太阳能与电能的智能型路灯控制系统的设计毕业论文(编辑修改稿)

太阳能与电能的智能型路灯控制系统的设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

面就硅晶体做成的半导体加以说明。 众所周知，掺有磷杂质的硅含有多余电子，称为 N型半导体；掺有硼杂质的硅含有多余正电荷，称为 P型半导体。 若将两者结合，称为 PN结，这就是半导体器件的最基本结构。 太阳能电池同样是利用了 PN结的光伏效应。 在 PN结中， P型半导体的电子受到拉力， N型半导体的正电荷受到拉力，在结合处形成 正负抵消的区域，形成阻挡层。 此时，如有光照射，则激发电子自由运动流向 N型半导体；正电荷则集结于 P型半导体，从而产生了电位势。 如果外接灯泡 (负荷 )，就有电流流动 [3]。 (2)硅太阳能电池工作原理及结构 硅原子有 14个电子，分布在三个电子层上，里面的两个电子层均已填满，只有最外层缺少四个电子为半满。 为了达到满电子层稳定结构，每个硅原子只能和它相邻的四个原子结合成共用电子对，平面看起来就像所有的原子都是手挽手，交错连接形成它特有的晶体结构，把每个电子都固定在特定的位置上，不能像铜等良导体中的自由电子那样自由移动 ，因此，也就决定 8 了硅不是电的良导体。 实际用于太阳能电池的硅是经过特殊处理的，也就是采取了掺杂工艺。 N型半导体中含有较多的空穴，而 P型半导体中含有较多的电子。 当 P型和 N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层，界面的 P型一侧带负电， N型一侧带正电。 这是由于 P型半导体多空穴， N型半导体多自由电子，出现了浓度差。 N区的电子会扩散到 P区， P区的空穴会扩散到 N区，一旦扩散就形成了一个由 N指向 P的“内电场”，从而阻止扩散进行。 达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层，这就是 PN结。 当掺杂的 硅晶片受光后， PN结中， N型半导体的空穴往 P型区移动，而P型区中的电子往 N型区移动，从而形成从 N型区到 P型区的电流。 然后在 PN结中形成电势差，这就形成了电源。 由于半导体不是电的良导体，电子在通过 PN结后，如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。 如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖 PN结（如梳状电极），以增加入射光的面积 [4]。 (1)晶体硅太阳能电池发展 1839年，法国 Becqueral第一次在化学电池中观察到光伏效应。 在 太阳能能电池的整个发展历程中，先后出现过各种不同结构的电池，其中同质PN结电池结构自始自终占主导地位，其他结构对太阳能电池的发展也有重要影响。 由于科技的进步，晶圆厚度、切割技术、晶圆尺寸，以及晶圆价格，均有了长足的改善。 (2)晶体硅太阳能电池方阵 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 ，工作电流为 20～ 25mA/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 池再经过串、并联组合安装在支架上，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，如图 21所示。 9 单体 组件 方阵 图 21 太阳能电池单体、组件和方阵 常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。 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，在这两个区的连续处就是所谓的 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，以减少太阳能的反射损失 [5]。 (3)太阳能电池组件 太阳能电池组件的作用是将太阳的光能转化成电能后，输出直流电存入蓄电池中。 太阳能电池组件是太阳能光伏系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。 太阳能电池组件可组成各种大小不同的太阳能电池方阵，亦称太阳能电池阵列。 太阳能电池板的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同光照条件下的输出功率也越大。 