【《基于太阳能的路灯系统元件的设计案例》6400字】

基于太阳能的路灯系统元件的设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21479基于太阳能的路灯系统元件的设计案例 110591系统设计和元件选择 1260361.1主要研究内容和设计框图 125311.2蓄电池的选择 291161.3太阳能电池类型的选择 4247851.4LED灯的选择 6293171.5实时时钟模块 9266581.6系统主电路及控制电路的选择 11130691.6.1主电路一的选择 1128701.6.2主电路二的选择 12系统设计和元件选择主要研究内容和设计框图光伏电池将太阳能板上的光转换成电能。充电时，低压（太阳能电池板）向高压（电池）充电。由于太阳能电池的光能转换的电能不是特别稳定，直流高压中或许夹杂了直流低压，因此，为了提高光能转换效率，本设计中采用直流-直流变换器（它时常用于保证太阳能电池板能输出稳定电压）。为了提高充电效率，采用升压DC/DC电路提高太阳能电池板的电压对电池进行充电。放电时，高压（电池）向低压（LED路灯）放电，所以为了提高放电效率，DC／DC电路需要降低蓄电池的电压，对LED路灯进行放电。由于路灯只在夜间某一时段工作，因此在蓄电池组和降压DC/DC之间串联一个时钟模块来控制中断。一般来说，太阳能LED路灯的主电路需要两个单向DC/DC电路或控制器来分别实现其充放电功能，即使用升压电路实现充电，然后使用降压电路实现放电。想要系统正常运行不仅需要对太阳能电池板的输出功率进行考虑计算，系统正常运行需要考虑太阳能电池组件输出功率、蓄电池容量以及负载耗电量三者之间的关系，根据不同的光源、环境地理位置进行设计配置计算。匹配设计主要考虑：光伏电池输出的功率要与负载消耗的电量进行合理匹配；耗电量和蓄电池容量进行合理匹配；光伏电池给蓄电池进行充电电流要与蓄电池自身的容量进行合理匹配；负载放电电流与蓄电池容量进行合理匹配。设计最重要的就是系统稳定性，公路路灯系统要能稳定且可靠地运行。初步思路为根据LED负载用电量推算蓄电池容量，再根据所选择的太阳能电池板输出电压和输出功率来确定DC/DC电路相关参数。蓄电池组LED路灯BUCK电路BOOST电蓄电池组LED路灯BUCK电路BOOST电路太阳能电池板时钟模块时钟模块图2-1系统设计框图因所选公路为新都地区的某偏远二级公路，即不需要进行市电互补。同时经调查发现，新都地区日照强度足以满足日常公路路灯所需，所以仅使用光伏发电即可满足需求，考虑经济性的情况下，无需增加风电机，节省成本且降低维修难度。蓄电池的选择蓄电池工作原理：蓄电池是一种能通过化学反应来实现能量互换的装置。一般常用的为铅酸蓄电池，其工作原理是采用二氧化铅(PbO2)，海绵状的铅和稀硫酸作为化学反应的原材料。太阳能LED路灯常用的电池有铅酸蓄电池和锂电池。铅酸蓄电池的设计寿命一般为3~5年，新型锂离子电池在同等条件下使用寿命一般为7~8年左右。锂电池组没有记忆效应。无论电池处于何种状态，都可以随时充电，随时使用。锂离子电池的体积约为铅酸蓄电池的三分之二，重量约为铅酸蓄电池的三分之一。但是锂电池的价格高昂，不适宜用在偏远地区的公路路灯系统。相比之下广泛应用于我们生活的各个领域中的铅酸蓄电池具有储能容量大、价格便宜、经济实惠、技术相对成熟且容易维护的特点，所以本设计中，选择价格更贴近百姓，性价比更高的铅酸蓄电池。使用蓄电池要考虑放电深度，所谓放电深度，即使用过程中放电到何程度开始停止。100%深度指放出全部容量.铅酸蓄电池寿命受放电深度影响很大，设计考虑的重点就是深循环使用、浅循环使用还是浮充使用，放电深度越深,其循环寿命越短。其次，温度也是必须要考虑的一个因素。随着温度的升高，铅酸蓄电池的寿命延长。在温度为10℃~35℃之间时，每升高1℃，大约增加5~6个循环，在温度保持在35℃~45℃之间时，每升高1℃可延长寿命25个循环以上，高于50℃则因负极硫化容量损失而降低了寿命。