【正文】 本科畢業(yè)設計（論文）太陽能供電LED路燈智能控制器研究***摘 要近年來，隨著能源短缺、環(huán)境污染影響的加劇，太陽能作為可再生能源具有清潔性、安全性、資源充足性等優(yōu)點，日益受到廣泛關注。而LED太陽能光伏照明，是太陽能光伏發(fā)電一個重要的應用領域。本文主要研究光伏發(fā)電路燈系統(tǒng)管理控制器的設計問題，首先介紹了太陽能電池、鉛酸蓄電池和LED燈的基本工作原理及特性，研究了太陽能電池的最大功率點跟蹤（MPPT）問題和蓄電池優(yōu)化充放電策略問題。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作方式，設計了包括充放電管理與保護和LED 的驅動控制。還根據(jù)太陽能電池的理論模型和數(shù)學模型應用MATLAB/SIMULINK 工具對太陽能電池進行建模和仿真，并對輸出特性進行了仿真研究 。關鍵詞　充電；最大功率點跟蹤（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 being the public the LED solar illumination, is an important application domain for solar photovoltaic power generation.This paper studies photovoltaic power generation system management controller design basic work principles of solar cells、LED and lead—acid 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 lead—acid 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目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 關于本課題的背景及研究意義 1 國內外技術現(xiàn)狀 2 光伏發(fā)電技術現(xiàn)狀 2 太陽能路燈控制器技術現(xiàn)狀 3 論文主要研究內容 3第2章 太陽能路燈系統(tǒng)的基本構成和特性 4 太陽能路燈系統(tǒng)典型結構 4 太陽能電池 4 太陽能電池基本工作原理 5 太陽能電池的分類及比較 5 太陽能電池的數(shù)學模型 7 太陽能電池的基本特性 9 蓄電池 10 光伏發(fā)電對蓄電池的基本要求 11 蓄電池種類 12 鉛酸蓄電池工作原理 12 在太陽能光伏系統(tǒng)中鉛酸蓄電池壽命影響因素分析 13 太陽能光伏系統(tǒng)中的蓄電池應用特點 16 白光LED燈 16 LED燈的簡介 16 白光LED燈發(fā)光原理 17 白光LED燈的控制方式 18 白光LED燈的驅動方式 19 太陽能路燈控制器 21 本章小結 22第3章 蓄電池充電方式分析 23 常用充電方法比較 23 恒電流充電法 23 恒電壓充電法 23 階段充電法 24 智能充電法 24 PWM充電法 24 最大功率點跟蹤原理 25 最大功率點跟蹤方法比較 26 恒電壓法 26 擾動觀察法 27 電導增量法 28 其他跟蹤方法 28 最大功率點跟蹤算法仿真 29 本章小結 30第4章 系統(tǒng)的參數(shù)及總體設計 31 系統(tǒng)相關參數(shù)計算 31 LED燈的參數(shù)計算 31 蓄電池的參數(shù)計算 31 光伏電池的參數(shù)計算 31 系統(tǒng)總體要求 32 硬件設計方案 32 本章小結 33第5章 系統(tǒng)的硬件設計 34 充電電路 34 放電電路 36 信號采集電路 38 保護電路 38 本章小結 39第6章 控制器的軟件開發(fā) 40 系統(tǒng)軟件設計概述 40 總體設計 40 總體軟件流程 40 系統(tǒng)軟件具體設計 40 充電控制程序 40 放電控制程序 41結論 44參考文獻 45致謝 47附錄1 48附錄2 53附錄3 57附錄4 64第1章 緒論 關于本課題的背景及研究意義能源是當今世界存在和保持發(fā)展的核心動力，隨著社會生產(chǎn)的擴大、科技的發(fā)展、人口的增長等，對能源的需求也在不斷增長，當今世界已經(jīng)面臨著能源需求量成倍增長的挑戰(zhàn)，全球范圍內的能源危機也日益突出。現(xiàn)在的能源結構中，人類所利用的煤、石油和天然氣等化石能源，由于近百年來基本趨于穩(wěn)定增長態(tài)勢的消耗，總有一天將達到極限而面臨枯竭。根據(jù)目前已探明的儲量與年開采量計算，它們尚可開采的年限分別是：石油40年、天然氣50年、煤炭240年[1]。