【正文】 。再一種趨向是研發(fā)包括以量子點為基礎(chǔ)的高效電池、有機電池等，但這類電池的研發(fā)目前還處于概念性階段。一種趨向是研發(fā)轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽能電池，但會大幅度增加生產(chǎn)成本。這種多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)為：從底至上，分別為鍺、磷化銦、砷化鎵三層結(jié)構(gòu)。與晶體硅片電池相比，薄膜型太陽電池的特點在于它所采用的半導體層更薄。多晶硅太陽能電池與單晶硅比較，由于所使用的硅遠比單晶硅少，其成本遠低于單晶硅電池，具有獨特的優(yōu)勢。單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它們的具體比較如下[11]：（1）晶體硅片電池 晶體硅片電池被稱為第一代太陽能電池。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”。從物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來講，物質(zhì)的導電性是由電子運動引起的。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。 圖21 太陽能路燈系統(tǒng)的典犁結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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。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。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。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(cè)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。目前，薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率達到６﹪～８﹪，近兩年可達到10﹪～12﹪，五年內(nèi)有望達到18﹪，其功率衰退問題也已解決。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(shù)。由于太陽能電池板輸出的是直流電能，而LED也是直流驅(qū)動光源，兩者的結(jié)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]。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)成為目前各國都在研究的重大課題。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?，F(xiàn)在的能源結(jié)構(gòu)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。本文主要研究光伏發(fā)電路燈系統(tǒng)管理控制器的設(shè)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。題目類型（ 254。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）太陽能供電LED路燈智能控制器研究***燕 山 大 學年 月 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）太陽能供電LED路燈智能控制器研究學院（系）：里仁學院電氣 工程系專 業(yè)： 應用電子 學生 姓名： *** 學 號：*** 指導 教師： *** 答辯 日期： 燕山大學畢業(yè)設(shè)計(論文)任務(wù)書學院：里仁學院 系級教學單位： 電氣工程系 學號***學生姓名***專 業(yè)班 級應電08題目題目名稱太陽能供電LED路燈智能控制器研究題目性質(zhì)：工程設(shè)計 （ ）；工程技術(shù)實驗研究型（ ）；理論研究型（ ）；計算機軟件型（ ）；綜合型（ 254。 ） （ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實際（ ）自選題目（ 254。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作方式，設(shè)計了包括充放電管理與保護和LED 的驅(qū)動控制。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]。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(guān)注的熱點問題，對各種可再生綠色能源發(fā)電技術(shù)的研究正在迅速發(fā)展。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(shù)，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(zhuǎn)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(shè)輸電線路，可以方便地與建筑物相結(jié)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(lǐng)域[4]。 