【正文】 和能源供應(yīng)的安全可靠，可再生能源技術(shù)在這些方面有著較大優(yōu)勢(shì)。它要求較大的設(shè)備投資、創(chuàng)造了更多的就業(yè)機(jī)會(huì)、有助于經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)。它的利用有助于降低CO2的排放，因而達(dá)到保護(hù)環(huán)境，很多國(guó)家，如丹麥、芬蘭、德國(guó)和瑞士，都認(rèn)為氣候變暖是推動(dòng)太陽(yáng)能研究開(kāi)發(fā)、發(fā)展和銷(xiāo)售活動(dòng)的主要因素。 本論文研究的主要內(nèi)容，設(shè)計(jì)蓄電池的充放電控制方法。、實(shí)驗(yàn)硬件電路，保證可以實(shí)現(xiàn)既定功能。其作用是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。(1)單晶硅太陽(yáng)能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定，適合在陰雨天比較多、陽(yáng)光相對(duì)不是很充足的南方地區(qū)使用；(2)多晶硅太陽(yáng)能電池生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格比單晶硅低，適合在太陽(yáng)光充足、日照好的東西部地區(qū)使用；(3)非晶硅太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光照條件要求比較低，適合在室外陽(yáng)光不足的地區(qū)使用。如6V蓄電池充電需要用8~9V太陽(yáng)能電池，給12V蓄電池充電需要用15~18V太陽(yáng)能電池。一般有鉛酸蓄電池、NiCd蓄電池、NiH蓄電池。一般來(lái)講，這種蓄電池充電時(shí)，應(yīng)外接直流電源（充電極或整流器），使正、負(fù)極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來(lái)的活性物質(zhì)，吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。鎳鎘（NiCd）蓄電池的正極為氧化鎳，其負(fù)極為海綿狀金屬鎘，電解液多為氫氧化鉀，氫氧化鈉堿性水溶液。鎳氫（NiH）蓄電池鎳氫電池的設(shè)計(jì)源于鎳鎘電池，但在改善鎳鎘電池的記憶效應(yīng)上，有極大的發(fā)展。鎳氫電池所造成的污染，會(huì)比含有鎘的鎳鎘電池小很多。蓄電池容量的選擇一般遵循以下原則：首先在能滿(mǎn)足夜晚照明的前提下，把白天太陽(yáng)能電池組件吸收的能量盡量存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)滿(mǎn)足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)能電池、用電負(fù)荷（路燈）相匹配。太陽(yáng)能電池功率必須比負(fù)載功率高出4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜。目前市場(chǎng)上蓄電池因酸液不同分為鉛酸蓄電池和膠體蓄電池（固體蓄電池）。膠體蓄電池的特點(diǎn)：，甚至在放電后未及時(shí)補(bǔ)充電的情況下容量也能100％得到回充；～10年，適合每天使用；；；；；；，很小均衡充電；，充電接受能力強(qiáng)；，電池內(nèi)部水分損耗小。 照明燈具的選擇太陽(yáng)能路燈采用何種光源，是判斷太陽(yáng)能燈具能否正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽(yáng)能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無(wú)極燈、LED光源。：低壓鈉燈光效高（可達(dá)200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價(jià)格貴，整個(gè)系統(tǒng)造價(jià)高，采用較少。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(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，但在太陽(yáng)能燈具上使吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文用壽命大大減少，與普通節(jié)能燈差不多（因?yàn)樘?yáng)能燈具都是方波逆變器，太陽(yáng)能電源220V輸出頻率、相位、電壓都是不能和普通市電相比的）。隨著技術(shù)進(jìn)步，LED的性能將進(jìn)一步提高。因此，為達(dá)到最佳性能要求，選擇LED燈具作為光源。利用單片機(jī)完全可以實(shí)現(xiàn)路燈亮度的自動(dòng)調(diào)節(jié)并能達(dá)到節(jié)省能源的目的，并且一旦開(kāi)機(jī)就可以智能地持續(xù)工作，減少了工作人員的維護(hù)量。選擇控制器的關(guān)鍵取決于芯片的不同和電路的不同，以下從三個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比論證。因此，當(dāng)在蓄電池達(dá)到浮充電壓點(diǎn)時(shí)，蓄電池并沒(méi)有充滿(mǎn)，切斷電源后，蓄電池電壓會(huì)有很大的降落。其充放電曲線(xiàn)不是很好，因此只適用于小功率的用戶(hù)和要求不高的場(chǎng)合，特別適用于12V和24V輸入的220W以下的用戶(hù)系統(tǒng)。具有性能完善，功能強(qiáng)大，學(xué)習(xí)容易，開(kāi)發(fā)應(yīng)用方便等優(yōu)點(diǎn)。