太阳能电池板的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。 太阳能电池组件由以 下材料组成 [6]： 电池片、钢化玻璃、 EVA、 TPT、镀锡铜带、密封胶、接线盒、边框。 太阳能电池组件设计 根据设计指标要求，为满足功率 18W的 LED每天工作十小时，保证连续3～ 5个阴雨天持续工作，太阳能电池板每天接收 6小时 1000W/m2强度太阳光，电池板吸收太阳能量到 LED的功率损耗为 20%。 太阳能电池组件的电气参数设定如下： 10LED按 5天每天工作十小时计算， 消耗能量： P1=18 50 3600=3240000J 太阳能电池板所需功率： P2=P1/=4050000J W=P2/6/3600= 组件选用 180W，可提供 30V充电电压的排布方式 [7]。 11第 3章 蓄电池充电与 LED 路灯控制技术 蓄电池主要参数 了解蓄电池主要参数的物理意义是光伏照明系统中有效使用蓄电池的前提之一，其具体参数如下： 1．蓄电池体内电动势 电动势为蓄电池在理论上输出能量多少的亮度。 一般来说，在相同的条件下，电动势愈高的蓄电池，输出的能量愈大，使用价值愈高。 理论上，蓄电池的电动势等于组成蓄电池的两个电极的平衡电动势之差。 2．开路电压与工作电压 蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压。 其值等于蓄电池的电动势。 蓄电 池接通负荷后在放电过程中显示出来的电压，亦称负载电压或放电电压。 在蓄电池放电初始时的工作电压称为初始工作电压。 3．蓄电池的容量 蓄电池在一定放电条件下所能给出的电量称为蓄电池的容量，该容量是蓄电池能放出电量的总和。 常用单位为安培小时，简称安时 (Ah)。 4．蓄电池内阻 电流通过蓄电池内部时受到各种阻力，使蓄电池的电压降低，该阻力总和称为蓄电池的内阻。 蓄电池内阻是一个综合参数，是活性物质、电介质、隔膜、电极接头等所有蓄电池内部电阻之和。 蓄电池内阻不是参数，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变， 所以蓄电池内阻在放电过程中随时间也在不断变化。 5．蓄电池的能量 蓄电池的能量是指在一定放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时表示，它也表示蓄电池放电的能力。 6．蓄电池功率与比功率 蓄电池的功率是指在一定放电制度下，单位时间内所给出能量的大小，单位为 W(瓦 )或 KW(千瓦 )。 单位质量蓄电池所能给出的功率称为比功率，单位为 W/g或 KW/g。 蓄电池比功率越大，表示可以承受的放电电流越 12大。 7．蓄电池的输出效率 蓄电池的输出效率也称为充电效率。 光伏照明系统所选择的蓄电池应为可逆的蓄电池，实际的蓄电池都不能作 为理想的储能器，在工作过程中必有一定的能量消耗，通常用容量输出效率和能量输出效率来表示。 蓄电池的充电 蓄电池的充电方式 充电是蓄电池得以可持续工作的重要手段，也是光伏照明系统得以持续工作的必备条件。 充电设备和充电技术是做好充电工作的重要技术基础。 传统的充电方式可分为恒流充电、恒压充电及其它类型 [8][9]。 1．恒流充电 恒流充电方式是一直以恒定不变的电流进行充电，该电流采用控制充电器的方法来达到。 这种通过控制充放电器维持电流的方法操作简单、方便，易于做到。 该充电方法特别适合于由多个蓄电池串联的蓄电池 组。 要使蓄电池放电慢，且其容量易于恢复，最好采用这种小电流长时间的充电模式。 恒流充电方式的不足是：开始充电阶段恒流值比可充值小，在充电后期恒流值又比可充值大；整个充电时间长，析出气体多，对极板冲击大，能耗高，充电效率不超过 65％。 一般免维护的蓄电池不宜于使用此方法。 分段恒流充电是恒流充电的一种变型。 该方法是在充电后期 ， 把电流减小，以避免充电后期电流过大。 通常按照光伏照明系统的要求以及蓄电池的特性来确定充电电流的大小、时间、转换电流的时刻以及充电终止的判断依据等。 2．恒压充电 该方法主要针对每只单体蓄电 池以某一恒定电压进行充电。 充电初期电流非常大，随着充电进行，电流逐渐减小，在充电终期只有很小的电流通过。 此方法比较简单，充电过程中不需要调整电流。 充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低，充电效率可达 80％。 如充电电压选择得当，可在数小时内完成充电。 