《毕业设计（论文）-太阳能灯控制器检测系统电气控制的研究.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）-太阳能灯控制器检测系统电气控制的研究.doc（45页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、太阳能灯控制器检测系统电气控制的研究摘 要无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。本设计的主体思想是建立一个系统。其中主要由太阳能路灯、控制器、蓄电池、负载、数据采集器、显示器、检测仪器等组成。目的是能同时检测30路太阳能路灯控制器，能检测单个控制器功率为500W，电压为12DVC/24VDC，能检测半功率、时控、光控、控制
2、器的功率、效率、充电、放电电流、空载功耗，能够即时记录测量数据，通过分析计算得出个部分的状态。避免了以前分别对各个控制器进行检测的繁杂，耗费人力，浪费时间，提高了工作效率，降低了劳动成本。本系统的优势是可以全面完整的检测控制器的所有工作状态，并且可以同时对30个太阳能路灯控制器进行检测，这样就为相关部门带来了很大的方便，降低了出产产品的错误率，帮助研发部门提高了产品的先进性。也为整个太阳能广伏系统提供了全面的老化级环境实验，同时也为实验产品提供了终试。关键词 太阳能路灯，控制器，蓄电池，数据采集器，检测AbstractNo matter the size of solar lighting,
3、a good charge-discharge controller is essential. In order to extend the life of the battery must be recharged to its restrictions on the discharge conditions to prevent the depth of battery charging and charge-off. Place in a larger temperature difference, the controller should have qualified temper
4、ature compensation function. At the same time, the controller should be a combination of solar street lighting control, with light control, time control function, and should have the night-time load control function of automatic segmentation for rainy days streetlights working hours. The design of t
5、he main idea is to build a system. Mainly by solar street lamp, controller, battery, load, data acquisition, and display components, such as testing instruments. At the same time, the purpose of detection of 30 routes to solar energy street lamp controller, the controller can detect a single power o
6、f 500W, voltage 12DVC/24VDC, can detect a half power, when the control, light control, controller power, efficiency, charge, discharge current, No-load power consumption, instant record of measurement data can be, calculated by analyzing the parts of the state. To avoid the former controller, respec
7、tively, for detection of all the complexity, cost of manpower, waste of time, increased efficiency, reduced labor costs. The advantages of the system can detect the full integrity of the state of all controllers, and can at the same time controller 30 to detect solar street lamps so that the relevan
8、t departments for the convenience of a lot to reduce the error rate produced products to help R & D department to improve the nature of the product. Also for the entire solar system wide V provides a comprehensive environment for the aging-class experiments, but also the end of the experiment provid
9、ed a test product.Key words solar street lighting, controls, batteries, data acquisition devices, testing目 录摘 要IAbstractII1引 言11.1推广太阳能路灯的意义11.2设计思想22设计要求及组件介绍32.1 设计要求与功能32.2 太阳能路灯系统的设计需要考虑的因素32.3太阳能路灯32.3.1 太阳能路灯32.3.2 太阳能电池的原理42.4 太阳能路灯控制器42.4.1 控制器的种类及充断开电压标准42.4.2 控制器的功能及特性52.5 蓄电池的选用维护及影响因素72.
