【正文】 g to the given parameters, switches on and off the LED accurately. Key words photovoltaic battery leadacid battery LED AVR III 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。 作者簽名： 日 期： V 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交 的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 VI 涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。傳統(tǒng)的能源，尤其是煤炭、石油、天然氣三大化石燃料更是有限，不合理地使用傳統(tǒng)能源，它 們?cè)?21世紀(jì)內(nèi)就會(huì)瀕臨枯竭，產(chǎn)生能源危機(jī)，還會(huì)造成全球的 環(huán)境問(wèn)題。隨著化石能源的減少，其價(jià)格也會(huì)提高，這將會(huì)嚴(yán)重制約生產(chǎn)的發(fā)展和人民生活水平的提高。人類(lèi)必須及早尋求新的替代能源。太陽(yáng)能是各種可再生能源中 最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái)自太陽(yáng)能，廣義地說(shuō)，太陽(yáng)能包含以上各種可再生能源。 LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管 )是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見(jiàn)光的半導(dǎo)體發(fā)光器件，不依靠燈絲發(fā)熱來(lái)發(fā)光，而是依靠材料中的正負(fù)電荷復(fù)合來(lái)發(fā)光，能量 轉(zhuǎn)化效率非常高。傳統(tǒng)的光源功耗比 較大，而且大多在高壓下工作，使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率，而 LED采用低壓直流供電，安全而且光源控制成本低。而且 LED作為全固態(tài) 發(fā)光體，耐震、耐沖擊不易破碎、發(fā)熱量低、無(wú)熱輻射、是冷光源、不含汞、鈉元素等可能危害健康的物質(zhì)，廢棄物可回收、沒(méi)有污染。 LED的優(yōu)點(diǎn) 2 是：體積小，能耗低，電壓低，發(fā)熱少，控制簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，冷 光源。借助蓄電池，太陽(yáng)能 LED照明項(xiàng)目的優(yōu)勢(shì)在于：將太陽(yáng)能、LED光源按照實(shí)際需求進(jìn)行結(jié)合使用，因地制宜，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，發(fā)揮最大的能效。國(guó)內(nèi)各大研究單位都對(duì)太陽(yáng)能路燈作了詳盡的研究 ， 特別是近幾年來(lái) ， 已經(jīng)初步形成在“產(chǎn)業(yè)上規(guī)模、技術(shù)上水平、產(chǎn)品上檔次和市場(chǎng)要規(guī)范”的產(chǎn)業(yè)發(fā)展思路引導(dǎo)下 ， 太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展 ， 如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能光伏電池技 術(shù)日趨成熟 ， 產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高。它對(duì)環(huán)境的影響最小、可替代部分常規(guī)能源、增加能源供應(yīng)的安全性和可靠性。 在歐洲大部分地區(qū) ， 環(huán)保的思路推動(dòng)著替代能源技術(shù)的開(kāi)發(fā) ， 太陽(yáng)能被公認(rèn)為是一種極好的替代能源。盡管受到常規(guī)能源的低價(jià)影響 ， 在歐洲很多國(guó)家中 ， 太陽(yáng)能裝置市場(chǎng)仍然持續(xù)增長(zhǎng)。在某些國(guó)家實(shí)行的電力公司私有化，可能提高他們將太陽(yáng)能裝置推向市場(chǎng)的興趣。挪威已安裝 70000多套小型光伏裝置 ， 每年安裝約 5000套，大多數(shù)裝置是為偏遠(yuǎn)小鎮(zhèn)、山區(qū)和沿海地帶度假旅社供電。國(guó)家石油公司 Neste對(duì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能發(fā)電有著強(qiáng)烈的興趣 ， 重點(diǎn)為建筑物薄膜光伏組件、蓄電池和成套裝置。 法國(guó)的太陽(yáng)能設(shè)計(jì)師們，正在用“綠色設(shè)計(jì)”原則代替“太陽(yáng)能”設(shè)計(jì)原則 ， 就是要統(tǒng)籌考慮能源性能、安全材料的應(yīng)用、日光照明、居住的舒適度和健康等因素。 