太阳能路灯系统设计

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1、本科毕业设计（论文）题 目 太阳能路灯系统设计 学生姓名 专业班级 学 号 院 （系） 指导教师 完成时间 年 月 日 郑州轻工业学院毕业设计（论文）任务书题目 太阳能路灯系统设计 专业 学号 姓名 主要内容：1.收集和整理与课题相关的技术及文献资料。2.太阳能板型设计。3.控制电路设计。 4.蓄电池组选型设计。基本要求：设计符合有关电气标准、规范；对产品的先进性、可行性、安全性、经济性进行分析。画出必要的图纸，打印设计说明书一份。 主要参考资料： 1.李钟实. 太阳能光伏发电系统设计施工与应用. 人民邮电出版社,2012 2.吴财福.太阳能光伏并网发电机照明系统.科学出版社,2009 3.冯

2、垛生. 太阳能光伏发电技术. 人民邮电出版社，2011.05完 成 期 限： 指导教师签名： 专业负责人签名： 2013年 月 日太阳能路灯系统设计摘 要随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势下已逐渐形成规模，例如太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等。太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。太阳能路灯系统设计，从根本上对太阳能做了全面的了解，掌握太阳能照明的优势，并阐述了太阳能路灯与普通路灯的本质区别。综述了太阳能电池板、蓄电池、控制器和LED灯具的工作原理、特性、类型等各方面作了一个详细的分析与设计。并介绍了铅酸蓄电池的充放电过程，然后利用STC12C5A60S2设计控

3、制器，分析了控制器的电路组成和工作原理，而且详细讲解了系统中容量的设计与计算，包括太阳电池方阵和蓄电池组的设计和计算方法，最后介绍了太阳能路灯的安装。整个系统实现自动照明，自动熄灭等一系列工作过程，使太阳能照明更加智能化。关键词 太阳能照明 太阳能电池板 蓄电池 控制器SOLAR STREET LIGHTING SYSTEM DESIGNABSTRACTWith the development of solar photovoltaic technology and progress, solar lighting products in the environment protection

4、and energy has been gradually under the dual advantages of scale, such as solar lights, garden lights, lawn and so on. Solar street lighting in the area of development has increasingly improved.Solar street lighting system design, a fundamental right to do a comprehensive understanding of the solar.

5、To grasp the advantages of solar lighting.Elaborated solar street lights with the essential difference between ordinary.Overview of solar panels, batteries, controller and LED lighting works, characteristics, types, and other aspects made a detailed analysis and design.And introduced lead-acid batte

6、ry charge and discharge process, and then design a controller using the STC12C5A60S2.Analysis of the controller circuit and working principle.And detailed account of the capacity of the system design and calculation.Including the solar array and battery packs are designed and calculation methods.Fin

7、ally, the installation of solar street light.The entire system to achieve automatic lighting, automatic off a series of work processes.Make more intelligent solar lighting.KEYWORDS solar lighting system solar panel storage battery control unit目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 太阳能的优点11.2 太阳能照明的发展趋势21.3 太阳能路灯42

8、系统设计思路52.1 系统组成52.2 设计思路63 各组成部件工作原理73.1 太阳能电池73.1.1 太阳能电池的分类73.1.2 硅太阳能电池工作原理93.2 蓄电池113.2.1 蓄电池的种类113.2.2 铅酸蓄电池的工作原理133.3 控制器133.3.1 单片机STC12C5A60S2的介绍143.3.2 复位电路153.3.3 时钟电路153.3.4 控制器工作原理163.3.5 技术参数184 容量计算及配置选型194.1 负载194.1.1 LED负载特性204.1.2 LED负载的选择204.2 系统容量的计算214.2.1 太阳能电池组件及方阵的设计与计算224.2.2

9、 蓄电池和蓄电池组的设计与计算224.3 太阳能路灯的安装235 结论25致 谢26参考文献27附录 太阳能路灯系统电路原理图281 绪论1.1 太阳能的优点无论是现在还是将来，太阳能都拥有广阔的市场前景。潜力无限的太阳能是一种清洁、高效而且可持续的再生能源。同时，使用太阳能是一个明智的选择，如果使用太阳能电池板为您的住宅供电，在收到每个月的电费单时，您就能体会到这一点。太阳能是环保的选择如果知道使用太阳能将为后代留下一个更环保的美好世界，我们一定会感到自豪。光伏发电不消耗燃料，不受地域限制，规模大小可以随意设定，可以独立发电或并网发电，无噪声、无污染，建设周期短，不用架设输电线路，安全可靠，

