【正文】 電池的時間壽命一般均在10年以上[15]。（4）過充電 過充電會導(dǎo)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。（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。（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。（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。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(shè)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(shè)定參考電壓上。[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。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。所謂MPPT技術(shù)，既在電路中加入DC—DC阻抗變化網(wǎng)絡(luò)使太陽能電池輸出恒定在最大功率點。擾動觀察法流程圖如圖33所示。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(fù)雜和先進的跟蹤算法。（5）LED 路燈自動通斷功能與恒流控制功能[26]。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。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。負載工作時，還應(yīng)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(yīng)的措施，保護電路。本文還對部分電路進行了仿真，結(jié)果基本符合要求，并設(shè)計了主要器件的硬件電路。進入放電子程序后首先點亮LED燈，然后判斷此時的蓄電池端口電壓是否大于最小閾值電壓U。在夜間，周期性的采集蓄電池的端電壓及LED燈側(cè)的供電電流，完成路燈的不同功率控制以及蓄電池的放電保護。開關(guān)閉合時能量從電源注入并存儲于電感L之中。BuckBoost變換器開關(guān)閉合時的等效電路如圖53，開關(guān)斷開時的等效電路如圖54。 系統(tǒng)總體要求本系統(tǒng)為太陽能供電LED路燈控制器，控制芯片采用單片機進行智能化管理和控制，具體要求如下：（1）采用科學(xué)有效的充電模式，在不影響蓄電池使用壽命的前提下充分利用太陽能電池，并保證蓄電池工作在最佳狀態(tài)。而且由于增量電導(dǎo)法算法較為復(fù)雜，且在跟蹤的過程中需花費相當多的時間去執(zhí)行AD轉(zhuǎn)換，為實現(xiàn)實時跟蹤控制系統(tǒng)需采用高速微處理器完成數(shù)據(jù)處理，所以本課題采用擾動觀察法來實現(xiàn)太陽能電池最大功率差點跟蹤。然而恒電壓法忽略了太陽能電池溫度對太陽能電池陣列最大功率點的影響，一般硅太陽能電池的開路電壓都在較大程度上受結(jié)溫影響，當太陽能電池溫度每升高1℃時，％．％，這說明太陽能電池的最大功率點對應(yīng)的電壓也隨電池溫度的變化而變化，其中對太陽能電池溫度影響最大的因素是環(huán)境溫度和日照強度。PWM調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應(yīng)時問，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。但是恒壓充電方法也有不足之處，在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電器的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷；如果鉛酸蓄電池電壓過高，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。由于蓄電池的電量與它的端電壓具有一定的關(guān)系，所以通過檢測蓄電池的端電壓可以得到蓄電池的電量。結(jié)合以上工作特性，得到LED的驅(qū)動方式有:恒壓驅(qū)動或稱為電阻限流驅(qū)動方式和恒流驅(qū)動方式兩種。 白光LED燈的控制方式目前調(diào)節(jié)LED 亮度的方式有兩種[20][30]: （1）調(diào)節(jié)工作電流方式 除了紅光LED 隨著電流的升高亮度會飽和外，一般其他LED 的亮度都會隨著其工作電流的增大而增大，因此可以通過調(diào)節(jié)LED 的工作電流的方法在較大范圍內(nèi)控制LED 的亮度。在同等照度下，LED比白熾燈光源節(jié)能70%，比熒光燈節(jié)能50%。所以綜合考慮在設(shè)計太陽能光伏系統(tǒng)時對蓄電池安置應(yīng)最大可能的保證蓄電池有一個良好的工作環(huán)境，工作溫度控制在20～30 ℃內(nèi)，這樣能夠延長鉛酸蓄電池的壽命。反之放電電流越小，蓄電池放電容量越大，越容易造成深度放電，極小的放電電流會使硫酸鉛的生成量明顯增加，對于負極板由于轉(zhuǎn)化為后活性物質(zhì)膨脹產(chǎn)生應(yīng)力，會造成極板彎曲或活性物質(zhì)脫落，從而影響到蓄電池的壽命。同時，電解質(zhì)溶液逐漸變成水，引起了電解質(zhì)溶液比重的下降，蓄電池的容量減少。 