【正文】 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(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 太陽能路燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成和特性 太陽能路燈系統(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]。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(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﹪的第三代太陽能電池，主要有量子點(diǎn)、多層多結(jié)、染料敏化太陽能電池、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)展開研發(fā)。太陽能路燈以太陽光為能源，且無需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線，安全節(jié)能無污染，工作全程采用自動(dòng)控制，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省能源，免維護(hù)，太陽能路燈的實(shí)用性已充分得到人們的認(rèn)可。 太陽能電池的分類及比較太陽能電池技術(shù)是太陽能發(fā)電技術(shù)的主要組成部分。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，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(yīng)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(shù)參數(shù)，不便于工程的分析應(yīng)用。（2）蓄電池應(yīng)該有比較平坦的充電特性曲線 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)太陽電池組件工作點(diǎn)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(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。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。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(shí)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(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。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)有這樣的問題。(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?？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。 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)。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。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(cè)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(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(duì)比了不同方法性能差異的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三階段充電方法。（4）蓄電池過放電保護(hù)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(dòng)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(guān)閉合時(shí)等效電路 圖54 開關(guān)斷開時(shí)等效電路如果開關(guān)閉合時(shí)間比較短，電感的磁儲(chǔ)能比較少，那么能向輸出端饋送的能量就少，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出端的電壓就維持在一個(gè)較低的數(shù)值之上；反之如果開關(guān)閉合時(shí)間比較長(zhǎng)，閉合期間電感L的儲(chǔ)能比較多，則每個(gè)周期向輸出端饋送的能量就多一些，穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出電壓就可以維持在一個(gè)比較高的數(shù)值之上。 圖57 開關(guān)閉合狀態(tài)等效電路 圖58 開關(guān)斷開狀態(tài)等效電路開關(guān)閉合的時(shí)間越長(zhǎng)，電感中的電流也就越大，磁儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)LED的不同放電工作模式，即控制PWM占空比和放電時(shí)間的長(zhǎng)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(jié)論本文對(duì)太陽能路燈系統(tǒng)的各部分工作原理及特性進(jìn)行了介紹，對(duì)常用的充電方法、蓄電池保護(hù)方式以及LED 驅(qū)動(dòng)作了研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款集三階段充電法蓄電池充電、充放電保護(hù)和LED驅(qū)動(dòng)控制的控制器。= V，如果小于則關(guān)斷LED燈。整個(gè)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(fù)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(guān)閉合期間能量從電源注入并存于電感L，此時(shí)二極管被反偏截止，由濾波電容放電提供負(fù)載電流。（2）系統(tǒng)可在無人看護(hù)的情況下自動(dòng)切換工作模式，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立工作。 最大功率點(diǎn)跟蹤算法仿真本系統(tǒng)采用擾動(dòng)觀察法，本文建立了具有最大功率點(diǎn)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(duì)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(diǎn)。PWM方式又可進(jìn)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(bǔ)償，充電過程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。充電時(shí)如果檢測(cè)到蓄電池端電壓上升到一定值時(shí)進(jìn)行過充保護(hù)，當(dāng)蓄電池充滿電之后，充電電路自動(dòng)調(diào)整充電電流或斷開電路；放電時(shí)如果檢測(cè)到蓄電池端電壓下降到一定值進(jìn)行過放保護(hù)，自動(dòng)切斷負(fù)載。恒壓驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體的亮度，恒流驅(qū)動(dòng)方式一般是以脈寬調(diào)制( PWM)方式來調(diào)節(jié)亮度。（2）脈寬調(diào)制(PWM) 方式LED的響應(yīng)時(shí)間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開關(guān)以及高頻運(yùn)作的場(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)了。（3）壽命長(zhǎng) 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(dǎo)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(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，LED單管壽命為10萬h（4）維修費(fèi)用低 由于LED光源壽命長(zhǎng)、節(jié)能，維修很少，5年以后其一次投資加上運(yùn)行費(fèi)用是所有光源中最低的。 太陽能光伏系統(tǒng)中的蓄電池應(yīng)用特點(diǎn)（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(shí)結(jié)晶機(jī)理，在大電流放電時(shí)生成的晶體顆粒小、數(shù)目多，而在小電流放電時(shí)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(shí)間壽命兩種方式衡量。充電時(shí)，在蓄電池正、負(fù)極柱上外接充電電源，使正、負(fù)極板上經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)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(gè)蓄電池廠家關(guān)注這個(gè)問題。但實(shí)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(shí)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(diǎn)在于它所采用的半導(dǎo)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(chǎn)生了一個(gè)與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電動(dòng)勢(shì)，這就是“光生伏打效應(yīng)”。本文在太陽能電池對(duì)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(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的科學(xué)管理。國(guó)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(shù)。現(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(zhǎng)態(tài)勢(shì)的消耗，總有一天將達(dá)到極限而面臨枯竭。氣候異常，臭氧層空洞擴(kuò)大，酸雨頻發(fā)，等惡果。[4]整體上看，我國(guó)不但在太陽能電池生產(chǎn)能力上進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，而且在薄膜太陽能電池的研究開發(fā)上達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，同時(shí)還在新的有機(jī)納米晶太陽能電池的研究中取得國(guó)際領(lǐng)先成果。太陽能路燈系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)小型的獨(dú)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。太陽能電池主要有以下幾種類型：?jiǎn)尉Ч杼柲茈姵亍⒍嗑Ч杼柲茈姵?、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(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(jià)和第五價(jià)元素的化合物。（2）工程數(shù)學(xué)模型 為便于工程的分析和應(yīng)用，文獻(xiàn)[13,29]提出了一種可以滿足絕大多數(shù)工程項(xiàng)目要求的工程用數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)學(xué)模型僅采用太陽能電池生產(chǎn)廠商提供的幾個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(日照強(qiáng)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(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓。即使對(duì)于有MPPT（最大輸出功率點(diǎn)跟蹤）的獨(dú)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(yīng)而生成。蓄電池的使用時(shí)間壽命按照標(biāo)準(zhǔn)條件下(氣候條件等同)以浮充狀態(tài)進(jìn)行衡量，目前工業(yè)使用的鉛酸蓄