【正文】 而有效得補充能量。流程圖如圖61所示。流程圖如圖63所示。本文還對部分電路進行了仿真，結(jié)果基本符合要求，并設計了主要器件的硬件電路。本文根據(jù)太陽能電池的輸出特性和蓄電池的輸入特性，采用最大功率充電(MPPT)、恒壓充電和浮充充電三種充電控制方式。負載工作時，還應時刻檢測負載電路中電流，避免發(fā)生過載或短路，若發(fā)生過載或短路，系統(tǒng)會自動采取相應的措施，保護電路。 本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設計思路，包括主控電路，充電電路，放電電路，信號采集電路及保護電路。這樣，調(diào)節(jié)占空比D就可以調(diào)節(jié)輸出電壓，并可以在輸入變動時穩(wěn)定輸出電壓。圖55 放電回路電路結(jié)構(gòu)圖（1）Boost電路工作原理 Boost型變換器也叫并聯(lián)開關(guān)變換器。因此調(diào)節(jié)占空比D就可以改變輸出電壓，并保持電壓穩(wěn)定。電路結(jié)構(gòu)如圖51所示。（5）LED 路燈自動通斷功能與恒流控制功能[26]。設計時一般是先通過現(xiàn)場實驗，測定單位面積的太陽能電池，在工作地點實際日照條件下不同時間段的輸出電流值，再由此計算平均日照條件下的輸出電流值和平均日照時間值，結(jié)合蓄電池的容量確定需要的太陽能電池板面積。然后闡述了最大功率點跟蹤技術(shù)的基本原理，介紹了幾種常用的跟蹤方法，總結(jié)了其他幾種較為復雜和先進的跟蹤算法。 其他跟蹤方法除上述方法外，MPPT算法還包括短路電流法、最優(yōu)梯度法、滯環(huán)比較法、間歇掃描法、實時監(jiān)控法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等。擾動觀察法流程圖如圖33所示。 恒電壓法溫度一定時，在不同的日照強度下，太陽能電池陣列輸出曲線的最大功率點基本是分布在一條垂直線的附近，如圖32所示。所謂MPPT技術(shù)，既在電路中加入DC—DC阻抗變化網(wǎng)絡使太陽能電池輸出恒定在最大功率點。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中因為太陽能電池本身在特定條件下輸出能量有限，無法提供充電初期較大的電流。二階段充電首先對鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，當鉛酸蓄電池充電到達一定容量后，然后采用恒壓充電方式允電。 恒電壓充電法恒壓充電就是以恒定電壓對鉛酸蓄電池進行充電。[10]本文通過實時監(jiān)測蓄電池端電壓、太陽能端電壓、和環(huán)境溫度等值作為控制對象來對光伏系統(tǒng)中蓄電池充電過程進行控制，包括光伏陣列MPPT最大功率點跟蹤控制，恒壓限流充電和浮充控制。工作工程中進行過充、過放保護，過流、短路保護，太陽能電池板、蓄電池反接保護等。通過對電流檢測電阻Rs的兩端電壓進行檢測，若檢測到的電壓偏離控制IC設定的參考電壓，控制IC 輸出PWM 控制信號的脈寬也將發(fā)生改變，控制開關(guān)管的開關(guān)占空比也就發(fā)生變化，而使檢測電阻Rs 上的電壓保持在設定參考電壓上。由于這個特點，LED不能直接用電壓源供電，必須采用限流措施，否則隨著LED工作時溫度的升高，電流會越來越大，以至損壞LED。（2）現(xiàn)在通常使用的大功率白光LED 都是工作在大電流下，因此其在工作時會產(chǎn)生大量的熱量。（2）單芯片型中在藍色LED芯片里涂敷高效黃色熒光粉，藍光及被藍光激發(fā)的熒光粉發(fā)射的黃光經(jīng)調(diào)控后可得到各種色溫的白光。（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(shù)、雙層減反射膜技術(shù)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。 ）。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 。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]。以硅片為基礎的第一代光伏電池，其技術(shù)雖已經(jīng)發(fā)展成熟，但成本一直高居不下。其技術(shù)正在成為太陽能電池主流技術(shù)，與晶體硅太陽能電池技術(shù)并駕齊驅(qū)。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。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]。其具體過程為[10]：平衡態(tài)時PN結(jié)處存在著由N區(qū)指向P區(qū)的勢壘電場。這些元素分別形成空穴型半導體和電子型半導體，而這兩種半導體一旦接觸將會產(chǎn)生內(nèi)置電場。多晶硅太陽能電池的實驗室以往的最高轉(zhuǎn)換效率為18﹪，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10﹪。但因第三價和第五價元素的材料生產(chǎn)成本居高不下，所以高效多結(jié)電池的應用范圍受到較大限制。預期采用納米技術(shù)的這種材料，在21 世紀有著極大的應用前景?；谝陨霞僭O，光伏電池IV方程簡化為： (22) (23) (24)當日照強度和電池溫度均有變化時，重新計算，然后求出，即可得新的IV特性： (25) (26) (27) (28) (29)式中 ——任意的環(huán)境溫度； K——太陽能電池陣列溫度系數(shù)，℃㎡/Ｗ； T——光伏電池板溫度； S——光照強度； ——實際日照強度與參考日照強度的差值； ——實際電池溫度與參考電池溫度的差值； ——日照強度S下太陽能電池的開路電壓； ——日照強度為S和電池溫度為T時太陽能電池的短路電流； ——照強度為S和電池溫度為T時太陽能電池的最大功率點電流； ——日照強度為S和電池溫度為T時太陽能電池的最大功率點電壓；a，b，c為常值，其典型值為：a=℃，b=，c=℃以上為光伏電池的工程用數(shù)學模型。 