鉛酸蓄電池工作原理（1）充電過程 鉛酸蓄電池屬于電化學(xué)電池，其以海綿狀Pb作負極，作正極，硫酸作電解液。蓄電池的效率分為電壓效率、安時效率和瓦時效率，前2項是蓄電池市場所關(guān)注的，對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)我們最關(guān)心的是瓦時效率，這是因為太陽能光伏發(fā)電的成本比較高，我們不希望光伏發(fā)電的電能在存儲過程中損失掉，這對于提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率非常重要。 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型（1）理論數(shù)學(xué)模型 理想光伏電池的等效電路可用一個二極管和電流源并聯(lián)的等效電路來表示。[12]（2）薄膜型太陽電池 第二代太陽能電池是繼晶體硅片電池之后發(fā)展起來的薄膜型太陽電池，主要有硅基薄膜型太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜型太陽電池、染料敏化太陽電池等，若按襯底分，其又分為硬襯底和柔性襯底兩大類薄膜型太陽電池。當具有適當能量的光子入射于半導(dǎo)體時，光子激發(fā)半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生電子一空穴對，勢壘電勢就會推動電子向N型半導(dǎo)體擴散，空穴向P型半導(dǎo)體擴散，并分別聚集于兩個電極部分。 論文主要研究內(nèi)容本論文以獨立太陽能路燈系統(tǒng)為例，針對太陽能路燈系統(tǒng)的充分利用太陽能電池，對蓄電池的保護，LED路燈工作方式切換等問題，研究設(shè)計了一種基于51單片機的太陽能光伏電源控制器?；诒∧ぜ夹g(shù)的第二代光伏電池中，很薄的光電材料被鋪在非硅材料的襯底上，大大減少了半導(dǎo)體材料的消耗，且易于批量自動化生產(chǎn)，從而大大降低光伏電池的成本。關(guān)鍵詞　充電；最大功率點跟蹤（MPPT）；LED；控制器AbstractIn recent years, with intensify of energy shortage and environmental pollution,due to solar energy clean,security and resource adequacy and so on,it is increasingly being the public the LED solar illumination, is an important application domain for solar photovoltaic power generation.This paper studies photovoltaic power generation system management controller design basic work principles of solar cells、LED and lead—acid batteries have been introduced firstly,the issues of the most power point tracking(MPPT)of the solar cells and charging and discharging strategy optimizing of lead—acid batteries has been researched. Depending on how the work of photovoltaic power generation system, management and protection of the charge and discharge and led driver control has been designed.according to the theoretical model and mathematical model, the solar cell is modeled and simulated by MATLAB/SIMULINK tool, and have a simulation study on output characteristic.Keywords　 Charge；maximum power point tracking ( MPPT )；led；controller目錄摘要 IAbstract II第1章 緒論 1 關(guān)于本課題的背景及研究意義 1 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 2 光伏發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀 2 太陽能路燈控制器技術(shù)現(xiàn)狀 3 論文主要研究內(nèi)容 3第2章 太陽能路燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成和特性 4 太陽能路燈系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu) 4 太陽能電池 4 太陽能電池基本工作原理 5 太陽能電池的分類及比較 5 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型 7 太陽能電池的基本特性 9 蓄電池 10 光伏發(fā)電對蓄電池的基本要求 11 蓄電池種類 12 鉛酸蓄電池工作原理 