太阳能光伏路灯控制系统

太阳能光伏路灯系统设计目录毕业论文（设计）任务书- 1 -开题报告- 2 -摘要1第一章 绪论41.1引言41.2 中国太阳能光伏发电的发展及意义41.2.1 发展优势41.2.2 发展历程41.2.3 前景规划51.2.4 最新政策51.2.5中国发展太阳能的意义61.3 太阳能资源利用的优势61.4 太阳能光伏发电的优点和发展趋势71.5 光伏发电的起源及发展7第二章 太阳能路灯的组成92.1太阳能电池板92.1.1太阳能电池发电原理102.1.2 太阳电池的输出特性I-V特性102.2 蓄电池112.2.1 影响蓄电池寿命与性能的因素：122.2.2蓄电池的容量132.2.3 影响蓄电池输出容量的因素142.2.4 蓄电池的寿命及其影响因素142.2.5 光伏系统蓄电池特殊性152.3 太阳能控制器162.3.1 控制器应具有的功能172.3.2 对蓄电池充放电的控制的方法172.4 太阳能路灯方案202.4.1相关组件选择202.5 逆变器的工作方式242.6 LED的照明功能252.6.1 LED照明的特点252.6.2 LED的驱动方式252.6.4灯杆及灯具外壳27第三章 系统的硬件设计283.1系统电路框图283. 2 控制模块的硬件设计283.2.1充电电路的设计283.2.2 放电电路的硬件设计293.2.3 控制器电源稳压电路的硬件设计30第四章 软件设计324.1 系统软件框图324.2 系统主要程序编辑324.2.1 PWM模式的选择324.2.2检测程序的流程32第五章 太阳能路灯设计体会355.1 道路照度与适用范围35第六章 总结与分析36主要参考文献37致谢3839毕业论文（设计）任务书学生姓名专业班级机电一体化10.2班指导教师论文题目太阳能光伏路灯系统设计研究的目标、内容及方法太阳能作为清洁能源，已广泛应用在各个不同领域。我国西部日照光度强、时间长，以独具的自然条件，给太阳能发电技术带来很大的发展空间，由此拉动了相关行业，光伏路灯也越来越多的出现在西部城市，形成了一道道亮丽的风景线。1.学习光伏发电技术，优化设计电路2.要求有充电、蓄电、逆变、光控、时空电路组合实现3.照明灯采用LED、4.画出电路原理图并制作实现阶段完成的工作1、2010年8月20日之前查阅资料，完成总体方案的论证、比较、选择。2、2010年9月1日之前完成各单元电路的设计、 计算及电路图的绘制。3、2010年10月10日之前完成硬件的安装制作及测试。4、2010年10月25日之前完成设计报告的编写。5、2010年10月30日之前进行排错、改进，完善设计报告。6、2010年11月进行设计答辩。系（部）主 任意 见开题报告一、课题题目太阳能光伏路灯系统二、设计目的和意义（一）研究目的：太阳能路灯以太阳光为能源，白天阳光照射太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给负载供电使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护。实现未来大中小城市及偏远无法供电地区的照明。（二）研究意义： 中国作为发展中国家，发展太阳能资源应当作为能源开发的首要要目标，我国西部地区日照广度强，时间长，以其独具的自然条件，给太阳能发电技术带来很大的发展空间，由此可拉动其他相关的行业，从而带动经济的发展，也将解决我国资源缺乏人口众多的问题。因此，能源供应问题，已经成为国家发展的首要因素之一。三、设计内容、途径及技术路线 （一）研究内容： 1.研究太阳能路灯组成部分（包括支架）、LED灯头、控制箱 （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分，以及蓄电池充放电，时控等相关策略。2.设计出充电、蓄电、逆变、光控、时控的组合电路。（二）研究途径：收集相关资料和文献，设计考虑到各个环节，光伏组件的运行计算，峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型的设计，抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，路灯整体结构简约美观，经过数据计算实现太阳能光伏路灯照明的最终目的。四、设计的任务及要求（一）设计任务：设计一款太阳能光伏路灯照明系统。（二）设计要求：（1）学习光伏发电技术。（2）设计充电、蓄电、逆变、光控、时空电路组合实现。（3）选用最实惠和实用的材料进行设计。（4）对太阳能、蓄电池以及控制器充放电进行数据测算。（5）优化设计电路。（6）完成论文。五、技术路线本课程设计所设计的太阳能光伏路灯的主要功能有：利用太阳能照明；白天/夜晚自动转换电能照明；实用且节省国家资源；简单方便，可以实现大中小城市及偏远无人地区长时间照明；维护简便。六、设计工作的主要阶段、进度和指标阶段起始日期终止日期进度技术指标第一阶段2010.062010.07完成选题和资料收集丰富全面第二阶段2010.072010.08蓄电池充放时控计算符合要求第三阶段2010.082010.09完成整体电路设计设计合理第四阶段2010.092010.10系统的整体测算实现控制第五阶段2010.102010.11编写论文准备答辩详细全面七、系统总体设计所设计的太阳能光伏路灯系统，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天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至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。