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1、新型太阳能供电照明系统的设计曹刚 鲁振京 汪义旺苏州市职业大学摘要：近年来，随着科技进步，以太阳能供电照明系统得到了蓬勃的发展。本文设计了一种新型太阳能供电照明系统。介绍了该系统的主要组成和工作原理，基于MSP430F5438设计了太阳能自动跟踪系统，并设计了充放电控制器，最后对所设计的系统进行了运行测试。该系统方案具有控制简单、运行可靠、实用性强等优点。关键词：太阳能；照明系统；控制器1.作品背景 目前我国的高山、乡村一些偏远地区的用电设备差、难，尤其是西部地区，太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。新型太阳能供电系统对于经常外出或在野外工作的用户也有很大的帮助，如果所处地区无电力供给设
2、施，这时就可以利用其对用电设备供电，特别是偏远无电农村地区的照明用电。利用太阳能光电转换特性， 设计新型太阳能供电系统，通过太阳电池板将太阳能转化为电能，通过太阳能控制器对其控制，满足用电需求。系统中控制器主要太阳能智能自动追踪控制器、蓄电池充放电管理控制器等部分组成，采用高性能MCU为控制核心，具有控制灵活，成本低、数字化控制等有点，开发的系统具有较好的创新性、绿色环保、低碳节能、实际推广利用价值高，具有广阔的市场前景。同时通过该实践创新项目的实施将有助于增强大学生的理论联系实践、学以致用的能力和培养大学生科研探索创新精神、激发学习的主动性、积极性和创造性，提高大学生的科学文化素养和综合素质
3、，并有利于培养社会所需的创新型人才。本项目也可加深学生们对新能源技术，特别是太阳能光伏产业和光伏发电技术的发展及原理进行深入细致了解，并以此能够与独立式光伏照明系统的实际应用相结合，设计出与课程实践相结合的新型太阳能供电式的LED照明灯系统。使课题组成员在学习新能源技术课程的同时，将理论联系实践、扩大学生的知识面、增强工程应用意识、培养实践动手和解决实际问题的能力、提高课题成员的综合素质。本训练计划项目获得了2009年江苏省大学生创新训练计划项目的资助。2.系统组成及工作原理独立式太阳能光伏发电照明系统主要由太阳电池、储能蓄电池、光源以及控制器等组成。控制器主要完成蓄电池白天充电、夜间放电管理
4、，太阳电池的最大功率点追踪（MPPT）以及其他相关的控制保护功能等。系统组成框图如图1所示。图1 太阳能光伏发电照明系统的组成框图2.1太阳能电池板及跟踪系统太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。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。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。其基本种类有单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳能电池等。常规的固定式太阳能电池板发电系统存在效率低，环境适应性差等缺点。为进一步提高太阳能的利用率可采用自动追踪太阳能系统来提
5、高光伏发电的效率，采用单轴光伏发电追踪系统可提高20%左右的光伏发电效率，本设计采用了单轴跟踪系统，可自动在东西方向追踪太阳，进一步提高光电转换效率。其硬件设计框图如图4所示.图4 硬件框图2.2蓄电池蓄电池也是系统的重要组成部分, 常用的蓄电池一般有三种：一般铅酸蓄电池；免维护铅酸蓄电池；碱性镍锡蓄电池。普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大, 其主要适于有维护能力或低档场合使用碱性镍福蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能,但其价格较高所以根据性价比及产品对环境的影响等因素考虑选择免维护铅酸蓄电池, 因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点, 很适合用于性能可靠的太阳能电源
6、系统。2.3 充放电电路充放电电路通常有Buck型、Boost型和Buck-Boost型三种形式，它主要实现两个方面的功能，一方面是配合控制器实现MPPT控制和恒压充电控制，另一方面是实现过充电保护。2.4 太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。本系统控制器由单片机及其他外围探测电路构成, 主要功能是分辨白天或是夜晚以确定灯亮或灯灭，判断蓄电池充电状态, 防止过充过放以保护蓄电池。本设计系统组成结构原理图如图5所示。图5太阳
7、能供电照明系统组成结构原理图为了系统能够最有效运行，必须对各个组成部分作合理设计。3.系统设计3.1太阳电池的选用硅是地球上极丰富的一种元素，几乎遍地都有硅的存在，最早问世的太阳电池便是单晶硅提炼制造出。用硅来制造太阳电池，原料上占有优势，但是提炼它却比较困难，所以人们在生产单晶硅太阳电池的同时，又研究了多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池以及其他材料的太阳电池。大部分的太阳电池是利用半导体的光生伏特效应制作的，许多材料都可以用来做太阳电池，随着材料工业的发展、太阳电池的品种也越来越多，目前已进行研究和试制的太阳电池，除硅系列外，还有砷化嫁、铜锢硒等许多类型。目前国内外市场上晶体硅太阳电池所占的比例
