太陽能霓虹燈(完正).doc

目 錄目 錄0摘要1關(guān)鍵詞：1緒論2一 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)3二. 太陽能系統(tǒng)設(shè)計42.1 太陽能電池板42.2 蓄電池52.3太陽能控制器62.3.1 蓄電池充電控制基本原理72.3.2 蓄電池放電控制基本原理82.4 蓄電池選型92.4.1蓄電池容量的計算92.4.2 蓄電池容量的選型102.5 太陽能電池板的選用112.6 霓虹燈的選擇122.7 傾角設(shè)計13三 硬件電路設(shè)計133.1 電源電路133.2 充電控制電路143.3 放電控制電路163.4 霓虹燈控制電路16四 結(jié)束語17參考文獻18、摘要隨著不可再生能源（煤炭、石油等）頻頻告急，且對環(huán)境造成的危害日益突出時，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭 安全、環(huán)保的新能源越來越受重視。太陽能霓虹燈就是靠陽光的能量保證霓虹燈的正常使用，它利用的能源是太陽能，既省電又環(huán)保，安裝時還不需要鋪設(shè)電纜。同時LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發(fā)光效效率高，且可以發(fā)出不同顏色的光。太陽能LED霓虹燈集成了太陽能與LED優(yōu)點。關(guān)鍵詞：蓄電池選型、 太陽能電池選型、 光生伏特效應(yīng)緒論 當代被人類廣泛利用的能源，主要有五大類， 即煤炭、石油、 天然氣、水和核裂變能等。目前世界能源消耗幾乎全靠這五大能源來供應(yīng)，電力只是上述這些能源轉(zhuǎn)化生出來的“二次能源 。世界能源的消耗結(jié)構(gòu)在近20年中發(fā)生了很大變化。 雖然，目前各種新型能源在不斷開發(fā)利用，但主要消耗的能源，還是依靠石油、天然氣和煤這三大能源,其他能源消耗比重還很低，不足以根本改變原有的以石油、天然氣消耗為主體的結(jié)構(gòu)類型。太陽能行業(yè)是21世紀的朝陽行業(yè)，發(fā)展前景十分廣闊，在可再生能源行業(yè)中，太陽能沒有污染、市場空間非常大，太陽能現(xiàn)已經(jīng)在民用領(lǐng)域內(nèi)廣泛應(yīng)用于照明、發(fā)電等方面，太陽能應(yīng)用的研究與開發(fā)越來越受到世界各國的廣泛重視。 太陽能燈作為一種新型節(jié)能燈具，它與傳統(tǒng)燈具相比有節(jié)能、環(huán)保、安全、方便、壽命長等許多優(yōu)點發(fā)展可持續(xù)能源和綠色能源從照明這種小方面入手，可節(jié)約更多的電能，當技術(shù)和市場環(huán)境成熟后可在該領(lǐng)域和其他領(lǐng)域進行廣泛推廣。一 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)太陽能霓虹燈系統(tǒng)的核心部件是太陽能電池組件和霓虹燈及其控制部分。系統(tǒng)框圖如圖l 所示。圖1系統(tǒng)總體框圖太陽能電池充 放 電 主 電 路蓄電池組霓虹燈控制電路霓虹燈負載本系統(tǒng)利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池，白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，霓虹燈控電路的通斷是通過光控傳感器來控制，夜晚霓紅燈工作，蓄電池放電；當黎明太陽光光線變強時霓虹燈停止工作，蓄電池放電結(jié)束。二. 太陽能系統(tǒng)設(shè)計2.1 太陽能電池板太陽能電池的發(fā)電原理：太陽能電池是一種對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。謂光生伏特效應(yīng)就是半導體吸收光能后在PN結(jié)上產(chǎn)生電動勢。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如單晶硅，多晶硅，非晶硅，曬錮銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，硅系列太陽能光伏電池中，單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換率最高，其壽命也最長?