AT89C51單片機(jī)是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和128bytes的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)。AT89C51的芯片管腳圖如圖21.其主要特性為：4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定32可編程I/O線(xiàn) 5個(gè)中斷源 低功耗的閑置和掉電模式圖21 AT89C51芯片管腳 方案的配置與計(jì)算在眾多太陽(yáng)能路燈實(shí)際應(yīng)用中，很多地方的太陽(yáng)能路燈不能滿(mǎn)足正常照明需要，尤其在陰雨天的情況下更為突出，除使用了質(zhì)量較差的相關(guān)組件外，另一個(gè)主要的原因就是一味的降低組件成本，不按需求設(shè)計(jì)配置，減小電池板和蓄電池的使用標(biāo)準(zhǔn)，所以導(dǎo)致在陰雨天路燈無(wú)法提供照明。通過(guò)地理位置可以了解并掌握設(shè)備使用地的氣象資源，比如月（年）的平均太陽(yáng)能輻照情況、平均氣溫、第二章 系統(tǒng)方案論證及選擇大氣質(zhì)量等，根據(jù)這些條件可以確定當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能標(biāo)準(zhǔn)峰值時(shí)數(shù)(h)和太陽(yáng)能電池組件的傾斜腳與方位角。光源功率大小直接影響整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)。這是決定系統(tǒng)組件大小的核心參數(shù)，通過(guò)確定工作時(shí)間，可以初步計(jì)算負(fù)載每天的功耗和與之對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)能電池組件的充電電流。此參數(shù)決定了蓄電池容量大小及陰雨天過(guò)后恢復(fù)電池容量所需要的太陽(yáng)能電池組件功率。這是決定系統(tǒng)在一個(gè)連續(xù)陰雨天過(guò)后充滿(mǎn)蓄電池所需要的電池組件功率。當(dāng)?shù)貣|經(jīng)114度，北緯23度，兩個(gè)連續(xù)的陰雨天間隔時(shí)長(zhǎng)25天。(1) 負(fù)載日耗電量： (21)式中U為系統(tǒng)蓄電池標(biāo)稱(chēng)電壓(2)滿(mǎn)足負(fù)載日用電的光伏組件的充電電流： (22)式中系數(shù)分別為太陽(yáng)能充電綜合損失系數(shù)，蓄電池充電效率和控制器效率(3)蓄電池容量：吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文 (23)，(4)連續(xù)陰雨天過(guò)后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽(yáng)能電池組件充電電流： (24)(5)太陽(yáng)能電池組件的功率為： (25)式中18為太陽(yáng)能電池工作電壓第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 系統(tǒng)基本介紹系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件部分(包括支架)、LED光源、控制箱(內(nèi)有控制器)等幾部分構(gòu)成,太陽(yáng)能電池板的設(shè)計(jì)對(duì)系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常有利。如圖31所示。太陽(yáng)能電池：吸收太陽(yáng)能，將光能轉(zhuǎn)換成直流電能?？刂破鳎嚎刂菩铍姵氐某浞烹姷纳疃龋娱L(zhǎng)蓄電池壽命，控制負(fù)載運(yùn)行時(shí)間及狀態(tài)。蓄電池：儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能，在夜晚為負(fù)載提供電力。光線(xiàn)逐漸增強(qiáng)，電池組件產(chǎn)生的電壓增大并達(dá)到控制器設(shè)定關(guān)斷電壓值時(shí)，控制器切斷負(fù)載。光控開(kāi)－時(shí)控關(guān)原理：白天，太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池組件表面時(shí)，光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能，并通過(guò)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；隨著光線(xiàn)逐漸減弱，太陽(yáng)電池組件產(chǎn)生的電壓不斷下降，當(dāng)電壓值低于控制器設(shè)置的啟動(dòng)電壓值時(shí)，控制器啟動(dòng)負(fù)載工作。由于單片機(jī)程序設(shè)計(jì)十分靈活，所以可由軟件設(shè)計(jì)選擇控制方式。 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的理論為什么半導(dǎo)體PN結(jié)經(jīng)由太陽(yáng)光一照就有電呢?科學(xué)家們將這種光照生電的現(xiàn)象叫做“光生伏打效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏效應(yīng)”?？昭ù碇姾桑姾傻囊苿?dòng)就形成了電流，這個(gè)電流就叫“光生電流”，它與光電池板的面積、光照度、光電池板表面溫度等因素有關(guān)。