10、6 数据采集器93系统组成103.1 系统基本组成简介103.2 工作原理介绍103.2.1 工作原理103.2.2 单路系统设计框图134系统设计思路154.1 太阳能电池组件及选型154.2 蓄电池选型164.3控制器164.4负载的选用175控制部分方案论证及设计185.1 方案一185.1.1 控制电路原理及调试185.2 方案二205.3 方案确立216 方案的实施226.1设计原则226.2设计方法226.3设计依据246.3.1 主要指标246.3.2 计算的参数结果246.4 技术经济比较计算266.5 测量仪器的选用及标准286.5.1电流表的选用检验标准286.5.2电压表
11、的选用检验标准296.5.3 数据采集器测量电流示意图296.5.4 数据采集器测量电压示意图307控制部分的设计317.1 控制系统图317.2 STC12C5410AD单片机317.3 蓄电池电压采集327.4 电路保护检测系统的设计327.4.1 充电保护电路327.4.2恒流保护电路337.5 负载输出控制与检测337.6硬件设计34结 论36致 谢37参考文献38附 录39A 1.139A 1.240-41-1引 言1.1 推广太阳能路灯的意义中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。目前，我国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳
12、能光伏电池生产国。我国比较成熟太阳能产品有两项：太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。2008年的奥运会，北京将成为我国在太阳能应用方面的最大展示窗口，“新奥运”将充分体现“环保奥运、节能奥运”的新概念，计划奥运会场馆周围80至90的路灯将利用太阳能光伏发电技术；采用全玻璃真空太阳能集热技术，供应奥运会90的洗浴热水。届时在整个奥运会期间，我们将看到太阳能路灯、太阳能电话，太阳能手机、太阳能无冲洗卫生间等等以一系列太阳能技术的应用。我们的生活将充满阳光！针对目前太阳能路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，本论文提出了采用蓄电池剩余容量
13、（SOC）控制法的最新思路，设计了具有自适应功能的新型太阳能路灯控制器，从而使蓄电池不会发生过放电的现象，延长了蓄电池的使用寿命，提高了太阳能路灯系统运行可靠性。 本文首先分析研究了蓄电池的结构与基本工作原理,并对蓄电池充、放电过程的运行特性、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也作了详细的分析和研究。其次，建立了蓄电池的充电和放电数学模型，提出了蓄电池剩余容量控制法。 最后采用蓄电池剩余容量控制法设计了新型太阳能路灯控制器，给出了具体的软硬件设计方案及实现过程，经实验测试和正常运行后，达到了预期的效果，得出结论此方法可行具备一定的理论意义和现实价值。以普通照明路灯一盏投入费用
14、需要5000元来比较，一盏太阳能路灯的费用(配置：110Wh太阳能电池板、路灯电器、100Ah/24V储能电池等)目前在70008000元，随着太阳能产业的规模化，成本费用还会下降。以10000盏路灯计算，正常的路灯费用在5000万元6000万元，如果推广应用太阳能路灯，费用为7000万元8000万元，只增加了2000万元左右。但它可以拉动新材料、钢材、有色金属和机械加工、电力电子、电源电器、环保储能蓄电池、工程建设等行业数亿元的经济；如果将太阳能技术由路灯推广后再辐射到更宽的领域，其经济价值更是不可估量。而且，更重要的是通过简单易行的太阳能路灯的推广，为地区新能源产业起步开了好头，使在太阳能
15、应用技术方面有了较为雄厚的实力和成熟的技术基础；谁先推动，谁就可以站在全国新能源产业技术的前列，可以向国内乃至国际开拓我们的市场。推广太阳能路灯的经济技术可操作性1、与普通路灯比较，太阳能路灯的成本提高有限。就目前的市场价格比较，太阳能路灯的综合费用虽然高于普通市电路灯50%，但其综合效应的优越性却是比较明显的。太阳能电池板可以使用25年，而在25年中，所获取的太阳能电能是免费的，不需要增加额外的电费负担了。2、太阳能光伏技术已日趋成熟近些年来，随着光伏技术的深入研发，光伏技术越来越成熟，光伏控制的稳定性、可靠性不成问题；光伏转换效率也有了很大进展，先进的光伏效率转换已经达到25%以上，光伏效