蓄电池容量的选择主要取决于负载，本设计选取30WLED灯作为负载，令其区别夏季在20:00~07:00时段全额运行11h、冬季18:00~08:00时段全额运行14h，在白天不开灯。负载额定功率为30W，额定电压为48V，夏季LED负载日耗电量为：QL冬季LED耗电量为：QL=考虑铅酸蓄电池的放电深度影响，本设计比例系数取0.75，选择最大日耗电量进行计算，则蓄电池容量为：BC=经查阅新都近年来气象情况，一周内最长日照时长为四天，即蓄电池总容量需为：BC=QL0.75综合考虑，可选用四个12V/12AH的蓄电池组串联作为储能设备。众所周知，蓄电池有三种常见的充电方式——恒流充电法、恒压充电法和阶段充电法。恒流充电法指的是通过调整充电装置的输出电压或者改变与蓄电池的电阻串联，使充电电流强度不变的一种充电方法。此控制方式虽然较为简单基础，但是由于电池的可接受电流随充电过程会逐渐下降，充电后期充电电流主要用于电解水，产生气体，会使出气过大。而恒压充电法，在整个充电时间内，充电电源的电压保持恒定值不变，随着电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减小。与恒流充电法相比，它的充电过程接近最佳充电曲线。由于他的电动势数值较小，充电电流又很大，随着充电的进行，电流会逐渐降低，所以，只需要较为简单的控制系统。这种方式电解水比较少，能够很好地避免蓄电池过充。阶段充电法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用的是恒流恒压相结合的快速充电方法。先用恒流对预定电压进行充电，然后将恒流转换成恒压，完成剩余的恒压充电。一般来说两个阶段之间的转换电压为第二阶段的恒压；三阶段充电方式在充电初始和末尾采用恒流充电，在充电期间采用恒压充电。随着电流的衰减达到预定的值，第二阶段变为第三阶段。此方法能将气体排放降至最低，但作为一种快速充气方法，受到一定的限制。图2-2二阶段与三阶段充电方法曲线综合考虑之下采用恒压充电法。太阳能电池类型的选择太阳能电池按其材料不同，可分为：硅系太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池、塑料太阳能电池，其中硅系太阳能电池又可分为三小类——单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池。硅系太阳能电池目前发展最为成熟，在所有应用中居主导地位。各太阳能电池特性见表2-1如下：表2-1各类太阳能电池的特性比较类型各项特性硅系太阳能电池单晶硅太阳能电池是最早发展起来，技术最为成熟且性能最稳定的太阳能电池，性能稳定，转换效率也是最高。它以高纯度单晶硅为原材料，制作工艺也相对繁琐一些，成本略高。多晶硅薄膜太阳能电池相比于单晶硅电池，制作成本和时间均具有优势，使用材料也简易，被广泛应用。但晶体结构较差，转换效率也低一些。非晶硅薄膜太阳能电池生产成本较低，有多种方式制备电池，质量小便于生产，转换效率高。对光照不敏感，会因为材料问题导致光效衰退效应，致电池性能不稳定。多元化合物薄膜太阳能电池主要材料为无机盐，容易污染环境而且产量并不高。聚合物多层修饰电极型太阳能电池原材料为有机材料，柔性好，来源也很广泛同时成本低，切割制作工艺简单。缺点是电池性能和使用寿命很低，都远远低于硅系电池。纳米晶化学能太阳能电池目前仅处于研制过程，但光电效率超过10%，制作成本很低，仅为硅类电池的1/5~1/10，使用寿命可超过二十年。根据上表分析可得，聚合物多层修饰电极太阳能电池和纳米晶化学能太阳能电池的研究刚走上正轨,转换效率不太理想;非晶硅薄膜太阳能电池的稳定性不够,虽然非晶硅薄膜太阳能电池的价格相比单晶硅太阳能电池较为低廉,但转换效率低,使用寿命短。太阳能电池主要包括晶体硅电池和薄膜电池两类，它们各自不可取代的特点使它们在不同的应用中具有不可替代的地位。然而，未来十年晶体硅太阳能电池的主导地位不会发生根本性改变纵使晶体硅太阳能电池的份额有所下降。