如此往复实现自动化照明。八、协作单位及要解决的主要问题协作单位：学院实验室。系统设计主要包括硬件和软件两大部分，依据控制系统的工作原理和技术性能，将硬件和软件分开设计。硬件设计部分包括电路原理图、合理选择元器件、绘制线路图，然后对硬件进行调试、测试，以达到设计要求。软件设计部分，首先在总体设计中完成系统总框图和各模块的功能设计，拟定详细的工作计划；然后进行具体设计，包括各模块的流程图，选择合适的编程语言和工具，进行代码设计等；最后是对软件进行调试、测试，达到所需功能要求。摘要太阳能资源是21世纪新型的绿色能源，它的安全可靠、无污染以及可再生能力突出，在未来几年将会占据世界能源消费的重要席位，在受到人们关注的同时，也将会逐步替代部分常规能源，成为世界能源供应的主体。但是，由于占用面积大，受四季、昼夜以及气象等条件限制，使其不能大规模投入使用。为了能够有效合理的使用太阳能，对光伏发电系统的研究显得尤为重要。本文以独立光伏路灯系统为研究对象，进行分析，从系统原理、结构制作，控制策略及照明使用的设计作了简单的分析和研究，主要内容有：1：综合国内外光伏产业发展现状以及前景。2：介绍太阳能光伏路灯系统的基本结构，结合太阳能电池的输出特性，分析设计简单合理的光伏路灯系统，以及针对蓄电池充放电的特性，制定合理的蓄电池充放电控制策略。3：设计出充电、蓄电、逆变、光控、时控的组合电路。4：介绍光伏路灯使用的优缺点。AbstractSolar energy resources is the 21st century new kind of green energy, its safe and reliable, no pollution and renewable ability outstanding, in the next few years will occupy the world energy consumption of important place under the concern at the same time, it will gradually replacing part of conventional energy, become the subject of world energy supplies. However, due to the large area occupied by the four seasons, night and day, and the weather conditions, make its cannot large-scale put into use. In order to be able to use the solar energy, reasonable effective on photovoltaic power generation systems research is particularly important.Based on stand-alone pv street lamp system as the research object, through analyzing system principle, structure, control strategies and making use of lighting design makes brief analysis and research, the main content included1: integrated photovoltaic industry development situation at home and abroad and prospects.2: introduce solar street lamps, combining the basic system structure of solar cell output characteristic, analysis and design is simple and reasonable of photovoltaic street lamp system, and the view of the storage battery charging and discharging characteristics, formulate rational storage battery charging and discharging control strategy.3: design charging, storage of electricity, inverter, and steerable, possession in combinatorial circuit.4: introduce photovoltaic lamps use advantages and disadvantages.