【正文】 光。（7）不會造成光污染 很多建筑用泛光燈做立面照明，泛光燈的最大缺點是對行人和樓內(nèi)住戶有可能造成光污染，而LED做立面照明是把燈具直接安裝在建筑物外墻的高處，光是向樓外照射，對行人和住戶都不會造成光污染。其主要優(yōu)點為[18]：（1）高效 白熾燈、鹵鎢燈光效為12～24lm/W，熒光燈光效為50～120lm/W。（3）放電電流小，放電率通常為C/ 20～ C/240 ，時間長、頻率高， 蓄電池通常處于放電狀態(tài)，有時候甚至形成過放電。低溫( 5 ℃) 時，電池容量隨溫度降低而減小，低溫還會導致負極活性物質(zhì)利用率下降，影響蓄電池容量，如電池在 10 ℃環(huán)境溫度下放電時，負極板容量僅達35 %額定容量。（4）過充電 過充電會導致電解液中的水電離，于是陰極上會產(chǎn)生氫氣和陽極上產(chǎn)生氧氣。硫酸鹽化是指在負極柵板上形成一種粗大、難于接受充電的結(jié)晶，蓄電池容量減少，此現(xiàn)象又稱為不可逆硫酸鹽化。蓄電池的使用時間壽命按照標準條件下(氣候條件等同)以浮充狀態(tài)進行衡量，目前工業(yè)使用的鉛酸蓄電池的時間壽命一般均在10年以上[15]。在蓄電池外部，在蓄電池電動勢作用下，負極上的負電荷源源不斷地經(jīng)過負載流向正極。與正極板附近的OH一發(fā)牛反應而生成。[14] 蓄電池種類現(xiàn)在在太陽能光伏系統(tǒng)中常用的蓄電池有：鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池。即使對于有MPPT（最大輸出功率點跟蹤）的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)或者是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于有了比較平坦的充電特性曲線，MPPT里面的DC/DC變換器的電壓差可以做到最小，所以跟蹤效率將有所提高。由曲線可以看出太陽能電池板的輸出特性具有以下特點：（1）太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時近似為恒壓源；（2）開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強度成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強和溫度成非線性變化；（3）輸出功率在某一點達到最大值，該點即為太陽能電池板的最大功率點（MPP）且隨著外界環(huán)境的變化而變化。（2）工程數(shù)學模型 為便于工程的分析和應用，文獻[13,29]提出了一種可以滿足絕大多數(shù)工程項目要求的工程用數(shù)學模型，這種數(shù)學模型僅采用太陽能電池生產(chǎn)廠商提供的幾個在標準測試條件(日照強度w/㎡，電池溫度=25℃)下的重要參數(shù)：短路電流、開路電壓、最大功率點電流和最大功率點電壓。比如:染料敏化電池，這種電池的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率僅為10﹪，但其制作材料簡單，生產(chǎn)成本低廉。（3）高效多結(jié)電池 第二代太陽電池的另一種類型是高效多結(jié)電池，其主要采用《元素周期表》中第三價和第五價元素的化合物。此外 倒金字塔技術、雙層減反射膜技術以及陷光理論的完善也是高效晶硅電池發(fā)展的主要原因。太陽能電池主要有以下幾種類型：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等[6]。物質(zhì)根據(jù)導電性分為：導體，半導體和絕緣體。太陽能路燈系統(tǒng)實質(zhì)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(gòu)成如下圖21所示。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。[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。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。氣候異常，臭氧層空洞擴大，酸雨頻發(fā)，等惡果。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?，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。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。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。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。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。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。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”。