【正文】 放電控制程序在LED工作的時(shí)候，需要實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池的電壓，以免蓄電池過放電。在白天，周期性的采集太陽(yáng)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(jìn)入不同的控制流程。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。其電路組成如圖52所示。它的其他參數(shù)為：，最大功率100W，工作溫度40℃至85℃。擾動(dòng)觀察法與增量電導(dǎo)法其算法過程較復(fù)雜，精度相對(duì)較高，但增量電導(dǎo)法的實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的要求相對(duì)較高，其要求傳感器的精度比較高、系統(tǒng)各個(gè)部分響應(yīng)速度比較快。 圖32 不同日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)的變化情況恒電壓法具有控制簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，較之不帶CVT的直接藕合要有利得多。充電脈沖使蓄電池充滿電量，而在問歇期，蓄電池經(jīng)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧氣和氫氣又有時(shí)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(jìn)行，使蓄電池可以吸收更多的電量。相對(duì)恒流充電來說，此法的允電電流自動(dòng)減少，所以充電過程中析氣量小，允電時(shí)問短?？紤]到蓄電池的成本比較大，而且過充電、過放電都會(huì)大大縮短鉛酸蓄電池的壽命，所以控制器對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)主要是過充過放保護(hù)，同時(shí)具有過流、短路、防反接保護(hù)。因此，應(yīng)該使LED在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。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。一個(gè)10～12W的LED光源發(fā)出的光能與一個(gè)35～50W白熾燈發(fā)出的光能相當(dāng)。低的工作溫度也會(huì)對(duì)蓄電池的壽命有影響，低溫( 5 ℃)會(huì)引起負(fù)極失效，溫度波動(dòng)會(huì)加速枝晶短路等等低溫時(shí)充電，則會(huì)造成氫氣產(chǎn)生，增大內(nèi)部壓力，縮短電池壽命。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(yīng)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(shí)會(huì)降低蓄電池的放電容量。在氧化還原的反應(yīng)中，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)及都不斷地變成硫酸鉛。鑒于鉛酸蓄電池容量大、價(jià)格低、自放電率低、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、基本免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能元件。 光伏發(fā)電對(duì)蓄電池的基本要求（1）高瓦時(shí)效率 由于太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電儲(chǔ)能蓄電池最重要、最基本的技術(shù)指標(biāo)，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(biāo)。預(yù)期采用納米技術(shù)的這種材料，在21 世紀(jì)有著極大的應(yīng)用前景。多晶硅太陽(yáng)能電池的實(shí)驗(yàn)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﹪。其具體過程為[10]：平衡態(tài)時(shí)PN結(jié)處存在著由N區(qū)指向P區(qū)的勢(shì)壘電場(chǎng)。并具有對(duì)蓄電池等組件的保護(hù)功能，像具有涓流充電模式的控制器就可以很好的保護(hù)蓄電池，增加蓄電池的壽命。以硅片為基礎(chǔ)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。還根據(jù)太陽(yáng)能電池的理論模型和數(shù)學(xué)模型應(yīng)用MATLAB/SIMULINK 工具對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行建模和仿真，并對(duì)輸出特性進(jìn)行了仿真研究 。而LED太陽(yáng)能光伏照明，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。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(dāng)于總投資規(guī)模超過2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量。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(shí)間，對(duì)于整個(gè)光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有重要意義。物質(zhì)根據(jù)導(dǎo)電性分為：導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體。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。比如:染料敏化電池，這種電池的太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率僅為10﹪，但其制作材料簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉。由曲線可以看出太陽(yáng)能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)：（1）太陽(yáng)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(shí)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(qiáng)度成正比；太陽(yáng)能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化；（3）輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽(yáng)能電池板的最大功率點(diǎn)（MPP）且隨著外界環(huán)境的變化而變化。[14] 蓄電池種類現(xiàn)在在太陽(yáng)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。在蓄電池外部，在蓄電池電動(dòng)勢(shì)作用下，負(fù)極上的負(fù)電荷源源不斷地經(jīng)過負(fù)載流向正極。硫酸鹽化是指在負(fù)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。低溫( 5 ℃) 時(shí)，電池容量隨溫度降低而減小，低溫還會(huì)導(dǎo)致負(fù)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(shí)，負(fù)極板容量?jī)H達(dá)35 %額定容量。其主要優(yōu)點(diǎn)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。（2）單芯片型中在藍(lán)色LED芯片里涂敷高效黃色熒光粉，藍(lán)光及被藍(lán)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。由于這個(gè)特點(diǎn)，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(shí)溫度的升高，電流會(huì)越來越大，以至損壞LED。工作工程中進(jìn)行過充、過放保護(hù)，過流、短路保護(hù)，太陽(yáng)能電池板、蓄電池反接保護(hù)等。 恒電壓充電法恒壓充電就是以恒定電壓對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中因?yàn)樘?yáng)能電池本身在特定條件下輸出能量有限，無(wú)法提供充電初期較大的電流。 恒電壓法溫度一定時(shí)，在不同的日照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池陣列輸出曲線的最大功率點(diǎn)基本是分布在一條垂直線的附近，如圖32所示。 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(shí)時(shí)監(jiān)控法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。