10、维护简便，可以无人值守，具有其它发电方式无可比拟的优点。这些优点是大规模利用太阳能的重要技术基础。随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓是无处不在。太阳能作为一种“取之不尽，用之不竭”的安全、环保新能源越来越受到重视。这样，太阳能照明产品随着太阳能热水器普及之后应运而生，在这里就太阳能路灯和使用市电路灯的效果作实用对比。初期费用贵，但是运行费用低于普通灯具，且绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点，可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用1。如今，全球的光伏 (Photovoltaic, PV) 太阳能供不应求，是增长最快的可再生能源之

11、一。随着制造工艺的高效化，光伏系统的成本将继续下降。如今，光伏系统的价格已经是20年前的1/25。即使是商业电力公司，也正在寻求通过利用太阳能来构建更为稳定的成本结构。太阳能则可以用来预防未来电费的居高不下。在许多国家，可以将富余电力卖给电力公司，冲抵电费。在近期的民意调查中，当受访对象被问及哪类能源最适合子孙后代时，太阳能的得分高出所有其它能源。与高成本的化石燃料污染和全球温室效应相比，太阳能不仅使用范围广，而且更经济。随着经济发展，我国的照明用电将大幅度提高，绿色节能照明的研究应用将越来越受到重视。太阳能LED照明灯具作为冷光源产品，具有性价比高、绿色环保、安全可靠、质量稳定、使用寿命长、

12、安装维护简便等特点，可广泛应用于绿地照明、公路照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明及家居照明系统，但太阳能LED照明灯具一次性投入较高是其发展的瓶颈。目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%左右，降低照明用电是节省能源的重要途径。为实现这一目标，业界已研究开发出多种节能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还较远，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。 1.2 太阳能照明的发展趋势随着太阳能光伏发电技术的迅猛发展,太阳能路灯很快在广大城市和农村得到了推广和应用,尤其是在没有电网的农村得到广泛的重视,并且取得了成功。同时,在许多已经敷设了电力线路的城市道路上也开

13、始安装太阳能路灯。太阳能是本世纪人类的主要能源之一，到2030年，世界电力生产将主要依靠太阳能。太阳的能源非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳光所产生的能量相当于全球人类一年消耗的能量。可以说太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。目前，全球能源危机日益加剧，各国都在寻找新的能源，以取代即将枯竭的煤、石油、天然气等地球上所剩无几的不可再生能源。作为新型照明方式之一，太阳能照明能否挑起重担，在未来的照明行业中起主导作用？这不仅仅是照明行业所关注的焦点，也是整个社会思考和关注的焦点。利用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式。太阳能电源系统运行成本低，几乎不需要维护，不需要备件，不需

14、要增添燃料。太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用。不包含任何运转部件，系统可连续工作、使用寿命超过数十年。太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定。无需为接入电网而修路，在没有电网的地方，太阳能为灵活选取站址提供可能。除了直接的经济效益以外，太阳能发电还有很多间接优点。在其它一些供电系统，往往由于断电而立即造成巨大的经济损失。太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。太阳能照明本质上是一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。其工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制，当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应

15、用产品，凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、随时变换位置等优点，在照明行业中树立起神圣的地位2。大量试验表明，太阳能灯具和普通灯具对比分析后得出：在满足同样照明要求的条件下，两种不同的供电方式，太阳能灯成本比普通灯具要高；如果将投入工程的施工费用计入整个工程，则两种灯具在初始投资时造价相当。工程越大，普通灯具的工程施工费用越高，其初始投入大于太阳能灯具。使用时间越长，越能彰显太阳能灯具的实惠。如果把人力、物力计算在内，普通灯具的辅助费用与维护费用都将比预算的高。在后续的使用费用上（电费、维护费用等），太阳能灯具的优势更明显。如果在全国推广使用3亿只太阳能灯，其节能效果相当于新建一个三峡工程。

16、据了解，太阳能的优点已被越来越多的人所接受。作为太阳能应用的系列产品之一，太阳能灯具一直是各方研究和关注的焦点。在已有技术基础上，技术人员与厂商集思广益，在诸多方面取得了突破性进展，为太阳能灯最终走向千家万户打下了坚实基础。专家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。1.3 太阳能路灯随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保能源之一，太阳能照明就是利用太阳能最重要的途径。太阳能照明路灯采用高效单晶硅太阳能电池供电，采用免维护密封型蓄电池贮存电能，用高效节能灯照明，并采用先进的充放电和照明控制电路，具有性质可靠、发光效率高、亮度大、安装方便

