太阳能路灯照明系统毕业设计

太阳能路灯照明系统毕业设计内容摘要：

所以在多数独立 PV 系统中需要蓄电池。 蓄电池的主要功能是： (1) 能量存储能力及自主运行。 (2) 电压和电流稳定性。 (3) 提供浪涌电流。 铅酸蓄电池的结构及工作原理 铅酸蓄电池的电极主要由金属铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。 一般由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部 分组成。 在本设计中对此不做详细讲解。 控制器的基本工作原理 太阳能电池的输出特性曲线如图 47 所示。 太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随时改变。 然而当光强度一定时，太阳能电池输出的电流一定，可认为是恒流源。 因此，必须研究和设计性能优良的光伏控制器，才能更有效的利用太阳能。 图 47 太阳能电池的输出特性曲线 太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充放电控制器对蓄电池0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.2 0.4 0.6 0.8 0.5 0.8 1.2 输出电压（归一化单位） 100mV/cm, 25℃ Pmax I P 22 充电。 充放电控制器的功能主要有两个，一是对蓄电池的充放电保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是储能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电；二是提供稳定的直流电压源供给逆变器或直流负载使用。 本设计系统未用到逆变器。 蓄电池充电 当系统检测到环境太阳光线充足时，控制器就会进入充电模式。 蓄电池充电主要有两个比较重要的电压值 ：深度放电电压和浮充电电压。 前者代表蓄电池充电的最高电压，这些参数可从蓄电池产品手册上查到。 在电路设计中针对 12V 蓄电池，分别设置深度放电电压为 11V 和浮充电电压为。 具体充电模式见表 1 所示。 表 41 蓄电池充电模式 蓄电池电压 VBAT 控制器工作模式 欠压保护值 VBAT11V 涓流充电模式，采用 MPPT算法优化太阳能电池输出功率，充电电流最大限制在 11VVBAT 恒流充电模式，采用 MPPT算法优化太阳能电池输出功率，充电电流最大限制值取决于太阳能电池最大输出功率 VBAT 恒流充电模式，确保蓄电池电压稳定在 从表 41 可以看出恒流充电模式会用到 MPPT 算法， MPPT 算法有很多种方式可以实现，总的来说各有优劣，设计中采用相对简单的扰动观察法来实现。 这种方法是通过增大或者减少充电电路开关信号 PWM占空比，然后观察输出功率是变大还是变小，由此来决定下一步是增大还是减小占空比。 由于太阳能电池的输出变化相对比较缓慢，而且是单 23 级点，所以采用这种方式可收到比较好的效果。 蓄电池给 LED 供电 当系统检测到环境太阳光线不足时，就会进入蓄电池给 LED 供电模式。 LED 电流通过高位电流检测芯片（ TSC101AILT）采样送回 MCU，有 MCU 通过调整开关信号 PWM 的占空比来获得恒定输出电流。 为了达到节能的目的， LED 的恒定电流值会根据系统检测的环境光强度来调整。 当环境光由暗变亮时，系统的输出电流也会相应从小变大；当环境光照完全暗下来时，系统的输出电流也达到预设的最大值。 除了由环境光照控制 LED 的光输出，用户还可以通过设定开光 DIP1～ DIP4 的状态来设置 LED 灯的开启时间，系统会根据 DIP1～ DIP4 的设 定组合来控制 LED路灯工作在 5min～ 12h 的时间范围内。 此外，为了提高系统的可靠性，在电路设计中设置了针对太阳能电池组件，蓄电池和 LED 等一系列软硬件的保护功能。 在太阳能 LED 路灯控制器硬件设计中应注意以下事项： （ 1）感应雷保护电路应设计在太阳能电池引线入口保护电路周围4mm 不要布置其他器件。 （ 2）放置太阳能电池组件反接入用的二极管必须采用快恢复二极管，这种二极管导通电阻小，充电时发热量小，不用散热器也可以连续充电，充电效果好。 （ 3）充电、负载放电电路的 PCB 线路的宽度至少为 4～ 5mm，线路上用 搪锡处理以增加导通电流能力。 （ 4）过流、短路保护电路选用的电流采样电阻要综合考虑电流、功率及热稳定性三个因素。 电阻增大则电路效率下降，若选用电阻为 Ω选用过电流能力在 10A 以上的康铜丝作为电流取样电阻，来产生取样电压，取样电压不超过 ，故采用运放 LM358 对它进行放大。 24 LED 光源 LED 具有管线质量高、基本上无辐射、可靠耐用、维护费用极为低廉灯优势，属于典型的绿色照明光源。 超高亮度 LED 的研制成功大大的降低了太阳能 LED 照明灯具的使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统的初装成本 ，并且具有保护环境、安装简单。 工作安全经济节能等优点。 采用平头 LED 的柱式和炬式组合光源结构，通过合理控制平头 LED安装倾斜角度，可使 LED 组合光源所发出的均匀度及照度得到大幅提升。 为太阳能 LED 照明系统专门研制的组合十字型和炬型组合发光源，充分发挥平头 LED 开光角度大、光均匀度良好和圆头 LED 点面积亮度高的优点，使两者取长补短，发挥最大的光照。 通过对传统 LED 照明灯具的结构、智能控制器、光源结构的更新及技术改革，进行最佳倾斜角设计，使平头和圆头 LED 的优势互补，从而使其发光更均匀，整体亮度更高，成本更低 ，更有利于应用推广。 表 42 太阳能照明灯具 4 个主要部件使用寿命参考值 对于独立太阳能 LED 照明系统，提高能量利用率，研究科学的系统能量控制策略，可降低独立太阳能 LED 照明系统的投资费用。 目前太阳能组件、控制器、蓄电池和 LED 光源是太阳能 LED 照明灯具产品的 4个主要部件，它们各自的使用寿命参考值见表 42。 主要部件 太 阳能 电池组件 控制器 蓄电池 照明光源 参考寿命 25年 10年 3～ 5年 超 高 亮 度 LED 为150000h 25 5 30W 太阳能路灯系统设计 设计要求：太阳能路灯光源功率为 30W,工作电压为直流 12V 要求路灯每天工作 7h,保证连续 7个阴雨天能正常工作。 河南理工大学位于焦作，平均实际日照时数 10 小时，平均峰值日照时数（组件表面上）为 小时；最小的日峰值日照时数为 小时 .。 校区内东西主干道长 4 公里，车道宽 16m。 根据以上资料，计算出焦作地区的太阳能电池组件最佳倾角为 51176。 ，标准峰值时数约。 (1) 负载日耗电量 QF = P179。 h/V = 30179。 7/12 = 20(A178。 h) 511 式 式中， V 为系统蓄电池标称电压。 (2) 满足负载 日用电的太阳能电池组件的充电电流 I1=Q179。 (A) 512 式 式中， 为太阳能充电综合损失系数； 为蓄电池充电效率； 为控制器效率。 (3) 蓄电池容量的确定。 满足 7 个阴雨天能正常工作的电池容量 C = Q179。 (d+1)/179。 =20179。 8/0 .75179。 = 235(A178。 h) 513 式 式中， 为蓄电池放电深度； 为蓄电池安全系数。 取蓄电池容量为 240A178。 h，则选用 2 节 12V、 120A178。 h 的电池组成电池组。 (4) 连续阴雨天过后需要恢复蓄电池容量的太阳能电池组件充电电流 I2 = C179。 179。 式中， 为蓄电池放电深度。 26 (5) 太阳能电池组件的功率为 （ I1+I2）179。 18 = (+) 179。 18 = 160(W) 515 式 式中， 18 为太阳能电池组件工作电压。 在太阳能 LED 路灯系统中，线损，控制器的损耗及恒流源的功耗各不相同，实际应用中可能为 5％～10％。 所以 160W 只是实际值，现实应用中可根据实际情况有所增加。 表 51 太阳能 LED 路灯的配置方案 选取 2 块峰值功率为 80W 的太阳能电池组件构成太阳能电池阵列。 根据计算 ,我们做出太阳能 LED 路灯的配置方案见表 51，结构系统参数见表 52。 