【文章內(nèi)容簡介】 最大功效。電壓越高，通過最大功率點跟蹤，就可以輸出更多的電量，從而提高充電效率。所謂最大功率點跟蹤，即是指控制器能夠?qū)崟r偵測太陽能板的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值(VI)，使系統(tǒng)以最高的效率對蓄電池充電。理論上講，使用MPPT控制器的太陽能發(fā)電系統(tǒng)會比傳統(tǒng)的效率提高50%，但是跟據(jù)我們的實際測試，由于周圍環(huán)境影響與各種能量損失，最終的效率也可以提高20%~30%。從這個意義上講，MPPT太陽能充放電控制器，勢必會最終取代傳統(tǒng)太陽能控制器。 蓄電池的選擇由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。蓄電池在有光照時將太陽能電池板所發(fā)出的電能儲存起來，到夜晚需要照明的時候再釋放出來。（1）類型選擇。其類型一般有鉛酸蓄電池（適于低溫高倍率放電，比能量偏低，目前大部分太陽能路燈采用，密封免維護，價格低。注意防止鉛酸污染，應(yīng)逐步淘汰）NiH蓄電池（放電倍率高、低溫性能好，循環(huán)壽命長，小型系統(tǒng)采用。注意防止福污染）NiCd蓄電池（高倍率放電，低溫性能好，價格便宜，無污染，為綠色環(huán)保電池。小型系統(tǒng)采用，要大力提倡）目前廣泛采用的有鉛酸免維護蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳銘蓄電池三種。在此次設(shè)計中采用鉛酸蓄電池。(2）容量選擇。蓄電池容量過小，不能滿足夜晚照明的需要；容量過大，蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，也造成浪費。蓄電池容量(Ah)與負載容量(Ah)之比宜在3~6倍以上：連續(xù)陰雨天數(shù)較少地區(qū)約為3~4倍以上，連續(xù)陰雨天數(shù)較多地區(qū)約為5~6倍以上。（3）蓄電池聯(lián)結(jié)。并聯(lián)連接時，要考慮各單體電池間的不平衡影響。并聯(lián)組數(shù)不宜超過4組。注意蓄電池防盜。 太陽能用蓄電池的幾點特殊要求(1)額定容量?，F(xiàn)有固定型VRLA電池，機械、郵電、電力等行業(yè)的標準為10小時率容量。JB／T96531999《儲能用鉛酸蓄電池》標準規(guī)定的30小時率容量，主要是針對干荷電鉛酸蓄電池而言。對于固定型VRLA電池，最好采用20小時率或24小時率，以滿足每天使用5H、能承受3天無太陽或無風(fēng)時的日常供電。(2)低溫放電和充電的性能。(3)充電效率和深放電后的恢復(fù)性能。由于VRLA蓄電池在運行中處于不完全充電狀態(tài)，有時還存在深放電后的靜置，所以蓄電池的充電效率和深放電后的恢復(fù)性能是很重要的指標。(4)使用壽命。12V系列在5年左右，2V系列在8年左右。(5)可在海拔5000m以上的地方使用。(6)蓄電池組內(nèi)各單體電池的一致性。單體電池的一致性不僅包括電池的開路電壓、初期容量，而且還包括電池的內(nèi)阻、自放電以及Ah充電效率等方面。這就要求從鑄板工序開始到各項檢測都必須控制在較小公差范圍內(nèi)。采用機械鑄板、涂板、極板定量稱重和定量灌酸灌膠等工序是電池均一性的基本保障。 光源和應(yīng)用太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標，一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、LED光源。光源與太陽能系統(tǒng)有兩種形式:一種是配太陽能獨立供電的HID燈電子鎮(zhèn)流器(或稱觸發(fā)器，下同。):直接由蓄電池供電，實際上是DC/AC高頻變換器。因此，太陽能路燈照明系統(tǒng)一般無需另加DC/AC逆變器，減少了電路損耗。此形式適合新建太陽能路燈工程。