【文章內容簡介】 所以在多數(shù)獨立 PV 系統(tǒng)中需要蓄電池。蓄電池的主要功能是： (1) 能量存儲能力及自主運行。 (2) 電壓和電流穩(wěn)定性。 (3) 提供浪涌電流 。 鉛酸蓄電池的結構及工作原理 鉛酸蓄電池的電極主要由金屬鉛制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。一般由正極板、負極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部 分組成。在本設計中對此不做詳細講解。 控制器的基本工作原理 太陽能電池的輸出特性曲線如圖 47 所示。太陽能電池的伏安特性具有很強的非線性，即當日照強度改變時，其開路電壓不會有太大的改變，但所產生的最大電流有相當大的變化，所以其輸出功率與最大功率點會隨時改變。然而當光強度一定時，太陽能電池輸出的電流一定，可認為是恒流源。因此，必須研究和設計性能優(yōu)良的光伏控制器，才能更有效的利用太陽能。 圖 47 太陽能電池的輸出特性曲線 太陽能電池將吸收的光能轉換成電能而通過充放電控制器對蓄電池0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.5 0.8 1.2 輸出電壓（歸一化單位） 100mV/cm, 25℃ Pmax I P 22 充電。充放電控制器的功能主要有兩個，一是對蓄電池的充放電保護，以避免蓄電池有過充或過放的情形發(fā)生，而蓄電池的任務則是儲能，以便在夜間或陰雨天供給負載用電；二是提供穩(wěn)定的直流電壓源供給逆變器或直流負載使用。本設計系統(tǒng)未用到逆變器。 蓄電池充電 當系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線充足時，控制器就會進入充電模式。蓄電池充電主要有兩個比較重要的電壓值 ：深度放電電壓和浮充電電壓。前者代表蓄電池充電的最高電壓，這些參數(shù)可從蓄電池產品手冊上查到。在電路設計中針對 12V 蓄電池，分別設置深度放電電壓為 11V 和浮充電電壓為 。具體充電模式見表 1 所示。 表 41 蓄電池充電模式 蓄電池電壓 VBAT 控制器工作模式 欠壓保護值 VBAT11V 涓流充電模式，采用 MPPT算法優(yōu)化太陽能電池輸出功率，充電電流最大限制在 11VVBAT 恒流充電模式，采用 MPPT算法優(yōu)化太陽能電池輸出功率，充電電流最大限制值取決于太陽能電池最大輸出功率 VBAT 恒流充電模式，確保蓄電池電壓穩(wěn)定在 從表 41 可以看出恒流充電模式會用到 MPPT 算法， MPPT 算法有很多種方式可以實現(xiàn)，總的來說各有優(yōu)劣，設計中采用相對簡單的擾動觀察法來實現(xiàn)。這種方法是通過增大或者減少充電電路開關信號 PWM占空比，然后觀察輸出功率是變大還是變小，由此來決定下一步是增大還是減小占空比。由于太陽能電池的輸出變化相對比較緩慢，而且是單 23 級點，所以采用這種方式可收到比較好的效果。 蓄電池給 LED 供電 當系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線不足時，就會進入蓄電池給 LED 供電模式。 LED 電流通過高位電流檢測芯片（ TSC101AILT）采樣送回 MCU，有 MCU 通過調整開關信號 PWM 的占空比來獲得恒定輸出電流。為了達到節(jié)能的目的， LED 的恒定電流值會根據(jù)系統(tǒng)檢測的環(huán)境光強度來調整。當環(huán)境光由暗變亮時，系統(tǒng)的輸出電流也會相應從小變大；當環(huán)境光照完全暗下來時，系統(tǒng)的輸出電流也達到預設的最大值。除了由環(huán)境光照控制 LED 的光輸出，用戶還可以通過設定開光 DIP1～ DIP4 的狀態(tài)來設置 LED 燈的開啟時間，系統(tǒng)會根據(jù) DIP1～ DIP4 的設 定組合來控制 LED路燈工作在 5min～ 12h 的時間范圍內。 此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在電路設計中設置了針對太陽能電池組件，蓄電池和 LED 等一系列軟硬件的保護功能。 在太陽能 LED 路燈控制器硬件設計中應注意以下事項： （ 1）感應雷保護電路應設計在太陽能電池引線入口保護電路周圍4mm 不要布置其他器件。 （ 2）放置太陽能電池組件反接入用的二極管必須采用快恢復二極管，這種二極管導通電阻小，充電時發(fā)熱量小，不用散熱器也可以連續(xù)充電，充電效果好。 （ 3）充電、負載放電電路的 PCB 線路的寬度至少為 4～ 5mm，線路上用 搪錫處理以增加導通電流能力。 （ 4）過流、短路保護電路選用的電流采樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個因素。電阻增大則電路效率下降，若選用電阻為 Ω選用過電流能力在 10A 以上的康銅絲作為電流取樣電阻，來產生取樣電壓，取樣電壓不超過 ，故采用運放 LM358 對它進行放大。 24 LED 光源 LED 具有管線質量高、基本上無輻射、可靠耐用、維護費用極為低廉燈優(yōu)勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮度 LED 的研制成功大大的降低了太陽能 LED 照明燈具的使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明系統(tǒng)的初裝成本 ，并且具有保護環(huán)境、安裝簡單。工作安全經濟節(jié)能等優(yōu)點。 采用平頭 LED 的柱式和炬式組合光源結構，通過合理控制平頭 LED安裝傾斜角度，可使 LED 組合光源所發(fā)出的均勻度及照度得到大幅提升。為太陽能 LED 照明系統(tǒng)專門研制的組合十字型和炬型組合發(fā)光源，充分發(fā)揮平頭 LED 開光角度大、光均勻度良好和圓頭 LED 點面積亮度高的優(yōu)點，使兩者取長補短，發(fā)揮最大的光照。通過對傳統(tǒng) LED 照明燈具的結構、智能控制器、光源結構的更新及技術改革，進行最佳傾斜角設計，使平頭和圓頭 LED 的優(yōu)勢互補，從而使其發(fā)光更均勻，整體亮度更高，成本更低 ，更有利于應用推廣。 表 42 太陽能照明燈具 4 個主要部件使用壽命參考值 對于獨立太陽能 LED 照明系統(tǒng)，提高能量利用率，研究科學的系統(tǒng)能量控制策略，可降低獨立太陽能 LED 照明系統(tǒng)的投資費用。目前太陽能組件、控制器、蓄電池和 LED 光源是太陽能 LED 照明燈具產品的 4個主要部件，它們各自的使用壽命參考值見表 42。 主要部件 太 陽能 電池組件 控制器 蓄電池 照明光源 參考壽命 25年 10年 3～ 5年 超 高 亮 度 LED 為150000h 25 5 30W 太陽能路燈系統(tǒng)設計 設計要求：太陽能路燈光源功率為 30W,工作電壓為直流 12V 要求路燈每天工作 7h,保證連續(xù) 7個陰雨天能正常工作。河南理工大學位于焦作，平均實際日照時數(shù) 10 小時，平均峰值日照時數(shù)（組件表面上）為 小時；最小的日峰值日照時數(shù)為 小時 .。 校區(qū)內東西主干道長 4 公里，車道寬 16m。 根據(jù)以上資料，計算出焦作地區(qū)的太陽能電池組件最佳傾角為 51176。，標準峰值時數(shù)約 。 (1) 負載日耗電量 QF = P179。 h/V = 30179。 7/12 = 20(A178。 h) 511 式 式中， V 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=Q179。 (A) 512 式 式中， 為太陽能充電綜合損失系數(shù)； 為蓄電池充電效率； 為控制器效率。 (3) 蓄電池容量的確定。滿足 7 個陰雨天能正常工作的電池容量 C = Q179。 (d+1)/179。 =20179。 8/0 .75179。 = 235(A178。 h) 513 式 式中， 為蓄電池放電深度； 為蓄電池安全系數(shù)。 取蓄電池容量為 240A178。 h，則選用 2 節(jié) 12V、 120A178。 h 的電池組成電池組。 (4) 連續(xù)陰雨天過后需要恢復蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流 I2 = C179。 179。 式中， 為蓄電池放電深度。 26 (5) 太陽能電池組件的功率為 （ I1+I2）179。 18 = (+) 179。 18 = 160(W) 515 式 式中， 18 為太陽能電池組件工作電壓。在太陽能 LED 路燈系統(tǒng)中，線損，控制器的損耗及恒流源的功耗各不相同，實際應用中可能為 5％～10％。所以 160W 只是實際值，現(xiàn)實應用中可根據(jù)實際情況有所增加。 表 51 太陽能 LED 路燈的配置方案 選取 2 塊峰值功率為 80W 的太陽能電池組件構成太陽能電池陣列 。 