【正文】 加水維 護；無 酸氣 逸出， 不污 染環(huán)境 ，環(huán)保 型產(chǎn)品； 采用膠 體電解 質(zhì)技 術(shù)，絕 無酸液 濃度 層化問 題， 完全消 除因濃 度層化引 起的 極板腐 蝕和 鈍化現(xiàn) 象； 浮充 壽命長 ， 12V 系列電 池設(shè)計 壽命可達 810 年； 采用特殊的德國膠體配方和板柵合金 /極 板配方，電池的循環(huán)性能和深放電恢復能力優(yōu)越；采用歐洲進口的膠體電池專用隔板，孔率高，電阻低； 內(nèi)部過量電解液設(shè)計，在高溫和過充情況下工作可靠，性能明 顯優(yōu)于 AMG 電 池，更 適合 惡劣環(huán) 境下 使用； 在正 常浮充 使用過 程中，容量穩(wěn) 定，衰減率低；采用超純材料制造，自放電極低。 蓄電池的容量 BC 計算可用下公式： 0LLA Q N TBC CC? ? ?? Ah (33) 式中： A 為安全系數(shù)，取 ～ 之間； QL為負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)；（ QL= 10=7Ah 這里的 LED提供的恒定電流 ） NL 為最長連續(xù)陰雨天數(shù)； T 為溫度修正系數(shù)，一般在 0℃以上取 1，－ 10℃以上取 ，－ 10℃以下取 ； CC 為蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取 ，堿性鎳鎘蓄電池取。膠 體鉛 酸蓄電 池是對 液態(tài) 電解質(zhì) 的普 通鉛酸 蓄電池 的改進， 用膠體 電解液 代換 了硫酸 電解液 ，在 安全性 、蓄 電量、 放電性 能和使用 壽命等 方面較 普通 電池有 所改善 。最 大限度 地延長 蓄電池的使用壽命是影響整個系統(tǒng)周期成本的關(guān)鍵因 素。 目前太 陽能光 伏系 統(tǒng)常用 的是 鉛酸蓄 電池 ，對于 較高 要求 的系統(tǒng)，通常采用膠體、富液免維護鉛酸蓄電池，深放電閥控式密封鉛酸蓄電 池、深放電 吸液式 鉛酸蓄 電池 等。 圖 32 太陽能電池的 IV曲線 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 11 蓄電池的設(shè)計 蓄電池 的選擇 一般 要遵循 以下 原則： 首先 在能夠 滿足 夜晚 照明的前提下， 把白天 太陽能 電池 組件的 能量盡 量存 儲下來 ，同 時還要 能夠存 儲滿足連 續(xù)陰雨 天夜晚 照明 需要的 電能。太陽能電池和電池板有許多相同的參數(shù)，如 Voc , Isc , Pmax 和 I V 曲線。計 算方法 是用 標準 條件 (STC) 和太陽能電池表面積 ( Ac，單位是 m2 )下的最大功率點 Pmax 除以輸入光 輻照度 ( E，單位是 W/ m2 ) mcPEA?? ? （ 31） 目前：實驗室： η≈ 24%，產(chǎn)業(yè)化： η≈ 15% （ 7）填充因子 (FF) 最大功率點 max P 與開路電壓 (Voc) 及短路電流 (Isc) 之比 為： mco c s c o c s cP A EFF V I V I? ?????? （ 32） （ 8） 電池的二極管特性 （ 9） 電池的串聯(lián)電阻 （ 10） 電池的旁路電阻 太陽能 電池板 通常 定義為 封裝 和連接 在一 起的一 個以 上的 電池。 （ 6）太陽能的電池的轉(zhuǎn)換效率 (η) 太陽能電池接到電路時轉(zhuǎn)換 (從吸 收 光 的 電 能 ) 和 收 集 功 率的 百 分比。 （ 4） Pmax的電壓 (Vmax ) 電池在 Pmax的電壓電平 。 （ 2）短路電流 (Isc ) 負載電阻為零時從電池流出的電流 。 太 陽 能 電 池 的電氣 特性 太陽能 電池的 電氣 特性為 研究 、質(zhì)量 保證 和生產(chǎn) 所需 。