关键词：太阳能，LED路灯，蓄电池，充放电控Keywords: solar, LED lamp, batteries, charge control第一章 绪论1.1引言 能源是人类经济和文化发展的动力来源，随着世界的发展，能源不断开采和过量使用，不再生资源已经逐步走向枯竭。然而这并不能阻止人类发展的前进，相反，可再生资源已经逐步崭露头角，并将超越甚至替代其他能源。太阳能是资源最丰富的可再生资源，具有独特的优势和巨大的开发潜力。目前全球能源消费的总和只相当于太阳在四十分钟内照射在地球表面的能量。太阳能随处可得，不必远距离输送，无噪声，无污染，安全可靠。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处以及能源与环境的协调发展。目前太阳能的利用还处于发展阶段，主要是光和热，光伏发电技术为太阳能的使用开辟了广阔的领域。1.2 中国太阳能光伏发电的发展及意义1.2.1 发展优势中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。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。 1.2.2 发展历程中国太阳电池的研究始于1958年，1959年研制成功第1个有实用价值的太阳电池。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，1971年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳电池。20世纪90年代中期后光伏发电进入稳步发展时期，太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，21世纪初迎来了快速发展的新阶段。 中国的光伏产业的发展有2次跳跃，第一次是在20世纪80年代末，中国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳电池生产线，使中国的太阳电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的4.5兆瓦，引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动。2002年由国家法改委负责实施的“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程以及2006年实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。在这些措施的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展的势头日渐明朗。 到2007年年底，中国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦（2900MW），太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为中国光伏发电的规模化发展奠定了基础。2007年是中国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮，但也存在诸如投资盲目、恶性竞争、创新不足等问题4。 2009年6月，由中广核能源开发有限责任公司、江苏百世德太阳能高科技有限公司和比利时Enfinity公司组建的联合体以1.0928元/度的价格，竞标成功我国首个光伏发电示范项目甘肃敦煌10兆瓦并网光伏发电场项目，1.09元/千瓦时电价的落定，标志着该上网电价不仅将成为国内后续并网光伏电站的重要基准参考价，同时亦是国内光伏发电补贴政策出台、国家大规模推广并网光伏发电的重要依据。 1.2.3 前景规划根据可再生能源中长期发展规划，到2020年，中国力争使太阳能发电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。 1.2.4 最新政策二九年七月十六日国家三部委财政部、科技部、国家能源局联合印发了关于实施金太阳示范工程的通知，随后又公布了具体的金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展，并计划在23年内，采取财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目；各种利好都给中国光伏发电产业注入了强劲的生命活力！希望在不远的将来，我国的光伏发电整体竞争力能够达到国际领先水平，光伏发电电力供应量在国内总电力供应中的占比能够达到更高水平，从而更加有力的推动我国经济结构转型和能源结构优化！1.2.5中国发展太阳能的意义 中国作为发展中国家，发展太阳能资源应当作为能源开发的首要要目标，我国西部地区日照广度强，时间长，以其独具的自然条件，给太阳能发电技术带来很大的发展空间，由此可拉动其他相关的行业，从而带动经济的发展，也将解决我国资源缺乏人口众多的问题。因此，能源供应问题，已经成为国家发展的首要因素之一。1.3 太阳能资源利用的优势与传统的资源相比，光伏电源具有以下特点：1.可靠、机动灵活。光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。目前已有数千套光伏系统的运行经验，晶体硅的寿命可达数年以上。