【正文】 前后太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過(guò)程，如果檢測(cè)到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。[4] 最大功率點(diǎn)跟蹤方法比較最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法很多，目前使用的太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法主要有恒電壓法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法以及其它的一些跟蹤方法。該充電方法實(shí)際上是一種融合了最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)、恒電壓和浮充的三階段充電控制方法。比常規(guī)的充電的時(shí)問(wèn)縮短了很多。 階段充電法階段充電法一般分為二階段和三階段充電，這種方法克服了恒流與恒壓充電的缺點(diǎn)。這種充電方式的不足之處在于：鉛酸蓄電池開(kāi)始充電電流偏小，使整個(gè)充電過(guò)程時(shí)間加長(zhǎng)，在充電后期允電電流又偏大，充電電壓偏高，電池析氣量增加，影響電池壽命?？刂破鬟€可以依據(jù)外界環(huán)境溫度調(diào)整蓄電池充電電流?？刂破餍鑼?duì)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行情況和所處的外部環(huán)境情況進(jìn)行檢測(cè)，包括光強(qiáng)、溫度、充放電電流、蓄電池電壓等，從而來(lái)控制系統(tǒng)的工作方式和保護(hù)系統(tǒng)，如決定系統(tǒng)是否進(jìn)行充電，采用哪種方式充電。(2)恒流源驅(qū)動(dòng)方式，如圖29所示，是由DCDC電路組成的恒流源驅(qū)動(dòng)方式。（4）LED的PN結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高時(shí)LED的勢(shì)壘電勢(shì)降低。比較以上兩種亮度調(diào)節(jié)方式，使用第二種方式更合適于半導(dǎo)體照明，原因是: （1）在某個(gè)特定的正向電流下LED 能顯示出最純的白光，隨著工作電流偏離這個(gè)值，白光LED 發(fā)出的光可能偏藍(lán)或偏紫，因此通過(guò)改變LED 工作電流的方式調(diào)節(jié)會(huì)使光的顏色發(fā)生偏移，而使用PWM 控制方式則不會(huì)有這樣的問(wèn)題。其安裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且各色LED 的驅(qū)動(dòng)電壓、發(fā)光效率、配光特性不同，溫度特性也存在差異。（6）可控制性 由于LED燈可以基本做到瞬間接通發(fā)光，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件和控制器，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)LED燈的顏色和圖形的各種變化。近幾年，隨著各地城市景觀照明項(xiàng)目的越來(lái)越多，LED照明產(chǎn)品市場(chǎng)需求日益擴(kuò)大[17]。 ( C : 用來(lái)表示電池充放電時(shí)電流大小的比率)。在環(huán)境溫度10～45 ℃范圍內(nèi)，鉛酸蓄電池容量隨溫度升高而增加，如閥控密封鉛蓄電池在40 ℃下的放電電量比在25 ℃下放電的電量大10 %左右，但是，超過(guò)一定溫度范圍情況將發(fā)生變化，如在環(huán)境溫度45～50 ℃條件下放電，蓄電池容量明顯減小。在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中，蓄電池放電電流通常非常小，所以在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中一般要規(guī)定比較高的放電終止電壓來(lái)減小蓄電池小電流放電的影響。極板上硫酸濃度的不同分布將導(dǎo)致正極板腐蝕和膨脹，負(fù)極板底部硫酸鹽化。蓄電池的放電深度越大，其相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)也就越少。電解質(zhì)發(fā)生電解所示： (213)在蓄電池內(nèi)部，正離子通過(guò)溶液向正極遷移，負(fù)離子以相反方向向負(fù)極遷移。H+在外電場(chǎng)作用下向負(fù)極板遷移，OH一向正極板遷移，同時(shí)正負(fù)極板上的硫酸亦發(fā)生分解，即： (210)正極板上的在外電場(chǎng)的作用下釋放出電子而形成。h 電能的價(jià)格，它的高低將直接體現(xiàn)出蓄電池的價(jià)格和使用壽命。（2）蓄電池應(yīng)該有比較平坦的充電特性曲線(xiàn) 對(duì)于小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)MPP（最大輸出功率點(diǎn)）的跟蹤，絕大多數(shù)情況是依靠蓄電池對(duì)太陽(yáng)電池組件工作點(diǎn)的鉗位，如果蓄電池的充電特性曲線(xiàn)比較平坦，將有效提高太陽(yáng)電池的利用效率。圖2圖27是太陽(yáng)能電池陣列在日照強(qiáng)度為1000W/㎡時(shí)，溫度分別為25℃、45℃、65℃情況下表現(xiàn)出來(lái)的IU和PU特性。