【正文】 00Hz 的開關頻率來進行PWM 亮度調節(jié)，這是因為人眼無法分辨超過40Hz 的頻率的變化，而太高的頻率又會引起白光顏色發(fā)生移位和亮度調節(jié)非線性。 白光LED燈的控制方式目前調節(jié)LED 亮度的方式有兩種[20][30]: （1）調節(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，因此可以通過調節(jié)LED 的工作電流的方法在較大范圍內控制LED 的亮度。（3）單芯片型中在紫外LED 芯片里涂敷紅、綠、藍三基色熒光粉，熒光粉被紫外光激發(fā)產(chǎn)生白光。（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)調控后可得到各種色溫的白光。從結構來分，白光LED 分為單芯片型、多芯片型(雙芯片型和三芯片型)，各種不同結構類型LED特點如下[19]：（1）多芯片型，直接將紅、綠、藍三種顏色的LED芯片組成一組，實現(xiàn)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，構成發(fā)白光的LED。半導體PN 結發(fā)光實質為固體發(fā)光，而各種固體發(fā)光都是固體內不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結果。（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。（5）光色多 可以選擇白色或彩色光，如藍色、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。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%。（2）節(jié)能 LED具有電壓低、電流小、亮度高的特性，～1W。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?，F(xiàn)在已經(jīng)應用的太陽能LED照明系統(tǒng)有太陽能路燈、太陽能草坪燈等，以及太陽能室內半導體照明系統(tǒng)。LED在電子產(chǎn)品中的應用已有較悠久的歷史。（5）除了大型的太陽能電站有專門的放置蓄電池的房間，能做到比較好的維護，其他的小型太陽能光伏系統(tǒng)比如太陽能路燈、太陽能草坪燈等蓄電池工作環(huán)境比較惡劣，夏季高溫和冬季低溫工作也是如此。（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。（2）充電率非常小，平均充電電流一般為C/50～ C/ 100 ，很少達到C/ 5～ C/ 10。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，這樣能夠延長鉛酸蓄電池的壽命。有資料顯示，對于鉛鈣合金板柵蓄電池正常工作溫度每提高8 ℃，蓄電池浮充壽命減少一半。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。（5）溫度影響 溫度對鉛酸蓄電池的電解液粘度和電阻有很大的影響， 當電解液溫度升高時其擴散增加、電阻降低，因此蓄電池的容量及活性物質利用率隨溫度增加而增加。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，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，一般一年內進行1～2 兩次。同時在過充電時正極活性物質會遭氣體的沖擊，將使活性物質脫落，此外正極板柵合金也會遭到嚴重的陽極氧化而腐蝕，因此電池過充電會使蓄電池壽命減小。（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。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，這樣在再充電時會加速蓄電池極板極化，進一步影響蓄電池的壽命。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，對于負極板由于轉化為后活性物質膨脹產(chǎn)生應力，會造成極板彎曲或活性物質脫落，從而影響到蓄電池的壽命。（3）小電流放電 蓄電池的放電電流越大，電流在電極上分布越不均勻，電流優(yōu)先分布在離主體電解液最近的表面上，從而在離電極最外的表面優(yōu)先生成。硫酸鹽化是指在負極柵板上形成一種粗大、難于接受充電的結晶，蓄電池容量減少，此現(xiàn)象又稱為不可逆硫酸鹽化。電解液分層是指蓄電池在低過充和深度放電時，電池底部的酸濃度高于頂部酸濃度。隨著放電深度的增加，這種收縮和膨脹的程度越大，結合力的破壞也越大，因此蓄電池的循環(huán)壽命也就越短。其具體原因分析如下[16]：（1）放電深度 放電深度即使用過程中放電到何種程度開始充電，在蓄電池循環(huán)使用時其壽命主要決定于放電深度。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]。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)相結合計算得到。同時，電解質溶液逐漸變成水，引起了電解質溶液比重的下降，蓄電池的容量減少。整個過程將引起蓄電池電動勢的下降。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。若在蓄電池兩端接上負載，則在蓄電池的電動勢作用之下產(chǎn)生電流。同時，電解質溶液中的硫酸分子逐漸增加，水分子逐漸減少，因此電解質溶液的比重在增加，蓄電池的端電壓在增加，蓄電池的能量也隨之增加。同時，負極板上的和正極板在外加電場的作用下輸送來的電子結合而還原成Pb；電解質溶液的H+與結合，生成。與正極板附近的OH一發(fā)牛反應而生成。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)。 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。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)使用鎳鎘或鎳氫蓄電池情況比較多，鋰電池由于成本以及對充放電控制要求較高的原因，目前在太陽能光伏系統(tǒng)中應用還很少。[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。量化的概念是：存儲1kW（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。