另一種是配傳統(tǒng)HID燈電子鎮(zhèn)流器:接于AC220市電電源，其電子鎮(zhèn)流器本質(zhì)上是AC/DC/AC高頻變換器。如與太陽能系統(tǒng)連接，需在蓄電池與HID燈電子鎮(zhèn)流器間增加DC/AC小功率逆變器。此形式適合路燈改造。具體的應(yīng)用:太陽能LED燈、HID燈、無極燈路燈功率多在70W以下，個別在100W以上，一般用在支路和人行道照明。小功率太陽能LED燈、節(jié)能燈用在草坪、景觀照明。幾種照明光源的性能指標：（1）低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，但使用壽命2000小時，電壓低燈管發(fā)黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。（2）低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價格貴，整個系統(tǒng)造高，采用較少。（3）無極燈：功率小，光效較高。該燈在220V（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達到5萬小時，在太陽能燈具上使用壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不多（因為太陽能燈具都是方波逆變器，太陽能電源220V輸出頻率、項位、電壓都是不能和普通市電相比的）。（4）LED：LED燈光源，壽命長，可達1 000 000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產(chǎn)50Lm/w，進口80Lm/w。隨著技術(shù)進步，LED的性能將進一步提高。筆者認為LED作為太陽能路燈的光源將是一種趨勢。所以，綜上所述，本路燈設(shè)計方案選擇LED燈光源。 工作原理系統(tǒng)工作原理簡單，利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池白天電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。，充放電控制器動作，蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。 太陽能路燈需要解決的問題太陽能路燈還有以下問題善待提高：(1)提高太陽能電池轉(zhuǎn)換率。單晶硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換率只有17%左右(多晶硅約13%，非晶硅10%以下)，而控制器、蓄電池、逆變器等的效率均遠高于此。太陽能電池的轉(zhuǎn)換率低，限制了路燈功率，使太陽能路燈不宜用在主干道照明。（2）降低太陽能電池價格減低太陽能電池價格，是推廣太陽能路燈的途徑之一。（3）提商蓄電池壽命太陽能電池的使用壽命25年以上，普通蓄電池的使用壽命在2~3年，蓄電池是太陽能電力系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。蓄電池短壽命，使太陽能路燈運行費用增大，限制了太陽能路燈廣泛應(yīng)用。（4）提高系統(tǒng)環(huán)保由于價格和技術(shù)等因素，目前太陽能路燈普遙采用免維護鉛酸蓄電池。提高無鉛污染的蓄電池利用率是一項艱巨任務(wù)。（5）規(guī)范產(chǎn)品標準和提高產(chǎn)品質(zhì)量 制定太陽能產(chǎn)品質(zhì)量標準和檢側(cè)系統(tǒng)，形成產(chǎn)品系列，提高產(chǎn)品質(zhì)量。（6）光伏照明設(shè)計和產(chǎn)品系列化要使各地區(qū)太陽能路燈、草坪燈等設(shè)計和產(chǎn)品規(guī)格化，系列化，省去復(fù)雜的計算和選型。（7）制定太陽能路燈設(shè)計標準。太陽能路燈設(shè)計是新生事物，太陽能電池選擇、蓄電池選擇、抗風(fēng)計算等應(yīng)盡快制定標準，以利提高太陽能路燈設(shè)計水平，促進太陽能照明發(fā)展。