電池的驅(qū)動(dòng)能力的大小也即電動(dòng)勢(shì)的大小與電流是直接相關(guān)的，雖然電動(dòng)勢(shì)是以“伏特”為單位來(lái)表示的，但其“實(shí)力”是由內(nèi)部電流的強(qiáng)弱決定的，實(shí)踐中我們經(jīng)常能遇到這樣的情況，一節(jié)（塊）電池的電壓還很高，但是電流特別小，電壓再高也是虛的。回路中電流的方向永遠(yuǎn)與電子流動(dòng)的方向相反。光生電流決定了太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率，因此光電產(chǎn)品和光伏發(fā)電工程特別要注意光電池組件板的安裝角度。光生電流的產(chǎn)生，表面上看是“空穴導(dǎo)電”形成的，但實(shí)質(zhì)上還是電子的“定向填充空穴”形成的。單晶硅內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)是四價(jià)電子結(jié)晶形態(tài)。原子間的空格也叫晶格，是自由電子活動(dòng)的空間。這就是P型半導(dǎo)體的特性。與P型半導(dǎo)體相類(lèi)似，單晶硅在高溫高壓下形成結(jié)晶態(tài)之前，在純硅當(dāng)中摻雜了五價(jià)的磷原子，結(jié)晶形成后，某一個(gè)磷原子吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文占據(jù)了硅原子的位置混在晶格中，結(jié)果必定有一價(jià)電子找不到配對(duì)、無(wú)家可歸因而成為不安定因素。結(jié)果在接觸面上就形成了很薄的半導(dǎo)體膜層，這個(gè)膜層被科學(xué)家稱(chēng)為PN結(jié)，PN結(jié)是一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，具有單向?qū)щ娦裕醇由险螂妶?chǎng)就導(dǎo)通，加上反向電場(chǎng)就截止。目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的PN結(jié)可以細(xì)微到納米級(jí)。太陽(yáng)能電池的外表面——向陽(yáng)的一面是富空穴的P型半導(dǎo)體，緊貼下面的就是富電子的N型半導(dǎo)體。有意思的是，這些空穴由下向上依次被電子填充，就好像空穴由上而下在悄悄移動(dòng)。太陽(yáng)能電池的電動(dòng)勢(shì)由此而生。要形成電流還得怎么樣？還要在電池的兩端加上導(dǎo)線(xiàn)使其構(gòu)成回路才行?？梢哉f(shuō)，光伏路燈系統(tǒng)的不同，其實(shí)質(zhì)就是控制器的不同。所以設(shè)計(jì)功能完備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,必須對(duì)它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過(guò)充電及深度充電。同時(shí)太陽(yáng)能控制器應(yīng)兼有路燈控制功能,具有光控、時(shí)控的功能,并應(yīng)具備夜間自動(dòng)切斷負(fù)載功能,便于陰雨天延長(zhǎng)路燈工作時(shí)間。同時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對(duì)負(fù)載LED的供電方式。太陽(yáng)能控制器功能：；；。 蓄電池的充放電原理以鉛酸電池為例。 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)—?dú)溲趸U（），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（）留在正極板上，故正極板上缺少電子?？梢?jiàn)，在未接通外電路時(shí)（電池開(kāi)路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如圖32所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。經(jīng)由放電，硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。 2. 充電中的化學(xué)變化 由于放電時(shí)在陽(yáng)極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會(huì)在充電時(shí)被分解還第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 原成硫酸,鉛及過(guò)氧化鉛,因此電池內(nèi)電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升，并逐漸回復(fù)到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質(zhì)已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當(dāng)兩極的硫酸鉛被還原成原來(lái)的活性物質(zhì)時(shí)，即等于充電結(jié)束，而陰極板就產(chǎn)生氫，陽(yáng)極板則產(chǎn)生氧，充電到最后階段時(shí)，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會(huì)減少，此時(shí)應(yīng)以純水補(bǔ)充。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)有日照時(shí)，蓄電池與光伏陣列發(fā)電裝置并聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)蓄電池自放電或瞬間放電所損失的容量由浮充電流補(bǔ)足；在無(wú)日照時(shí)，則由蓄電池單獨(dú)向負(fù)載供電。