17、、无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光敏控制。安全可靠、节能、经济、环保，寿命长，是未来户外照明的发展方向和照明灯具中的一枝新秀。本文设计了独立发电系统光伏发电路灯系统。光伏路灯不受地域限制，规模大小随意，可以独立发电，无噪声、无污染，建设周期短，不用架设输电线路，安全可靠，维护简便，可以无人值守，具有其它发电方式无可比拟的优点。毫无疑问，光伏发电路灯的应用必然随着时间的发展得到越来越广泛的应用。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

18、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。对比而言，太阳能照明绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点；可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制、免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。太阳能照明灯具有体积小、重量轻、低能耗、高光强、防雷击、无须其它电源、安全可靠、安装、维护方便等特点。太阳能照明灯可广泛应用于：家庭别墅、单位花园、公园绿地、环保小区、房前路边等户外场所的照明。一盏普通的路灯以400W光源，日工作10小时计，1年平均

19、耗电量是1460度电，还需要专人维护、更换灯泡；而太阳能路灯一般采用寿命长达50000小时以上的LED灯作为光源，日常无需增加消耗电量的费用开支。换个角度说，每装一盏太阳能路灯，每年就可节省1460度电，十年可节省14600度。太阳能路灯其实并不贵，因其使用寿命长，比普通路灯更划算。在很多人眼里，路灯的成本不过是一根杆，一只灯泡。但是，事实上根本不是这样子，一盏普通路灯除了这些成本，还有预埋地下的电缆申请和施工过程的费用，还可能影响、破坏周围植被和景观，日常需要专人定时维护、更换灯泡，同时每隔大约1Km要建一个升压站（防止输电线路过长，电压降低过大，影响灯光亮度），分摊下来的成本每盏大约在3万

20、元左右，目前市政道路路灯的招标价格每盏一般也在23.5万元之间。而太阳能路灯的最大成本就是太阳能电池板，无需预埋输电电缆及相关工程费用，一盏812米的太阳能路灯的造价一般在1.83.5万元之间。这些太阳能路灯一般使用的光源是长寿命的LED灯或低压钠灯，使用的电压都是绝对安全的直流低电压，采用光控、时控、全自动、无触点电子开关，故障率极低，整体路灯使用寿命要长达15年。此外，路灯与路灯之间彼此独立工作、互不干扰，可根据实际情况将某段时间设计成节能照明状态，从而有效降低造价。只要设计合理，实际比普通路灯更划算3。其优点总结为。(1)不受地理位置限制、无需消耗燃料、无机械转动部件、建设周期短、规模大

21、小随意；(2)安全可靠、无污染、无噪声、环保美观、故障率极低、寿命长；(3)拆装简易、移动方便、工程安装成本低、无需预埋架高输电线路、可免去远距离敷设电缆时对植被和环境的破坏及其所需的工程费用；(4)广泛应用于道路照明上，非常适用于乡村、农场、山头、海岛、高速公路等输电不便的偏僻地方。2 系统设计思路2.1 系统组成太阳能路灯由太阳能电池组件、蓄电池、控制电路、负载等组成。有蓄电池的直流光伏发电系统如图2-1。该系统由太阳能电池、充放电控制器、蓄电池以及直流负载等组成。有阳光时，太阳电池将光能转换为电池供负载使用，并同时向蓄电池存储电能。夜间或阴雨天时，则由蓄电池向负载供电。这种系统应用广泛，

22、小到太阳能草坪灯、庭院灯，大到远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。当系统容量和负载功率较大时，就需要配备太阳电池方阵和蓄电池组了。图2-1 太阳能路灯控制器电路原理框图太阳能路灯技术特点是。（1）具有特大功率，每天8小时照明，可在连续阴雨9天内正常工作；（2）应用了具有充放电保护功能、光敏自控装置和时控装置的光电智能控制器，使产品可有效地节约能源，增加有效照明时间，降低生产成本；（3）中央控制器单元采用单片机控制；（4）在大面积使用后，启动和关闭的时差很小，从而比较好的克服了传统太阳能灯因启动时差过大而产生的种种弊端。具体电路如图2-1所示，由充电电路、放电电路、工作状态指