（8）防盜。進一步完善蓄電池等防盜措施。3 設(shè)計工作及研究方案 太陽能路燈設(shè)計思路與要點 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理相同，因而太陽能路燈的設(shè)計思路也可依據(jù)一般的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，先確定太陽電池組件的功率，然后計算蓄電池的容量。但太陽能路燈又有其特殊性，需要確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與可靠，所以在設(shè)計時需要特別注意。下面舉例說明太陽能路燈設(shè)計要點。 例如：需要在某市安裝一批太陽能路燈，光源功率為30W，要求路燈每天工作8小時，保證連續(xù)7個陰雨天能正常工作。當?shù)貣|經(jīng)114度，北緯23度，,，兩個連續(xù)的陰雨天間間隔時長25天。根據(jù)以上資料，計算出光伏組件傾斜角26度。 （1）負載日耗電量：Q=WH/U=308/12=20Ah式中U為系統(tǒng)蓄電池標稱電壓。 （2）滿足負載日用電的太陽能電池組件的充電電流：I1=Q，蓄電池充電效率、控制器效率。 （3）蓄電池容量的確定滿足連續(xù)10個陰雨天正常工作的電池容量C：C=Q（d+1）/=208/=235Ah ，取240Ah。選取2節(jié)12V120Ah的電池組成電池組。 （4）連續(xù)陰雨天過后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流I2。I2=C。 （5）太陽電池組件的功率為（I1+I2）18=（+）18=160Wp。式中18為太陽電池組件工作電壓。選取2塊峰值功率為80Wp的太陽能電池組件。 硅太陽能電池特性和最大功率點跟蹤的原理 ,它由一個受光強和溫度影響的電流源并聯(lián)上一個二極管、一個結(jié)電容，再串聯(lián)一個電阻組成。圖 太陽電池的等效電路Figure equivalent circuit of solar cell大多數(shù)光伏系統(tǒng)的時間常數(shù)相比微不足道，因此結(jié)電容Cj在光伏能陣列的理論分析中加以忽略。對圖中電壓、電流方向，得出光伏陣列的特性方程為:I = 式中： 其中：E∞硅的帶寬 Rs串聯(lián)等效電阻 q電子電荷電量 Rsh并聯(lián)等效電阻 K波耳茲曼常數(shù) T電池單元的溫度（℃) λ日照強度(W/m2) IOS 電池單元的反向飽和電流 ILG光照產(chǎn)生的電流 IoτTτ下的電池單元飽和電流 B=A= 理想系數(shù) I、V電池單元的輸出電流、電壓 Tτ= K1＝℃，ISCR下的短路電流溫度系數(shù) ISCR 25℃和1000 W/m2條件下的短路電流 ，太陽電池陣列既非恒壓源也非恒流源,而是一種非線性直流電源，電池輸出電流在大部分工作電壓范圍內(nèi)相當恒定,最終在一個足夠高的電壓之后電流迅速下降至零。觀察虛線電池輸出功率曲線，可見在電流迅速下降的拐點處，存在P 的最大值，太陽能電池的工作點是否落在最大功率點上直接影響了對太陽能電池的利用率。 ℃時，不同日照(S)下表現(xiàn)出的電 圖 太陽電池的輸出電壓電流曲線Figure the IoutUoutcurve of the solar cell電流電壓(IV)和功率電壓(PV)特性。從圖可知，太陽能光伏陣列的輸出短路電流(Isc)和最大功率點電流(Im)隨日照強度的上升而顯著增大，也就是說，雖然日照的變化對陣列的輸出開路電壓影響不是那么大，但對為電流與電壓相乘的結(jié)果——最大輸出功率來說，變化顯著。圖 不同光照下太陽電池的輸出電壓電流曲線Figure the IoutUoutcurve of the solar cell under different sunlight因此,為了提高本系統(tǒng)的工作效率，必須盡可能地使太陽電池在MPPT處工作，這樣就可以用功率盡可能小的太陽電池獲得最大的功率輸出，這就是進行最大功率點跟蹤的意義所在。