16、率转换的实用性已经完全得到解决。3、太阳能路灯的维护相对简便太阳能路灯没有电网变电等大型设备的投资，在管理到位条件下，路灯之间也不需要敷设漫长的电路管线，可以节省很大一部分费用。太阳能电池板架设在路灯杆上，安装操作均简便；还可以避免因电网系统故障造成的路灯停电断电问题。路灯维护方面，太阳能路灯的稳定性和可靠性较高，相对维护投入较低。在政府部门的大力推动下，太阳能等新能源应用可以很快形成实体产业。在经济、技术切实可行，产业发展方向正确的条件下，现在发展太阳能等新能源的主要问题就是需要政府推动一下，给予新能源事业发展一个原动力。相信只要地方政府采取一些切实的措施，一些工业城市在太阳能等新能源发展方
17、面很快就能形成规模化的实体产业，成为当地一个新的规模经济增长点。1.2设计思想控制器是专为太阳能供电的直流照明灯设计的，具有纯光控特性，靠光强或延时控制自动启动和关闭光源，即充电控制器通过感光开启光源，进行夜间照明，并延时数小时后自动关闭。控制器实现过充保护、过放保护、光控、时控灯功能。从而实现了太阳能路灯的自动化。本设计的主体思想是建立一个系统。其中主要由太阳能路灯、控制器、蓄电池、负载、数据采集器、显示器、检测仪器等组成。目的是能同时检测30路太阳能路灯控制器，能检测单个控制器功率为500W，电压为12DVC/24VDC，能检测半功率、时控、光控、控制器的功率、效率、充电、放电电流、空载功
18、耗，能够即时记录测量数据，通过分析计算得出个部分的状态。避免了以前分别对各个控制器进行检测的繁杂，耗费人力，浪费时间，提高了工作效率，降低了劳动成本。本系统的优势是可以全面完整的检测控制器的所有工作状态，并且可以同时对30个太阳能路灯控制器进行检测，这样就为相关部门带来了很大的方便，降低了出产产品的错误率，帮助研发部门提高了产品的先进性。也为整个太阳能广伏系统提供了全面的老化级环境实验，同时也为实验产品提供了终试。相信将来随着太阳能路灯的广泛应用，太阳能路灯控制器的检测工装设计这一课题将会受到更多相关人士的关注并得到更大的发展空间，以不断完善研究成果。2 设计要求及组件介绍2.1 设计要求与功
19、能（1）要求能够同时检测30路太阳能路灯控制器，系统电路原理图。（2）能检测单个控制器功率为500W，电压12VDC/24VDC。（3）能实施半功率、时控、光控检测。（4）能检测控制器的功率，效率，充电、放电电流、空载功耗。（5）测量精度不大于0.5%。（6）能够时时记录测量数据，并能够进行分析。2.2 太阳能路灯系统的设计需要考虑的因素1、 该地日光辐射情况如何？2、 系统的负载功率多大？3、 系统的输出电压是多少，直流还是交流？4、 系统每天需要工作多少小时？5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？6、 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？7、 系统需求
20、的数量。2.3太阳能路灯2.3.1 太阳能路灯太阳能灯具是一种利用太阳能作为能源的灯具，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。太阳能灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。太阳能路灯的系统由太阳能电池组件、蓄电池组件、只能控制器、高效节能直流灯、灯架、安装材料等组成。系统的工作原理是：在智能控制器的控制下，白天太阳能电池组件向蓄电池组件充电，晚上蓄电
21、池组件提供电力给直流灯负载。直流控制器能够在任何条件下(阳光充足或长期阴雨天)都能确保蓄电池组件不因过充或过放而被损坏，同时具备光控、时控、声控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。本控制器采用先进的无触点控制技术，具有先进的光控功能，晚上自动点亮，白天关灯，也可以定时关灯，而且具有夜间自动切换成负载的功能，特别适合路灯和光伏电源控制，并且具有多种保护功能。控制器负责监视电池组件的充电状态，管理充电过程包括负载的开与关，是电池组件能量充分利用，并延长使用寿命。在温度作用下，充电过程的发生根据IV曲线的特点。保护措施：电池组，限制充电电压防止过充，关闭负载防止过放；控制器：防止电流过大、温度过高；
22、控制器可以自动开/关负载或组件。负载：在过电压的情况下，关闭负载；系统电压的自动检测(12V/24V)。LED指示灯会显示工作过程中的所有重要情况。2.3.2 太阳能电池的原理太阳光照在半导体P-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。2.4 太阳能路灯控制器在太阳能光伏电源系统中，控制器在太阳能光伏电源系统中起自动防止太阳能光伏电源系统的贮能蓄电池组过充电和过放电，以及承受逆变器和其他设备内部短路保护的作用。2.4.1 控制器的种类及充断开电压标准控制器可氛围充满断开(HVD)和恢