不僅如此，化石能源的大量使用還造成了全球的環(huán)境惡化。氣候異常，臭氧層空洞擴大，酸雨頻發(fā)，等惡果。由化石能源的消耗所產(chǎn)生的大量二氧化碳是導致地球溫室效應的最主要原因，目前全世界每天產(chǎn)生的溫室效應氣體以億噸計，如果不加以控制，氣溫持續(xù)走高，兩極冰山融化，海平面上升，連人類生活的空間都將面臨極大威脅。因此，開發(fā)利用可再生的綠色能源以逐步減少和替代化石能源，保護好人類賴以生存的地球環(huán)境與生態(tài)，已經(jīng)成為一個引起世界各國普遍關注的熱點問題，對各種可再生綠色能源發(fā)電技術的研究正在迅速發(fā)展。在目前所研究的替代能源中，太陽能以其取之不盡、用之不竭且無任何污染的獨特優(yōu)勢，成為國際上公認的理想替代能源[2]。目前太陽能發(fā)電有兩種方法[3]：一種是將太陽能轉換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽能熱發(fā)電；另一種是通過光電器件利用光生伏打原理將太陽能直接轉換為電能，稱為太陽能光伏發(fā)電。太陽能光伏發(fā)電技術成為目前各國都在研究的重大課題。太陽能光伏發(fā)電是一種不需燃料、無污染獲取電能的高新技術，具有許多優(yōu)點，如:安全可靠、無噪聲，能量隨處可得，不受地域限制，無機械轉動部件，故障率低，維護簡便，可以無人值守，建站周期短，規(guī)模大小隨意，無需架設輸電線路，可以方便地與建筑物相結合等，因此，在太陽能的有效利用中，光伏發(fā)電是近些年來太陽能眾多利用方式中發(fā)展最快、最具活力的研究領域[4]。在光伏太陽能應用領域，太陽能照明占有重要的地位和份額，而LED太陽能路燈是一個具體而有價值的應用。有資料顯示，每年用于照明的電力在3000億度以上，若采用LED照明，每年就可以節(jié)約1/3的照明用電，基本上相當于總投資規(guī)模超過2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量。由于太陽能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅動光源，兩者的結合更能提高整個系統(tǒng)的效率，降低市政成本，所以LED太陽能路燈越來越受到人們的重視[5]。 國內外技術現(xiàn)狀 光伏發(fā)電技術現(xiàn)狀 光伏電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中基本核心部件，它的大規(guī)模應用需要解決兩大難題：一是提高光電轉換效率；二是降低生產(chǎn)成本。以硅片為基礎的第一代光伏電池，其技術雖已經(jīng)發(fā)展成熟，但成本一直高居不下?；诒∧ぜ夹g的第二代光伏電池中，很薄的光電材料被鋪在非硅材料的襯底上，大大減少了半導體材料的消耗，且易于批量自動化生產(chǎn)，從而大大降低光伏電池的成本。國際上已經(jīng)開發(fā)出電池效率在15﹪以上、組件效率10﹪以上和系統(tǒng)效率8﹪以上、使用壽命超過15年的薄膜電池工業(yè)化生產(chǎn)技術。繼晶體硅和薄膜電池之后，一些新概念、新結構的電池，通過減少非光能耗，增加光子有效利用以及減少光伏電池內阻，使得光伏轉換效率的上限有望獲得新的提升。目前許多研究人員把目光投向了以先進薄膜制造技術為基礎的，理論極限光電轉換效率最高可達93﹪的第三代太陽能電池，主要有量子點、多層多結、染料敏化太陽能電池、有機聚合物電池、納米結構電池等，這些新型太陽能電池目前正圍繞提高光電轉換光電效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標展開研發(fā)。[4]整體上看，我國不但在太陽能電池生產(chǎn)能力上進入國際先進行列，而且在薄膜太陽能電池的研究開發(fā)上達到國際先進水平，同時還在新的有機納米晶太陽能電池的研究中取得國際領先成果。目前，薄膜電池的轉換效率達到６﹪～８﹪，近兩年可達到10﹪～12﹪，五年內有望達到18﹪，其功率衰退問題也已解決。薄膜電池對弱光的轉化率十分高，即使在陰天照樣能夠發(fā)電。其技術正在成為太陽能電池主流技術，與晶體硅太陽能電池技術并駕齊驅。[6] 太陽能路燈控制器技術現(xiàn)狀在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電源控制器是整個系統(tǒng)的核心組成部分，負責對儲能設備的充電和對負載的放電任務。目前日本、德國、美國等發(fā)達國家對于獨立光伏系統(tǒng)電源控制器的研究主要側重在以下三個方面：提高太陽能電池的輸出功率、完善蓄電池充電策略和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。