以上是光伏電池的理論模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能電池的理論分析中，但式（21）中參數(shù)，和n難以確定，且不是廠家提供的技術(shù)參數(shù)，不便于工程的分析應(yīng)用。另一種趨向是研發(fā)生產(chǎn)成本較低的電池，雖然降低了生產(chǎn)成本，但其太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率也較低。此外，隨著薄膜光伏技術(shù)的快速發(fā)展，也呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，除微晶體硅薄膜技術(shù)處于發(fā)展中外，其他如碲化鎘電池(CdTe) 、銅銦鎵錫(CIGS)電池等技術(shù)也在逐步發(fā)展起來(lái)，并且開(kāi)始步入商業(yè)化。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23﹪，而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽(yáng)能電池，其效率為15﹪，硅電池進(jìn)展的重要原因之一是表面鈍化技術(shù)的提高。 太陽(yáng)能電池的分類(lèi)及比較太陽(yáng)能電池技術(shù)是太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的主要組成部分。然而，第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池(Solar Cell) 直到1954年才在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功，從此誕生了太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)[4]。太陽(yáng)能路燈以太陽(yáng)光為能源，且無(wú)需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線(xiàn)，安全節(jié)能無(wú)污染，工作全程采用自動(dòng)控制，無(wú)需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省能源，免維護(hù)，太陽(yáng)能路燈的實(shí)用性已充分得到人們的認(rèn)可。即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。目前許多研究人員把目光投向了以先進(jìn)薄膜制造技術(shù)為基礎(chǔ)的，理論極限光電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)93﹪的第三代太陽(yáng)能電池，主要有量子點(diǎn)、多層多結(jié)、染料敏化太陽(yáng)能電池、有機(jī)聚合物電池、納米結(jié)構(gòu)電池等，這些新型太陽(yáng)能電池目前正圍繞提高光電轉(zhuǎn)換光電效率和降低生產(chǎn)成本兩大目標(biāo)展開(kāi)研發(fā)。在光伏太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域，太陽(yáng)能照明占有重要的地位和份額，而LED太陽(yáng)能路燈是一個(gè)具體而有價(jià)值的應(yīng)用。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。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）太陽(yáng)能供電LED路燈智能控制器研究***摘 要近年來(lái)，隨著能源短缺、環(huán)境污染影響的加劇，太陽(yáng)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(diǎn)，日益受到廣泛關(guān)注。根據(jù)目前已探明的儲(chǔ)量與年開(kāi)采量計(jì)算，它們尚可開(kāi)采的年限分別是：石油40年、天然氣50年、煤炭240年[1]。太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種不需燃料、無(wú)污染獲取電能的高新技術(shù)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，如:安全可靠、無(wú)噪聲，能量隨處可得，不受地域限制，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，故障率低，維護(hù)簡(jiǎn)便，可以無(wú)人值守，建站周期短，規(guī)模大小隨意，無(wú)需架設(shè)輸電線(xiàn)路，可以方便地與建筑物相結(jié)合等，因此，在太陽(yáng)能的有效利用中，光伏發(fā)電是近些年來(lái)太陽(yáng)能眾多利用方式中發(fā)展最快、最具活力的研究領(lǐng)域[4]。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(guò)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。通過(guò)研究不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和先進(jìn)的控制算法，在太陽(yáng)光強(qiáng)度、太陽(yáng)能電池溫度以及負(fù)載改變的情況下，盡可能使太陽(yáng)能電池時(shí)刻保持最大輸出功率狀態(tài)。