发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小、扩容方便；且易安装、易运输、建设周期短；2.安全、无噪声、无污染。不产生任何固体、液体和气体等有害物质。同时太阳能可再生且无限，可直接输出商品，具有理想的可持续发展属性；3.安装维护简单，运行成本低，适合无人值守等。尤其以可靠性高而备受人们重视；4.兼容性好。光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要是光伏系统很方便的增容；5.资源普通。太阳能无处不有，应用范围广，基本不受地域限制，只是受限制于地域之间资源分布的差别；6独立光伏路灯系统，就是把太阳能转换成电能储存在电池中，在夜间利用储存的电能驱动高光效节能灯工作的系统。独立的光伏路灯系统具有以下特点：绿色环保，无任何污染物排放：7一般采用6V，12V和24V的安全电压，可以杜绝触电事故的发生：8运行费用低，维护工作量小，实现了可再生能源的利用：在输电成本高或者根本无法输电的地区尤其适用。由于独立光伏路灯的工作是不依赖供电电网的，而是由蓄电池直接供电，供电平稳，可以避免用电高峰和低谷的影响。1.4 太阳能光伏发电的优点和发展趋势 光伏利用以电能作为最终表现形式，具有传输方便、无污染、可再生、可存储性安全可靠，无噪声，不受地域限制，无需消耗燃料，无机械传动部件，故障率低，维护简单，建设周期短，规模大小随意，无需架设输电线路等方面的强劲优势，这些优点斗士常规发电和其他发电方式所不及的。由于太阳能电池的原料硅的储存量十分丰富，所以随着太阳能电池转换效率的不断提高，生产成本的不断下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会未来发展中占据重要地位。1.5 光伏发电的起源及发展早在1839年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）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“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。 20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，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，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.61012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。正是由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。 20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。 世界光伏组件在1990年2005年年平均增长率约15%。20世纪90年代后期，发展更加迅速，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%13%提高到13%15%，生产规模从15兆瓦/年发展到525兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。 2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利。第二章 太阳能路灯的组成太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、LED路灯、灯杆及灯具外壳。如输出电源为交流220V或110V，还要配置逆变器。图2.1 LED光伏照明系统图图2.2太阳能电池板给直流负载供电的系统框图图2.3太阳能电池板给交流负载供电的系统框图2.1太阳能电池板太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。2.1.1太阳能电池发电原理图2.3 太阳能电池发电原理图太阳能电池是直接将光能转换成电能的一种半导体器件，太阳电池能量转换的基础是结合的光生伏特效应。当光照射到PN结上时（图2.3），能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，产生电子一空穴对，在半导体内部结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，受内建电场的吸引，电子流入N区，空穴流入P区，结果使N区储存了过剩的电子，P区有过剩的空穴。它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外，还使P区带正电， N区带负电，在N区和P区之间的薄层就产生电动势，这就是光生伏特效应。2.1.2 太阳电池的输出特性I-V特性当受光照的太阳电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建起端电压，这时太阳能电池的工作情况可用图2.4所示的等效电路来描述。在恒定光照下，一个处于工作状态下的光电池，其光电流I。