23、示电路、温度补偿电路等组成。2.2 设计思路太阳能路灯的设计思路可依据一般的太阳能光伏发电系统，而太阳能光伏发电系统的设计分为两部分：一是光伏发电系统的容量设计，主要是对太阳电池组件和蓄电池的容量进行设计与计算，目的就是要设计出系统在全年内能够满足用电要求并可靠工作所需要的太阳电池组件和蓄电池的数量；二是光伏发电系统的系统配置与设计，主要是对系统中的电力电子设备、部件的选型配置及附属设施的设计与计算，目的是根据实际情况选择配置合适的设备。设施和材料等，与前期容量设计相匹配。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。在进行太阳

24、能路灯系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据。太阳能光伏发电系统的设计步骤和内容如图2-2所示。当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集、计算。如经度、纬度，年最高最低气温，全年太阳能辐射量，平均峰值日照时数，年最长连续阴雨天数等负载用电量需求的分析和计算确定光伏发电系统的形式系统容量设计：(1)太阳电池组件功率和方阵构成的设计与计算 (2)蓄电池的容量与组合的计算系统配置与设计：(1)控制器的选型与配置 (2)交流逆变器的选型与配置 (3)组件支架及固定方式的设计 (4)交流配电系统的设计 (5)防雷与接地系统的配置与设计 (6)监控和测量系统的配置图2-2 太阳能光伏

25、发电系统的设计内容与步骤43 各组成部件工作原理3.1 太阳能电池3.1.1 太阳能电池的分类太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。而太阳能电池组件是把多个单体的太阳能电池片根据需要串、并联起来，并通过专用材料和专用生产工艺进行封装后的产品。(1)硅太阳能电池 硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为23%，规模生产时的

26、效率为15%。在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较，成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%，工业规模生产的转换效率为10%。因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅太阳能电池无疑是太阳能

27、电池的主要发展产品之一。(2)多元化合物薄膜太阳能电池多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强，对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲，因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。铜铟硒

28、薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光衰退问题，转换效率和多晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。(3)聚合物多层修饰电极型太阳能电池以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。能否发展成为具有实用意义的产品，还有待

29、于进一步研究探索。(4)纳米晶太阳能电池纳米TiO晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/51/10。寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场5。3.1.2 硅太阳能电池工作原理太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图3-1。图3-1 硅原子结构图图3-1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图3-2所示。图3-

30、2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而实心的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生如图所示的空心的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。图3-2 硅原子参入杂质后结构图（掺入硼）同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。实心的为磷原子核，小的为多余的电子，如图3-3所示。图3-3 硅原子参入杂质后结构图（掺入磷） P E 空间电荷区 N 内电场图3-4 PN结形成图N型半导体中含有较多的电子，而P型半导体中含有较多的空穴

31、。这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是P-N结。如图3-4所示。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形成电势差，这就是P-N结。当晶片受光后，P-N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P-N结中形成电势差，

32、这就形成了电源，如图3-5所示。前电极（） 太阳光防反光涂层N型（P+）P型（B-） 电后电极（+） 流图3-5 太阳能光伏电池发电原理由于半导体不是电的良导体，电子在通过P-N结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但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P-N结，如图3-5所示。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，如图3-5所示，将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池（通常是36个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板

33、。3.2 蓄电池储能电池及器件是太阳能光伏发电系统不可缺少的存储电能的部件。其主要功能是存储发电系统的电能，并在日照不足、夜间以及应急状态时为负载供电。其必要性如下。（1）太阳能电池只能在白天进行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，因此必须储备在蓄电池内，储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。（2）太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后,负荷才能正常工作。3.2.1 蓄电池的种类化学电源是人类目前可以利用的高效能源之一。蓄电池也称作二次电源，它是一种把化学反应所释放出来的能量直接转变成直流电能的装置。蓄电池按照其电解液的不同，通常分为酸性电池和碱性电池。近几十年来，由于交通、通讯

34、、计算机产业的高速发展，其产品系列、产品种类、产品性能发生了巨大变化，以此满足不同用途的需要。目前，蓄电池主要应用于各种车辆、船舶、飞机等内燃机的起动以及照明、蓄能、不间断电源、移动通讯、便携式电动五金工具、电动玩具当中。总之，蓄电池在国防、工农业生产、交通运输、电力、电子、通讯、教学、科研、医疗卫生以及人们日常生活中被广泛应用。常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、铁镍蓄电池、金属氧化物蓄电池、锌银蓄电池、锌镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池等，它们分别应用于太阳能光伏发电的不同场合或产品中。由于性能及成本的原因，目前应用最多、最广泛的还是铅酸蓄电池。常用几类蓄电池介绍：（1）铅酸蓄电池铅酸