如何基于單片機實現(xiàn)MPPT，是本課題研究的重要內(nèi)容之一。本課題采用的是遍歷式的MPPT算法，每隔指定時間（系統(tǒng)默認為5分鐘），單片機控制其PWM（Pulse Width Modulation，即脈沖寬度調(diào)制）輸出信號的占空比從10%到90%變化一遍，同時采樣不同占空比下的光伏電池輸出功率，取出最大值，讓系統(tǒng)在相應(yīng)的占空比下運行指定時間，如此往復(fù)。這一算法是建立在天氣等外部條件在短時間內(nèi)不會發(fā)生較大變化的假設(shè)之上的，系統(tǒng)能夠比較準確的捕捉到MPPT。 太陽能電池的外特性 光伏電池工作環(huán)境的多種外部因素，如光照強度、環(huán)境溫度、粒子輻射等都會對電池的性能指標帶來影響，而且溫度的影響和光照強度的影響還同時存在。 光譜響應(yīng) 分析光伏電池的光譜響應(yīng)，通常是討論它的相對光譜響應(yīng)，其定義是，當各種波長以一定等量的輻射光子束入射到光伏電池上，所產(chǎn)生的短路電流與其中最大短路電流相比較，按波長的分布求其比值變化曲線即為相對光譜響應(yīng)。而絕對光譜響應(yīng)指的是，當各種波長的單位輻射光能或?qū)?yīng)的光子入射到光伏電池上，將產(chǎn)生不同的短路電流。對于不同波長的入射太陽光之不同波長光分量，硅型光伏電池有不同的靈敏度，~，，都不能使硅型光伏電池產(chǎn)生光生電流，~。 溫度特性和光照特性溫度的變化會顯著改變太陽能電池的輸出性能。由半導(dǎo)體物理理論可知，載流子的擴散系數(shù)隨溫度的升高而稍有增大，因此，光生電流也隨溫度的升高有所增加。但光伏電池輸出的負載電流隨溫度的升高是指數(shù)增加，因而開路電壓隨溫度的升高急劇下降。光電轉(zhuǎn)換效率隨溫度的增加而下降。當光照強度改變時，對光伏電池板的開路電壓并不會有太大的影響，但對其所能提供的電流值有著相當大的變化。日照強度增加時短路電流增加，最大功率點有所升高。所以日照強度的強弱是影響光伏電池板輸出功率大小的重要因素。研究和實驗表明，太陽能電池工作溫度的升高會引起短路電流的少量增加，并引起開路電壓發(fā)生嚴重降低。溫度變化對于開路電壓的影響之所以大，是因為開路電壓直接同制造電池的半導(dǎo)體材料的禁帶寬度有關(guān)，而禁帶寬度會隨溫度的變化而發(fā)生變化。對于硅材料，開路電壓變化率約為2mV／℃。也就是說，電池的工作溫度每升高1℃，開路電壓約下降2mV，％。隨著溫度的升高，電池的光電轉(zhuǎn)換效率會下降。實驗測得，開路電壓隨光照強度的升高呈對數(shù)比例增加，短路電流和輸出功率均與光照強度成正比。 負載特性 對于同一負載，在不同的入射光照下，輸出可以是恒流的，也可以是恒壓的。而在同一光照強度下，改變負載大小，也可使輸出改成恒流形式或恒壓形式。對于負載的變化，可通過光伏發(fā)電控制系統(tǒng)來完成。光伏電池的輸出電壓和輸出電流都和負載電阻大小有關(guān)。只有在負載匹配的情況下才能獲得最大的輸出功率，這時的光電轉(zhuǎn)換效率也最高。 蓄電池容量的計算方法 確定蓄電池容量的主要因素 蓄電池容量主要由以下因素確定：(1)蓄電池單獨工作的天數(shù)。在特殊氣候條件下，蓄電池允許放電達到蓄電池所剩容量占正常額定容量的20％。(2)蓄電池每天的放電容量。對于日負載穩(wěn)定且要求不高的場合，日放電周期深度可限制在蓄電池所剩容量占額定容量的80％。(3)蓄電池要有足夠的容量來保證不會由于過充電所造成的失水。一般在選蓄電池容量時，只要蓄電池容量大于太陽能電池峰值電流的25倍，則蓄電池在充電時就不會造成失水。(4)蓄電池的自放電。隨著電池使用時間的增長及電池溫度的升高，自放電率會增加。對于新的電池自放電率通常小于容量的5％，但對于舊的、質(zhì)量不好的電池，自放電率可增至每月10％~15％。在水情遙測光伏系統(tǒng)中，連續(xù)陰雨天的長短決定蓄電池