不随工作状态而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流一部分流经负载RI， 同时在负载两端建立起端电压V，此电压反过来它又正向偏置于p-n结二极管，引起与光电流反向的暗电流工P。但是，由于太阳板前表面和背表面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总体效果用一个串联电阻R来表示;同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻R、来等效。图2.4 P-N结太阳能电池等效电路图太阳电池输出电流I与输出电压V之间的关系如图2.5所示，调节负载电阻RL到达某一值时，在曲线上得到一点M，对应的工作电压和工作电流之积最大，即输出功率最大。M点称为太阳能电池的最佳工作点，Rm称为最佳工作负载，Vm称为最佳工作电压，Im为最佳工作电流。图2.5 太阳电池IV曲线2.2 蓄电池 常见的蓄电池有开口铅酸蓄电池、阀控铅酸蓄电池、镉镍(Ni-Cd) 、镍氢（Ni-H）电池。在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池由于在其使用过程中存在水的易挥发、易泄漏、比容量低等缺点，而镍钙、镍氢电池容量虽大，但价格昂贵，免维护蓄电池由于其容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、不存在锡镍电池的“记忆效应”、寿命长、基本免维护等优越性，对于无人值守或缺少技术人员的偏远地区使用特别有利，因而在独立光伏系统中大量应用，而且将在今后一段时期继续大量使用。在光伏系统中蓄电池起着至关重要的作用:白天它既能作为太阳能不足的补充，又能作为多余太阳能的存贮:夜晚它是负载的唯一能源。虽然在不同地方(光照、温度不同)，不同要求(负载、可靠性等)的光伏系统中蓄电池配置的容量有较大不同，但对于使用蓄电池的系统来说，在系统的初期投资中它一般占到1/41/2，而蓄电池又是整个光伏系统中较薄弱的环节，使在光伏系统整个运行寿命中蓄电池成为最昂贵的部件，这主要由于许多蓄电池达不到其使用寿命，而提前失效，系统不得不更换。2.2.1 影响蓄电池寿命与性能的因素：1、环境温度一般在0-40之间。过低使蓄电池输出容量大大降低，容易使蓄电池过早无输出；高温虽然使它的输出容量能增加，但加快了它的极板的硫化。2、充电电压太高使蓄电池产生过充；太低，蓄电池充电不足，充电达不到蓄电池容量并结束充电过程，这样会使蓄电池加速老化，降低蓄电池的使用容量和寿命。3、放电深度太深，容易加快电池的老化。4、不同的充电方式。5、放电电流大小。6、荷电状态的高低。对以上影响蓄电池的因素进行控制，在独立光伏系统有不同于其它系统蓄电池管理的特点，其特殊性表现在:1、充电电源来自于太阳能阵列，能源不用则失，而且系统设计的太阳能阵列容量有限，并“限时不定量供应”。2、放电深度必须适中，太浅蓄电池容量要大，投入就大。太深蓄电池寿命缩短，发电成本增加。3、每天都进行放电和充电。4、容易造成:低光照时，蓄电池欠充:高光照时，蓄电池过充。5、有时由于蓄电池充电速度慢，虽然有足够太阳能，但蓄电池不能全部接受，造成欠充。6、为充分利用太阳能，必须高效充电方式。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。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能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。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压2030%，才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。2.2.2蓄电池的容量容量就是蓄电池的蓄电能力。通常以充足电后的蓄电池、放电至其端电压到终止电压时，电池所放出的总电量。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量(Ah)等于放电电流(A)与其持续时间(h)的乘积。蓄电池容量有理论容量、实际容量和额定容量之分:理论容量是根据活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高值。实际容量是指蓄电池在一定条件下能输出的电量，它低于理论容量。蓄电池的额定容量(C )常指在温度20-25时，充满其容量，并搁置24小时后，以10(20)小时放电率或0.1C(0 .05 C)电流数值的电流放电至其终止电压(1.751.8V /单体)所输出的容量。它是国家或有关部门、行业颁布的标准，保证在一定条件下，应该放出的最低的容量值。 蓄电池的荷电状态SOC用来反映蓄电池的剩余容量。其数值上定义为蓄电池剩余容量占其总容量的百分比: 式中 : QR电池在当前条件下还能输出的容量剩余容量);Qsum电池在当前条件下所能放出的最大容量。放电深度是指蓄电池放出的容量占其能输出总容量的百分比。2.2.3 影响蓄电池输出容量的因素蓄电池的容量的影响因素很多且关系复杂，从其内部结构、放电机理及所表现的特征分析，一般将其分为可恢复性影响因素和不可恢复性影响因素两类。