断，输出信号，控制继电器落下，充电断开

21、。这样可以实现过充电断电控制功能。保护原件：1. 蓄电池保护：防止过充过放，上面是保护原理。2. led台灯保护：led电压不能过高，此处我们选择的led灯具为额定电压3.5v，额定功率0.1w，工30个，三三并联，组成十组，实验测试，当每一盏灯具的电压达到3v的时候已经能够可以提供高亮。这样三盏灯具就需要9v电压，但是我们蓄电池的最大电压为9v所以才用了一个100欧姆分压电阻，提供分压，这样进过实验灯具得到了很好的亮度，这样还可以保护led，时期具更久的寿命。 3. 电路图中我们加入了许多限流电阻保护原件能够长久的运行。本系统硬件：太阳能蓄电池模块（智能充电模块）组成：电压比较模块，单片机控

22、制，继电器模块，太阳能电池，蓄电池。作用：防止蓄电池过充，过放，保证蓄电池最佳工作状太，有利于起寿命的延长（这就是节能的体现）。实现过程：采样蓄电池电压，引入参考电压（本电路有个很好的参考电压，7805出来的5V电压）比较通过LM324比较实现，通过原理，当过压，欠压会输出低电平信号，经测始终是0V左右，当正常电压范围内，输出高电平，经测始终为3.75V，这就很好的被单片机判断。将比较实现的不同状态（电压反应）输入给单片机，编程实现输出信号给继电器模块，控制继电器开关，给点蓄电池充电。太阳能电池，蓄电池，模块：太阳能电池板29cmX21cm,有效面积25cmX16cm的矩阵块，额定工作电压为1

23、7.2V，额定功率5W（由于实验局限瓦数过低，效果不是很好），多晶硅组成。蓄电池，12V直流型电压，输出电压效果比较好。电压采样，比较模块：如图，5V电压为7805出来的电压，经过滑动变阻器调节控制参考电压，出来有一个参考电压高低范围，这里我们设定为Vl值3.3，Vh值为4.2V，其中这里的3.3,和4.2并不就是指，蓄电池的欠压值和过压制，是应为我们参考的电压也是有内部电压提供，参考电压的要求是恒定，这样才能有个比较标准，而太阳能电压，和蓄电池电压的电压都是在变化的，7805就很好的提供了这个电压5V恒稳电压，所以这里我们不是是直接比较，而是将蓄电池的电压分压比较，三个5.1千欧姆分压，经测

24、的三个电压分压很准确，而且电阻很大，能量损耗很小，比较满足需要。如图LM324实现了比较电压，输出高低电平，即正负信号，欠压的时候输出了低电平，信号被单片机采集。单片机控制：比较模块输出高低电平信号给单片机。LM324输出端子，高电平信号恒为3.75V，低电平信号为0，这样很好的被单片机判断识别。欠压时候，输入给单片机的信号是低电平信号，单片机识别，给继电器输入信号，使其继电器吸起，太阳能板给蓄电池充电。充电正常后，电平信号为高电平信号，开关保持充电至过压电压时候，信号段再次变为低电平，单片机发出信号，使继电器开关落下，断开充电。继电器模块：P2插孔1 3为继电器模块提供电压，2端为单片机输入信号，当数输入正信号的时候，基极接通电流，三极管工作，使继电器的的接地通过发射极与集电极导通而接地，继电器及工作，开关有3，6打向4 ,5端。同理输入负信号是，三极管不工作，继电器接地端没有连接，开关处于常闭的3 ,6端稳压模块：本系统的电压全部是最终都是由太阳能板提供能量，但是单片机需要的是5v左右的电平，所以稳压模块可以提供单片机电源。另外，电压比较模块，继电器模块中的高电平也是5v