8、很大，约占市场份额的90%以上。单晶硅太阳电池转换效率高，所以发展速度较快，但是由于其制造工艺复杂，需要消耗大量资源，所以有成本高、能源回收周期长的缺点；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较厉害;多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，而目.性能价格比高；因此目前的硅太阳电池市场以多晶硅太阳电池为主导。本设计选择了多晶硅太阳电池，其具体参数如下：图6 光伏电池参数3.2 蓄电池及照明灯具的选用太阳电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。它不仅要完成白天的储能功能，还要在夜间向负载供电，要求它的容量比负载所需的电量大得多，且容量与环境温度、放电电流有关。考虑到
9、太阳能照明系统的特殊性，要求蓄电池工作寿命长且维护简单。尽管20多年前诞生的阀控式密封铅酸蓄电池在蓄电池领域占据卓越的地位，它同样有很多限制，比如重量大、低能量体重比等等。随之而来的许多研究把重点放在其他替代的电池系统，比如铿离子电池、金属氧化物镍电池等。这些新的材料同样有自身内在的限制，包括原材料的成本和不稳定性、快速自放电，金属材料毒性和循环利用问题，而铅酸蓄电池的循环利用率基本超过了95%。本设计选用铅酸蓄电池，其参数如下：图7 蓄电池参数 照明灯具选用普通节能灯，本设计系统可以接两个LED的节能灯。3.3充放电电路及控制器太阳能控制器是太阳能发电系统的最重要的指挥控制中心，其作用是控制
10、整个太阳能发电系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。它根据太阳能光电板和蓄电池的特性，对其进行充放电控制。4 系统调试及实验测试数据根据上述设计思路，对设计的系统进行了调试并对实验产品进行了测试，各项测试结果良好，具体测试数据如下：(1)电池板开路电压：18 V，输出电流100mA1500mA；(2)充电电路输入电压：13.7V；(3)蓄电池输出电压：12V。作品实物照片如下图所示。图10 实物照片4 结 语本文围绕独立式太阳能半导体照明系统的设计，对太阳能电池、蓄电池和控制电路等分别进行了设计。最后给出了所设计系统的测试结果。通过本次创新训练计划的学习，各方面的能力得到
11、了进一步提高和增强，特别是实践动手能力和工程意识，也解决实际问题的能力。5 总结与展望通过本次创新训练计划项目的实施，进一步深入学习新能源利用技术的相关知识、原理及其应用；对于太阳能光伏发电技术能够比较系统深入的理解和掌握；并将所学的研究成果能够运用太阳能光伏供电照明系统的设计中；最后设计出了基于太阳能光伏发电技术的太阳能光伏供电照明系统。同时，也还存在一些不足的地方，由于专业知识不够牢固，研究深度不够，今后还可以在如光伏并网照明系统、独立式大系统等方面进行进一步的研究。由于是小型的实验系统，因此蓄所以对蓄电池的充放电管理较为粗糙，只进行了简单的限压操作，未能兼顾最大功率点追踪策略等。作品由太
12、阳能智能自动追踪控制器、蓄电池充放电管理控制器等部分组成，采用高性能MCU为控制核心，具有控制灵活，成本低、数字化控制等有点，开发的系统具有较好的创新性、绿色环保、低碳节能、实际推广利用价值高，具有广阔的市场前景。同时通过该实践创新项目的实施将有助于增强大学生的理论联系实践、学以致用的能力和培养大学生科研探索创新精神、激发学习的主动性、积极性和创造性，提高大学生的科学文化素养和综合素质，并有利于培养社会所需的创新型人才。本项目也可加深学生们对新能源技术，特别是太阳能光伏产业和光伏发电技术的发展及原理进行深入细致了解，并以此能够与独立式光伏照明系统的实际应用相结合，设计出与课程实践相结合的新型太
13、阳能供电式的LED照明灯系统。使课题组成员在学习新能源技术课程的同时，将理论联系实践、扩大学生的知识面、增强工程应用意识、培养实践动手和解决实际问题的能力、提高课题成员的综合素质。在作品设计制作过程中，还采用了无线遥控等新技术，大大激发的学生们的创新精神和作品的实用性。参考文献： 1【日】滨川圭弘太阳能光伏电池及其应用。北京科学出版社，2008，（2）：17-692李春鹏，张廷元，周封，太阳能光伏发电综述，电工材料，2006年第3期，20063汤建皮，黄刚，光伏系统配套蓄电池的选择，蓄电池，2002年4期，PP：1871904粱翠风张雷，铅酸蓄电池的现状及其发展方向，广东化工，2006年33卷第2期，pp：5我国的太阳能资源状况，2005年第3期，可再生能源，pp：886时璨丽，世界可再生能源发展动向，中国能源，2006年28卷115，pp：26297太阳能LED 路灯照明系统优化设计.陈维,沈辉,丁孔贤,邓幼俊.中山大学学报（自然科学 版）,2005 年11 月,第44 卷,增刊2:95-99.
