太陽能路燈照明系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文PAGE21目錄TOC\o"1-3"\h\u228401緒論 3120171.1我國太陽能的資源狀況 3169361.2國家政策 4139681.3太陽能路燈與普通路燈的比較 6198741.4太陽能路燈的發(fā)展前景 7287352設(shè)計思想 8171152.1設(shè)計思路及原則 814972.2設(shè)計要求 835473太陽能路燈照明系統(tǒng)介紹 9160203.1太陽能路燈照明系統(tǒng)基本組成 9243493.2太陽能路燈照明系統(tǒng)工作原理介紹 944554各部件的組成及工作原理 11266114.1太陽能電池的組成及工作原理 11202724.1.1太陽能電池的分類 11207444.1.2硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu) 11318114.1.3太陽能電池組件 1487004.1.4太陽能電池組件結(jié)構(gòu) 17198494.2蓄電池的結(jié)構(gòu)及原理 19317204.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 2020834.3控制器的基本工作原理 20240904.3.1蓄電池充電 21271854.3.2蓄電池給LED供電 22251284.4LED光源 234862530W太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計 24117735.1太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計所在地位置 26116275.4太陽能電池組件的選擇 27294545.4.1太陽電池組件的基本要求 27304125.4.2單晶硅太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù) 28195315.5蓄電池的選型 31198635.5.1閥控式密封免維護鉛酸蓄電池 3162845.5.2蓄電池結(jié)構(gòu) 3137275.5.3電池性能 3275705.6系統(tǒng)硬件設(shè)計 34318305.6.1電源電路 34245255.6.2太陽能電池板組件 3432165.6.3照明負載 35157465.6.4蓄電池和太陽能板的選用 3738235.6.5顯示電路 3941105.6.6過充、過放控制電路 3915155.6.7DS1302的結(jié)構(gòu)及工作原理 41277375.6.8存儲器AT24C02簡介 4215225.7光源的設(shè)計及選擇 4691355.7.1使用LED作為照明的理由 46223495.7.2所選用的LED路燈特點 46288305.7.3產(chǎn)品參數(shù) 47224105.8太陽能電池最佳傾角的設(shè)計 48181735.9LED路燈工程設(shè)計 48166585.9.1LED路燈道路照明設(shè)計 4893365.9.2單臂燈的工程安裝步驟 50175395.9.3太陽能路燈的安裝和施工 5120736系統(tǒng)軟件設(shè)計 532788結(jié)論 5612238致謝 5714176參考文獻 58803附錄1總體電路圖 59

1緒論1.1我國太陽能的資源狀況全球性的能源短缺和環(huán)境污染在經(jīng)濟高速發(fā)展的中國表現(xiàn)得尤為突出，節(jié)能和環(huán)保是中國實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展急需解決的問題。每年照明消耗電能約占全部電能消耗的12%～15%，作為能源消耗的大戶，必須盡快尋找可以替代傳統(tǒng)光源的新一代節(jié)能環(huán)保光源。我國各地區(qū)太陽能資源情況見表1-1。隨著世界能源危機的加劇，各國都在尋求解決能源危機的辦法，一條道路是尋求新能源和可再生能源的利用；另一條是尋求新的節(jié)能技術(shù)，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽能作為一種巨量可再生能源，每天達到地球表面的輻射能大約等于2.5億萬桶石油，可以說是取之不盡、用之不竭。太陽能作為一種安全、環(huán)保新能源越來越受重視。同時，隨著太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和進步，太陽能燈具產(chǎn)品在環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，太陽能路燈、庭院燈、草坪燈等方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模，太陽能發(fā)電在路燈照明領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。