本文的設(shè)計(jì)指標(biāo) 設(shè)計(jì)目標(biāo)： (1)完成電池電壓、 直流總電壓、溫度、電源狀態(tài)等相關(guān)信息的采集功能，采用 PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)充電控制； (2)掌握單片機(jī)的原理和使用方法，擴(kuò)展電路的實(shí)現(xiàn)，編程方法，設(shè)計(jì)控制電路，保證電源 穩(wěn)定輸出電壓 ，電流、電壓等保護(hù)功能，并有好的人機(jī)界面，設(shè)置、顯示相關(guān)參數(shù)，抗干擾設(shè)計(jì)使系統(tǒng)穩(wěn)定可靠； (3)給出相關(guān)的程序流程圖和程序。 設(shè)計(jì)方案 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)由太陽(yáng)電池組件、蓄電池組件組、市電旁路、智能控制器、高效節(jié)能直流燈、燈架、安裝材料等組成。 LED燈的工作是通過(guò)控制器進(jìn)行的，控制器在保證 LED燈恒流工作的同時(shí)，也會(huì)監(jiān)測(cè) LED燈的狀態(tài)以及控制工作時(shí)間長(zhǎng)短。 控制器系統(tǒng)原理方框圖如圖 11所示。加上KCHG有兩個(gè)作用 :一是防止太陽(yáng)能電池輸出較低時(shí)由蓄電池過(guò)來(lái)的反充電 4 流；二是當(dāng)太陽(yáng)能電池組極性反接時(shí)起到保護(hù)電路的作用。因 LED需要恒流控制，考慮到蓄電池電壓的波動(dòng)范圍以及 LED的工作電壓范圍，在蓄電池和 LED之間設(shè)置一個(gè) DC/DC變換器（ LED驅(qū)動(dòng)電路），設(shè)計(jì)電路中采用反激 式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)保證恒流輸出。整個(gè)控制器的控制是通過(guò)一個(gè) MCU來(lái)實(shí)現(xiàn)。太陽(yáng)能路燈由以下幾個(gè)部分構(gòu)成：太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池、太陽(yáng)能路燈光源、燈桿及燈具外殼、線纜和連接緊固輔件。 為了解決傳統(tǒng)太陽(yáng)能照明充電系統(tǒng)效率不高、蓄電池壽命短和智能化程度低等問(wèn)題，要設(shè)計(jì)一種新型的基于控制器的太陽(yáng)能照明控制系統(tǒng)，以滿足太陽(yáng)能照明系統(tǒng)的高效率充電，蓄電池的安全運(yùn)行，以及實(shí)現(xiàn)集中化的對(duì)區(qū)域內(nèi)路燈故障的準(zhǔn)確診斷和調(diào)試。狀態(tài)控制電路通過(guò)狀態(tài)互鎖避免誤動(dòng)作，保證照明系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。太陽(yáng)能照明系統(tǒng)工作在充電狀態(tài)時(shí)，一方面希望能保持太陽(yáng)能電池輸出功率最大，一方面又要考慮到蓄電池不同容量時(shí)的充電電流承受能力。 整個(gè)系統(tǒng)包括：控制器、太陽(yáng)能電池、蓄電池組和 LED。與照明負(fù)載配合，考慮到連續(xù)陰天的情況，對(duì)系統(tǒng)容量留出一定裕度。在白天光照條件下，路燈熄滅，太陽(yáng)能電池將所接收的光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)充電電路對(duì)蓄電池充電； 天黑后，太陽(yáng)能電池不再供電，充電器停止工作，轉(zhuǎn)而進(jìn)入蓄電池放電階段，點(diǎn)亮路燈。全天中控制器的電源一直由蓄電池供給。從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能照明系統(tǒng)在不同工作狀態(tài)下的穩(wěn)定運(yùn)行與準(zhǔn)確切換的要求提高太陽(yáng)能照明系統(tǒng)效率，延長(zhǎng)蓄電池的壽命。只有詳細(xì)了解了系統(tǒng)各部分的特性才可能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的控制和管理。 太陽(yáng)能燈具利用太陽(yáng)能電池組件發(fā)電，蓄電池儲(chǔ)電，控制器控制 蓄電池的充放電來(lái)工作。白天，當(dāng)陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池組件表面時(shí)，太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能通過(guò)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；夜晚，光線逐漸減弱，太陽(yáng)能電池的工作電壓、工作電流不斷下降，當(dāng)工作電壓小于控制器設(shè)定電壓時(shí)，控制器啟動(dòng)負(fù)載，此時(shí)太陽(yáng)能燈點(diǎn)亮，當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到達(dá)或環(huán)境光線過(guò)強(qiáng)時(shí)控制器自動(dòng)關(guān)閉負(fù)載，太陽(yáng)能電池充電開(kāi)始，由此不斷循環(huán)。