【正文】 流程圖如圖63所示。結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子流程，給蓄電池快速而有效得補充能量。當開關斷開后，由于電感中的電流不能突變，將產生左負右正極性的電勢，這個電勢與輸入電源疊加并迫使二極管導通將電感儲能饋送至輸出端。開關斷開期間由于電感電流不能突變，電感反電勢呈現(xiàn)下正上負的極性，迫使二極管正偏導通，電感中的磁儲能經(jīng)二極管饋向輸出端，一方面向負載供電，一方面補充在開關閉合期間電容C泄放掉的電荷。（3）蓄電池過充電保護功能 白天，光伏板在控制器的控制下向蓄電池充電，控制器自動切斷充電回路，防止過充電，保護蓄電池，延長其壽命。圖34 最大功率點跟蹤仿真圖MPPT模塊為最大功率點跟蹤控制子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)根據(jù)最大功率點跟蹤算法調整PWM輸出占空比以控制MOSFET功率開關管的開通與關斷，從而實現(xiàn)太陽能電池陣列的最大功率點跟蹤，該子系統(tǒng)產生的PWM波形的開關頻率為50kHz，其模型如圖35所示。 擾動觀察法擾動觀察法的原理是：在每個控制周期用較小的步長改變太陽能電池陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動”。結合以上分析，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間。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)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。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。(1)電阻限流驅動方式，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 驅動方式，廣泛應用LED 指示電路。我們選擇200～300Hz 的開關頻率來進行PWM 亮度調節(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)生移位和亮度調節(jié)非線性。（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，這樣在再充電時會加速蓄電池極板極化，進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)相結合計算得到。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。 圖22 太陽能電池等效電路由圖中各物理量的關系，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。如果將此PN結兩端與外部負載相連構成回路，就會形成電流并產生一定的輸出功率。第2章 太陽能路燈系統(tǒng)的基本構成和特性 太陽能路燈系統(tǒng)典型結構 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。繼晶體硅和薄膜電池之后，一些新概念、新結構的電池，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阻，使得光伏轉換效率的上限有望獲得新的提升。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]。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。目前許多研究人員把目光投向了以先進薄膜制造技術為基礎的，理論極限光電轉換效率最高可達93﹪的第三代太陽能電池，主要有量子點、多層多結、染料敏化太陽能電池、有機聚合物電池、納米結構電池等，這些新型太陽能電池目前正圍繞提高光電轉換光電效率和降低生產成本兩大目標展開研發(fā)。太陽能路燈以太陽光為能源，且無需鋪設復雜、昂貴的管線，安全節(jié)能無污染，工作全程采用自動控制，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省能源，免維護，太陽能路燈的實用性已充分得到人們的認可。 太陽能電池的分類及比較太陽能電池技術是太陽能發(fā)電技術的主要組成部分。此外，隨著薄膜光伏技術的快速發(fā)展，也呈現(xiàn)多樣化的特點，除微晶體硅薄膜技術處于發(fā)展中外，其他如碲化鎘電池(CdTe) 、銅銦鎵錫(CIGS)電池等技術也在逐步發(fā)展起來，并且開始步入商業(yè)化。以上是光伏電池的理論模型，已經(jīng)廣泛應用于太陽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參數(shù)，不便于工程的分析應用。（2）蓄電池應該有比較平坦的充電特性曲線 對于小型獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，對MPP（最大輸出功率點）的跟蹤，絕大多數(shù)情況是依靠蓄電池對太陽電池組件工作點的鉗位，如果蓄電池的充電特性曲線比較平坦，將有效提高太陽電池的利用效率。H+在外電場作用下向負極板遷移，OH一向正極板遷移，同時正負極板上的硫酸亦發(fā)生分解，即： (210)正極板上的在外電場的作用下釋放出電子而形成。蓄電池的放電深度越大，其相應的循環(huán)次數(shù)也就越少。在太陽能光伏系統(tǒng)中，蓄電池放電電流通常非常小，所以在太陽能光伏系統(tǒng)中一般要規(guī)定比較高的放電終止電壓來減小蓄電池小電流放電的影響。 ( C : 用來表示電池充放電時電流大小的比率)。（6）可控制性 由于LED燈可以基本做到瞬間接通發(fā)光，通過計算機軟件和控制器，可以比較容易地實現(xiàn)LED燈的顏色和圖形的各種變化。比較以上兩種亮度調節(jié)方式，使用第二種方式更合適于半導體照明，原因是: （1）在某個特定的正向電流下LED 能顯示出最純的白光，隨著工作電流偏離這個值，白光LED 發(fā)出的光可能偏藍或偏紫，因此通過改變LED 工作電流的方式調節(jié)會使光的顏色發(fā)生偏移，而使用PWM 控制方式則不會有這樣的問題。(2)恒流源驅動方式，如圖29所示，是由DCDC電路組成的恒流源驅動方式?？刂破鬟€可以依據(jù)外界環(huán)境溫度調整蓄電池充電電流。 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。該充電方法實際上是一種融合了最大功率點跟蹤(MPPT)、恒電壓和浮充的三階段充電控制方法。然后，通過比較干擾周期前后太陽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”過程，如果檢測到輸出功率減少，則改變“干擾”的方向。圖35 MPPT模塊原理圖仿真結果為： 本章小結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。（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。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。 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。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。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驅動控制的控制器。= V，如果小于則關斷LED燈。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。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。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。（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。 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。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。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。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。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。恒壓驅動方式一般是以調節(jié)工作電流的方式來調節(jié)照明用發(fā)光半導體的亮度，恒流驅動方式一般是以脈寬調制( PWM)方式來調節(jié)亮度。（2）脈寬調制(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 亮度的調節(jié)，例如要將亮度減半，只需在50 %的占空周期內提供電流就可以實現(xiàn)了。（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。 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。根據(jù)蓄電池放電時結晶機理，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。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，把電能轉化為化學能儲存起來。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。但實際上，光伏電池內部存在串聯(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。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。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”。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。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)化生產技術?，F(xiàn)在的能源結構中，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。氣候異常，臭氧層空洞擴大，酸雨頻發(fā)，等惡果。[4]整體上看，我國不但在太陽能電池生產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。太陽能路燈系統(tǒng)實質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)構成如下圖21所示。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]。（3）高效多結電池 第二代太陽電池的另一種類型是高效多結電池，其主要采用《元素周期表》中第三價和第五價元素的化合物。（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。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。與正極板附近的OH一發(fā)牛反應而生成。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