光伏發(fā)電對蓄電池的基本要求（1）高瓦時效率 由于太陽電池發(fā)電成本比較高，所以蓄電池的充電、放電效率，是太陽能光伏發(fā)電儲能蓄電池最重要、最基本的技術(shù)指標，但是又是被絕大多數(shù)蓄電池生產(chǎn)企業(yè)所忽視的技術(shù)指標。當然，這里還涉及放電深度問題、使用環(huán)境溫度問題、充放電倍率問題；單體電池串聯(lián)、并聯(lián)的平衡問題等；它們雖然重要，但是目前還不是最重要的問題，許多企業(yè)僅僅在上面某個指標上有所突破，就標稱太陽能光伏蓄電池，是極其不妥的。鑒于鉛酸蓄電池容量大、價格低、自放電率低、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、基本免維護等優(yōu)點，本系統(tǒng)選用鉛酸蓄電池作為儲能元件。從上述分析可知，充電過程總的化學反應為： (212)從上式可知，隨著允電的進行，正極板上的逐漸變成Pb。在氧化還原的反應中，正負極板上的活性物質(zhì)及都不斷地變成硫酸鉛。因為蓄電池正極活性物質(zhì)本身互相結(jié)合不牢，放電時生成，充電時又恢復為而， 倍，因此放電時活性物質(zhì)體積會發(fā)生膨脹，這樣在充放電過程中體積將反復發(fā)生收縮和膨脹，使粒子逐漸松弛，變得易于從板柵上脫落。而的體積比和Pb大，于是放電產(chǎn)物堵塞多孔電極的空口，電解液則不能充分供應電極內(nèi)部的需要，造成電極內(nèi)部物質(zhì)不能得到充分利用，因而大電流放電時會降低蓄電池的放電容量。對于閥控密封鉛酸蓄電池過充電情況會更糟，氣壓過高可能發(fā)生爆炸或使蓄電池槽開裂。低的工作溫度也會對蓄電池的壽命有影響，低溫( 5 ℃)會引起負極失效，溫度波動會加速枝晶短路等等低溫時充電，則會造成氫氣產(chǎn)生，增大內(nèi)部壓力，縮短電池壽命。[16] 白光LED燈 LED燈的簡介LED是英文Light Emitting Diode的縮寫，中譯名為發(fā)光二極管。一個10～12W的LED光源發(fā)出的光能與一個35～50W白熾燈發(fā)出的光能相當。半導體材料的發(fā)光機理決定了單一LED 芯片不可能發(fā)出連續(xù)光譜的白光，必須以其它的方式合成白光。低氣壓熒光燈中利用2537nm 的紫外光激發(fā)熒光粉，但LED中要求三基色熒光粉在更低能量紫外激發(fā)下有較高的發(fā)光效率。（2）LED是一個具有PN結(jié)構(gòu)的半導體器件，具有勢壘電勢，這就形成了導通門限電壓，加在LED上的電壓值超過這個門限電壓時LED才會充分導通。因此，應該使LED在一個發(fā)光效率比較高的電流值下工作。電阻限流驅(qū)動方式雖然電路結(jié)構(gòu)簡單、可靠，然而使用在太陽能半導體照明中有它的明顯不足?？紤]到蓄電池的成本比較大，而且過充電、過放電都會大大縮短鉛酸蓄電池的壽命，所以控制器對系統(tǒng)的保護主要是過充過放保護，同時具有過流、短路、防反接保護。充電控制方法的優(yōu)劣不僅影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，同時也關(guān)系到鉛酸蓄電池的使用壽命。相對恒流充電來說，此法的允電電流自動減少，所以充電過程中析氣量小，允電時問短。 智能充電法．MAS(馬斯)研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而在問歇期，蓄電池經(jīng)化學反應產(chǎn)生的氧氣和氫氣又有時間重新化合而被吸收掉，從而減輕了蓄電池的內(nèi)壓，使下一輪的充電能夠更加順利地進行，使蓄電池可以吸收更多的電量。該充電方法既提高了太陽能電池利用率，保證了充電速度，又避免了充電后期電流過大對蓄電池造成的損害，減少了析氣，提高了充電效率。 圖32 不同日照強度下最大功率點的變化情況恒電壓法具有控制簡單，易于實現(xiàn)，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點，較之不帶CVT的直接藕合要有利得多。其次，難以選擇合適的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，光伏陣列可能長時問工作于低功率輸出區(qū)，步長過大，在最大功率點附近的震蕩又加大。擾動觀察法與增量電導法其算法過程較復雜，精度相對較高，但增量電導法的實現(xiàn)對硬件的要求相對較高，其要求傳感器的精度比較高、系統(tǒng)各個部分響應速度比較快。 蓄電池的參數(shù)計算蓄電池的容量由以下條件確定：（1）LED燈功率 本文選用的LED燈額定功率為21W。它的其他參數(shù)為：，最大功率100W，工作溫度40℃至85℃。而放電電路則采用Boost型升壓電路，實現(xiàn)對LED燈的恒流驅(qū)動。其電路組成如圖52所示。電容C計算公式為： (55)式中 γ——輸出紋波系數(shù)。開關(guān)閉合狀態(tài)和斷開狀態(tài)的等效電路如圖5圖58所示。 信號采集電路（1）電壓采集電路 本系統(tǒng)需要采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，采集電路使用電阻分壓電路，阻值的選擇由被采電壓范圍及AD轉(zhuǎn)換芯片的參考電壓決定，電容C起濾波作用。在白天，周期性的采集太陽能電池和蓄電池的端電壓，系統(tǒng)根據(jù)不同的電壓組合狀態(tài)進入不同的控制流程。系統(tǒng)總體控制如下圖所示。 放電控制程序在LED工作的時候，需要實時檢測蓄電池的電壓，以免蓄電池過放電