其光電效率穩(wěn)定在 10%以上，制作成本僅為硅系太 陽能電池 的 1/5~1/10，壽 命能達 到 20年以上 。但由 于有 機材料 制備 太陽能 電池的 研究僅僅 剛開始 ，不論 是使 用壽命 、電池 效率 都不能 和硅 電池相 比，能 否發(fā)展成 為具有 實用意 義的 產(chǎn)品， 還有待 于進 一步研 究探 索。 主要有 硫化 鎘太陽 能電池 、砷 化鎵太 陽能 電池、 銅銦硒 太陽能電 池幾種 。 太 陽 能 電 池 的發(fā)展 種類 多元化 合物太 陽能 電池： 多元 化合物 太陽 能電池 指不 是用 單一元素半導體 材料制 成的太 陽能 電池。但 非晶硅 太陽電 池存 在的主 要問 題是光 電轉(zhuǎn)換 效率偏低，目前國際先進水平為 10%左右，且不 夠穩(wěn)定，隨著時間的延長 ，其轉(zhuǎn)換 效率衰 減，直 接影 響了它 的實際 應用 。 同時 ，非晶 硅太陽 能電 池很薄 ，可 以制成 疊層式 或采用集 成電路 的方法 制造 ，在一 個平面 上， 用適當 的掩 模工藝 ，一次 制作多個 串聯(lián)電 池，以 獲得 較高的 電壓。非晶硅 太陽能電 池的結(jié) 構(gòu)各 有不同 ，其 中有一 種較好 的結(jié) 構(gòu)叫 PiN電池 ，它是 在襯底上先 沉積 一層摻 磷的 N型非 晶硅， 再沉積 一層 未摻雜 的 i層 ，然后 再沉積一 層摻硼 的型非 晶硅 ，最后 用電子 束蒸 發(fā)一層 減反 射膜， 并蒸鍍 銀電極。這種 硅錠鑄 成立 方體后 通過 切片加 工成方 形太陽能 電池片 ，提高 了材 料利用 率和方 便組 裝多晶 硅太 陽能電 池與單 晶硅太陽能電池的制作工藝差不多，其光電轉(zhuǎn)換率約 12%左右，稍 低于單 晶硅太陽 能電池 ，但其 材料 制造簡 便，節(jié) 約電 耗，總 的生 產(chǎn)成本 較低， 因此得到大量發(fā)展。單 晶硅 太陽能 電池的 單體 片制成 后， 經(jīng)過檢 驗，就 可以按所 需要的 規(guī)格組 裝成 太陽能 電池組 件， 在實際 應用 中通過 串聯(lián)和 并聯(lián)的方 法構(gòu)成 一定的 輸出 電壓和 電流， 為負 載所用 ，使 用壽命 一般可 達15 年，最高可達 25 年。為了 降低生 產(chǎn)成 本，現(xiàn) 在地 面應用 的太陽 能電池等 采用太 陽能級 的單 晶硅棒 ，材料 性能 指標有 所放 寬。這 種太 陽能電 池以高 純的單晶硅為原料，純度要求 %。電池基體區(qū)域產(chǎn)生的光生電流對紅外光 敏感，占 80－ 90%，是光生 電流的主要組成部分。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 8 圖 31 硅太陽能電池結(jié)構(gòu) 太陽能 電池各 區(qū)對 不同波 長光 的敏感 型是 不同的 。光 生電子 留于 N＋區(qū) ，光生 空穴留 于 P區(qū)，在 PN＋ 結(jié)的兩 側(cè)形成 正負 電荷的 積累， 產(chǎn)生 光生電 壓， 此為光 生伏打 效應。當 入發(fā) 射光照 在電池 表面 時，光 子穿 過減反 射膜進 入硅中，能量大于硅禁帶寬度的光子在 N+區(qū)， PN＋結(jié)空間電荷區(qū)和 P區(qū)中 激發(fā)出光生電子 ——空穴對。頂區(qū) 表面有 柵狀 金屬電 極， 硅片背 面為金 屬底電極。 基本 材料 為 P 型單 晶硅 ，厚 度為 — 左右 。光伏 陣列就 是由許多太陽電池組件經(jīng)過相應的串、并聯(lián)后構(gòu)成。 