35、蓄电池的储能方式是将电能转换为化学能，需要时再将化学能转换为电能。其正极为二氧化铅，负极为铅，电解液主要为稀硫酸，主要有起动型、固定型、牵引型、动力型和便携型，常为开口或防酸式(GF)，少量为胶体电解液蓄电池(GEL)。近年来，特别是VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄电池的出现，在某些领域已经能够取代碱性蓄电池和干电池，使铅酸蓄电池发挥更大的作用。由于铅酸蓄电池价格低廉，适于低温高倍率放电，因此应用广泛，是我国的电信行业中后备电源的主要产品。但同时由于铅酸蓄电池比能量偏低，生产过程有毒。污染环境等不利因素，一定程度上影响了其使用范围。（2）镉镍蓄电池镉镍蓄

36、电池负极为镉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液。常见外形是方形。扣式和圆柱形，其有开口、密封和全密封三种结构。按极板制造方式又分有极板盒式、烧结式、压成式和拉浆式。镉镍蓄电池具有放电倍率高，低温性能好，循环寿命长等特点。（3）金属氢化物镍蓄电池金属氢化物镍蓄电池是新开发出来的新产品，负极为吸氢稀土合金，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾。氢氧化锂水溶液，比能量是镉镍蓄电池1.52倍，具有可快速充电，优良的高倍率放电性能和低温放电性能，价格便宜，无污染，被称为绿色环保电池。（4）铁镍蓄电池铁镍蓄电池负极为铁粉，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾或氢氧化钠水溶液。具有结构坚固。耐用。寿命长等特点，比能

37、量较低，多用于矿井运输车动力电源。（5）锌银蓄电池锌银蓄电池负极为锌，正极为氧化银，电解液为氢氧化钾水溶液，具有较高的比能量及优良的高倍率放电性能，但价格偏高，多用于军事工业及武器系统。（6）锌镍蓄电池锌镍蓄电池负极为锌，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液，具有高比能量，价格较低；但寿命较短，近年来锌镍蓄电池的循环寿命有了较大提高，预计随着循环寿命的提高将获得更广泛应用。（7）锂离子蓄电池锂离子蓄电池负极是碳(石墨)，正极是氧化钴锂，由于采用有机电解质液，具有电压高。比能量高及优良的循环寿命，安全无污染，被称为绿色电源。常作为通讯工具和便携器材的电源。3.2.2 铅酸蓄电池的工作原理由于太阳

38、能路灯采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析。铅酸蓄电池充、放电化学反应过程如下。 正极 电解液 负极 正极 水 负极充电过程：Pb O+2HSO+PbPbSO+2HO+PbSO 放电过程：Pb O+2HSO+PbPbSO+2HO+PbSO（1）充电蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时，在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅，同时在负极板上产生氢气，正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加，电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时，充电就结束了。 在充电时，在正、负极板上生成的氧和氢会在电池内部“氧合”成水回到电解液中。（2）放电蓄

39、电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时， 硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应，生成化合物“硫酸铅”，放电时间越长，硫酸浓度越稀薄，电池里的“液体”越少，电池两端的电压就越低10。铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄

40、电池实现了储存电能和释放电能的功能。3.3 控制器小型充电控制器主要用于太阳能户用电源系统，其技术特点有。（1）继电器或MOSFET作为开关器件；（2）防反充电；（3）有过充电和过放电LED指示。图3-6 单片机STC12C5A60S2的引脚图3.3.1 单片机STC12C5A60S2的介绍本设计控制系统基于PWM脉宽调制技术，采用STC12C5A60S2完成对路灯系统的控制，下面对单片机进行简要介绍(如图3-6)。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（IT）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但

41、速度快8-12倍。内部集成2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。部分引脚功能简单介绍。 VCC：供电电压；GND：接地；P3.0 RXD(串行输入口)； P3.1 TXD(串行输出口)； P3.2 INT0(外部中断0)； P3.3 INT1(外部中断1) ；P3.4 T0(记时器0外部输入)； P3.5 T1(记时器1外部输入) ；P3.6 WR (外部数据存储器写选通)； P3.7 RD (外部数据存储器读选通)；RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST两个机器周期的高平时间；XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入； X

42、TAL2：来自反向振荡器的输出；A/D转换：P1.1P1.7，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)。3.3.2 复位电路图3-7 复位电路单片机工作过程中按下按键，开关导通，这个时候电容C两端形成了一个回路，电容被短路，所以在按键按下的这个过程中，电容开始释放之前充的电量。从而在松开开关后，因为电容C放电会持续一段时间，因而会保持复位端持续一段时间的高电平，从而保证单片机复位。上电复位原理：VCC上电时，C充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后，C充满，10K电阻上电流降为0，电压也为0，使得单片机进入工作状态。手动复位原理：工作期间，按下S，C放电。S松手，C