23、复功能型(即开关型控制器)和买块调制型控制器两种：(1)开关型控制器具有输入充满断开和恢复连接的功能。对于接通/断开式控制器，设计标准值为12V的蓄电池，其充满断开和恢复连接的电压参考值如下：起动型铅酸蓄电池：充满断开HVD：15.015.2V，恢复13.7V。固定型铅酸蓄电池：充满断开HVD：14.815.0V，恢复13.5V。密封型铅酸蓄电池：充满断开HVD：14.114.5V，恢复13.2V。将直流电源接到蓄电池的输入端子上，模拟蓄电池的电压。用电压表检测直流电源的电压，调节直流电源的电压使其打到充满断开HVD点(V1-2)，控制器应当能断开充电回路；降低电压到恢复充电点，控制器应能重新
24、接通充电回路。(2)脉宽调制型控制器与开关型控制器的主要差别在充电回路没有特定的恢复点，对于标准值为12V的蓄电池，其充满电压的参考值如下：起动型铅酸蓄电池：充满断开HVD：15.015.2V。固定型铅酸蓄电池：充满断开HVD：14.815.0V。密封型铅酸蓄电池：充满断开HVD：14.114.5V。用直流稳压电源代替太阳能电池方针通过控制器给蓄电池充电。当蓄电池电压接近充满点时，充电电流逐渐变小；当蓄电池电压道道充满点时，充电电流应接近于0。当蓄电池电压由充满点向下降时，充电电流应当逐渐增大。2.4.2 控制器的功能及特性(1)温度补偿功能。考虑环境及电池的工作温度特性，控制器应具备温度补偿
25、功能。由于电池在充电过程中，再化合反应产生大量热不易散出，就会导致电池温升过高，电解液干涸，造成电池的热时控。温度补偿功能主要是在不同的工作环境温度下，能够对蓄电池设置更为合理的充电电压，防止过充电状态而造成电池充放电容量过早下降甚至过早报废。(2)欠压断开(LVD)和恢复功能。当蓄电池的电压降到过放点(1.800.5)V/只时控制器应能自动切断负载；当蓄电池电压回升到充电恢复点(2.22.5)V/只时，控制器应能自动或手动恢复对负载的供电。图2.1 欠压断开（LVD）和恢复功能测试 (3)空载损耗(静态电流)。断开PV输入和负载输出，直流电源在控制器的蓄电池输入端，当发光二极管(LED)不工
26、作时，用电流表测量控制器的输入电流，其值应不超过其额定充电电流的1。图2.2 空载损耗测试(4)控制器充放点回路压降调节控制器充电回路电流至额定值，用电压表测量控制器充电回路的电压降，其值应不超过系统额定电压的5。调节控制器放电回路电流至额定值，用电压表测量控制器放电回路的电压降，其值应不超过系统额定电压的5。(5)耐振动性在频率为10Hz55Hz、振幅为0.35mm、三轴向各振动30min后，通电检查设备应能正常工作。(6)保护功能负载短路保护。检查控制器的输出回路是否有短路保护电路。控制器应能够承受任何负载短路的电路保护。内部短路保护。检查控制器的输入回路是否有短路保护电路。控制器应能够承
27、受内部短路的电路保护。反向放电保护。将电流表加在太阳能电池组件的正、负端子之间(相当于将太阳能电池组件端短路)，调节接在蓄电池输入端的直流稳压电源电压，检查有无电流通过。如果没有电流，说明反向放电保护正常。极性反接保护。将控制器的的输入端的正负极反接到直流稳压的电源的输出端，检查控制器或直流稳压电源是否损坏。如果没有损坏，说明极性反接保护正常。雷击保护。目测避雷器的类型和额定值是否能确保吸收预期的冲击能量。控制器应能够承受在多雷区由于雷击引起的击穿的电路保护。(7)耐冲击电压电流的功能耐冲击电压，将直流稳压电压加到控制器的太阳能电池输入端，施加1.25倍的标称电压并持续1h后，控制器应不损坏。
28、耐冲击电流，将直流稳压电源接在控制器的太阳能电池充电输入端，可变电阻接在蓄电池端调节可变电阻使充电回路电流达到标称电流的1.25倍并持续1h后，控制器应不损坏。2.5 蓄电池的选用维护及影响因素（1）什么是蓄电池 将电能转化为化学能储存起来，必要时又将化学能转化为电能释放出去的装置称为蓄电池。以金属铅和硫酸为主要材料的蓄电池称为铅酸蓄电池。铅酸蓄电池按其用途可分为：起动用、蓄电池车用、铁路客车用、摩托车用、航标灯用蓄电池等。目前广泛使用的后备电池主要是免维护的全密封铅酸蓄电池，电池密封，无须加水维护。太阳能灯具配备的就是全密封免维护铅酸蓄电池。（2）蓄电池的选用蓄电池的选用原则A：按需选择的原