單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關的加工處理工藝基礎上的。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。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。但實際上，光伏電池內(nèi)部存在串聯(lián)電阻和分流電阻，圖22所示為實際光伏電池的等效電路模型。圖23 光伏陣列仿真模型根據(jù)圖23的仿真模型建立了在不同光照強度下或不同溫度下太陽能電池輸出的IU和PU曲線。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大的能量損失在于蓄電池，遺憾的是幾乎沒有一個蓄電池廠家關注這個問題。（6）性價比高 除了以上5個要求以外，性價比要高，過高的價格是沒有市場競爭力的。充電時，在蓄電池正、負極柱上外接充電電源，使正、負極板上經(jīng)過化學反應，把電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來。（2）放電過程 放電過程是允電過程的逆過程，在當蓄電池不接負載的情況下，正負極板各自存在電極電位，在蓄電池內(nèi)部形成了電動勢，但是電極電位各自處于一種平衡狀態(tài)。 在太陽能光伏系統(tǒng)中鉛酸蓄電池壽命影響因素分析蓄電池壽命通常采用循環(huán)壽命和使用時間壽命兩種方式衡量。（2）長期欠充狀態(tài) 由于太陽能資源的隨機性，使得應用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池難以得到完全的再充，蓄電池往往會在一些時間長期處于欠充電狀態(tài)，這將導致蓄電池電解液發(fā)生分層。根據(jù)蓄電池放電時結(jié)晶機理，在大電流放電時生成的晶體顆粒小、數(shù)目多，而在小電流放電時形成的晶體顆粒數(shù)目比較小，尺寸比較大。在光伏系統(tǒng)中蓄電池深度放電后，可以進行均衡充電來減少蓄電池的酸分層。 太陽能光伏系統(tǒng)中的蓄電池應用特點（1）晚上以及陰雨天蓄電池放電， 白天由太陽能電池給蓄電池充電，充電方式屬于循環(huán)、浮充混合工作方式。由于壽命長、發(fā)熱低，在強電中用作信號指示燈也有較長的歷史，在交通信號燈、廣告中也得到了較廣泛的應用。（3）壽命長 白熾燈靠燈絲發(fā)光，鎢絲受熱容易燒斷，發(fā)熱蒸發(fā)沉淀，發(fā)光效率迅速衰減，玻璃外殼極易損壞，通常壽命為1000h，LED利用半導體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能發(fā)光，外加PC材料封裝后，可承受高強度機械沖擊和震動，LED單管壽命為10萬h（4）維修費用低 由于LED光源壽命長、節(jié)能，維修很少，5年以后其一次投資加上運行費用是所有光源中最低的。這兩種方法在實踐中都有運用。（2）脈寬調(diào)制(PWM) 方式LED的響應時間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開關以及高頻運作的場合，因此可以方便地通過周期性的改變脈沖寬度，亦即控制占空比的方式來實現(xiàn)對LED 亮度的調(diào)節(jié)，例如要將亮度減半，只需在50 %的占空周期內(nèi)提供電流就可以實現(xiàn)了。（3）LED的電流一電壓特性是非線性的，流過LED的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動勢減去LED的勢壘電勢后再除以同路的總電阻(電源內(nèi)阻、引線電阻和LED體電阻之和)。恒壓驅(qū)動方式一般是以調(diào)節(jié)工作電流的方式來調(diào)節(jié)照明用發(fā)光半導體的亮度，恒流驅(qū)動方式一般是以脈寬調(diào)制( PWM)方式來調(diào)節(jié)亮度。 太陽能路燈控制器如前所述，一套基本的太陽能路燈系統(tǒng)是由太陽能電池陣列、控制器、蓄電池(組)、路燈構(gòu)成。充電時如果檢測到蓄電池端電壓上升到一定值時進行過充保護，當蓄電池充滿電之后，充電電路自動調(diào)整充電電流或斷開電路；放電時如果檢測到蓄電池端電壓下降到一定值進行過放保護，自動切斷負載。 恒電流充電法恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進行電流調(diào)整使之恒定不變。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。 圖31 馬斯最佳充電曲線按照蓄電池可接受電流特性，采用智能控制的方法，使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對蓄電池影響較小，這樣的控制方法統(tǒng)稱為智能充電控制。PWM方式又可進一步演變成變電流間歇充電法和變電壓間歇充電法。