【正文】 在此，謹向閆老師表示衷心的感謝和無比的敬意!再次，還要感謝在畢設工作中幫助過我的同學、朋友，他們的耐心幫助給了我很大的動力和支持。本文還對部分電路進行了仿真，結(jié)果基本符合要求，并設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。本文根據(jù)太陽能電池的輸出特性和蓄電池的輸入特性，采用最大功率充電(MPPT)、恒壓充電和浮充充電三種充電控制方式。系統(tǒng)上電后首先進行初始化，包括各存儲單元初始化、外部時鐘初始化和溫度傳感器初始化等。負載工作時，還應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)會自動采取相應的措施，保護電路。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。 本章小結(jié)本章主要介紹了硬件電路的設計思路，包括主控電路，充電電路，放電電路，信號采集電路及保護電路。具體電路如圖59所示。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。開關(guān)閉合時能量從電源注入并存儲于電感L之中。圖55 放電回路電路結(jié)構(gòu)圖（1）Boost電路工作原理 Boost型變換器也叫并聯(lián)開關(guān)變換器。求得C的值為215F，取300μF。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。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。電路結(jié)構(gòu)如圖51所示。其工作原理圖如圖41所示：圖41 路燈控制器工作原理圖 本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)各部分的參數(shù)計算及主要器件的選擇，闡述了控制器的主要功能及系統(tǒng)的工作原理。（5）LED 路燈自動通斷功能與恒流控制功能[26]。 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)。設計時一般是先通過現(xiàn)場實驗，測定單位面積的太陽能電池，在工作地點實際日照條件下不同時間段的輸出電流值，再由此計算平均日照條件下的輸出電流值和平均日照時間值，結(jié)合蓄電池的容量確定需要的太陽能電池板面積。（2）日均光照 以秦皇島為例，日均光照在5小時每天（3）每日放電時間 平均每日放電時間為10小時（傍晚7時到第二天5時），通過PWM控制LED的工作方式每日放電時間縮短為7小時。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)了其他幾種較為復雜和先進的跟蹤算法。而且由于增量電導法算法較為復雜，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。 其他跟蹤方法除上述方法外，MPPT算法還包括短路電流法、最優(yōu)梯度法、滯環(huán)比較法、間歇掃描法、實時監(jiān)控法、模糊控制法、神經(jīng)網(wǎng)絡法等。 電導增量法光伏陣列的PV曲線是一個單峰曲線，在MPP點功率對電壓的導數(shù)為零。擾動觀察法流程圖如圖33所示。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。 恒電壓法溫度一定時，在不同的日照強度下，太陽能電池陣列輸出曲線的最大功率點基本是分布在一條垂直線的附近，如圖32所示。 最大功率點跟蹤原理光伏陣列的輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載情況等影響。所謂MPPT技術(shù)，既在電路中加入DC—DC阻抗變化網(wǎng)絡使太陽能電池輸出恒定在最大功率點。PWM調(diào)制充電方式使蓄電池有較充分的反應時問，減少了析氣量，提高了蓄電池的充電效率。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中因為太陽能電池本身在特定條件下輸出能量有限，無法提供充電初期較大的電流。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線，如下圖所示。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。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。 恒電壓充電法恒壓充電就是以恒定電壓對鉛酸蓄電池進行充電。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓允電、階段充電、智能充電和PWM充電等方法。[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。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。工作工程中進行過充、過放保護，過流、短路保護，太陽能電池板、蓄電池反接保護等。根據(jù)以上介紹，結(jié)合本研究要求，采用恒流驅(qū)動、脈寬調(diào)制方式調(diào)節(jié)LED路燈亮度。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 上的電壓保持在設定參考電壓上。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。由于這個特點，LED不能直接用電壓源供電，必須采用限流措施，否則隨著LED工作時溫度的升高，電流會越來越大，以至損壞LED。正常工作時的管壓降為3V～4V。（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。 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。（2）單芯片型中在藍色LED芯片里涂敷高效黃色熒光粉，藍光及被藍光激發(fā)的熒光粉發(fā)射的黃光經(jīng)調(diào)控后可得到各種色溫的白光。通常產(chǎn)生白光的方式有兩種：一是用單色光激發(fā)熒光粉發(fā)出其他顏色的光，最終混合成白光；二是采用將幾種發(fā)不同色光的芯片封裝在一起的方法，通過這些色光的混合，構(gòu)成發(fā)白光的LED。（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。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%。其主要優(yōu)點為[18]：（1）高效 白熾燈、鹵鎢燈光效為12～24lm/W，熒光燈光效為50～120lm/W。LED在電子產(chǎn)品中的應用已有較悠久的歷史。（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。所以綜合考慮在設計太陽能光伏系統(tǒng)時對蓄電池安置應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。