表1-1我國各地區(qū)太陽能資源情況類型地區(qū)年日照時數(shù)/h年總輻射總量/（kcal/cm2·a）1西藏西部、新疆東南部、青海西部、甘肅西部2800～3300160～2002西藏東南部、新疆南部、青海東部、寧夏南部、甘肅中部、內(nèi)蒙古、山西北部、河北西北部3000～3200140～1603新疆北部、甘肅東南部、山西南部、山西北部、河北東南部、山東、河南、吉林、遼寧、云南、廣東南部、福建南部、江蘇北部、安徽北部2200～3000120～1404湖南、廣西、江西、浙江、湖北、福建北部、廣西北部、山西南部、江蘇南部、安徽南部、黑龍江1400～2200100～1201.2國家政策中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步于20世紀70年代，經(jīng)過30多年的努力，迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”和“送電到鄉(xiāng)”等國家項目及世界光伏發(fā)電市場的有力拉動下，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。到2007年年底，全國光伏發(fā)電系統(tǒng)的累計裝機容量達到10萬千瓦，2008年太陽能電池的產(chǎn)量達到了200萬千瓦。2008下半年以來，金融風暴危及到中國，光伏發(fā)電企業(yè)深受影響：訂單減少，多晶硅的價格下降。這次金融危機的影響是深遠的，但太陽能以其獨特的優(yōu)勢，決定了它的發(fā)展趨勢并沒有也不可能改變。此次金融危機，對正處于行業(yè)洗牌階段的太陽能產(chǎn)業(yè)來說，并不一定是件壞事，反而對促進產(chǎn)業(yè)的快速升級具有現(xiàn)實意義。另外中央實行的一些措施都著眼于拉動內(nèi)需、拉動農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、拉動中小企業(yè)發(fā)展，對太陽能熱利用行業(yè)發(fā)展非常有益。

在金融危機形勢下，2009年3月中國出臺了“太陽能屋頂計劃”，2009年7月21日財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合宣布在我國正式啟動“金太陽”示范工程。這些政策將推動國內(nèi)太陽能發(fā)電市場的發(fā)展，在我國政府強有力的政策引導下如表1-2，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)不僅讓國內(nèi)企業(yè)看到了機遇，而且已經(jīng)吸引了世界的目光。

中國科學院黨組已正式批準啟動實施太陽能行動計劃，該計劃以2050年前后太陽能作為重要能源為遠景目標，并確定了2015年分布式利用、2025年替代利用、2035年規(guī)模利用三個階段目標，太陽能產(chǎn)業(yè)在中國市場發(fā)展前景廣闊。

表1-2相關(guān)政策文件編號內(nèi)容職能部門/時間國發(fā)［2006］28號國務(wù)院關(guān)于加強節(jié)能工作的決定2006-8-6國發(fā)［2008］23號國務(wù)院關(guān)于進一步加強節(jié)油節(jié)電工作的通知國務(wù)院2008-8-1財建［2009］213號關(guān)于開展“節(jié)能產(chǎn)品惠民工程”的通知，高效節(jié)能產(chǎn)品推廣財政補助資金管理暫行辦法財務(wù)部國家發(fā)改委2009-5-18新稅法財政部稅務(wù)總局關(guān)于節(jié)能減稅收政策財務(wù)部稅務(wù)總局無論是現(xiàn)在還是將來，太陽能都擁有廣闊的市場前景。潛力無限的太陽能是一種清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源。1.3太陽能路燈與普通路燈的比較普通照明路燈安裝復雜：普通路燈工程中有復雜的作業(yè)程序，首先要鋪設(shè)電纜，這里就需要進行電纜溝的開挖、鋪設(shè)暗管、管內(nèi)穿線、回填等大量基礎(chǔ)工程。然后進行長時間的安裝調(diào)試，如任何一條線路有問題，則要大面積返工。而且地勢和線路要求復雜、人工和輔助材料成本高昂。太陽能路燈安裝簡便：太陽能路燈安裝時，不用鋪設(shè)復雜的線路，只要做一個水泥基座，然后用不銹鋼螺絲固定就可。普通路燈電費高昂：普通路燈工作中需要支付固定高昂的電費，并且需要長期不間斷對線路和其它配置進行維護或更換，維護成本逐年遞增。太陽能路燈具免電費：太陽能路燈是一次性投入，無任何維護成本，長期受益。普通路燈存在安全隱患：普通路燈在施工質(zhì)量、景觀工程的改造、材料老化、供電不正常、水電氣管道的沖突等方面都會帶來諸多安全隱患。太陽能路燈沒有安全隱患：太陽能路燈是超低壓產(chǎn)品，運行安全可靠。太陽能路燈的其它優(yōu)勢：綠色環(huán)保。綜上對比所述，太陽能路燈具有安全無隱患、節(jié)能無消耗、綠色環(huán)保、安裝簡便、自動控制免維護等特性。1.4太陽能路燈的發(fā)展前景目前，太陽能LED照明的最初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環(huán)保節(jié)能相比，常規(guī)化石能源日趨緊張，并且使用后對環(huán)境會造成了日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現(xiàn)給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。