其缺点是：在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电 13流会很大，不仅危及充电器的安全，蓄电池也可能因过流而受到损伤；另一方面，如果充电电压选择过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适宜串联数量多的蓄。 电池组充电；同时，蓄电池端电压的 变化很难补偿，充电过程中对低电 压蓄电池的完全充电也很难完成。 恒 压充电一般应用在蓄电池组电压较低的场合。 3．恒压限流 采用恒压限流的方法主要为弥补恒压充电的缺点。 在光伏照明系统的充放电器与蓄电池之间串联一个电阻。 当电流大时，其上的电压降也大，从而减小了充电电压；当电流小时，由于电阻上的电压降也很小，充电器输出电压降损失就小。 这样就自动调整了充电电流，使之不超过某个限度，充电初期的电流得到控制。 该方法的缺点是串联电阻将消耗部分电能。 4．快速充电 快速充电一般使电流以脉冲方式输给蓄电池，并随着充电时间的延续，蓄电池有一个瞬时间的大电流放电 ，使其电极去极化。 它能在短时间内将蓄电池充足电，既不用恒流大电流，也不用较高的恒定电压，后两者都会使蓄电池很快升温，损伤电极和浪费电能。 快速充电由专用的充电器提供脉冲电流，它能保证充电时既不产生大量气体又不发热，从而达到缩短充电时间的目的。 快速充电是光伏照明系统中充电的主要模式之一。 5．智能充电 智能充电是动态地自动跟踪蓄电池可接受的充电电流，使充电电流与蓄电池内部极化电流相一致，也称为最小损 耗充电模式。 在常规的充电技术中，不能动态跟踪蓄电池的实际状态和 接受充电电流大小。 智能充电系统由充电器与被充电蓄电 池组成二元闭环电路，充电器根据蓄电池的状态确定充电参数，充电电流自始至终处在可接受的充电电流曲线附近，使蓄电池几乎在无气体析出条件下充电，做到既节约用电又对蓄电池无损伤。 该充电方式的实施需要知道蓄电池接受充电电流曲线，智能充电是光伏照明系统中充电技术的发展方向。 蓄电池的充电拓扑结构 直流斩波电路，即 DC/DC变换器的功能是通过控制主回路中的电子开 14关的通断，将直流电变为另一固定电压或可调的直流电。 直流斩波电路的种类较多，包括 6种基本的斩波电路：降压斩波电路 (Buck Chopper)、升压斩波电路 (Boost Chopper)、升压降压斩波电路、 Cuk斩波电路、 Sepic 斩波电路和 Zeta斩波电路，其中前两种是最基本的电路。 一方面这两种电路应用最为广泛，另一方面理解这两种电路可为理解其他电路打下基础 [10]。 基于 UC3906 的蓄电池充电器 UC3906作为 VRLA蓄电池充电专用芯片，它具有实现 VRLA蓄电池最佳充电所需的全部控制和检测功能。 更重要的是它能使充电器各种转换电压随VRLA蓄电池电压温度系数变化而变化，从而使 VRLA蓄电池在很宽的温度范围内都能达到最佳充电状态。 UC3906内部框图如图 31所示。 该芯片内含有独立的电压控制回路和限流放大器，它可以控制芯片内的驱动器。 该驱动器的输出电流可达 25mA，可直接驱动外部串联调整管，从而调整充电器的输出电压和电流。 电压和电流取样比较器用来检测蓄电池的充电状态，并且控制充电状态逻辑电路的输入信号。 当电池电压或温度过低时，充电起动比较器控制充电器进入涓流充电状态。 另外，当芯片内的驱动器无输出时，该比较器还能输出 25mA涓流充电电流。 这样 ， 当电池短路或反接时，充电器开始只能输出很小的充电电流，可以避免因充电电流过大而损坏电池。 UC3906的一个非常重要的特 性是：基准电压随环境温度而变，并且变化规律与铅酸电池电压的温度特性完全一致。 因此，在很宽的温度范围(0~70℃ )内，都能精确地检测环境温度，保证电池既充足电又不会严重过充电。 UC3906的电源电流只有 ，芯片的功耗很小。 该芯片中，还有欠压检测电路。 当电源接通后，欠压检测电路还能使逻辑电路输出信号。 指示输入电源已经接通。 在过充电终止输入端加入控制信号，可以终止过充电状态，在过充电指示输出端加入外接元件，可以监控电他的过充电状态。 15驱动器R QL1S2 5 0 m V2 5 m V电流取样限流起动比较器电压取样比较器V r e f欠压检测V r e f2 . 3 0 V25 ℃3 . 9 m V /℃V r e fV r e f+ V i nR QL2S电压放大器高 9 5 V r e f低 9 V r e f4132CLC S O U TC S +电源指示过充电终止 875+ V I NGND 6流入16流出15补偿1413 电压检测11 涓流偏置12 充电起动10状态电平控制9 过充电指示C S 图 31 UC3906内部结构 表 31和 32分别介绍了 UC3906的管脚功能和电气参数 [11]。 表 31 UC3906 管脚功能。