29、则根据自己的需要,计算出需要的电池容量与数量。B：安全的选择原则出于安全的原则,应该选择有一定品牌的蓄电池厂家,选择有技术力量以及服务好的经销代理商。C：性价比选择的原则根据产品的质量,有的蓄电池寿命只有2年,有的蓄电池寿命长达10年,进行比较选择最适合用户的蓄电池。（3）蓄电池的使用和维护电池密封，一方面带来很多好处，但同时也给观测和维护带来困难。免维护这一名词给使用者带来认识上的误区，导致使用者放松对蓄电池的日常维护和管理。因此，正确使用和维护蓄电池是十分重要的。如果条件允许，使其工作在正常的温度中(1520)保持蓄电池本身的清洁。安装好的蓄电池极柱应涂上凡士林，防止腐蚀极柱。为蓄电池配置
30、在线监测管理技术，对蓄电池进行内阻在线测量与分析，及时发现蓄电池的缺陷，及时进行维护。在冬季应预防蓄电池冻裂，夏季应将蓄电池放于通风阴冷处，避免阳光直晒。（4）影响蓄电池使用寿命的主要影响因素影响蓄电池(主要指免维护的铅酸蓄电池)使用寿命的因素主要有以下几个方面：环境温度：过度放电： 板栅的腐蚀与增长：浮充电状态对蓄电池使用寿命的影响：失水：初充电是否良好，将严重地影响蓄电池的寿命。必须处于满负荷充电状态，不充分充电将会降低电池的寿命。 将不同生产厂商或不同安时的蓄电池联接在一起的做法是不可取的。因为这样会减少蓄电池的使用寿命。（5）蓄电池的充电方式半定电流充电方式(简单方式)此种方式，操作简
31、便，广泛适用于循环使用之电池。充电器由变压器、二极体、电阻组成的，这些元件中产生的阻抗来确保充电电流不过充电。因为它结构简单，所以制造成本较低。以这种方式，在充电过程中，电池电压上升则充电电流会下降。在此有一个问题，当电池在充电最后阶段仍以较大电流充电会造成过充现象，注意避免超出充电时间规定。定电流充电方式此方式，充电时间和充电量很容易计算，但需要一个昂贵的电路来进行精确计算定电流，因此，此方式并不常用。定电压充电方式(定电流、定电压充电方式) 此方式是以定电压来提供电池一定电压的方式。此方式利用与电池不同的电压来对电池充电。充电电流最初很大，逐渐减小至它充电结束。它需要根据蓄电池充电和温度特
32、性来设置充电电压。电压不准确将导致过充电或充电不饱和。大容量充电单位，刚开始会有大电流，这将导致成本的增高。限制初始电流的定电流定电压充电方式广泛应用于循环和浮充使用的蓄电池。 变电压变电流波浪式间歇正负零脉冲快速充电法脉冲电流幅值和PWM信号的频率均固定，PWM占空比可调，在此基础上加入间歇停充阶段，能够在较短的时间内充进更多的电量，提高蓄电池的充电接受能力。（6）参数设置浮充电压参数的设置对蓄电池的寿命具有相当重要的影响，浮充电压产生的电流量应达到补偿自放电及日常负载用电和维持氧循环的需要。不合理的浮充电压主要在两个方面影响电池，即正极板栅腐蚀速率和电池内气体的排放。当电池的浮充电压超过一
33、定值时，板栅腐蚀现象会进一步加剧，电池内的氧气和氢气产生较高气压，通过排气阀排放，从而造成电池失水。正极腐蚀则意味着蓄电池失水，进一步加剧电池劣化、寿命缩短。若将浮充电压值超过一定幅度，增大的浮充电流会产生更多的盈余气体，这样便使氧在负极的复合受阻，从而削弱了氧的循环机能。均衡充电是为了防止某些蓄电池因容量、端压的不一致而进行的补充电。一般做法是将浮充电压提高0.050.07V，但最高不得超过2.35V。由于在均衡充电时气体的产生量比浮充充电时多几十倍，所以充电时间不能太长，以避免盈余气体影响氧的再复合效率，使失水量增加，进而使板栅腐蚀速度增快，损坏电池。对于新电池或状态较好的电池，一般均衡充
34、电时电压应相对较低，而对于使用时间较长或者性能较差的电池，均充电压可适当升高。现在一般12V的灯具系统控制器，过放点电压值设置在10.8V(蓄电池在0.1C的电流下放电到80%DOD0寸的终止电压)，但实际灯具系统中，放电电流一般在0.01C0.02C左右，有的甚至更小，在这种放电情况下，当放电达到终止电压10.8VB寸，蓄电池已经100%放电了，这将严重影响蓄电池寿命。国内外大量的研究结果表明，充放电方式决定了蓄电池使用的寿命，有一些蓄电池与其说是使用坏的，不如说是充电方式不妥而损坏的。2.6 数据采集器设计中要求对30路路灯控制器进行检测，需要采集大量的实验数据，再据此制作成表格通过计算得
35、出检测状态。经过分析决定采用数据采集器来实现。在本设计中采用数据采集器，它将精确的测量能力与灵活的信号连接结合起来，使之用于生产和开发测试系统。仪器后部内置有三个模块插槽，适用于任何数据采集或开关模块的组合。3系统组成3.1 系统基本组成简介 系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱 （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。 控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选