低溫( 5 ℃) 時，電池容量隨溫度降低而減小，低溫還會導致負極活性物質(zhì)利用率下降，影響蓄電池容量，如電池在 10 ℃環(huán)境溫度下放電時，負極板容量僅達35 %額定容量。對于長期處于浮充狀態(tài)的蓄電池，由于長時間的浮充會使電解液里游離物質(zhì)的活性減弱和使鉛酸蓄電池端電壓產(chǎn)生不均衡，嚴重時甚至會使個別電池單體正、負極反轉(zhuǎn)，即發(fā)生“反極”現(xiàn)象，因此對長期處于浮充的蓄電池通常要進行1～3 h的小電流過充的均衡充電來消除長期浮充帶來的蓄電池不均衡，然而均衡充電也是過充充電，所以也是不能太頻繁的進行，一般一年內(nèi)進行1～2 兩次。（4）過充電 過充電會導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。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。硫酸鹽化是指在負極柵板上形成一種粗大、難于接受充電的結(jié)晶，蓄電池容量減少，此現(xiàn)象又稱為不可逆硫酸鹽化。隨著放電深度的增加，這種收縮和膨脹的程度越大，結(jié)合力的破壞也越大，因此蓄電池的循環(huán)壽命也就越短。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)使用的鉛酸蓄電池的時間壽命一般均在10年以上[15]。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。在蓄電池外部，在蓄電池電動勢作用下，負極上的負電荷源源不斷地經(jīng)過負載流向正極。同時，電解質(zhì)溶液中的硫酸分子逐漸增加，水分子逐漸減少，因此電解質(zhì)溶液的比重在增加，蓄電池的端電壓在增加，蓄電池的能量也隨之增加。與正極板附近的OH一發(fā)牛反應而生成。 鉛酸蓄電池工作原理（1）充電過程 鉛酸蓄電池屬于電化學電池，其以海綿狀Pb作負極，作正極，硫酸作電解液。[14] 蓄電池種類現(xiàn)在在太陽能光伏系統(tǒng)中常用的蓄電池有：鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池。（5）不污染環(huán)境 如果蓄電池在充電、放電過程中或者廢棄回收過程中污染了環(huán)境，這種蓄電池就悖于太陽能光伏發(fā)電綠色環(huán)保的初衷，抵消了太陽電池的節(jié)能減排效果；在這方面物理法儲能有獨特的優(yōu)勢。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。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。由曲線可以看出太陽能電池板的輸出特性具有以下特點：（1）太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時近似為恒壓源；（2）開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強度成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強和溫度成非線性變化；（3）輸出功率在某一點達到最大值，該點即為太陽能電池板的最大功率點（MPP）且隨著外界環(huán)境的變化而變化。 太陽能電池的基本特性根據(jù)太陽能電池的工程數(shù)學模型本文建立了太陽能電池陣列的matlab仿真模型，對本課題選用的太陽能電池進行了仿真，下圖為光伏電池仿真模型。（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(chǎn)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。 太陽能電池的數(shù)學模型（1）理論數(shù)學模型 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。比如:染料敏化電池，這種電池的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率僅為10﹪，但其制作材料簡單，生產(chǎn)成本低廉。（4）第三代太陽能電池 目前，科學家們正致力于第三代太陽能電池的研發(fā)和探索。（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》中第三價和第五價元素的化合物。[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。此外 倒金字塔技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)以及陷光理論的完善也是高效晶硅電池發(fā)展的主要原因。正是因為這種電場的存在，半導體裝置就會釋放出大量電子，電子通過晶體硅片電池將光能轉(zhuǎn)換成電能。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]。當具有適當能量的光子入射于半導體時，光子激發(fā)半導體材料而產(chǎn)生電子一空穴對，勢壘電勢就會推動電子向N型半導體擴散，空穴向P型半導體擴散，并分別聚集于兩個電極部分。物質(zhì)根據(jù)導電性分為：導體，半導體和絕緣體。 太陽能電池基本工作原理光伏發(fā)電是利用半導體材料光伏效應直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。太陽能路燈系統(tǒng)實質(zhì)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(gòu)成如下圖21所示。 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，研究設計了一種基于51單片機的太陽能光伏電源控制器。蓄電池充電策略直接影響到蓄電池的壽命，研究智能化的充電方法，提高蓄電池的充電接受率，減少充電時間，對于整個光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)具有重要意義。[6] 太陽能路燈控制器技術(shù)現(xiàn)狀在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電源控制器是整個系統(tǒng)的核心組成部分，負責對儲能設備的充電和對負載的放電任務。[4]整體上看，我國不但在太陽能電池生產(chǎn)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?；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。有資料顯示，每年用于照明的電力在3000億度以上，若采用LED照明，每年就可以節(jié)約1/3的照明用電，基本上相當于總投資規(guī)模超過2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量。目前太陽能發(fā)電有兩種方法[3]：一種是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，然后按常規(guī)方式發(fā)電，稱為太陽能熱發(fā)電；另一種是通