薄膜电池如果能解决转换效率低、成本高等问题，未来的发展空间会很可观。从性价比而言，本次设计选取单晶硅太阳能电池板作为路灯系统的主供电电源。表2-2单晶硅太阳能电池板型号峰值功率峰值电压峰值电流开路电压短路电流APM36M8W36⨯30817.50.4621.50.52APM36M10W36⨯301017.50.5721.50.65APM36M15W49⨯291517.50.8621.50.97APM36M20W63x282017.51.1421.51.29APM36M25W48x542517.51.4321.51.61APM36M30W48x543017.51.7121.51.94APM36M35W62⨯543517.52.0021.52.26APM36M40W62⨯544017.52.2921.52.58APM36M45W76⨯544517.52.5721.52.91经比较后，选择APM36P40W62⨯54作为太阳能电池板：开路电压为21.5V，短路电流为2.58A，功率为40W，有效日照时长为7.5h，该太阳能电池板一天给蓄电池充电的安时数为：2.58对于太阳能电池板的安装方式有多种方法，最常见的方法有两种，一种是固定式安装，另一种则是旋转式安装。目前，在国内外通常计算最佳倾角时，首先要计算太阳辐射量，然后根据当地的纬度计算太阳赤纬角、水平日落角度等。最后结合计算的各项参数，得出当地的最佳倾角[4]。以新都区为例，新都纬度为30.82°，平均有效日照时长为7.5h，路灯负载日耗电量约为8.75AH，代入公式：β式中β代表太阳能板最佳倾角，e为常数，ω为纬度。得太阳能板最佳倾角为16.66°LED灯的选择LED是一种PN结发光器件，其材料为化合物半导体，具有单向导电性。LED是第四代光源，也是绿色节能照明的光源。LED与传统的照明相比有很多优点。比如：能耗低LED的工作电压一般只需2-3.6V，工作电流仅有0.02-0.03A，也就是说LED只有0.1W的功耗，和同样光效的白炽灯相比消耗电能减少以上，和节能灯相比则减少70%以上，所以LED光源才是真正的节能光源。使用寿命长。在正常情况下，LED使用寿命很长，可以达到100000h以上。安全低电压LED使用的是低压的直流电源，供电电压一般是6-24V，与使用高压电源的光源相比，更具有安全优势，非常适合于家庭和公共场合。此外，LED还有体积小、发热少、坚固耐用、易于调光、产品丰富等优点。但是，LED也有它不足的地方，制造成本较高、显色性差，而且需要有专门的恒流驱动电路。图2-3LED的伏安特性曲线从图中曲线可以看出，当电压为正时，其电压较小时，电流较小，不发光只有当电压达到一定值时，电流才会随着电压的升高呈指数关系上升。当电压为负时，电压较小时，反向电流数值很小，当电压达到一定值时，方向电流会急剧增大，出现反向击穿现象。在贯常公路路灯设计中，负载中有多个LED时的驱动电路的输出电压需要能够让每个LED上的电流都可以匹配上驱动电路的输出电流，换言之，每个LED灯上的电流尽量想等大小。负载不同的连接方式会影响LED灯的使用寿命，选择合适的负载连接方式尤为重要。常见的连接方式有三种——串联、并联和混联。根据本次设计的要求，为保证系统的稳定性，采用串并联的混合连接方式。图2-4混联连接方式以新都某偏远二级公路为例，该次干道路段长3000m，整体路宽15m，参照表2-3《城市道路照明设计标准》(CJJ45—2006)规定的机动车交通道路路面照度维持值：表2-3机动车交通道路路面照度维持值道路类型路面亮度路面照度眩光限制闸值最大初始值环境比SR最小值平均亮度总均匀度最小值纵向均匀度平均照度均匀度快速路、主干路1.5/2.00.40.720/300.4100.5次干路0.75/1.00.40.510/150.35100.5支路0.5/0.750.4——8/100.315——表中对每一级道路的平均亮度和平均照度给出了两档标准值，“/”的左侧为低档值，右侧为高档值。对同一级道路选定其照明标准值时，交通控制系统和道路分隔设施完善的道路，宜选择该表中的低档值，反之宜选择高档值。