12 在太陽能光伏系統(tǒng)中鉛酸蓄電池壽命影響因素分析 13 太陽能光伏系統(tǒng)中的蓄電池應(yīng)用特點 16 白光LED燈 16 LED燈的簡介 16 白光LED燈發(fā)光原理 17 白光LED燈的控制方式 18 白光LED燈的驅(qū)動方式 19 太陽能路燈控制器 21 本章小結(jié) 22第3章 蓄電池充電方式分析 23 常用充電方法比較 23 恒電流充電法 23 恒電壓充電法 23 階段充電法 24 智能充電法 24 PWM充電法 24 最大功率點跟蹤原理 25 最大功率點跟蹤方法比較 26 恒電壓法 26 擾動觀察法 27 電導(dǎo)增量法 28 其他跟蹤方法 28 最大功率點跟蹤算法仿真 29 本章小結(jié) 30第4章 系統(tǒng)的參數(shù)及總體設(shè)計 31 系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計算 31 LED燈的參數(shù)計算 31 蓄電池的參數(shù)計算 31 光伏電池的參數(shù)計算 31 系統(tǒng)總體要求 32 硬件設(shè)計方案 32 本章小結(jié) 33第5章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 34 充電電路 34 放電電路 36 信號采集電路 38 保護電路 38 本章小結(jié) 39第6章 控制器的軟件開發(fā) 40 系統(tǒng)軟件設(shè)計概述 40 總體設(shè)計 40 總體軟件流程 40 系統(tǒng)軟件具體設(shè)計 40 充電控制程序 40 放電控制程序 41結(jié)論 44參考文獻 45致謝 47附錄1 48附錄2 53附錄3 57附錄4 64第1章 緒論 關(guān)于本課題的背景及研究意義能源是當今世界存在和保持發(fā)展的核心動力，隨著社會生產(chǎn)的擴大、科技的發(fā)展、人口的增長等，對能源的需求也在不斷增長，當今世界已經(jīng)面臨著能源需求量成倍增長的挑戰(zhàn)，全球范圍內(nèi)的能源危機也日益突出。由化石能源的消耗所產(chǎn)生的大量二氧化碳是導(dǎo)致地球溫室效應(yīng)的最主要原因，目前全世界每天產(chǎn)生的溫室效應(yīng)氣體以億噸計，如果不加以控制，氣溫持續(xù)走高，兩極冰山融化，海平面上升，連人類生活的空間都將面臨極大威脅。目前，薄膜電池的轉(zhuǎn)換效率達到６﹪～８﹪，近兩年可達到10﹪～12﹪，五年內(nèi)有望達到18﹪，其功率衰退問題也已解決。 圖21 太陽能路燈系統(tǒng)的典犁結(jié)構(gòu)在典型的太陽能路燈系統(tǒng)中，太陽能電池是整個系統(tǒng)能源的來源，它把照射到其表面的太陽能轉(zhuǎn)化為電能；蓄電池的功能在于儲存太陽能電池陣列受光照時所發(fā)出的電能，并在無光照時向負載供電：燈具一般都采用白光LED，更是體現(xiàn)了“綠色照明”的環(huán)保概念；控制器是整個系統(tǒng)的核心部件之一，其運行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運行。它們的具體比較如下[11]：（1）晶體硅片電池 晶體硅片電池被稱為第一代太陽能電池。這種多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)為：從底至上，分別為鍺、磷化銦、砷化鎵三層結(jié)構(gòu)。為建立工程用模型，在式（21）的基礎(chǔ)上做了兩個近似：（1）由于非常大，所以忽略項。（3）太陽能光伏系統(tǒng)中蓄電池放電深度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)過放電的情況，因此電池要求有較強的過放電后的容量恢復(fù)性能，要求蓄電池100%放電到0 V，擱置120 h 后，充電可恢復(fù)到實際容量的95%以上。被分解成： (211)生成的依附于正極板上。在實際使用過程中，對鉛酸蓄電池壽命影響最大的是頻繁深度放電、長時間處于虧電狀態(tài)和溫度變化等。如果這些氣體被排放會使蓄電池的電解液減少，從而使蓄電池容量減少，而且當排出的氣體量很大時有燃燒的危險。（4）一次充電時間短，長的時候也僅僅為白天的10小時左右，太陽能光伏系統(tǒng)很少能夠做到安全、快速的滿充電，蓄電池往往會在一些時間處于欠充電狀態(tài)。 白光LED燈發(fā)光原理LED發(fā)光二極管的實質(zhì)性結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，在半導(dǎo)體PN 結(jié)通以正向電流時注入少數(shù)載流子，少數(shù)載流子的發(fā)光復(fù)合就是發(fā)光二極管的工作機理。隨著工作溫度的升高，LED 器件的性能會降低，因此散熱對LED 器件工作性能影響很大，在使用PWM控制方式時其脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時，LED 器件會有更低的溫度， 所以有更高的發(fā)光亮度。此時通過白光LED的電流是由參考電壓值和電流感測電阻值來決定，可以通過對檢測電阻Rs的改變來調(diào)整LED電流。 本章小結(jié)本章介紹了獨立太陽能路燈系統(tǒng)的基本構(gòu)成，介紹了太陽能電池的工作原理、等效電路、仿真模型及輸出特性，闡述了鉛酸蓄電池的工作原理和基本特性，介紹了白光LED的發(fā)光原理、特性和優(yōu)點，最后分析了系統(tǒng)中