43、又充电，在10K电阻上出现电压，使得单片机复位。几个毫秒后，单片机进入工作状态。3.3.3 时钟电路晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路。这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化。晶体的频率越高，系统的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快11。图3-8 外部时钟方式电路3.3.4 控制器工作原理如图3-7（图中STC12C5A60S2由IC1代替），蓄电池GB时控制器电路的工作电源，也是整个路灯的供电电源；C1、C3、C4为高频滤波电容，用于滤除电池组件和负载

44、感应或产生的高频杂波，减少对单片机和控制系统的干扰；压敏电阻RV1用于吸收经电池租价和线路进入控制器的雷电浪涌电压；VT4、VD6等元器件构成稳压电路，把蓄电池的12V输入电压稳定到10V，供控制器电路工作，防止蓄电池电压的变化对控制器电路的影响；VT2、VD4、等构成5V稳压电路，为单片机及相关电路供电；稳压二极管VD1、VD3为MOS管栅极保护用电器；电阻R1、R2、R12、R28和二极管VD5等组成太阳电池组件输出电压的各种状态通过单片机芯片IC1的3脚输入到单片机电路，还可以通过电池组件的光敏作用对电路进行光控开关；R19、R24、C6等组成蓄电池电压检测电路，将蓄电池端电压的状况反映

45、给单片机，由单片机根据蓄电池端电压的状况作出相应的充电各阶段的控制；单片机IC1的1脚位正电源脚，14脚位控制器地线，即蓄电池负极，4脚位铅酸蓄电池和胶体蓄电池的选择功能端，通过S1开关的开闭选择；VT3是控制输出的晶体管，当VT3导通时，MOS输出控制晶体管VT8会关断向负载的供电，输出保护（欠电压）指示灯LED1点亮。充电过程：当电池组件收到阳光照射时，电压信号通过IC1的3脚输入，其内部A/D输入转换电路实现对电池组件电压的采样测量比较，当电池组件输出电压超过6V时，太阳能充电指示灯LED5点亮，启动充电程序。当蓄电池容量较低时，IC1的2脚输出高电平，VT5截止，VT1关断，VT6、V

46、T7导通。电池组件电流从电池组件正极蓄电池正极蓄电池负极VT6VT7电池组件负极流动，给蓄电池快速充电。随着蓄电池两端电压的不断升高，蓄电池容量指示灯LED2、LED3、LED4依次点亮，显示蓄电池的容量状况。在充电过程中，当蓄电池端电压达到13.6V并能持续30s时，电路自动转换为PWM浮充电状态，IC1的2脚由高电平变为输出PWM信号，频率为30Hz，经VT5、VT1控制VT6、VT7的导通和截止，为蓄电池浮充电。在蓄电池浮充电过程中，随着蓄电池端电压的高低变化，浮充电流的开通脉冲图3-7 太阳能路灯控制器的电路原理图宽窄随之变化，调整着充电电流大小的变化，如此反复，经过PWM浮充电状态时

47、蓄电池端电压达到涓流充电时，电流输出一个比较窄的PWM脉冲电流进行间断性充电，间断时间为30min以上。放电过程：由R25、R27、VT8、VD3以及照明灯负载等组成放电回路。当蓄电池电压高于11V时，负载两端可输出蓄电池和电池组件的混合电能。当蓄电池电压降至11V时，IC1的10脚输出高电平，使VT3导通、VT8关断，同时欠电压指示灯LED1点亮，过放电保护起作用。由于铅酸蓄电池的特性决定其不能长时间处于亏电状态，因此受到过放电保护的蓄电池必须及时充电，并要求充到12.5V时，系统才允许蓄电池恢复给负载供电。蓄电池容量指示灯由LED2、LED3和LED4构成，LED4亮时表示蓄电池容量大于7

48、5%，端电压在12.8V以上；LED3亮时表示蓄电池容量大于25%而小于75%，端电压在11.812.8V之间；LED2亮时表示蓄电池容量小于25%,端电压在1111.8V之间.当电压降至接近11V时，LED2点亮，此时系统要求关断负载，保护蓄电池，如不关断，3min后系统将强制切断负载，欠电压指示灯LED1点亮。光控开灯：傍晚，当环境光照度降至510lx时，电池板输出电压小于6V，达到电路启控点，IC1延时10min后确认，VT8导通接通负载电源，照明灯自动点亮。早晨天亮，环境光达到一定照度时，电池板输出电压高于6V，控制器再次延时10min后确认，VT8截止，照明灯自动关闭。VT6是夜间或