在一定的光照強度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以在不同的電壓輸出，但只有在某一輸出電壓值時，其輸出功率才能達到最大值，即其達到輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點（MPP）因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱之為最大功率點跟蹤(MPPT——Maximum Power Point Tracking)。因此對于四季溫差或日溫差較大的地區(qū)，CVT方式并不能完全跟蹤太陽能電池陣列最大功率點。只要在功率對電壓的導數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在功率對電壓的導數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在導數(shù)等于零或非常接近于零的時候，電壓保持不變即可尋到最大功率點。 最大功率點跟蹤算法仿真本系統(tǒng)采用擾動觀察法，本文建立了具有最大功率點跟蹤控制的MATLAB仿真模型，如圖34所示，模型包括MPPT模塊和降升壓變換器模塊。（4）連續(xù)陰雨天 以秦皇島為例，連續(xù)陰雨天設定為5天。（2）系統(tǒng)可在無人看護的情況下自動切換工作模式，實現(xiàn)獨立工作。第5章 系統(tǒng)的硬件設計 充電電路充電電路由BuckBoost型降升壓電路和環(huán)路開關組成。開關閉合期間能量從電源注入并存于電感L，此時二極管被反偏截止，由濾波電容放電提供負載電流。 放電電路系統(tǒng)的放電回路即LED路燈的供電電路，當進入夜間時，充電回路斷開，蓄電池單獨為LED路燈供電，根據(jù)蓄電池及LED燈的參數(shù)關系，選擇Boost升壓電路作為放電回路的主電路，電流閉環(huán)為LED燈提供恒定的電流。由于二極管D被反偏，負載電流圖56 Boost變換器電路完全由濾波電容通過釋放電荷的形式提供。圖59 電壓采集電路（2）電流采集電路 本文的電流采集電路使用串小電阻的方式，再用一級放大電路將信號處理為AD轉(zhuǎn)換芯片可接受的數(shù)值。整個控制系統(tǒng)以兩種工作流程為主線，即白天的充電流程和夜間的放電流程。之后檢測當前是否為照明設定時間，如果是照明時間，程序轉(zhuǎn)到LED燈照明控制子程序，否則檢測太陽能電池的端口電壓是否大于啟動電壓，若滿足充電條件，則系統(tǒng)對蓄電池充電，否則繼續(xù)對時鐘和太陽能電池輸出電壓進行檢測。= V，如果小于則關斷LED燈。我還要感謝我的父母和家人，是他們在生活和學習上給予的關愛和支持，讓我能順利完成畢業(yè)論文的研究工作。圖61 系統(tǒng)主程序流程圖圖62 充電控制程序流程圖圖63 放電控制流程圖結(jié)論本文對太陽能路燈系統(tǒng)的各部分工作原理及特性進行了介紹，對常用的充電方法、蓄電池保護方式以及LED 驅(qū)動作了研究，并在此基礎上設計了一款集三階段充電法蓄電池充電、充放電保護和LED驅(qū)動控制的控制器。 系統(tǒng)軟件具體設計 充電控制程序?qū)τ谝粋€蓄電池，選擇適當?shù)某潆姺椒ǎ粌H可以提高充電效率，而且能夠延長蓄電池的使用壽命。夜間放電流程主要實現(xiàn)LED的不同放電工作模式，即控制PWM占空比和放電時間的長短。同時在太陽能電池回路中串聯(lián)一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管應該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低[28]。 圖57 開關閉合狀態(tài)等效電路 圖58 開關斷開狀態(tài)等效電路開關閉合的時間越長，電感中的電流也就越大，磁儲能也就越多，因此輸出端的電壓也就越高。其中VT1控制電路輸出電流，VT2控制LED燈的工作模式。圖52 BuckBoost變換器電路圖53 開關閉合時等效電路 圖54 開關斷開時等效電路如果開關閉合時間比較短，電感的磁儲能比較少，那么能向輸出端饋送的能量就少，穩(wěn)態(tài)時輸出端的電壓就維持在一個較低的數(shù)值之上；反之如果開關閉合時間比較長，閉合期間電感L的儲能比較多，則每個周期向輸出端饋送的能量就多一些，穩(wěn)態(tài)時輸出電壓就可以維持在一個比較高的數(shù)值之上。環(huán)路開關作用是接通或者斷開環(huán)路，控制開始或結(jié)束充電并防止蓄電池向太陽能電池反充。（4）蓄電池過放電保護功能 夜晚，蓄電池在控制器的控制下向LED路燈供電，控制器自動切斷LED路燈，避免蓄電池過放電。 光伏電池的參數(shù)計算太陽能電池的容量，由選用的蓄電池組容量與工作地點的日照條件確定，必須保證在平均光照條件下，一天的日照能夠使蓄電池組完全充電。圖35 MPPT模塊原理圖仿真結(jié)果為： 本章小結(jié)本章首先介紹了常用的充電方法，在分析對比了不同方法性能差異的基礎上，設計了三階段充電方法。電導增量法的缺點是：太陽能電池陣列可能存在一個局部的最大功率點，這種算法可能導致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個局部的最大功率點；如同擾動觀察法一樣，電導增量法的變化步長也是固定的，步長過小會使跟蹤速度變慢，太陽能電池陣列較長時間工作在低功率輸出區(qū)；步長太長，又會使系統(tǒng)振蕩加劇，影響跟蹤精度。然后，通過比較干擾周期