2設(shè)計思想2.1設(shè)計思路及原則設(shè)計思路：太陽能路燈的設(shè)計與一般的太陽能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環(huán)節(jié)更多。首先是根據(jù)用電負載（LED光源）的用電量，確定太陽能組件的功率，然后確定蓄電池的容量，再進行電氣設(shè)計、光源設(shè)計和設(shè)備選型，最后進行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，設(shè)計中要確保太陽能LED路燈運行的穩(wěn)定性和可靠性。設(shè)計的原則：對于照明系統(tǒng)設(shè)計一般我們需要考慮以下幾個問題：（1）從功能上,道路照明系統(tǒng)的主要功能是保證交通安全，提高交通運輸效率、保障人身安全、提供舒適環(huán)境、提升工廠形象。（2）在滿足道路照明各項功能需要的基礎(chǔ)上，提高道路照明系統(tǒng)的能效，降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源，減少污染，以達到節(jié)能和環(huán)保的目的。（3）另外還要結(jié)合當?shù)氐墓赓Y源情況。2.2設(shè)計要求（1）電池板功率的計算和選用；（2）蓄電池容量、充放電控制和充放電狀態(tài)顯示；（3）連續(xù)陰雨天三天路燈仍能照明；(4）光線暗時路燈自動點亮，為節(jié)省電能晚上24點熄滅，早上5點路燈點亮，早上光線強時路燈自動熄滅（開關(guān)燈時間點可調(diào)）；（5）系統(tǒng)斷電時可以保存用戶所設(shè)定的各種參數(shù)。

3太陽能路燈照明系統(tǒng)介紹3.1太陽能路燈照明系統(tǒng)基本組成照明系統(tǒng)由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED光源、控制箱（內(nèi)有控制器、蓄電池）和燈桿等幾部分構(gòu)成；太陽能電池板的光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統(tǒng)的抗風設(shè)計非常有利；燈頭部分以LED集成于印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發(fā)光源?？刂葡湎潴w以不銹鋼為材質(zhì)，美觀耐用；控制箱內(nèi)放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統(tǒng)選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利于系統(tǒng)維護費用的降低；充放電控制器在設(shè)計上兼顧了功能齊備（具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等）與成本控制，實現(xiàn)很高的性價比。3.2太陽能路燈照明系統(tǒng)工作原理介紹系統(tǒng)工作原理如圖3-1所示，利用光生伏打效應(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，夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時后，充放電控制器動作，蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是天黑時自動開燈；天亮時自動關(guān)燈；在蓄電池電量不足時，自動斷開負載，防止蓄電池過放電；并有短路保護、反接保護等。蓄電池蓄電池太陽電池太陽能路燈控制器K130WK2圖3-1系統(tǒng)原理圖

4各部件的組成及工作原理4.1太陽能電池的組成及工作原理4.1.1太陽能電池的分類太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結(jié)晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅(Zn3P2)等。

太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶的太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導地位。4.1.2硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu)太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導體的光電效應(yīng)，一般的半導體主要結(jié)構(gòu)，如圖4-1。圖4-1圖4-1中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當含硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照圖4-2所示。圖4-2圖4-2中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而實心的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的空心的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（Positive）型半導體。同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N（Negative）型半導體。實心的為磷原子核，小的為多余的電子，如圖4.3所示。圖4-3N型半導體中含有較多的空穴，而P型半導體中含有較多的電子，這樣，當P型和N型半導體結(jié)合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結(jié)。如圖4-4所示。圖4-4當P型和N型半導體結(jié)合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P型一側(cè)帶負電，N型一側(cè)帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結(jié)。當晶片受到光后，PN結(jié)中，N型半導體的空穴往P區(qū)移動，而P區(qū)中的電子往N區(qū)移動，從而形成從N區(qū)到P區(qū)的電流。然后在PN結(jié)形成電勢差，這就形成了電源，如圖4-5所示。