直接傳輸適用于較短距離，基本上有三種方法：通過(guò)反射鏡及其它光學(xué)元件組合，改變陽(yáng)光的傳播方向，達(dá)到用能地點(diǎn)；通過(guò)光導(dǎo)纖維，可以將入射在其一端的陽(yáng)光傳輸?shù)搅硪欢?，傳輸時(shí)光導(dǎo)纖維可任意彎曲；采用表面鍍有高反射涂層的光導(dǎo)管，通過(guò)反射可以將陽(yáng)光導(dǎo)入室內(nèi)。將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，通過(guò)熱管可將太陽(yáng)能傳輸?shù)绞覂?nèi)；將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為氫能或其它載能化學(xué)材料，通過(guò)車(chē)輛或管道等可輸送到用能地點(diǎn)；空間電站將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，通過(guò)微波或激光將電能傳輸?shù)降孛?。半?dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，在半導(dǎo)體上照射光后，由于其吸收光能會(huì)激發(fā)出電子和空穴 (正電荷 )，從而半導(dǎo)體中有電流流過(guò)，這可稱(chēng)為“光發(fā)電效應(yīng)”或簡(jiǎn)稱(chēng)“光伏效應(yīng)”。眾所周知，摻有磷雜質(zhì)的硅含有多余電子，稱(chēng)為 N型半導(dǎo)體；摻有硼雜質(zhì)的硅含有多余正電荷，稱(chēng)為 P型半導(dǎo)體。太陽(yáng)能電池同樣是利用了 PN結(jié)的光伏效應(yīng)。此時(shí)，如有光照射，則激發(fā)電子自由運(yùn)動(dòng)流向 N型半導(dǎo)體；正電荷則集結(jié)于 P型半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生了電位勢(shì)。 (2)硅太陽(yáng)能電池工作原理及結(jié)構(gòu) 硅原子有 14個(gè)電子，分布在三個(gè)電子層上，里面的兩個(gè)電子層均已填滿，只有最外層缺少四個(gè)電子為半滿。實(shí)際用于太陽(yáng)能電池的硅是經(jīng)過(guò)特殊處理的，也就是采取了摻雜工藝。當(dāng) P型和 N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層，界面的 P型一側(cè)帶負(fù)電， N型一側(cè)帶正電。 N區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到 P區(qū)， P區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到 N區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由 N指向 P的“內(nèi)電場(chǎng)”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。 當(dāng)摻雜的 硅晶片受光后， PN結(jié)中， N型半導(dǎo)體的空穴往 P型區(qū)移動(dòng)，而P型區(qū)中的電子往 N型區(qū)移動(dòng)，從而形成從 N型區(qū)到 P型區(qū)的電流。 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò) PN結(jié)后，如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。 (1)晶體硅太陽(yáng)能電池發(fā)展 1839年，法國(guó) Becqueral第一次在化學(xué)電池中觀察到光伏效應(yīng)。 由于科技的進(jìn)步，晶圓厚度、切割技術(shù)、晶圓尺寸，以及晶圓價(jià)格，均有了長(zhǎng)足的改善。將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串、并聯(lián)封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。 9 單體 組件 方陣 圖 21 太陽(yáng)能電池單體、組件和方陣 常用的太陽(yáng)能電池主要是硅太陽(yáng)能電池。硅片本身是 P型硅，表面擴(kuò)散層是 N區(qū)，在這兩個(gè)區(qū)的連續(xù)處就是所謂的 PN結(jié)。太陽(yáng)能電 池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以減少太陽(yáng)能的反射損失 [5]。太陽(yáng)能電池組件是太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽(yáng)能電池是否具有使用價(jià)值的重要因素。