1973 年世界爆 發(fā)石油 危機， 從此 之后， 人們普 遍對 于太陽 能電 池關(guān)注 ，近十 幾年來， 隨著世 界能源 短缺 和環(huán)境 污染等 問題 日趨嚴 重， 太陽能 電池的 清潔性、 安全性 、長壽 命， 免維護 以及資 源可 再生性 等優(yōu) 點更加 顯現(xiàn)。太 陽能光 伏電 池正是 一種利 用光 伏效應 直接 將光能 轉(zhuǎn)化為 電能的裝置， 1954 年 世 界第 一 塊 實 用 化太 陽 能 電 池 在美 國 貝 爾 實 驗室 問世，并首先應用于空間技術(shù)。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 7 第三章 太陽能光伏電池和鉛酸蓄電池的特性及原理 太陽能電池 太陽能電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 太陽能電池表面有一層金屬薄膜似的半導體薄片，當太陽光照射時，薄片的 另一側(cè) 和金屬 薄膜 之間將 產(chǎn)生一 定的 電壓， 這一 現(xiàn)象稱 為光生 伏打效應 （簡稱 光伏效 應） ，太陽 能電池 就是 產(chǎn)生光 生伏 打效應 （簡稱 光伏效應 ）的半 導體器 件。燈光控 制采用 光控和 時控 結(jié)合的 方法。輸 入設(shè)定 模塊 可以設(shè) 置相 關(guān)照明 參數(shù)， 也可以通過修改參數(shù)調(diào)節(jié) LED 燈的功率。 放電 時 ，單片 機處 理蓄電 池放電 過程 中的狀 態(tài)檢 測，當 檢測到 蓄電池電 量過低 時，立 即停 止對負 載供電 ，起 到保護 蓄電 池的作 用。 充電 控制 和 照明 控制主 要由 單片機 來完成 。 本設(shè)計主要是 由太陽能電池板、蓄電池、充電控制、照明控制、 GPRS 模塊、顯示模塊、時鐘電路等 部分組 成。另外 ，控 制照明 模塊選 擇開燈照度為 10LUX,光控模式還是 光控與時控相結(jié)合的模式。 解決的關(guān)鍵問題 本系統(tǒng) 的技術(shù) 關(guān)鍵 在于選 擇哪 種充電 管理 方式對 蓄電 池進 行充電，可以很 好的給 蓄電池 充電 ，而且 使蓄電 池的 壽命延 長。 （ 6） 調(diào)功設(shè)定：可以通過調(diào)功功能對 L ED燈進 行靈活的功率調(diào)節(jié)，通過降低負載的電流實現(xiàn)減少功耗。 （ 4） 負載的短路保護、極性反接保護、負載過流保護 。 （ 2） 欠壓保護功能：蓄電池電壓低于欠壓保護值時，控制器關(guān)閉負載，停止供電。用一個鍵盤與單片機連接，設(shè)定一些相關(guān)參數(shù)，可以對 LED燈 進行靈活的功率調(diào)節(jié)，通過 降低負載的電流實現(xiàn)減少能耗。 GPRS數(shù)據(jù)模塊通過串口與單片機相連， 單片機與 PC機的 通信， 實時采樣當 前電池電 壓、放 電電流 ，并 顯示電 壓值、 電流 值，當 電壓 過低時 報警， 出現(xiàn)故障時報警。 放電 時，單 片機 處理蓄 電池放 電過程中的狀態(tài)檢測，當檢測到蓄電池電量過低時，立即停止對負載供電，起到保護蓄電池的作用。 隨著城 市建設(shè) 的發(fā) 展，城 市照 明建設(shè) 越來 越注重 于城 市的 形象，道路照明 和景觀 照明的 要求 和數(shù)量 不斷增 加， 因此國 家各 級政府 和廣大 市民對城 市的建 設(shè)、道 路照 明和景 觀照明 提出 更高的 要求 ，希望 實現(xiàn)城 市照明管理的現(xiàn)代化，使城市管理水平更上一層樓。 太陽 能 LED路燈 照明 系統(tǒng) 就是 通過 太陽 能 硅光 電池 板將 太陽 能轉(zhuǎn)換為電能存儲到蓄電池中，由蓄電池為整個系統(tǒng)提供電能。該系統(tǒng)安全可靠，可以廣泛的運用于路燈照明系統(tǒng)。 