可恢复性影响因素是指当蓄电池受到这些因素影响时，可能造成输出容量低于额定输出容量。但当改变这些因素后，蓄电池还能输出其剩余的容量。这些因素包括：放电电流、电解液温度、终止电压（蓄电池的放电终止电压是为防止蓄电池过放电，而损害极板，影响蓄电池的寿命而设）不可恢复性影响因素主要是指如电池极板硫酸盐化、活性物质脱落、极板腐蚀、自放电、酸层化等因素，它们使极板上的有效活性物质总量减少了，即电池丧失的容量在放电过程中不可能因为放电条件的改变而恢复的。2.2.4 蓄电池的寿命及其影响因素铅酸蓄电池在使用初期，随着使用时间的增加，其放电容量也增加，逐渐达到最大值;然后，随着充放电次数的增加，放电容量减少。直到通过对它充电，其容量再也不能恢复到规定的程度，这时表明蓄电池的使用寿命己经终结。预测蓄电池的使用寿命很难，因为有许多的因素对它都产生较大的影响。有诸如活性物质的组成、晶型、孔化率、极板尺寸、板栅材料和结构等内在因素，也有对蓄电池寿命产生负面影响的外在因素:放电深度、过充电量、充电电流和电压、环境温度等。为提高对蓄电池的管理，下面对外在因素的影响加以讨论。放电深度对寿命的影响主要表现在，放电深度越大，相对使用寿命越短。蓄电池放电深度与过充系数对循环寿命的影响有如图2-12所示关系。对比图中曲线1与3可知，再相同的放电深度50%情况下，不过充时的蓄电池的循环使用寿命是过充10%时的近1倍，控制蓄电池的过充将可大大提高其使用寿命。温度的升高虽然使蓄电池的输出容量增大，但它加速了蓄电池电极的腐蚀，提高了蓄电池的出气量，使电解液损失。特别在充电期间，酸浓度大。电极的腐蚀造成活性物质的脱落，使蓄电池的寿命降低。在低温充电时引起气体析出造成内部压力增大和电解液减少，也缩短了蓄电池寿命。随着充放电电流的增大，蓄电池的寿命降低，这是由于在大的电流和高硫酸浓度下，均促使正极Pb02松散脱落。而小的充放电电流可能形成蓄电池电解液的酸分层。图2.6 放电深度与过充系数对蓄电池寿命的影响蓄电池根据放电率的不同，其终止电压也不同，大电流放电时规定较低的终止电压，反之小电流放电则规定较高的终止电压。低于规定的终止电压并不能获得较大的输出容量，相反由于蓄电池的过放电，使蓄电池中的活性物质因为膨胀产生应力，会造成极板弯曲或活性物质脱落，从而影响其寿命。2.2.5 光伏系统蓄电池特殊性在光伏系统中蓄电池容量一般设计要能满足用户3-10天的备用电要求，而由于考虑系统成本。光伏阵列的容量又偏小，因而存在充电率非常低，且时而由于天气原因出现一定深度放电的普遍现象。这样使得蓄电池难以得到完全的再充满，而使其长期处于欠充状态导致蓄电池底部酸浓度高于顶部酸浓度的酸分层现象，从而使极板由于在其上的硫酸浓度的不同，导致负极板底部硫酸盐化，正极板腐蚀和膨胀，使蓄电池的寿命缩短。由于光伏系统中的蓄电池放电电流很小，而根据结晶核作用理论这样会形成大的结晶，加速极板的极化。经常设置高的充电电压，提高充电电流，来减少蓄电池的欠充。在日照不足时，有一定的效果。但由于季节的变化，在日照充足时，使蓄电池产生过充。蓄电池的过分的过充是引起其使用寿命缩短的主要原因。一但出现充电不足或负荷超常规量放电，经常造成很长时间得不到足够补充，使蓄电池工作在低的荷电状态。造成蓄电池的寿命降低。2.3 太阳能控制器 无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。蓄电池是整个光伏系统中较薄弱的环节，使其在独立光伏系统整个运行寿命中蓄电池成为最昂贵的部件，这主要由于许多蓄电池达不到其使用寿命，而提前失效，系统不得不更换。这些问题的解决除了对蓄电池本身进行性能提高外，系统能量管理的好坏对评价整个系统的性价比影响重大，特别是对蓄电池的充、放电控制。正如前所述在独立光伏系统的蓄电池是系统中最薄弱的环节，而且它在系统中的作用不可替代的，因而针对大多系统中采用的免维护铅酸蓄电池的管理研究成为研究中的重点。而对蓄电池来说充电控制和容量预测是其核心。有一个好的充电器将对提高系统性能起重要作用。对于充电控制器，国外研究比较深入，已经有不少的充电器产品具有很高的性能: (1)内部温度补偿、(2)动态过充保护、(3)智能充电控制策略(太阳能阵列输出最大功率点跟踪技术等)、(4)抗操作错误等。而蓄电池的当前容量和还能充入的容量是充电控制必须考虑的一个因素，因为当蓄电池容量损失后，如果充电控制不知道容量损失为多少，则充电策略为使蓄电池尽快充满而不停地努力着，甚至在实际已经充满的情况下，还不停进行充电操作，容易造成过充的现象。而且它也是用户想了解的一个重要参数:当前负荷下电源还能维持多长时间，特别是对于某些有重要负荷的场所，为保证重要负荷的运行，在一定的容量下必须切断其它负荷来保证其重要负荷的继续运行。因而对于容量的预测也是相当重要。正如文献指出在光伏系统中最重要的设备是能使蓄电池保持长寿命、高性能、少维护，因而它不仅能控制充电，而且能在蓄电池放电期间给出剩余容量信息，为避免在蓄电池低荷电状态下的硫化和产生其他危害，它能警告用户，并在一个安全的状态下切除负载。在国外许多产品中将容量预测及显示以及充电控制器集中在一个控制器中，把它作为一个能量管理系统控制器。