第2章 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成和特性 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 新能源的利用已快速進(jìn)入我們的生活，太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的應(yīng)用前景更是非常廣闊。這種現(xiàn)象后來(lái)被稱(chēng)為“光生伏打效應(yīng)( Photovoltaic Effect) ”，簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏效應(yīng)”。如果將此PN結(jié)兩端與外部負(fù)載相連構(gòu)成回路，就會(huì)形成電流并產(chǎn)生一定的輸出功率。它的轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。晶體硅片電池的半導(dǎo)體層厚度為170～200μm，而薄膜型太陽(yáng)電池的半導(dǎo)體層厚度為2～3μm。目前太陽(yáng)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﹪。 圖22 太陽(yáng)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。圖2圖25是太陽(yáng)能電池陣列在溫度為25℃時(shí)，日照強(qiáng)度分別為1000W/㎡、900W/㎡、800W/㎡下表現(xiàn)出的IU和PU特性。普通蓄電池的瓦時(shí)效率是隨使用時(shí)間而變化的，新的鉛酸蓄電池的瓦時(shí)效率可以達(dá)到90% ，舊的鉛酸蓄電池瓦時(shí)效率只有90%；再者，蓄電池的瓦時(shí)效率是指25℃條件下的效率，當(dāng)環(huán)境溫度在零下或者40℃以上時(shí)實(shí)際效率要下降許多，蓄電池的效率往往不被大家注意，其實(shí)它對(duì)于獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)非常重要。量化的概念是：存儲(chǔ)1kW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)。若在蓄電池兩端接上負(fù)載，則在蓄電池的電動(dòng)勢(shì)作用之下產(chǎn)生電流。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(jì)算得到。電解液分層是指蓄電池在低過(guò)充和深度放電時(shí)，電池底部的酸濃度高于頂部酸濃度。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(shí)會(huì)加速蓄電池極板極化，進(jìn)一步影響蓄電池的壽命。（5）溫度影響 溫度對(duì)鉛酸蓄電池的電解液粘度和電阻有很大的影響， 當(dāng)電解液溫度升高時(shí)其擴(kuò)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。（2）充電率非常小，平均充電電流一般為C/50～ C/ 100 ，很少達(dá)到C/ 5～ C/ 10?，F(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用的太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)有太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能草坪燈等，以及太陽(yáng)能室內(nèi)半導(dǎo)體照明系統(tǒng)。（5）光色多 可以選擇白色或彩色光，如藍(lán)色、綠色、黃色、紅色，LED燈有許多顏色的產(chǎn)品供用戶(hù)選擇，也可根據(jù)需要組合變色。從結(jié)構(gòu)來(lái)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(lèi)型LED特點(diǎn)如下[19]：（1）多芯片型，直接將紅、綠、藍(lán)三種顏色的LED芯片組成一組，實(shí)現(xiàn)白光。我們選擇200～300Hz 的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)進(jìn)行PWM 亮度調(diào)節(jié)，這是因?yàn)槿搜蹮o(wú)法分辨超過(guò)40Hz 的頻率的變化，而太高的頻率又會(huì)引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調(diào)節(jié)非線(xiàn)性。因此，流過(guò)LED的電流和加在LED兩端的電壓不成正比。(1)電阻限流驅(qū)動(dòng)方式，如圖28所示，在蓄電池和LED 通過(guò)串接一個(gè)電阻限流，這種方式是通常的LED 驅(qū)動(dòng)方式，廣泛應(yīng)用LED 指示電路。在幾個(gè)組成部分中，控制器的作用是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)(太陽(yáng)能電池電壓Voc，蓄電池端電壓Vba，環(huán)境溫度T等)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，控制整個(gè)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(duì)蓄電池的損害，能在長(zhǎng)期無(wú)人值守的情況下可靠地運(yùn)行，配以少量外圍電路，組成一個(gè)實(shí)用控制系統(tǒng)。過(guò)流、短路保護(hù)主要是通過(guò)檢測(cè)電流值來(lái)判斷，當(dāng)電流值達(dá)到一定值時(shí)就切斷電路，達(dá)到保護(hù)的目的。