（4）充電放電循環(huán)次數(shù)多 充電放電循環(huán)次數(shù)多，實際上的表現(xiàn)為使用壽命長，這是一個非常重要的指標。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。普通蓄電池的瓦時效率是隨使用時間而變化的，新的鉛酸蓄電池的瓦時效率可以達到90% ，舊的鉛酸蓄電池瓦時效率只有90%；再者，蓄電池的瓦時效率是指25℃條件下的效率，當環(huán)境溫度在零下或者40℃以上時實際效率要下降許多，蓄電池的效率往往不被大家注意，其實它對于獨立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)非常重要。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注的，對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)我們最關心的是瓦時效率，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。蓄電池作為整個太陽能路燈系統(tǒng)的儲備能源，它是整個太陽能路燈系統(tǒng)的關鍵部分之一。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。圖2圖25是太陽能電池陣列在溫度為25℃時，日照強度分別為1000W/㎡、900W/㎡、800W/㎡下表現(xiàn)出的IU和PU特性。 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）遠小于二極管正向導通電阻，所以假設。（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。 圖22 太陽能電池等效電路由圖中各物理量的關系，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。 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。量子點，又稱納米晶、“人造原子”，是準零維的納米材料，由少量原子組成，其粒徑一般介于1～10μm。比如:染料敏化電池，這種電池的太陽能電池轉換效率僅為10﹪，但其制作材料簡單，生產(chǎn)成本低廉。目前太陽能電池轉換效率處于領先水平的磷化銦、砷化鎵多結電池也只有40. 8﹪。（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。高效多結電池的這種結構，可使光電轉換率達到40﹪。（3）高效多結電池 第二代太陽電池的另一種類型是高效多結電池，其主要采用《元素周期表》中第三價和第五價元素的化合物。晶體硅片電池的半導體層厚度為170～200μm，而薄膜型太陽電池的半導體層厚度為2～3μm。[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。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯位的明顯缺陷，造成多晶硅電池光電轉換率一直無法突破20﹪的關口， 低于單晶硅電池。此外 倒金字塔技術、雙層減反射膜技術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。它的轉換效率最高，技術也最為成熟。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換成電能。純硅含有極少量的諸如硼和磷之類的元素。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]。如果將此PN結兩端與外部負載相連構成回路，就會形成電流并產(chǎn)生一定的輸出功率。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。太陽電池是利用半導體內部的光電效應，當太陽光照射到一種稱為“PN 結”的半導體上時，波長極短的光很容易被半導體內部吸收，并去碰撞硅原子中的“價電子”使“價電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產(chǎn)生電子流動[9]。物質根據(jù)導電性分為：導體，半導體和絕緣體。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應( Photovoltaic Effect) ”，簡稱“光伏效應”。 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換為電能的一種發(fā)電形式。[7] 太陽能電池太陽能電池是利用光電轉換原理使太陽的輻射光能通過半導體物質轉變?yōu)殡娔艿囊环N器件，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的最基本組成單元，是整個系統(tǒng)的能量源泉。太陽能路燈系統(tǒng)實質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)構成如下圖21所示。第2章 太陽能路燈系統(tǒng)的基本構成和特性 太陽能路燈系統(tǒng)典型結構 新能源的利用已快速進入我們的生活，太陽能路燈系統(tǒng)的應用前景更是非常廣闊。 論文主要研究內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。第三代控制器是具有兩路調節(jié)功率的控制器，現(xiàn)已被廣泛推廣，在夜間行人稀少時段可以自動關閉一路或兩路照明，節(jié)約用電，還可以針對LED燈進行功率調節(jié)。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。通過研究不同的電路拓撲結構和先進的控制算法，在太陽光強度、太陽能電池溫度以及負載改變的情況下，盡可能使太陽能電池時刻保持最大輸出功率狀態(tài)。[6] 太陽能路燈控制器技術現(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。薄膜電池對弱光的轉化率十分高，即使在陰天照樣能夠發(fā)電。[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。繼晶體硅和薄膜電池之后，一些新概念、新結構的電池，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阻，使得光伏轉換效率的上限有望獲得新的提升?；诒∧ぜ夹g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