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 光伏發(fā)電技術(shù)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(zhuǎn)換效率；二是降低生產(chǎn)成本。繼晶體硅和薄膜電池之后，一些新概念、新結(jié)構(gòu)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(nèi)阻，使得光伏轉(zhuǎn)換效率的上限有望獲得新的提升。薄膜電池對弱光的轉(zhuǎn)化率十分高，即使在陰天照樣能夠發(fā)電。通過研究不同的電路拓撲結(jié)構(gòu)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)。第三代控制器是具有兩路調(diào)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(guān)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(diào)節(jié)。第2章 太陽能路燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成和特性 太陽能路燈系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 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。[7] 太陽能電池太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光能通過半導體物質(zhì)轉(zhuǎn)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。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應( Photovoltaic Effect) ”，簡稱“光伏效應”。太陽電池是利用半導體內(nèi)部的光電效應，當太陽光照射到一種稱為“PN 結(jié)”的半導體上時，波長極短的光很容易被半導體內(nèi)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]。如果將此PN結(jié)兩端與外部負載相連構(gòu)成回路，就會形成電流并產(chǎn)生一定的輸出功率。純硅含有極少量的諸如硼和磷之類的元素。它的轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯位的明顯缺陷，造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換率一直無法突破20﹪的關(guān)口， 低于單晶硅電池。晶體硅片電池的半導體層厚度為170～200μm，而薄膜型太陽電池的半導體層厚度為2～3μm。高效多結(jié)電池的這種結(jié)構(gòu)，可使光電轉(zhuǎn)換率達到40﹪。目前太陽能電池轉(zhuǎn)換效率處于領(lǐng)先水平的磷化銦、砷化鎵多結(jié)電池也只有40. 8﹪。量子點，又稱納米晶、“人造原子”，是準零維的納米材料，由少量原子組成，其粒徑一般介于1～10μm。 圖22 太陽能電池等效電路由圖中各物理量的關(guān)系，可得光伏電池的輸出特性方程為 (21)式中 ——光伏電池輸出電流； ——光伏電池的光生電流； V——光伏電池輸出電壓； ——光伏電池反向飽和電流； ——光伏電池的內(nèi)阻； ——光伏電池的并聯(lián)電阻； T——光伏電池溫度； K——玻爾茲曼常數(shù)，值為J/K； q——電荷量，值為C；n——二極管因子。（2）遠小于二極管正向?qū)娮?，所以假設(shè)。圖2圖25是太陽能電池陣列在溫度為25℃時，日照強度分別為1000W/㎡、900W/㎡、800W/㎡下表現(xiàn)出的IU和PU特性。蓄電池作為整個太陽能路燈系統(tǒng)的儲備能源，它是整個太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。普通蓄電池的瓦時效率是隨使用時間而變化的，新的鉛酸蓄電池的瓦時效率可以達到90% ，舊的鉛酸蓄電池瓦時效率只有90%；再者，蓄電池的瓦時效率是指25℃條件下的效率，當環(huán)境溫度在零下或者40℃以上時實際效率要下降許多，蓄電池的效率往往不被大家注意，其實它對于獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)非常重要。（4）充電放電循環(huán)次數(shù)多 充電放電循環(huán)次數(shù)多，實際上的表現(xiàn)為使用壽命長，這是一個非常重要的指標。量化的概念是：存儲1kW在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)使用鎳鎘或鎳氫蓄電池情況比較多，鋰電池由于成本以及對充放電控制要求較高的原因，目前在太陽能光伏系統(tǒng)中應用還很少。在充電電流的作用下，水分子被分解為氫離子(H+)和氫氧離子(OH一)。同時，負極板上的和正極板在外加電場的作用下輸送來的電子結(jié)合而還原成Pb；電解質(zhì)溶液的H+與結(jié)合，生成。若在蓄電池兩端接上負載，則在蓄電池的電動勢作用之下產(chǎn)生電流。