這種方法適合于多個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長(zhǎng)時(shí)問(wèn)的允電模式。這種充電方法在小型的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因?yàn)檫@種系統(tǒng)中來(lái)自太陽(yáng)能電池陣列的電流不會(huì)太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。理論上經(jīng)過(guò)5小時(shí)的充電，蓄電池就能達(dá)到99％以上的荷電狀態(tài)。結(jié)合以上分析，本論文使用階段充電方法，這種充電法不僅遵循蓄電池固有的充電接受率，而且能夠縮短充電時(shí)間。[23]最大功率跟蹤的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的過(guò)程，通過(guò)對(duì)光伏電池陣列當(dāng)前輸出電壓與電流的檢測(cè)，得到當(dāng)前光伏電池陣列輸出功率，再與已被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻功率相比較，舍小取大，再檢測(cè)，再比較，如此不停地周而復(fù)始，便可使光伏電池陣列動(dòng)態(tài)的工作在最大功率點(diǎn)上。 擾動(dòng)觀察法擾動(dòng)觀察法的原理是：在每個(gè)控制周期用較小的步長(zhǎng)改變太陽(yáng)能電池陣列的輸出，改變的步長(zhǎng)是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對(duì)象可以是太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過(guò)程稱(chēng)為“擾動(dòng)”。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)在于在日照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動(dòng)觀察法小。圖34 最大功率點(diǎn)跟蹤仿真圖MPPT模塊為最大功率點(diǎn)跟蹤控制子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤算法調(diào)整PWM輸出占空比以控制MOSFET功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤，該子系統(tǒng)產(chǎn)生的PWM波形的開(kāi)關(guān)頻率為50kHz，其模型如圖35所示。蓄電池的容量C由下式求得[24]： (41)式中 D——最長(zhǎng)無(wú)日照用電天數(shù)，取5天 F——蓄電池組放電效率的修正系數(shù)， Q——日均耗電量 ——蓄電池工作電壓 L——蓄電池組充放電效率，通常取0. 9 U——蓄電池組的放電深度，通常取0. 6 ——線(xiàn)路損失，通常取0. 98求得C的值為121A?h，選用12V，120 A?h的閥控密封式鉛酸蓄電池。（3）蓄電池過(guò)充電保護(hù)功能 白天，光伏板在控制器的控制下向蓄電池充電，控制器自動(dòng)切斷充電回路，防止過(guò)充電，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其壽命。該電路可以在多變的情況下實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，充分利用太陽(yáng)能電池的能量，提高太陽(yáng)能電池的利用率，并且在不損壞蓄電池的前提下，加快充電速度。開(kāi)關(guān)斷開(kāi)期間由于電感電流不能突變，電感反電勢(shì)呈現(xiàn)下正上負(fù)的極性，迫使二極管正偏導(dǎo)通，電感中的磁儲(chǔ)能經(jīng)二極管饋向輸出端，一方面向負(fù)載供電，一方面補(bǔ)充在開(kāi)關(guān)閉合期間電容C泄放掉的電荷。電路結(jié)構(gòu)如圖55所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，由于電感中的電流不能突變，將產(chǎn)生左負(fù)右正極性的電勢(shì)，這個(gè)電勢(shì)與輸入電源疊加并迫使二極管導(dǎo)通將電感儲(chǔ)能饋送至輸出端。 保護(hù)電路系統(tǒng)的保護(hù)主要靠單片機(jī)完成，在充電回路和放電回路的環(huán)路上都接有一個(gè)開(kāi)關(guān)管，當(dāng)檢測(cè)信號(hào)超過(guò)保護(hù)設(shè)定值時(shí)芯片控制斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，從而保護(hù)電路。結(jié)合蓄電池的電壓狀態(tài)和充電電流情況，充電流程又分為MPPT、恒電壓充電和浮充三個(gè)子流程，給蓄電池快速而有效得補(bǔ)充能量。流程圖如圖61所示。流程圖如圖63所示。最后，對(duì)在百忙中抽出寶貴時(shí)間來(lái)閱讀本文的各位評(píng)委老師表示衷心的感謝!附錄1燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告課題名稱(chēng)：太陽(yáng)能供電LED路 燈智能控制器研究 學(xué)院（系）：里仁學(xué)院電氣工程系年級(jí)專(zhuān)業(yè)： 08級(jí)應(yīng)電2班 學(xué)生姓名： *** 指導(dǎo)教師： ***