考虑到为新都地区某偏远公路，交通控制系统可能不够完善，道路分隔设施不够完善，所以选择快速路、主干路的高档值30V。由前面可得太阳能电池板一天给蓄电池组充电9.68AH，满足LED灯最大日耗电量8.75AH的要求。本设计30WLED路灯负载可以选择由1W/350mA的LED灯珠组成，具体组成方案为：（1）一只LED灯珠工作电压大概为3V。（2）两列LED灯组，每列LED灯组功率为15W，两列LED灯组并联的输出总功率为30W。（3）每列LED灯组均采用恒压驱动。（4）每一列的LED灯组由15颗1W/350mALED灯珠串联构成，每一列LED灯组在48V恒电压驱动下的电流可在300mA左右，可以正常点亮LED。（4）每列LED灯组上串一个10Ω的限流电阻，以防LED灯珠电流过大而烧坏。实时时钟模块由于路灯只是在区分夏季和冬季的照明时间的前提下，只在夜间某一时间段内点亮，因此只需采集不同季节的不同运行时间。图2-5DS12C887概述图DS12C887可以计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息同时带有闰年补偿；它自身配有晶体振荡器和锂电池；可工作10年即使没有外部电源的加持；在时间记录方面，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；可用二进制数或者BCD码表示时间；DS12C887中带有128字节RAM，其中11字节用于存储时间信息，4字节RAM用来存储DS12C887的控制信息，称为控制寄存器，113字节RAM供用户使用；用户可以通过编程来实现多种方波输出；也可应用于MOTOROLA和INTEL两种总线；定闹中断、时钟更新结束中断、周期性中断是可编程中断的三种方式。图2-6DS12887管脚图各引脚名称及描述如下：引脚1——MOT——选择总线类型引脚4～11——AD0～AD7——双向地址/数据复用总线引脚12——GND——电源地引脚13——CS——片选输入引脚14——AS——地址锁存ALE引脚15——R/W——读写输入引脚17——DS——有效时表示的是该芯片正在向总线输出数据引脚24——VCC——正电源。若系统掉电，时钟可以借助内部电池和振荡器继续正常工作。当VCC≥4.25V,芯片允许写入外部程序；当VCC≤4.25综合考虑器件特性，在本次设计中，选用高精度实时时钟芯片DS12C887为系统提供准确运行时间。

系统主电路及控制电路的选择主电路一的选择本次设计的主电路一实现的功能是将太阳能电池板输出的42V到48V的电压，升压至59V后，使蓄电池组恒压充电。下面将对可用于主电路一的电路进行介绍。斩波器的功能就是把一种固定电压的直流电转变成电压可调的直流电。它也被称为DC/DC变换器。多指将直流电直接转变为直流电，不包括DC-AC-DC。斩波电路原本是指用电时，因某些需要，将部分正弦波“切断”（例如在电压为30V时，用电子元件使背面的30—0V部分为球形，输出电压为0），然后借用直流-直流开关电源，主要是在调节开关电源的过程中，原本是一路电源，电线把它“斩”成脉冲碎片。六种基本斩波电路指的是降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路；合斩波电路指的是不同结构基本斩波电路组合；相多重斩波电路指的是相同结构基本斩波电路组合。脉宽调制方式和频率调制方式是斩波器的两种工作方式。脉宽调制方式指的是Ts（周期）不变，改变Ton（开关每次接通的时间）；频率调制方式是指Ton不变，改变Ts（但是容易产生干扰）。BOOST升压斩波电路属于直直变换电路，由于它的输入直流电压比输出直流电压低，所以又称之为升压电路。图2-7BOOST电感充电电路拓扑图在充电过程中，开关闭合（三极管导通），等效电路如图2-7，开关（三极管）处用导线代替。这时，输入电压流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。