2.3.1 控制器应具有的功能这些年我国加大了对新能源的开发利用，进行这方面的研究人员也越来越多，技术也越来越先进，开始制定了一些有关光伏电源的技术要求，提出控制器:1、能为用户提供蓄电池荷电状况的指示，包括: (a)充满指示，当蓄电池被充满，太阳电池方阵充电电流被减少或太阳电池方阵被切离时的指示; (b)欠压指示，当蓄电池电压已经偏低，需要用户节约用电时的指示: (C)负载切离指示，当蓄电池已经欠压，应将负载切离时的指示;2、控制器应具有温度补偿，其温度系数应是每节电池3mV/C7 mV/ C。3、当蓄电池电压降到过放点(1.8V 12.7% /只)时，控制器应能自动切断负载;4、控制器的最大自身耗电不得超过其额定充电电流的1%；5、充电或放电通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5%；6,当蓄电池从电路中去掉时，控制器在1小时内必须能够承受高于太阳电池组件标称开路电压1.25倍的冲击；7、太阳电池方阵功率大于20W的系统，控制器应具有蓄电池充满断开及欠压断开装置及电路保护；8.控制器应具有如下保护功能:(a)防止任何负载短路的电路保护；(b)防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护；(C)防止控制器、逆变器和其它设各内部短路的电路保护；(d)在多雷区防止雷击引起的击穿保护；(e)防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电的保护。除对上述控制器的技术要求外，我国科研人员在学习国外先进技术的同时对我国的光伏电源技术进行了有益的实践和探索。2.3.2 对蓄电池充放电的控制的方法恒流充电法是用调整充电装置输出电压或改变与蓄电池串联电阻的方法，保持充电电流强度不变的充电方法，控制方法简单。但由于电池的可接受电流能力是随着充电过程的进行而逐渐下降的，到充电后期，充电电流多用于电解水，产生气体，通常称“释气”，也就是蓄电池过充。一方面，电池过充会引起“释气”过程，降低蓄电池的寿命。另一方面，将铅酸蓄电池组定期过充，过充时产生的气体搅拌电解液防止了较浓物质在电池底部“分层”。然而，过充或“均衡充电”也保证了蓄电池组中较差的电池得到充足电的机会。恒压充电法是充电电源的电压在全部充电时间里保持恒定的方法。随着蓄电池端电压的逐渐升高，电流逐渐减少。与恒流充电法相比，其充电过程更接近于最佳充电曲线。用恒定电压充电速度快，由于充电初期蓄电池电动势较低，充电电流很大，随着充电的进行，电流将逐渐减少。因此，只需简易控制系统。这种充电方法电解水很少，避免了蓄电池过充。但在充电初期电流过大，对蓄电池寿命造成很大影，且容易使蓄电池极板弯曲，造成电池报废。鉴于这种缺点，恒压充电很少使用，只有在充电电源电压低而电流大时采用。例如，汽车运行过程中，蓄电池就是以恒压充电法充电的。图2.7 二阶段法充电特性以上是两种简单的开环充电控制法，若引入适当的传感器，可将以上两方法结合起来阶段充电法。阶段充电法包括二阶段充电法和三阶段充电法。二阶段法采用恒电流和恒电压相结合的快速充电方法，如图所示28所示。先以恒电流充电至预定的电压值，然后，改为恒电压完成剩余的充电。三阶段充电法在充电开始和结束时采用恒电流充电，中间用恒电压充电。当电流衰减到预定值时，由第二阶段转换到第三阶段。太阳能电池板和蓄电池配置计算公式以下提供太阳能电池板和蓄电池配置计算公式： 1. 首先计算出电流如：12V蓄电池系统； 30W的灯2只，共60瓦。 电流 60W12V 5 A 2. 计算出蓄电池容量需求如：路灯每夜累计照明时间需要为满负载 7小时（h）； （如晚上8：00开启，夜11：30关闭1路，凌晨4：30开启2路，凌晨5：30关闭） 需要满足连续阴雨天5天的照明需求。（5天另加阴雨天前一夜的照明，计6天） 蓄电池 5A 7h （ 51）天 5A 42h 210 AH 另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90左右；放电余留20左右。 所以210AH也只是应用中真正标准的70左右。 3. 计算出电池板的需求峰值（WP）a. 路灯每夜累计照明时间需要为 7小时（h）； 电池板平均每天接受有效光照时间为4.5小时（h）； 最少放宽对电池板需求20的预留额。 WP17.4V （5A 7h 120） 4.5h WP17.4V 9.33 WP 162（W） b. 4.5h每天光照时间为长江中下游附近地区日照系数。 另外在太阳能路灯组件中，线损、控制器的损耗、及镇流器或恒流源的功耗各有不同，实际应用中可能在5-25左右。所以162W也只是理论值，根据实际情况需要有所增加。图2.8 光伏充电流程图2.4 太阳能路灯方案2.4.1相关组件选择24VLED：选择LED照明，LED灯使用寿命长，光照柔和，价格合理，可以在夜间行人稀少时段实现功率调节，有利于节电，从而可以减少电池板的配置，节约成本。每瓦80-105lm左右，光衰小于年5； 12V 蓄电池（串24V）：选择铅酸免维护蓄电池，价格适中，性能稳定，太阳能路灯首选； 12V电池板（串24V）：转换率15以上单晶正片； 24V控制器：MCT充电方式、带调功功能（另附资料）； 6M灯杆（以造型美观，耐用、价格便宜为主） 一、 40瓦备选方案配置一(常规)1 LED灯，单路、40W，24V系统； 2 当地日均有效光照以4h计算； 3每日放电时间10小时，（以晚7点晨5点 为例） 4满足连续阴雨天5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）。 