表 52 结构系统参数 灯管高度 6m 组件支架 优质钢材 光源度 6m 表面处理 热镀锌 设计灯管间距 20m 灯管预埋件 优质圆钢 序号 配件名称 规格 单位 数量 备注 1 太阳能电池组件 80W 块 2 单晶硅或多晶硅 2 蓄电池 12V/120Ah 块 2 铅酸蓄电池 3 光源 30W LED 只 1 暖白色 4 充放电控制器 12V/10A 台 1 过充电、过放电保护 5 灯杆 6m 根 1 热镀锌、喷塑 27 设计安装数量（套） 200 灯杆基础 C25混凝土浇筑 太阳能路灯系统设计所在地位置 焦作地处中国内陆，中纬度地带，气候类型属于温带大陆性季风气候。 主要特点是：冬冷夏暖，寒冷期短；春秋短促多风；雨量较少，普遍较干燥；日照充足，四季分明。 我市年平均气温为 ℃ ,冬季寒冷 ,平均气温 ℃。 最低气温 =0 的日期平均为本 51 天 ,寒冷期较长。 冬季极端最低气温为 ℃ (出现在 55 年 1 月 2 日 )，夏季平均气温。 极端最高气温为 ℃ (出现在 52 年 7月 18 日 )，但高温时段一般持续较短，而且昼夜温差较大，所以感觉并不炎热。 年降水量平均为 毫米 ,全市降水主要集中在夏季。 68 月的降水量约占总降水量的 %。 年日照时数约为 2516 小时。 全年大风 =6 级的日数平均为 天。 其中春季 天占全年的 %。 =8 级的日数 天。 其中春季 天。 占全年的 %。 52 河南理工大学所在地 (焦作 )的 (19611990)年平均基本气候资料 月 水平 辐射 mWh/cm178。 气温 (℃) 最高气温(℃) 最低气温(℃) 极高气温(℃) 极低气温(℃) 日照时数() 平均风速(s) 降水 (mm) 降水 日数(天 ) 平均 2 0 57.08 1 115 52 166 86 1671 26 7 2 2 78 17 131 149 71 1809 29 8 2 28 3 7 64 44 198 55 2313 34 16 3 4 98 160 38 293 10 2406 40 43 5 5 172 232 111 343 10 2672 37 55 6 6 217 271 166 352 78 2473 31 87 8 7 245 290 204 352 124 2143 26 167 11 8 236 283 193 357 80 2237 24 157 9 9 173 235 119 307 10 2355 25 77 6 10 95 159 41 292 83 2159 28 42 4 11 3 57 42 217 201 1643 30 17 3 12 79 22 125 134 302 1511 27 9 2 注： 焦作位于 (123゜ 26’E,41 ゜ 46’N) 海拔高度 43 米。 太阳能电池组件的选择 由设计要求知：太阳能电池组件的功率为 （ I1+I2）179。 18 = (+) 179。 18 = 160(W) 选取 2 块峰值功率为 80W的单晶硅组件太阳能电池组件构成太阳能电池阵列。 所选组件经过了 CE， TUV， IEC 等国际认证，产品性能及寿命均满足国家或行业标准。 组件出厂均进行严格的检测，保证电性能参数尽可能一致，其中最大输出功率 Pm、最大工作电流 Im 及工作电压Wm 的离散性均小于177。 5%。 太阳电池组件的基本要求 (1)防水、防冰雹、防风。 一般太阳能电池组件采用钢化玻璃封装，采用的铝合金边框应具有高强度，抗机械冲击能力要强。 安装时用金属支架固定，能抵御 10 级以上大风。 (2)标准测试条件：辐射度为 1000W/㎡ ,电池温度为 25℃。 (3)绝缘电压：≥ 600V。 29 (4)边框接地电阻：≤ 10Ω。 (5)迎 风压强 :2700Pa。 (6)填充因子： 73％。 (7)短路电压温度系数： + ℃。 (8)开路电压温度系数： 60mV/℃。 (9)工作温度： 40℃ ~+85℃。 单晶硅太阳能电池组件的结构及技术参数 （ 1）单晶硅太阳能电池组件的结构 单晶硅太阳能电池组件的实物外形如图 51 所示，单晶硅太阳能电池组件的结构如图 52 所示 ,光伏组件的。