根據(jù)計算 ,我們做出太陽能 LED 路燈的配置方案見表 51，結構系統(tǒng)參數(shù)見表 52。 表 52 結構系統(tǒng)參數(shù) 燈管高度 6m 組件支架 優(yōu)質鋼材 光源度 6m 表面處理 熱鍍鋅 設計燈管間距 20m 燈管預埋件 優(yōu)質圓鋼 序號 配件名稱 規(guī)格 單位 數(shù)量 備注 1 太陽能電池組件 80W 塊 2 單晶硅或多晶硅 2 蓄電池 12V/120Ah 塊 2 鉛酸蓄電池 3 光源 30W LED 只 1 暖白色 4 充放電控制器 12V/10A 臺 1 過充電、過放電保護 5 燈桿 6m 根 1 熱鍍鋅、噴塑 27 設計安裝數(shù)量（套） 200 燈桿基礎 C25混凝土澆筑 太陽能路燈系統(tǒng)設計所在地位置 焦作地處中國內陸，中緯度地帶，氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候。主要特點是：冬冷夏暖，寒冷期短；春秋短促多風；雨量較少，普遍較干燥；日照充足，四季分明。我市年平均氣溫為 ℃ ,冬季寒冷 ,平均氣溫 ℃。最低氣溫 =0 的日期平均為本 51 天 ,寒冷期較長。冬季極端最低氣溫為 ℃ (出現(xiàn)在 55 年 1 月 2 日 )，夏季平均氣溫 。極端最高氣溫為 ℃ (出現(xiàn)在 52 年 7月 18 日 )，但高溫時段一般持續(xù)較短，而且晝夜溫差較大，所以感覺并不炎熱。年降水量平均為 毫米 ,全市降水主要集中在夏季。 68 月的降水量約占總降水量的 %。年日照時數(shù)約為 2516 小時。全年大風 =6 級的日數(shù)平均為 天。其中春季 天占全年的 %。 =8 級的日數(shù) 天。其中春季 天。占全年的 %。 52 河南理工大學所在地 (焦作 )的 (19611990)年平均基本氣候資料 月 水平 輻射 mWh/cm178。 氣溫 (℃) 最高氣溫(℃) 最低氣溫(℃) 極高氣溫(℃) 極低氣溫(℃) 日照時數(shù)() 平均風速(s) 降水 (mm) 降水 日數(shù)(天 ) 平均 2 0 57.08 1 115 52 166 86 1671 26 7 2 2 78 17 131 149 71 1809 29 8 2 28 3 7 64 44 198 55 2313 34 16 3 4 98 160 38 293 10 2406 40 43 5 5 172 232 111 343 10 2672 37 55 6 6 217 271 166 352 78 2473 31 87 8 7 245 290 204 352 124 2143 26 167 11 8 236 283 193 357 80 2237 24 157 9 9 173 235 119 307 10 2355 25 77 6 10 95 159 41 292 83 2159 28 42 4 11 3 57 42 217 201 1643 30 17 3 12 79 22 125 134 302 1511 27 9 2 注： 焦作位于 (123゜ 26’E,41 ゜ 46’N) 海拔高度 43 米 。 太陽能電池組件的選擇 由設計要求知：太陽能電池組件的功率為 （ I1+I2）179。 18 = (+) 179。 18 = 160(W) 選取 2 塊峰值功率為 80W的單晶硅組件太陽能電池組件構成太陽能電池陣列。所選組件經過了 CE， TUV， IEC 等國際認證，產品性能及壽命均滿足國家或行業(yè)標準。組件出廠均進行嚴格的檢測，保證電性能參數(shù)盡可能一致，其中最大輸出功率 Pm、最大工作電流 Im 及工作電壓Wm 的離散性均小于177。 5%。 太陽電池組件的基本要求 (1)防水、防冰雹、防風。一般太陽能電池組件采用鋼化玻璃封裝，采用的鋁合金邊框應具有高強度，抗機械沖擊能力要強。安裝時用金屬支架固定，能抵御 10 級以上大風。 (2)標準測試條件：輻射度為 1000W/㎡ ,電池溫度為 25℃。 (3)絕緣電壓：≥ 600V。 29 (4)邊框接地電阻：≤ 10Ω。 (5)迎 風壓強 :2700Pa 。 (6)填充因子： 73％。 (7)短路電壓溫度系數(shù)： + ℃。 (8)開路電壓溫度系數(shù)： 60mV/℃。 (9)工作溫度： 40℃ ~+85℃。 單晶硅太陽能電池組件的結構及技術參數(shù) （ 1）單晶硅太陽能電池組件的結構 單晶硅太陽能電池組件的實物外形如圖 51 所示，單晶硅太陽能電池組件的結構如圖 52 所示 ,光伏組件的