36、用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。 3.2 工作原理介绍 系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。3.2.1 工作原
37、理光 控 单 元计 时 单 元发 光 负 载 1发 光 负 载 2智 能 控 制 器太阳能电池组件 蓄 电 池 组图3.1 工作原理图显示器直流稳压电源开关转换控制面板数据采集器负载蓄电池组太阳能电池阵列。图3.2 整体布局原理图图3.3 采集部分原理框图3.2.2 单路系统设计框图在单路系统中用22块80W的太阳能电池为系统提供电能，用12块2V/2000AH的蓄电池为系统储能供电。用控制器来控制电池的充放电和系统光控，时控和系统半功率工作状态。用数据采集器来采集各部分电气参数，在显示器上显示出来，通过计算从而实现检测功能。直流可调稳压电源可以根据需要调节系统的工作电压。在完整的30路控制器
38、检测系统中，需要太阳能电池的数量是1100块，组成太阳能电池阵列。600块蓄电池，30路负载，检测工作远离与单路相同，即通过对负载，太阳能电池，蓄电池，各部分电气参数的采集经计算得出的结果来判断控制器的状态。蓄电池组直流稳压电源显示器30路控制器数据采集器30路负载图3.4 整个系统设计框图4系统设计思路太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。下面将以香港真明丽集团有限公司的这款太阳能LED大功率路灯为例，分几个方面做分析。 4.1 太阳能电池组件及选型太阳能电池组件的性能测试。由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐射照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的
39、温度，因此太阳能电池组件的测量须在标准条件下(STC)进行，测量条件被“欧洲委员会”定义为101标准。其条件是：光谱辐射照度 1000W/m2光谱条件 AM1.5电池温度 25C在这种条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被车归纳为峰值功率，其单位为峰瓦(WP)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟器测定，并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。太阳能电池组件的电气特性。电气特性主要是指电流电压特性，也成为IV曲线，如图所示。IV曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐射照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路，即V0，此时的电流成为短路电流ISC；如果电
40、路开路，即I=0，此时的电压成为开路电压VOC。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P=VI。当太阳能电池组件的电压上升时，例如，通过增加负载的电阻值和组件的电压从0(短路条件下)开始增加时，组件的输出功率亦从0开始增加，当电压达到一定值时，功率可以达到最大。而当电阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压VOC。组件输出功率达到最大值的点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm(又称为最大工作电压)；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im(又称为最大工作电流)；该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电
41、压减少，大约温度没升高1C，每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为-0.4/C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1C，则最大功率减少0.4。太阳能电池组件的可靠性和使用寿命。主要是依据野外测试和过去所执行的加速测试之间的关联度，并基于理论分析和参照其他电子测量技术以及国际电工技术委员会(IEC)的测试标准而设计的。在IEC规范的503条中描述了一整套可靠性的测试方法。这一规定范围包含如下测试内容：UV照明测试，高温暴露测试，高温高湿测试，框架扭曲度测试，机械强度测试，冰雹测试，温度循环测试等。对于太阳能电池发电系统中的太阳能组件来说，它的期望使用寿命至少是20年。设计要