整個過程將引起蓄電池電動勢的下降。循環(huán)壽命按照蓄電池每次放電深度與其可循環(huán)使用的次數(shù)相結(jié)合計算得到。其具體原因分析如下[16]：（1）放電深度 放電深度即使用過程中放電到何種程度開始充電，在蓄電池循環(huán)使用時其壽命主要決定于放電深度。電解液分層是指蓄電池在低過充和深度放電時，電池底部的酸濃度高于頂部酸濃度。（3）小電流放電 蓄電池的放電電流越大，電流在電極上分布越不均勻，電流優(yōu)先分布在離主體電解液最近的表面上，從而在離電極最外的表面優(yōu)先生成。粗大的晶體溶解困難，是不可逆的硫酸鹽化，這將減少蓄電池的容量，而且粗大的晶體顆粒減少了的有效面積，這樣在再充電時會加速蓄電池極板極化，進一步影響蓄電池的壽命。同時在過充電時正極活性物質(zhì)會遭氣體的沖擊，將使活性物質(zhì)脫落，此外正極板柵合金也會遭到嚴重的陽極氧化而腐蝕，因此電池過充電會使蓄電池壽命減小。（5）溫度影響 溫度對鉛酸蓄電池的電解液粘度和電阻有很大的影響， 當電解液溫度升高時其擴散增加、電阻降低，因此蓄電池的容量及活性物質(zhì)利用率隨溫度增加而增加。有資料顯示，對于鉛鈣合金板柵蓄電池正常工作溫度每提高8 ℃，蓄電池浮充壽命減少一半。（2）充電率非常小，平均充電電流一般為C/50～ C/ 100 ，很少達到C/ 5～ C/ 10。（5）除了大型的太陽能電站有專門的放置蓄電池的房間，能做到比較好的維護，其他的小型太陽能光伏系統(tǒng)比如太陽能路燈、太陽能草坪燈等蓄電池工作環(huán)境比較惡劣，夏季高溫和冬季低溫工作也是如此。現(xiàn)在已經(jīng)應用的太陽能LED照明系統(tǒng)有太陽能路燈、太陽能草坪燈等，以及太陽能室內(nèi)半導體照明系統(tǒng)。（2）節(jié)能 LED具有電壓低、電流小、亮度高的特性，～1W。（5）光色多 可以選擇白色或彩色光，如藍色、綠色、黃色、紅色，LED燈有許多顏色的產(chǎn)品供用戶選擇，也可根據(jù)需要組合變色。半導體PN 結(jié)發(fā)光實質(zhì)為固體發(fā)光，而各種固體發(fā)光都是固體內(nèi)不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結(jié)果。從結(jié)構(gòu)來分，白光LED 分為單芯片型、多芯片型(雙芯片型和三芯片型)，各種不同結(jié)構(gòu)類型LED特點如下[19]：（1）多芯片型，直接將紅、綠、藍三種顏色的LED芯片組成一組，實現(xiàn)白光。（3）單芯片型中在紫外LED 芯片里涂敷紅、綠、藍三基色熒光粉，熒光粉被紫外光激發(fā)產(chǎn)生白光。我們選擇200～300Hz 的開關(guān)頻率來進行PWM 亮度調(diào)節(jié)，這是因為人眼無法分辨超過40Hz 的頻率的變化，而太高的頻率又會引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調(diào)節(jié)非線性。（3）PWM 方式使用控制電路實現(xiàn)起來也比較容易 白光LED燈的驅(qū)動方式白光LED的驅(qū)動方式由它的工作特性決定，其工作特性為[21]：（1）LED是單向?qū)щ娖骷?，由于這個特點，要用直流電流或者單向脈沖電流給LED供電。因此，流過LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。LED的光通量隨著流過LED的電流增加而增加，但卻不成正比，越到后來光通量增加得越少。(1)電阻限流驅(qū)動方式，如圖28所示，在蓄電池和LED 通過串接一個電阻限流，這種方式是通常的LED 驅(qū)動方式，廣泛應用LED 指示電路。圖28 電阻限流驅(qū)動方式 圖29 恒流源驅(qū)動方式比較兩種驅(qū)動方式的優(yōu)缺點，第二種方式更適合于太陽能半導體照明。在幾個組成部分中，控制器的作用是對系統(tǒng)運行狀態(tài)(太陽能電池電壓Voc，蓄電池端電壓Vba，環(huán)境溫度T等)進行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，控制整個系統(tǒng)充放電回路的狀態(tài)，保證供電系統(tǒng)充放電合理，盡量減小對蓄電池的損害，能在長期無人值守的情況下可靠地運行，配以少量外圍電路，組成一個實用控制系統(tǒng)。太陽能的電池板端電壓與外界光照條件有很大的關(guān)系，因為一天之中光照強度時不斷變化，所以太陽能電池板的端電壓也是不斷變化的:早晨和傍晚電池板的端電壓低，中午左右端電壓最高。過流、短路保護主要是通過檢測電流值來判斷，當電流值達到一定值時就切斷電路，達到保護的目的。第3章 蓄電池充電方式分析 常用充電方法比較 在獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池的充電控制方對系統(tǒng)性能有至關(guān)重要的影響。這種方法適合于多個鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢復，最好用于小電流長時問的允電模式。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必調(diào)整電流。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因為這種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流不會太大，而且這種系統(tǒng)中鉛