隨著充電過(guò)程的進(jìn)行，蓄電池組端電壓將逐漸上升，控制單元適時(shí)檢測(cè)蓄電池組的荷電狀態(tài)，當(dāng)蓄電池組端電壓達(dá)到充電保護(hù)電壓時(shí)，充電過(guò)程終止。 蓄電池充電技術(shù)研究蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法 恒流充電恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過(guò)程中隨著蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文這種充電方式的不足之處是，蓄電池開(kāi)始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個(gè)充電過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，特別在充電后期，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足65%。具體充電電流的大小、充電時(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說(shuō)明書(shū)中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。 圖33 恒流充電曲線(xiàn) 圖34 恒壓充電曲線(xiàn) 恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。在充電末期只有很小的電流通過(guò)，這樣在充電過(guò)程中就不必調(diào)整電流。此法的充電特性曲線(xiàn)如圖34所示，此法也有其不足之處：第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 ① 在充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過(guò)流而受到損傷。③ 蓄電池端電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過(guò)程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。 恒壓限流充電恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時(shí)初始電流過(guò)大而進(jìn)行改進(jìn)的一種方式。這種采用串電阻限流的方式對(duì)于光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，肯定是不實(shí)用的，因?yàn)榇?lián)電阻將消耗掉有限的電能。 兩階段、三階段充電這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。這樣蓄電池在初期充電不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)生析氣。在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達(dá)其額定容量(當(dāng)時(shí)環(huán)境條件下)時(shí)，許多充電控制器允許對(duì)蓄電池繼續(xù)以小電流進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)蓄電池的自放電，這種以小電流充電的方式也稱(chēng)為浮充。如圖35的虛線(xiàn)段。在某些場(chǎng)合需要縮短充電時(shí)間，但采用電流過(guò)大時(shí)蓄電池的溫度會(huì)升高過(guò)快，對(duì)蓄電池有損害，且電流利用率也下降。這種方式解決不產(chǎn)生大量析氣和不使溫度升高過(guò)大的方法是采第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 用不斷地脈沖充電和反向電流短時(shí)間放電相結(jié)合方法。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。 智能充電（馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。1967 年美國(guó)學(xué)者麥斯(J. A. Mas)經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)提出了電池充電可接受電流定律，如式34 所示 (34)上式中：——電池可接受的充電電流；——開(kāi)始充電(t=0)時(shí)電池可接受的最大充電電流；a——充電可接受電流衰減常數(shù)(接收率)，與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，a=I /C，其中I 為任意充電狀態(tài)下蓄電池可接受的充電電流，C 表示蓄電池的容量。電池在充電過(guò)程中其充電可接受電流按圖36所示，具有指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性。在1 區(qū)域時(shí)，充電電流越大，電解水反應(yīng)就越劇烈，并使電池內(nèi)部的壓力增大、溫升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。但是在光伏系統(tǒng)中因?yàn)槌潆婋娫幢旧聿⒉皇钦嬲饬x上的“無(wú)限電源”，而是來(lái)自太陽(yáng)能光伏陣列這個(gè)“有限電源”，對(duì)蓄電池充電的同時(shí)還必須考慮電源電流的“來(lái)源”是否足夠。LED發(fā)光的原理如下：如圖37所示。由于電子遷移率μ比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 圖37 PN結(jié)發(fā)光的原理圖