，F(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。P 型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N 型硅，形成P-N 結(jié)。當光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P - N 結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率?？蓪雽w太陽能電池的發(fā)電過程概括成以下四點：首先是收集太陽光和其他光使之照射到太陽能電池表面上。太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出非平衡載流子(光生載流子)電子-空穴對。這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在它們被分離之前不會復合消失.這些電性符號相反的光生載流于在太陽能電池P-N結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子-空穴對被分離，電于集中在一邊，空穴集中在另一邊，在P-N結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動勢，即光生電壓。在大陽能電池P-N結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負載，則在外電路中即有電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能(或其他光能)直接轉(zhuǎn)換成了電能。光生伏打效應(yīng)原理如圖2所示。光子入射（能量hv）光子入射（能量hv）圖2 光生伏打效應(yīng)原理2.2 蓄電池蓄電池組是大陽能電池方陣的儲能裝置,用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。蓄電池在系統(tǒng)中同時起到能量調(diào)節(jié)和平衡負載兩大作用。在常用的蓄電池中，主要有鉛蓄電池、堿性鎳蓄電池和鐵鎳蓄電池。太陽能光伏電源系統(tǒng)對所用蓄電池組的基本要求是：（1）自放電率低;（2）使用壽命長;（3）深放電能力強;（4）充電效率高;（5）少維護或免維護;（6）工作溫度范圍寬;（7）價格低廉。固定式鉛酸蓄電池性能優(yōu)良、質(zhì)量穩(wěn)定、容量較大、價格較低，所以選用鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池原理：下圖為常見的鉛酸蓄電池，內(nèi)部是由多組蓄電池串聯(lián)組成，每組蓄電池的電壓為2V。 鉛酸蓄電池的主要由過氧化鉛（）、鉛（Pb）和電解液（稀硫酸）組成。蓄電池內(nèi)側(cè)的陽極（）及陰極（Pb）浸到電解液（稀硫酸）中，通過化學反應(yīng)，兩極間會產(chǎn)生2V的電壓。其充放電反應(yīng)表示如下：（陽極） （電解液） （陰極）（過氧化鉛） （硫酸） （鉛）（陽極） （電液） （陰極）（硫酸鉛） （水） （硫酸鉛）（充電反應(yīng)）2.3太陽能控制器太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池，由于蓄電池組的循環(huán)充放電次數(shù)及充放電深度是決定蓄電池使用壽命的主要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充電放電控制器是必不可少的設(shè)備，基本功能必須具備過充保護、過放保護、防反接、防反充等保護措施.2.3.1 蓄電池充電控制基本原理如圖3所示的電路是一個最基本的充放電控制器原理，在該電路原理圖中由太陽能電池組件、蓄電池、控制器電路和負載(LED燈)組成了一個基本的大陽能光伏霓虹燈系統(tǒng)。這里的開關(guān)K1、K2 分別為充電開關(guān)和放電關(guān)，它們均屬于控制器電路中的一部分，K1、K2 的開合由控制電路根據(jù)系統(tǒng)充放電狀態(tài)來決定：等蓄電池充滿時斷開充電開關(guān)K l。否則閉合；當蓄電池過放時斷開放電開關(guān)K2。