通過研究不同的電路拓撲結構和先進的控制算法，在太陽光強度、太陽能電池溫度以及負載改變的情況下，盡可能使太陽能電池時刻保持最大輸出功率狀態(tài)。即實現(xiàn)最大功率點跟蹤。蓄電池充電策略直接影響到蓄電池的壽命，研究智能化的充電方法，提高蓄電池的充電接受率，減少充電時間，對于整個光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有重要意義。獨立光伏系統(tǒng)的應用環(huán)境一般比較惡劣，如何提高系統(tǒng)穩(wěn)定性也是當前所有光伏電源控制器研究者最急需解決的問題之一。第三代控制器是具有兩路調節(jié)功率的控制器，現(xiàn)已被廣泛推廣，在夜間行人稀少時段可以自動關閉一路或兩路照明，節(jié)約用電，還可以針對LED燈進行功率調節(jié)。并具有對蓄電池等組件的保護功能，像具有涓流充電模式的控制器就可以很好的保護蓄電池，增加蓄電池的壽命。 論文主要研究內容本論文以獨立太陽能路燈系統(tǒng)為例，針對太陽能路燈系統(tǒng)的充分利用太陽能電池，對蓄電池的保護，LED路燈工作方式切換等問題，研究設計了一種基于51單片機的太陽能光伏電源控制器。本文在太陽能電池對蓄電池的充電方式、控制器的功能要求方面做了分析，完成了算法研究和軟件編制，實現(xiàn)了對蓄電池的科學管理。第2章 太陽能路燈系統(tǒng)的基本構成和特性 太陽能路燈系統(tǒng)典型結構 新能源的利用已快速進入我們的生活，太陽能路燈系統(tǒng)的應用前景更是非常廣闊。太陽能路燈以太陽光為能源，且無需鋪設復雜、昂貴的管線，安全節(jié)能無污染，工作全程采用自動控制，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省能源，免維護，太陽能路燈的實用性已充分得到人們的認可。太陽能路燈系統(tǒng)實質上是一個小型的獨立光伏系統(tǒng)，一般由太陽能電池組、蓄電池、控制器和燈具組成，系統(tǒng)構成如下圖21所示。 圖21 太陽能路燈系統(tǒng)的典犁結構在典型的太陽能路燈系統(tǒng)中，太陽能電池是整個系統(tǒng)能源的來源，它把照射到其表面的太陽能轉化為電能；蓄電池的功能在于儲存太陽能電池陣列受光照時所發(fā)出的電能，并在無光照時向負載供電：燈具一般都采用白光LED，更是體現(xiàn)了“綠色照明”的環(huán)保概念；控制器是整個系統(tǒng)的核心部件之一，其運行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運行。[7] 太陽能電池太陽能電池是利用光電轉換原理使太陽的輻射光能通過半導體物質轉變?yōu)殡娔艿囊环N器件，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的最基本組成單元，是整個系統(tǒng)的能量源泉。太陽能電池作為有潛力的可再生能源，多年來其產(chǎn)量一直以每年10﹪到25﹪的增長率在增加，目前主要應用領域包括航空航天、軍事以及民用消費品等[8]。 太陽能電池基本工作原理光伏發(fā)電是利用半導體材料光伏效應直接將太陽能轉換為電能的一種發(fā)電形式。早在1839年，法國科學家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應( Photovoltaic Effect) ”，簡稱“光伏效應”。然而，第一個實用單晶硅光伏電池(Solar Cell) 直到1954年才在美國貝爾實驗室研制成功，從此誕生了太陽能轉換為電能的實用光伏發(fā)電技術[4]。物質根據(jù)導電性分為：導體，半導體和絕緣體。從物質內部結構來講，物質的導電性是由電子運動引起的。太陽電池是利用半導體內部的光電效應，當太陽光照射到一種稱為“PN 結”的半導體上時，波長極短的光很容易被半導體內部吸收，并去碰撞硅原子中的“價電子”使“價電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產(chǎn)生電子流動[9]。其具體過程為[10]：平衡態(tài)時PN結處存在著由N區(qū)指向P區(qū)的勢壘電場。當具有適當能量的光子入射于半導體時，光子激發(fā)半導體材料而產(chǎn)生電子一空穴對，勢壘電勢就會推動電子向N型半導體擴散，空穴向P型半導體擴散，并分別聚集于兩個電極部分。N區(qū)積累了過剩的電子，P區(qū)積累了過剩的空穴，于是就產(chǎn)生了一個與勢壘電場方向相反的光生電動勢，這就是“光生伏打效應”。如果將此PN結兩端與外部負載相連構成回路，就會形成電