基于這些背景，提出了基于 GPRS技 術(shù)的太陽能 LED路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計，它通過單片機輸出 PWM斬波控制 太陽能電池板 對蓄電池的充電 ，延長了 蓄電池 的壽 命。 GPRS業(yè)務(wù)采用按流量計費的方法，大大的降低了數(shù)據(jù)的傳輸費用，系統(tǒng)的運營費用十分經(jīng)濟 。通常 無線 網(wǎng)絡(luò)的 建網(wǎng)費 用在無線監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)費用中占很大的比重。由 于電力通 訊需要 借助于 高效 ，可靠 的通信 通道 ，將控 制中 心的控 制命令 準確地傳 送到為 數(shù)眾多 的遠 方終端 ，并且 將反 映遠方 設(shè)備 運行情 況的數(shù) 據(jù)信息收集到控制中心，從而實現(xiàn) 對配電 設(shè)備運行參數(shù)的實時監(jiān)視與控 制。 城市的 大型化 和現(xiàn) 代化， 迫切 需要利 用先 進的調(diào) 控管 理手 段來對路燈照明系統(tǒng)進行調(diào)控。 經(jīng)過 二次光 學設(shè)計 ，照明燈具達到理想的光強分布。 L ED 以其 令人驚嘆的應用在城市室內(nèi) 外照明中 發(fā)揮 著傳統(tǒng) 光源 無可 比擬 的作用 。其已經(jīng)被廣泛應用于指示燈 、信號燈、儀表 顯示、車載光源等場合。 h，相當于目前 世界上能耗的 4 0 倍；而且，太陽能發(fā) 電具有 充分的 清潔 性、絕 對的安 全性 、資源 的相 對廣泛 性、充 足性和長 壽命以 及免維 護性 等其它 常規(guī)能 源所 不具備 的優(yōu) 點，可 謂是人 類的生活 寶庫， 是我們 取之 不盡的 能量的 源泉 ，因此 光伏 能源被 認為是 二十一世紀最重要的新能源。 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 2 圖 11 能源對比圖 太陽能 是太陽 內(nèi)部 連續(xù)不 斷的 核聚變 反應 過程產(chǎn) 生的 能量 ，太陽能資源從 根本上 講就是 太陽 的輻射 能。從而 太陽 能光伏 發(fā)電越 來越受到人類青睞。 開發(fā)可再 生而且 不污染 環(huán)境 的清潔 能源的 任務(wù) 已經(jīng)迫 在眉 睫。 選題背景 及意義 背景 進入 21世紀的 人類面臨 的三大 主要問 題是能 源、環(huán) 境和經(jīng) 濟。 本 設(shè)計主 要通過 單片 機控制 太陽能 電池 板對蓄 電池 的充電 管理， 控制 LED路燈定時、低 照度照明。 本課題 太陽能 LED路燈以太陽光為能源，白天充電 ， 晚上使用，無需復雜昂貴的管線鋪設(shè)，采用 GPRS通信技 術(shù)對每個路燈狀態(tài)進行實時監(jiān) 控，合理設(shè) 置照明 時段， 安全 節(jié)能無 污染， 無需 人工操 作工 作穩(wěn)定 可靠， 節(jié)省電費免維護。 目前 ，國內(nèi) 太陽能 光伏技術(shù)在城市亮化照明中的應用業(yè)已呈現(xiàn)出快速發(fā)展的勢頭。 關(guān)鍵字： LED 照明 、 GPRS 模塊 、充電控制 蘭州理工大學畢業(yè)設(shè)計說明書 II Abstract Increasingly rapid pace of urba n moder niza tion, urba n s treet lightin g and city lighting e ngineering req uireme nts are hi ghe r, a nd the natio nal electricity for lighting in 2021 reac