49、太阳光不足时，防止蓄电池向电池板反向发电的MOS保护器件，当IC1的3脚检测到太阳电池板电压低于11.3V时，自动使VT6关断。R20、R21、VD8组成蓄电池环境温度补偿电路，VD8随温度变化而引起IC1的11脚电压变化，经IC1图3-7内部A/D电路转换，再由软件处理，改变各充放电阶段的电压设定值12。（系统设计总原理图见附录一）3.3.5 技术参数（1）系统电压：通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、500V。（2）最大充电电流：是指太阳能电池组件或方阵输出的最大电流，根据功率大小分为5A、10A、15A、20A、30A、40A、50A、70A、75A、85

50、A、100A、150A、200A、250A、300A等多种规格。（3）太阳能电池方阵输入路数：小功率光伏控制器一般都是单路输入，而大功率光伏控制器都是由太阳能电池方阵多路输入，一般大功率光伏控制器可输入6路，最多的可接入12路、18路12。（4）电路自身损耗：也叫空载损耗（静太电流）或最大自身损耗，为了降低控制器的损耗，提高光伏电源转换效率，控制器的电路自身损耗要尽可能低。控制器的最大自身损耗不得超过其额定充电电流的1%或0.4W。根据电路不同自身损耗一般为520mA。（5）蓄电池过充电保护电压（HVD）：也叫充满断开或过压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在14.114.5V（

51、12V系统）、28.229V（24V系统）和56.458V（48V系统）之间，典型值分别为14.4V、28.8V和57.6V。（6）蓄电池的过放电保护电压（LVD）：也叫欠压断开或欠压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在10.811.4V（12V系统）、21.622.8V（24V系统）和43.245.6V（48V系统）之间，典型值分别为11.1V、22.2V和44.4V。（7）蓄电池充电浮充电压：一般为13.7V（12V系统）、27.4V（24V系统）和54.8V（48V系统）。4 容量计算及配置选型4.1 负载负载的选型对于太阳能路灯来说是最关键的一步，目前针对太阳能路灯专用的

52、负载较少，为减少有限能量的损失，负载尽量选直流光源。目前常见的负载有直流节能灯、高频无极灯、低压钠灯和LED光源。（1）低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命2000小时，电压低灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。 （2）低压钠灯：低压钠灯光效高（可达200Lm/w），但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造高，采用较少。（3）无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V（纯正弦波，频率50赫兹）普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出频率、项位、电压都是不能和普通市电相比的）。（4）LED

53、：寿命长，可达1000000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高。根据以上各类型负载的比较，因LED负载优点突出，最适合光伏照明系统，所以本次设计选用LED作为负载。4.1.1 LED负载特性LED作为半导体光源，其发展势头强劲，是太阳能路灯最为理想的光源，LED路灯光源是一款多功能、环保节能型路灯光源，适合在各种场合的照明使用。有以下优点：（1）高光效：LED光效达50200流明/瓦，光谱窄，单色性好，几乎所有发出的光都可利用，且无需过滤直接发出色光。 （2）高节能：具有电压低、电流小、亮度高的特性。同样照明效果LED比传统光源节能80%90%。 （3）光色多：可以选择白色或彩色光，红色

54、、黄色、蓝色、绿色、黄绿色、橙红色等。（4）安全性高：LED光源使用低电压驱动，发光稳定，无污染，没有50HZ频闪，没有紫外线B波段，白色色温5000K，最接近太阳色温5500K。 （5）快速响应 ：LED发光管响应时间很短，采用专用电源给LED光源供电时，达到最大照度的时间小于10ms。 （6） 运行成本低：其他光源不仅耗电是LED光源的2-10倍，而且几乎每月都要更换，在器件更换和人工方面的花费很大。如表4-1，LED光源节电优势显而易见13。表4-1 LED光源和传统光源比较表位置传统光源LED光源节省耗电停车场HPS，高压钠灯，500WBeta Lighting 238W52%洗墙灯H

