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1、 2008届本科毕业论文（设计）论文题目：光伏地灯设计与研究学生姓名： 所在院系： 机电学院所学专业： 应用电子技术教育导师姓名： 摘 要针对目前太阳能地灯系统由于控制器对蓄电池保护不充分经常使蓄电池处于过放电而造成蓄电池寿命短和系统可靠性不高等问题，本论文设计了具有自适应功能的新型太阳能地灯控制器，从而使蓄电池不会发生过放电，延长了蓄电池的使用寿命，提高了太阳能地灯系统运行可靠性。本文首先分析研究了太阳能发电系统和蓄电池的结构和工作原理，并对蓄电池充、放电过程运行特性、影响蓄电池使用寿命各种因素和如何提高蓄电池的使用性能作了分析和研究。最后给出了具体的设计方案和实现过程，经实验测试和正常运行
2、后，达到了预期的效果，得出此方法可行具备一定的理论意义和现实价值。关键词：太阳能；蓄电池；太阳能控制器；负载 Design and Research of PV GroundlightsAbstractIn order to deal with the problem of battery shorter life and poor reliability of the solar powered groundlights,we developed a new type charge controller for solar powered groundlights. By this way,
3、over-discharge of battery will no longer take place, which helps to improve the reliability of solar powered groundlights and will prolong lifetime of battery.This paper has been analyzed the structures and operation principles of solar power generate systems and battery,and we study what effects li
4、fetime of battery and how to improve dynamic behaviour of battery.Finally,we provided a concrete control project and process easy to achieve .after testing it ,we made a conclusion and confirm that the method is practical and valuable.Keywords : Solar Eergy; Storage Battery; Solar Energy Cntroller;
5、Load1 引言太阳能作为可再生能源，很早就被人们开发和利用了。随着科学和技术的迅速发展，随着世界能源危机的日益严重，石油价格不断上涨，利用常规能源已不能适应世界经济快速增长的需要，开发和利用新能源，尤其是太阳能越来越引起各国政府的重视。1990 年以来，世界太阳能市场的年增长率为 16，而同期石油的年增长率只有 1.6，相差 10 倍之多。同时，以煤、石油和铀作为燃料油面临严重的环境污染；再者人民生活水平的提高对能源的需求量越来越大，这就迫使政府和社会在大力发展常规能源的同时必须加大对新能源的开发和利用。因而，可再生、无污染的太阳能利用又在世界各国崛起。世界光伏产业迅猛发展，从上个世纪到本世
6、纪初，光伏发电以逐渐从解决特殊领域供电转向作为常规能源的一种重要补充，并以分散的形式进入了电力市场。根据可持续发展战略和环境保护的需求，在可以预计的将来，光伏发电必将部分取代常规能源。目前太阳能企业面临新机遇，由于光伏技术的逐渐成熟，成本不断下降，太阳能的无处不在，取之不尽。各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速，例如：太阳能热水器、太阳能路灯、太阳能热泵、太阳能交通信号灯、太阳能除湿空调系统等，这些产品显示出了巨大的市场潜力和生命力。太阳能是一种非常重要的可再生能源,而太阳能灯正是一种太阳能应用产品,随着我国城市亮化工程的日益兴起,这就给太阳能灯的普及和发展铺平了道路。同时，太
7、阳能灯具有市电照明灯不可比的优势：对比一 市电照明灯具安装复杂：在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。 太阳能照明灯安装简便：太阳能灯具安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。 对比二 市电照明灯具电费高昂：市电照明灯具工作中有固定高昂的电费，要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能照明灯具免电费：太阳能照明灯具是一次性投入，无任何维护成本，