太陽(yáng)能電池板的功率輸出能力與其面積大小密切相關(guān)，面積越大，在相同光照條件下的輸出功率也越大。 太陽(yáng)能電池組件由以 下材料組成 [6]： 電池片、鋼化玻璃、 EVA、 TPT、鍍錫銅帶、密封膠、接線盒、邊框。 太陽(yáng)能電池組件的電氣參數(shù)設(shè)定如下： 10LED按 5天每天工作十小時(shí)計(jì)算， 消耗能量： P1=18 50 3600=3240000J 太陽(yáng)能電池板所需功率： P2=P1/=4050000J W=P2/6/3600= 組件選用 180W，可提供 30V充電電壓的排布方式 [7]。一般來(lái)說(shuō)，在相同的條件下，電動(dòng)勢(shì)愈高的蓄電池，輸出的能量愈大，使用價(jià)值愈高。 2．開(kāi)路電壓與工作電壓 蓄電池在開(kāi)路狀態(tài)下的端電壓稱(chēng)為開(kāi)路電壓。蓄電 池接通負(fù)荷后在放電過(guò)程中顯示出來(lái)的電壓，亦稱(chēng)負(fù)載電壓或放電電壓。 3．蓄電池的容量 蓄電池在一定放電條件下所能給出的電量稱(chēng)為蓄電池的容量，該容量是蓄電池能放出電量的總和。 4．蓄電池內(nèi)阻 電流通過(guò)蓄電池內(nèi)部時(shí)受到各種阻力，使蓄電池的電壓降低，該阻力總和稱(chēng)為蓄電池的內(nèi)阻。蓄電池內(nèi)阻不是參數(shù)，因?yàn)榛钚晕镔|(zhì)的組成、電解液濃度和溫度都在不斷地改變， 所以蓄電池內(nèi)阻在放電過(guò)程中隨時(shí)間也在不斷變化。 6．蓄電池功率與比功率 蓄電池的功率是指在一定放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)所給出能量的大小，單位為 W(瓦 )或 KW(千瓦 )。蓄電池比功率越大，表示可以承受的放電電流越 12大。光伏照明系統(tǒng)所選擇的蓄電池應(yīng)為可逆的蓄電池，實(shí)際的蓄電池都不能作 為理想的儲(chǔ)能器，在工作過(guò)程中必有一定的能量消耗，通常用容量輸出效率和能量輸出效率來(lái)表示。充電設(shè)備和充電技術(shù)是做好充電工作的重要技術(shù)基礎(chǔ)。 1．恒流充電 恒流充電方式是一直以恒定不變的電流進(jìn)行充電，該電流采用控制充電器的方法來(lái)達(dá)到。該充電方法特別適合于由多個(gè)蓄電池串聯(lián)的蓄電池 組。 恒流充電方式的不足是：開(kāi)始充電階段恒流值比可充值小，在充電后期恒流值又比可充值大；整個(gè)充電時(shí)間長(zhǎng)，析出氣體多，對(duì)極板沖擊大，能耗高，充電效率不超過(guò) 65％。 分段恒流充電是恒流充電的一種變型。通常按照光伏照明系統(tǒng)的要求以及蓄電池的特性來(lái)確定充電電流的大小、時(shí)間、轉(zhuǎn)換電流的時(shí)刻以及充電終止的判斷依據(jù)等。充電初期電流非常大，隨著充電進(jìn)行，電流逐漸減小，在充電終期只有很小的電流通過(guò)。充電過(guò)程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá) 80％。其缺點(diǎn)是：在充電初期，如果蓄電池放電深度過(guò)深，充電電 13流會(huì)很大，不僅危及充電器的安全，蓄電池也可能因過(guò)流而受到損傷；另一方面，如果充電電壓選擇過(guò)低，后期充電電流又過(guò)小，充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不適宜串聯(lián)數(shù)量多的蓄。恒 壓充電一般應(yīng)用在蓄電池組電壓較低的場(chǎng)合。在光伏照明系統(tǒng)的充放電器與蓄電池之間串聯(lián)一個(gè)電阻。這樣就自動(dòng)調(diào)整了充電電流，使之不超過(guò)某個(gè)限度，充電初期的電流得到控制。 4．快速充電 快速充電一般使電流以脈沖方式輸給蓄電池，并隨著充電時(shí)間的延續(xù)，蓄電池有一個(gè)瞬時(shí)間的大電流放電 ，使其電極去極化。 快速充電由專(zhuān)用的充電器提供脈沖電流，它能保證充電時(shí)既不產(chǎn)生大量氣體又不發(fā)熱，從而達(dá)到縮短充電時(shí)間的目的。 5．智能充電 智能充電是動(dòng)態(tài)地自動(dòng)跟蹤蓄電池可接受的充電電流，使充電電流與蓄電池內(nèi)部極化電流相一致，也稱(chēng)為最小損 耗充電模式。智能充電系統(tǒng)由充電器與被充電蓄電 池組成二元閉環(huán)電路，充電器根據(jù)蓄電池的狀態(tài)確定充電參數(shù)，充電電流自始至終處在可接受的充電電流曲線附近，使蓄電池幾乎在無(wú)氣體析出條件下充電，做到既節(jié)約用電又對(duì)蓄電池?zé)o損傷。 蓄電池的充電拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 直流斬波電路，即 DC/DC變換器的功能是通過(guò)控制主回路中的電子開(kāi) 14關(guān)的通斷，將直流電變?yōu)榱硪还潭妷夯蚩烧{(diào)的直流電。一方面這兩種電路應(yīng)用最為廣泛，另一方面理解這兩種電路可為理解其他電路打下基礎(chǔ) [10]。更重要的是它能使充電器各種轉(zhuǎn)換電壓隨VRLA蓄電池電壓