否則閉合，開關(guān)Kl、K2是廣義上的開關(guān)，它可能是各種開關(guān)元件或由電路組成。圖3 太陽能霓虹燈充放電基本原理圖太 陽 光負載（霓虹燈）控制器蓄電池K1K2 太陽能霓虹燈系統(tǒng)中，充放電控制器一般用外圍電路構(gòu)成的充放電控制電路。鉛酸蓄電池充電特性見圖4。由充電曲線可以看出，蓄電池充電過程有三個階段，初期( OA ) 電壓快速上升，中期(ABC)電壓緩慢上升，延續(xù)較長時間，從C點開始進入充電末期，電化學反應(yīng)接近結(jié)束，電壓開始迅速上升，接近D點時，負極析出氫氣，正極析出氧氣，水分被分解。上述所有跡象表明，D點電壓標志著蓄電池已充滿電，應(yīng)立即停止充電，否則將給鉛酸蓄電池帶來損壞。1 3 5 7 9 11 13電壓（v）2.62.42.22.01.8A B C1 3 5 7 9 11 13電壓（v）2.62.42.22.01.8A B C圖 4 鉛蓄電池充電特性時間（b）通過對蓄電池充電特性(圖 4 ) 的分析可知，在蓄電池充電過程中當充電到D點的電壓出現(xiàn)時就標志著該電池已充滿。依據(jù)這一原理，在控制器的軟件中設(shè)置電壓值，通過檢測出D點電壓值，即可判斷蓄電池是否應(yīng)該結(jié)束充電。對于開口式固定型鉛酸蓄電池，標準狀態(tài)(25，O.lC 充電率)下的充電終止(D點)電壓2.5-2.6V，對于閥控密封式鉛酸蓄電池，標準狀態(tài)下的充電終止(D點)電壓約2.3S-2.4V,在控制器里比較設(shè)置的D點電壓稱為“門限電壓”或“電壓閥值”2.3.2 蓄電池放電控制基本原理鉛酸蓄電池放電特性見圖5。由放電曲線可以看出，蓄電池放電過程也有三階段，開始( OE )階段電壓下降較快，中期( EFG )電壓緩慢下降，延續(xù)時間較長，G點后放電電壓急劇下降。G 點電壓標志著蓄電池已經(jīng)接近放電終結(jié)，應(yīng)立即停止放電，否則將給鉛酸蓄電地帶來不可逆轉(zhuǎn)的損壞。1 3 5 7 9 11 13電壓（v）2.62.42.22.01.8E F G圖5 鉛蓄電池放電特性時間（b）通過上述對蓄電池放電特性( 圖 5 )的分析可知，在蓄電池放電過程中當放電到相當于G點的電壓出現(xiàn)時就標志著該電池已放電終了。依據(jù)這一原理，在控制器中設(shè)置電壓測量和電壓比較電路，通過檢測出G點電壓值，即可判斷蓄電池是否應(yīng)結(jié)束放電。對于開口式固定型鉛酸蓄電池，標準狀態(tài)(25，0.1 C 放電率)下的放電終了( G點)電壓約1.75-1.8V。對于閥控密封式鉛酸蓄電池，標準狀態(tài)( 25 ，O.1 C 放電率)下的放電終了(G點)電壓約1.78 - 1.82V。在控制器里比較器設(shè)置的G點電壓稱為“門限電壓”或“電壓閥值”。蓄電池過放電保護措施：控制器防止蓄電池過放電的措施是在達到預(yù)值的過放電電平時，斷開負載。蓄電池防過充、過放保護電壓功能，當蓄電池電壓達到設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)。2.4 蓄電池選型2.4.1蓄電池容量的計算設(shè)計要求: 負載輸入12V功率20W，每天工作是數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)3天。在蓄電池充滿電情況下，可連續(xù)工作3個陰雨天，加上陰雨前一天的晚上，即要求蓄電池可連續(xù)工作4天。蓄電池容量的計算公式如下： 注：A：安全系數(shù)；一般取1.11.4:負載平日平均耗電量；:最長連陰雨天數(shù)；:溫度修正系數(shù)；一般0以上取1，-10以上取1.1，-10一下取1.2。:蓄電池放電深度；鉛蓄電池取0.75。 選擇固定式鉛酸蓄電池： A 為1.1 為4天 取1.1 為0.752.4.2 蓄電池容量的選型蓄電池的型號必須適當。首先在能夠滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時也造成浪費。綜合考慮，應(yīng)該選擇12V/100AH的蓄電池，最大充電電流為10A，應(yīng)該選擇10小時率充放電的蓄電池，才能使蓄電池更好的工作，以延長蓄電池的使用壽命。2.5 太陽能電池板的選用太陽能電池是利用硅等半導體的光伏效應(yīng)通過p-n結(jié)構(gòu)直接把太陽光轉(zhuǎn)化為電能，由于太陽電池本身易破碎、易被腐蝕，若直接暴露在大氣中，光電轉(zhuǎn)化效應(yīng)會由于潮濕、灰塵、酸雨等影響而下降，以至損壞失效。