55、ID，氙气灯， 175WBeta Lighting 74W57%聚光灯HPS，高压钠灯，150WBeta Lighting 51W65%入口处CFL，荧光灯， 52WLED Lighting Fixture 12W76%4.1.2 LED负载的选择（1）LED路灯的灯杆配置。以下我们以道路宽度14米，悬挑长度1米，路灯双侧交错布置为例介绍太阳能路灯系统。设置标准：安装高度H0.7Weff ，Weff为路面有效宽度(m)。当灯具采用双侧交错布置方式时，道路有效宽度为实际路宽减去两个悬挑长度。悬挑长度是灯具的光中心至邻近一侧缘石的水平距离，即灯具伸出或缩进缘石的水平距离。则H（14-22）0.7，

56、得H7.0米,取7米作为灯杆高度。（2）LED光源与灯杆的相关适配见表4-2：表4-2 LED光源与灯杆的相关适配表灯杆高度(m)2.5356781012LED（W）81215/2128/304056/6080100以上配置均参考城市道路照明设计标准。图4-1 LED高效节能灯结构图根据使用场所的要求，设计出120、90、70多种角度的发光板，放置在高透光率的塑料灯罩内，如图4-1所示，以改善LED的方向性过强而形成的光斑，同时在灯罩内表面设计有网格型的折射面，使LED发出的光线经多次反射与折射，最终达到LED高效节能灯泡各方向光均匀，并形成特殊的光学效果14。4.2 系统容量的计算当地太阳能

57、辐射及气象资料。（1）太阳电池方位角：正南20之内，尽量避免西南20，这样有利于冬季多发电；（2）郑州市太阳能资源数据；（3）最长阴雨天数：也叫“系统自给天数”对于不太重要的负载可根据经验或需要在37天内选取。表4-3 郑州市太阳能资源数据表城市纬度最佳倾角平均峰值日照时数（h）年平均辐射量kWh/m kJ/cm斜面年辐射量kWh/m(平均)斜面修正系数KOP北京39.80纬度+45.011547.31 557.031828.551.0976郑州34.72纬度+74.041351.72 486.621476.021.0476 4.2.1 太阳能电池组件及方阵的设计与计算（1）光伏组件的容量计算

58、：P=光源功率光源工作时间1.43峰值日照时数0.850.85 （4-1）其中P为光伏组件的功率，单位为W；两个系数0.85分别为蓄电池的库伦效率和光伏组件衰减、方阵组合损失、尘埃遮挡等的综合系数15。（2）电池组件的并联数=负载日平均用电量(Ah)组件日平均发电量(Ah)充电效率系数组件损耗系数 （4-2）（3）电池组件的串联数=系统工作电压(V)系数1.43组件峰值工作电压(V) （4-3）电池组件方阵总功(W)=组件并联数组件串联数选定组件的峰值输出功率(W)其中负载日平均耗电量=负载功率每天工作小时数每天工作电压，实际中=光源功率工作时间80%带入数据计算P=40W8h1.434.04

59、h0.850.85=457.6Wh2.91h=157.25W选用90W/12V太阳电池组件，其主要参数峰值电压17.2V电池组件并联数=40W8h80%90W8h0.90.9=400Wh90W8h0.90.9=0.6859串联数=12V1.4317.2V=0.9976根据以上计算数据，采用就高不就低的原则，确定电池组件并联数1块，串联数2块。共需要90W电池组件2块构成电池方阵，连接示意图如图4-2所示。该电池方阵总功率=1290=180W。图4-2 太阳能电池方阵串并联示意图4.2.2 蓄电池和蓄电池组的设计与计算蓄电池容量=负载日平均用电量(Ah)连续阴雨天数放电率修正系数最大放电深度低温

60、修正系数 （4-4） 蓄电池并联数=蓄电池总容量蓄电池标称容量 （4-5） 蓄电池串联数=系统工作电压蓄电池标称电压 （4-6）但是在实际中，要尽量选择大容量的蓄电池以减少并联的数目。这样做的目的是尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响。所以我们选择常用的简单计算公式。蓄电池容量=用电器功率用电时间连续阴雨天数系统安全系数系统电压系统安全系数主要是因为蓄电池放电深度（剩余电量）、冬天时蓄电池放电容量减少、逆变器转换效率等因素所加的系数，计算时可根据需要在1.62之间选取。带入数据计算蓄电池容量B=40W8h3212V=160Ah此太阳能路灯系统虽然没有交流逆变过程的损耗，但因为当地在冬季时最低温度可达到-10左右，冬季时会造成蓄电池容量减小，再加上郑州环境污染的因素，系统安全系数也取了最高值2，考虑选用一只12V/160Ah蓄电池。太阳能LE