电流 40W24V 1.67 A 计算蓄电池 1.67A 10h （51）天 1.67A 60h100 AH 蓄电池充、放电预留20容量；路灯的实际电流在2A以上（加20 损耗，包括恒流源、线损等） 实际蓄电池需求100AH 加20预留容量、再加20损耗 100AH 80% 120% 150AH 实际蓄电池为24V /150AH，需要两组12V蓄电池共计：300AH 计算电池板1 LED灯 40W、 电流：1.67A 2每日放电时间10小时（以晚7点晨5点 为例） 3电池板预留最少20 4当地有效光照以日均4h计算 WP17.4V （1.67A 10h 120） 4 h WP 87W 实际恒流源损耗、线损等综合损耗在20左右 电池板实际需求87W 120 104W 实际电池板需24V /104W，所以需要两块12V电池板共计：208W 综合组件价格：正片电池板208W，31元/瓦， 计 6448元 蓄电池300AH ，7元/AH 计：2100元 40W LED灯： 计：1850元 控制器（只） 150元 6米 灯杆 700元 本套组件 总计：11248元 二、 40瓦备选方案配置二（带调节功率）1 LED灯，单路、40W，24V系统。 2 当地日均有效光照以4h计算， 3 每日放电时间10小时，（以晚7点晨5点 为例）通过控制器夜间 分时段调节LED灯的功率，降低总功耗，实际按每日放电7小时计算。 （例一：晚7点至11点100功率，11点至凌晨5点为50功率。合计：7h） （例二：7：0010：30为100，10：304：30为50，4：305：00为100） 4、满足连续阴雨天5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）。 电流 40W24V 1.67 A 计算蓄电池 1.67A 7h （51）天 1.67A 42h 70 AH 蓄电池充、放电预留20容量；路灯的实际电流在2A以上（加20 损耗，包括恒流源、线损等） 实际蓄电池需求70AH 加20预留容量、再加20损耗 70AH 80% 120% 105AH 实际蓄电池为24V /105AH，需要两组12V蓄电池共计：210AH 计算电池板1、 LED灯 40W、 电流：1.67A 2、每日放电时间10小时，调功后实际按7小时计算（调功同上蓄电池） 3、电池板预留最少20 4、当地有效光照以日均4h计算 WP17.4V （1.67A 7h 120） 4 h WP 61W 实际恒流源损耗、线损等综合损耗在20左右 电池板实际需求61W 120 73W 实际电池板需24V /73W，所以需要两块12V电池板共计：146W 综合组件价格：正片电池板146W， 蓄电池210AH 40W LED灯： 控制器（只） 6米 灯杆 三、40瓦备选方案三（带调节功率、带恒流）采用自带恒流、恒压、调功一体控制器降低系统功耗、降低组件成本。 （实际降低系统总损耗20左右，以下以15计算） 1、LED灯，单路、40W，24V系统。 2、当地日均有效光照以4h计算， 3、每日放电时间10小时，（以晚7点晨5点 为例）通过控制器夜间 分时段调节LED灯的功率，降低总功耗，实际按每日放电7小时计算。 （例一：晚7点至11点100功率，11点至凌晨5点为50功率。合计：7h） （例二：7：0010：30为100，10：304：30为50，4：305：00为100） 4、满足连续阴雨天5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）。 电流 40W24V 1.67 A 计算蓄电池 1.67A 7h （51）天 1.67A 42h 70 AH 蓄电池充、放电预留20容量；路灯的实际电流小于1.75A（加5 线损等） 实际蓄电池需求70AH 加20预留容量、再加5损耗 70AH 80% 105% 92AH 实际蓄电池为24V /92AH，需要两组12V蓄电池共计：184AH 计算电池板1、LED灯 40W、 电流：1.67A 2、每日放电时间10小时，实际按7小时计算（调功同上蓄电池） 3、电池板预留最少20 4、当地有效光照以日均4h计算 WP17.4V （1.67A 7h 120） 4 h WP 61W 实际线损等综合损耗小于5 电池板实际需求122W 105 64W 实际电池板需24V /64W，所以需要两块12V电池板共计：128W 综合组件价格：正片电池板128W，31元/瓦， 计：3968元 蓄电池184AH ，7元/AH 40W LED灯： 控制器（只） 6米 灯杆2.5 逆变器的工作方式图2.9 光伏系统的逆变器主拓扑结构系统采用单相桥式逆变的拓扑结构，如图51所示，Q1-Q4是功率器件，组成逆变桥，D1-D4是对应的反并联二极管。系统采用了工频变压器来保证逆变电压和电网电压的适配，并且使电网电压和系统相隔离。图中C1，L3，C2组成了直流侧的兀型滤波器用来滤除直流侧两倍于电网频率的电压纹波；L1，C3，L2组成了交流侧的T型滤波器，用来滤除交流侧的电流谐波，从而保证并网电流的品质。太阳电池输出的直流电能经过逆变后，输出和电网电压同频、同相的交流电流，从而既向负载供电，又向电网输送电能。系统根据太阳电池输出电压和功率的大小来判断昼夜，日出而