因此，太陽電池板都必須通過膠封、層壓等方式封裝成平板式構(gòu)造再投入使用。其中以層壓封裝的方法最為常用。太陽能發(fā)電功率量值取決于負載24h所能消耗的電力，同時大陽能電池板的溫度也會影響電池輸出的功率。當溫度上升時，會造成太陽能電池輸出功率的減少，因此工作環(huán)境的溫度將會直接影響到太陽能電池的效率.本系統(tǒng)設(shè)計如下所述：能量計算公式：太陽能電池組件選型 設(shè)計要求：南京地區(qū)，負載輸入12V功率20W，每天工作是數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)3天，連陰雨過后，分7天將蓄電池電量充足。（1） 南京地區(qū)經(jīng),簡單計算南京地區(qū)峰值日照時數(shù)約為3.947h；（2） 負載日耗電量= 208.5=170 WH（3） 連續(xù)4天工作的耗電量=（4） 連陰雨過后每天需要對蓄電池沖的電量為（5） 所需太陽能組件大小=267.143.9471.6=108.29 W 667.863.9472.0=135.36 W選擇功率在108.29W-135.36W之間的組件，來提高霓虹燈的可靠性。暫定組件選擇120W。2.6 霓虹燈的選擇 圖 6 發(fā)光二極管ba負載（霓虹燈）的光源選擇LED燈如上圖。發(fā)光二極管(LightEmitting Diode，LED)是一種直接把電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光器件。LED的結(jié)構(gòu)主要有PN結(jié)芯片、電極和光學系統(tǒng)。發(fā)光是一種能量轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，當系統(tǒng)受到外界激發(fā)后。會從穩(wěn)定的低能態(tài)躍遷到不穩(wěn)定的高能態(tài)；當系統(tǒng)由不穩(wěn)定的高能態(tài)重新回到穩(wěn)定的低能態(tài)時，如果多余的能量以光的形式輻射出來。就會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。LED燈可發(fā)出人眼可見的紅、橙、黃、綠、藍等顏色的可見光及近紅外的不可見光。LED實際上是一個半導體的PN結(jié)。其基本的工作原理是一個電光轉(zhuǎn)換過程，圖6（b） 是典型LED的基本構(gòu)造圖。它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內(nèi)部芯線的作用。所以LED的抗震性能好。2.7 傾角設(shè)計因為春夏秋冬太陽的位置是不一樣的，這樣是為了全年均衡，使全年能獲得最大的照射量，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。依據(jù)本次設(shè)計參考相關(guān)文獻中的資料得，南京緯度是32.00，選定太陽能電池組件支架傾角為32度左右。三 硬件電路設(shè)計3.1 電源電路電源直接從組電池取電，經(jīng)過7805 穩(wěn)壓后，所用的芯片提供5V的工作電壓，其電路如圖 7 所示。圖 7 電源電路3.2 充電控制電路 充電控制電路的要求：1. 當蓄電池電量不足是，能對蓄電池就有高效率的充電能力;2. 過充控制;3.過放電控制;4.反沖電控制過充控制，就是在蓄電池的端電壓達到一定值時，處于過充狀態(tài)時斷開充電電路，以免影響蓄電池的壽命。充電控制電路由圖8所示，在電路中D1是為了防止蓄電池對大陽能電池反向充電，防止反充電功能，一般來說，就是在太陽能電池回路中串聯(lián)一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管選用肖特基二極管，保護太陽能電池和蓄電池不被損壞。發(fā)光管為充電指示。充電控制原理如圖8。圖8 充電控制電路 防反充電路等效圖如圖9，可看出當開關(guān)通時，太陽能電池板和蓄電池構(gòu)成回路，太陽能電池對蓄電池充電；當開關(guān)斷開時，太陽能電池板與蓄電池斷路，停止對蓄電池供電。圖9防反充電路等效圖3.3 放電控制電路天黑后，蓄電池給負載供電，此時，要接通蓄電池和負載之間的開