8、三年可收回投资成本，长期受益。 对比三 市电照明灯具有安全隐患：市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。 太阳能照明自动控制,维护管理简便,无电缆被盗的烦恼没有安全隐患;太阳能灯具是超低压产品，运行安全可靠。 太阳能灯是由太阳电池将白天太阳的光能转变成电能,而加以存储。晚上,经LED发光元件又由电能转化为光的一种新产品。目前,太阳能电池板有多晶硅和单晶硅两种。国内已经可以大量生产。电能的存储则是由可充电电池或蓄电池担任。充电和放电的过程通过一定的设计电路来控制。凡是有阳光的场合,都可以使用太阳能灯。目前大多用在室外的太阳能普通灯
9、,如草坪灯、野餐台面灯、房门的照明灯及门牌灯、围墙的墙头灯和道路的照明灯等。另外,有一定观赏性的我们称为太阳能艺术灯,如水面灯、庭院景观灯、公园、广场的艺术造型灯等。太阳能地灯正是这些常用的简单的太阳能灯的一种。2 方案论证光伏地灯系统主要由太阳能电池板，太阳能控制器，蓄电池和负载四部分组成。白天，太阳能电池吸收太阳光，将光能转换成电能，并通过控制器的控制将获得的电能存储在蓄电池中；晚上，在控制器的控制下，接通负载，使蓄电池向负载放电，灯亮。本文提出以下方案，进行对比论证，选取比较合适的方案方案一：太阳能控制器采用单片机技术来实现，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯，控制稳定可靠，目前路灯控制常采
10、用这种控制方式，但其价格较高，在地灯中使用将会增加不必要的成本。方案二：太阳能控制器采用一般的具有充放电控制功能及蓄电池过充过放保护的芯片加上简单的外围元件即可实现，但稳定性不好，工作特性易受外界干扰。通过对上述两个方案进行比较，可以得出结论，第二个方案工作特性不够稳定，第一种可以满足要求，但是价格过于昂贵，对于地灯照明系统来说，综合考虑之下，选用第二种方案更可行。3 系统设计方框图 光伏地灯的电源系统如图1所示。光伏地灯系统主要由太阳能电池板，蓄电池，太阳能控制器，负载四部分组成。太阳能电池是整个供电系统的核心，白天，太阳能电池将吸收的太阳光转换成电能并存储在蓄电池中。太阳能电池方阵一般由多
11、块太阳能电池组件串联或并联而成。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将白天太阳能电池发的电存储起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串联或并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。防反充电路太阳能电池板充电控制放电控制蓄电池负载图1 系统设计方框图太阳能控制器由防过充、防过放保护电路以及充放电控制电路组成。白天，太阳能电池通过控制器的控制实现对蓄电池充电。晚上，蓄电池在控制器的控制下向负载放电，使LED灯发光。防过充保护和防过放保护的作用是防止损坏蓄电池。因为过充或过放对蓄电池的寿
12、命都会有大的损伤，大大减少蓄电池的使用寿命。4 系统设计本系统的设计主要包括太阳能电池方阵和蓄电池的原理及选用；控制器的工作原理。其中控制器包括过充保护电路、过放保护电路以及供电控制;负载的选用。4.1 太阳能电池方阵太阳电池在整个系统中的作用有两个，其一是把太阳光能转换成电能;即白天时，太阳电池给蓄电池充电。其二是太阳电池作为系统的光控元件，从太阳电池两端电压的大小，即可判断光亮程度，也就是从太阳电池电压的大小来判断天黑和天亮。太阳能电池单体是光电转换的最小单元，太阳能电池单体的工作电压约为 0.5V，工作电流约为 2025mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联
13、并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率 。4.1.1 硅太阳能电池原理常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。硅太阳能电池是一种P-N结型半导体器件。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是 P 型硅，表面扩散层是 N 区，在这两个区的连接处就是所谓的 PN 结。PN 结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。太阳电池是把太阳能辐射光能通过光生伏特效应转换成
14、电能的光电转换器。它的简单原理如下：原子的壳层模型认为，原子的中心是一个带正电荷的核，核外存在着一系列不连续的、由电子运动轨道构成的壳层。孤立原子的电子只能在各个允许的壳层上运动。不同原子的内、外壳层都有一定的重叠，重叠壳层的电子可能发生转移，属于整个晶体所共有。这种晶体中共有化运动的结果使得孤立原子的单一能级分裂成能带。在半导体中，适当杂质的电子可以与元素半导体（由同一种原子组成的半导体）晶格中的电子组成共价键时多出或缺少一个价电子，而形成主要靠电子或主要靠空穴来导电的不同类型的半导体。例如，在非常纯的半导体硅中掺入杂质磷，会形成电子浓度较大的N型硅，而掺入杂质硼，会形成空穴浓度较大的P型硅。且不同的杂质（或缺陷）都可能在禁带（不允许电子存在的能带间隙）中产生附加能级，价带（已被电子填满的能带）中的电子先跃迁到附加能级上，然后再跃迁到导带（未被电子填满的能带或空能带），比从价带直接跃迁到导带来得容易，稍稍受到外界能量激发，就会发生跃迁1。 P N(+) (-) 光子光生电动势 - + - + - + - + 空间电荷区 势垒电场（a）光照时 （b）光照时图2 P-N结光生伏特效应P-N结在光照射下会产生