42、求：本地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。 （1）本地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2，经简单计算广州地区峰值日照时数约为3.424h； （2）负载日耗电量 = = 12.2AH （3）所需太阳能组件的总充电电流= 1.0512.2（3.4240.85）=5.9A 在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。 （4）太阳能组件的最少总功率数 = 17.25.9 = 102W 选用峰值输出功率110Wp、单块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大
43、多数情况下的正常运行。 4.2 蓄电池选型蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。 根据上面的计算知道，负载日耗电量12.2AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量： 12.2（7+1） = 97.6 （AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。4.3控制器太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。 蓄电池防过充、过放保护电压一般参数如表1，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。 在选用器件上，目前有采用单片机的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根
44、据客户群的需求特点选定相应的方案。 4.4负载的选用负载是系统里的耗电器件的主要部分。负载可分为电感性负载和电阻性负载。在太阳能广伏系统中主要的负载是太阳能路灯。对于负载的估算，是独立光伏发电系统设计和定价的关键因素之一。通常列出所有负载的名称、功率要求、额定工作电压和每天用电时间。对于交流和直流负载都要同样列出，功率因数在交流功率计算中可不必考虑。然后，将负载分类并按工作电压分组，计算每一组的总的功率要求。接着，选定系统工作电压，计算整个系统在这一电压下所要求的平均安培小时(Ah)数，也就是算出所有负载的每天平均耗电量之和。关于系统工作电压的选择，经常是选最大功率负载所要求的电压。在以交流负
45、载为主的系统中，直流系统电压应当考虑与选用的逆变器输入电压相适应。通常，在中国独立运行的太阳能光伏发电系统，其交流负载工作在220V，直流负载工作在12V或12V的倍数，即24V或48V等。从理论上说，负载的确定是直截了当的，而实际上负载的要求却往往并不确定。例如，家用电器所要求的功率可从制造厂商的资料上得知，但对它们的工作时间却并不知道，每天、每周和每月的使用时间很可能估算过高，其累计的效果会导致光伏发电系统的设计容量和造价上升。所以负载的实地调查和统计是一项非常重要的工作。实际上，某些较大功率的负载可安排不痛的时间内使用。在严格的设计中，必须掌握独立光伏发电系统的负载特性，即每天24h中不
46、同时间的负载功率，特别是对于集中的供电系统，了解用电规律后即可适时地加以控制。通常，中国独立运行的太阳能光伏发电系统，其交流负载工作在220V，直流负载工作在12V或12V的倍数，即24V或48V等。在本设计汇总负载功率为500W，在这里比较三种负载分别为LED太阳能路灯，压直流纳米路灯和白炽灯。1.LED太阳能路灯，无污染，无紫外线，无热辐射。照明系数高，使用直流低压，但LED光源功率对比纳米陶瓷灯功率小。2.高压直流纳米陶瓷路灯照明效率较高，使用寿命长，工作电压为直流低压。实际功率能达到250+200(W)接近设计要求。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。4.白炽灯照明效率低，使用寿命短，工作电压为220V。因为本系统最大工作电压是24V，负载是500W。故综合以上资料初步比较决定选用高压直流纳米陶瓷路灯作为设计中的负载。5控制部分方案论证及设计5.1 方案一5.1.1 控制电路原理及调试电路原理见图 1 所示。该电路由以U5为核心组成的蓄电池过充电控制电路