設(shè)計(jì)時(shí)一般是先通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)定單位面積的太陽(yáng)能電池，在工作地點(diǎn)實(shí)際日照條件下不同時(shí)間段的輸出電流值，再由此計(jì)算平均日照條件下的輸出電流值和平均日照時(shí)間值，結(jié)合蓄電池的容量確定需要的太陽(yáng)能電池板面積。電路結(jié)構(gòu)如圖51所示。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。 本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設(shè)計(jì)思路，包括主控電路，充電電路，放電電路，信號(hào)采集電路及保護(hù)電路。本文根據(jù)太陽(yáng)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。流程圖如圖63所示。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。當(dāng)開關(guān)斷開后，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。開關(guān)斷開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)充在開關(guān)閉合期間電容C泄放掉的電荷。（3）蓄電池過充電保護(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，防止過充電，保護(hù)蓄電池，延長(zhǎng)其壽命。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功率開關(guān)管的開通與關(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波形的開關(guān)頻率為50kHz，其模型如圖35所示。 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，這一過程稱為“擾動(dòng)”。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。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。過流、短路保護(hù)主要是通過檢測(cè)電流值來判斷，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。(1)電阻限流驅(qū)動(dòng)方式，如圖28所示，在蓄電池和LED 通過串接一個(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。我們選擇200～300Hz 的開關(guān)頻率來進(jìn)行PWM 亮度調(diào)節(jié)，這是因?yàn)槿搜蹮o(wú)法分辨超過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)非線性。（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)品供用戶選擇，也可根據(jù)需要組合變色。（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。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。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。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)。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。 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。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。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。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。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。根據(jù)目前已探明的儲(chǔ)量與年開采量計(jì)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]。題目類型（ 254。太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)成為目前各國(guó)都在研究的重大課題。目前日本、德國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于獨(dú)立光伏系統(tǒng)電源控制器的研究主要側(cè)重在以下三個(gè)方面：提高太陽(yáng)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。早在1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。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。一種趨向是研發(fā)轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽(yáng)能電池，但會(huì)大幅度增加生產(chǎn)成本。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(qiáng)度下或不同溫度下太陽(yáng)能電池輸出的IU和PU曲線。（6）性價(jià)比高 除了以上5個(gè)要求以外，性價(jià)比要高，過高的價(jià)格是沒有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的。（2）放電過程 放電過程是允電過程的逆過程，在當(dāng)蓄電池不接負(fù)載的情況下，正負(fù)極板各自存在電極電位，在蓄電池內(nèi)部形成了電動(dòng)勢(shì)，但是電極電位各自處于一種平衡狀態(tài)。（2）長(zhǎng)期欠充狀態(tài) 由于太陽(yáng)能資源的隨機(jī)性，使得應(yīng)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(huì)在一些時(shí)間長(zhǎng)期處于欠充電狀態(tài)，這將導(dǎo)致蓄電池電解液發(fā)生分層。在光伏系統(tǒng)中蓄電池深度放電后，可以進(jìn)行均衡充電來減少蓄電池的酸分層。由于壽命長(zhǎng)、發(fā)熱低，在強(qiáng)電中用作信號(hào)指示燈也有較長(zhǎng)的歷史，在交通信號(hào)燈、廣告中也得到了較廣泛的應(yīng)用。這兩種方法在實(shí)踐中都有運(yùn)用。（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(dòng)勢(shì)減去LED的勢(shì)壘電勢(shì)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)。 太陽(yáng)能路燈控制器如前所述，一套基本的太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池陣列、控制器、蓄電池(組)、路燈構(gòu)成。 恒電流充電法恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。 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(duì)蓄電池影響較小，這樣的控制方法統(tǒng)稱為智能充電控制。在一定的光照強(qiáng)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(shí)，其輸出功率才能達(dá)到最大值，即其達(dá)到輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn)（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(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過程就稱之為最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT——Maximum Power Point Tracking)。只要在功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)大于零的區(qū)域增加電壓，在功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)小于零的區(qū)域減小電壓，在導(dǎo)數(shù)等于零或非常接近于零的時(shí)候，電壓保持不變即可尋到最大功率點(diǎn)。（4）連續(xù)陰雨天 以秦皇島為例，連續(xù)陰雨天設(shè)定為5天。第5章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 充電電路充電電路由BuckBoost型降升壓電路和環(huán)路開關(guān)組成。 放電電路系統(tǒng)的放電回路即LED路燈的供電電路，當(dāng)進(jìn)入夜間時(shí)，充電回路斷開，蓄電池單獨(dú)為L(zhǎng)ED路燈供電，根據(jù)蓄電池及LED燈的參數(shù)關(guān)系，選擇Boost升壓電路作為放電回路的主電路，電流閉環(huán)為L(zhǎng)ED燈提供恒定的