圖4-5P－N結(jié)由于半導體不是電的良導體，電子在通過P－N結(jié)后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋P－N結(jié)，如圖4-5所示，以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射,將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?科學家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護膜，使太陽能電池板的表面呈紫色，將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。4.1.3太陽能電池組件一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約0.5V電壓，遠低于實際應(yīng)用所需要的電壓。為了滿足實際應(yīng)用的需要，需把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導線連接。一個組件上，太陽能電池的標準數(shù)量是36片（10cm×10cm），這意味著一個太陽能電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，正好能為一個額定電壓為12V的蓄電池進行有效充電。應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。組件的電氣特性:主要是指電流－電壓特性，也稱為Ⅰ－Ⅴ曲線，如圖4-6所示。Ⅰ－Ⅴ曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流Imo與電壓Vmo在特定的太陽輻照度下的關(guān)系。其中Isc:短路電流Im:最大工作電流V:電壓Voc:開路電壓Vm:最大工作電壓圖4-6太陽能電池的電流－電壓特性曲線太陽能電池組件的測量在標準條件下（STC）進行，測量條件被歐洲委員會定義為101號標準，其條件是：光譜輻照度1000W/㎡；光譜AM1.5；電池溫度25℃。在該條件下，太陽能電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，表示為Wp。在一定的條件下，一個串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽能電池組件將被當作負載消耗其它被光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的能量。被遮擋的太陽能電池組件此時將會發(fā)熱，這就是熱斑效應(yīng)。這種效應(yīng)能很嚴重地破壞太陽能電池。有光照的電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽能電池由于熱斑效應(yīng)而被破壞，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。當電池片在正常工作時，旁路二極管反向截止，對電路不產(chǎn)生任何作用；若與旁路二極管并聯(lián)的電池片的存在一個非正常工作的電池片時，整個線路電流將由最小電流電池片決定，而電流大小由電池片遮蔽面積決定，當反偏電壓高于電池片最小電壓時，旁路二極管導通，此時，非正常工作電池片被短路。太陽能電池在使用時要注意極性，旁路二極管的正極與太陽能電池組件的負極相連，旁路二極管的正極與太陽能電池組件的負極相連。太陽能電池的連接盒是一個很重要的元件，它保護太陽能電池與外界的交界面及各組內(nèi)部連接的導線件和其他的系統(tǒng)元件。連接盒包含一個接線盒和1只或2只旁路二極管。這樣，對旁路二極管的性能要求就尤為重要了。由于大多數(shù)二極管安裝在接線盒內(nèi)，盒內(nèi)受有限的散熱空間及接線盒結(jié)構(gòu)和材料的限制，要求二極管的熱性能一定要好，熱斑發(fā)生時，組件電流基本上都流經(jīng)旁路二極管，有電流流過就會有熱產(chǎn)生，同時，由于接線盒內(nèi)的二極管發(fā)熱也對接線盒提出了要求：接線盒要具備好的耐熱和好的散熱特性。出于對二極管的熱性能考慮，對于二極管的選擇，主要參數(shù)要遵循一下幾點：（1）熱阻系數(shù)小越小越好；（2）正向壓降越小越好；（3）正向耐電流越大越好；（4）反向電流越小越好；（5）溫度特性曲線要好；阻塞（防反二極管）：置于組件或電池板和蓄電池之間的正極性線路上，夜間或陰天時防止蓄電池電流回流到太陽能電池組件。4.1.4太陽能電池組件結(jié)構(gòu)（1）鋼化玻璃低鐵鋼化玻璃（又稱白玻璃），厚度3.2毫米，在太陽電池光譜響應(yīng)的波長范圍內(nèi)（320-1100NM）透光率達90%以上，對于大于1200NM的紅外光有較高的反射率。此玻璃同時耐紫外光線的輻照，透光率不下降。鋼化性能符合國標GB9963-88或者封裝后的組件抗沖擊性能達到國標GB9535-88地面用硅太陽能電池環(huán)境試驗方法中規(guī)定的性能指標。（2）EVAEVA是一種熱融膠粘劑，厚度在0.4毫米-0.6毫米之間，表面平整，厚度均勻，內(nèi)含交聯(lián)劑。常溫下無黏性且具有抗黏性，經(jīng)過一定調(diào)價熱壓便發(fā)生熔融粘接與交聯(lián)固化，并且變的完全透明。固化后的EVA能承受大氣變化且具有彈性，它將電池片“上蓋下墊”，將其包封，并和上層保護材料-玻璃，下層保護材料背板（TPT，BBF等），利用真空層壓技術(shù)合為一體。另一方面，它和玻璃粘和后能提高玻璃的透光率，起著增透的作用，并對太陽能電池板的輸出有增益作用。暴露在空氣中的EVA易老化發(fā)黃，從而影響組件的透光率，從而影響組件的發(fā)電質(zhì)量除了EVA本身的質(zhì)量外，組件廠家的層壓工藝影響也是非常大的，如EVA膠連度不達標，EVA與鋼化玻璃、背板粘接強度不夠，都會引起EVA提早老化，影響組件壽命。（3）太陽能電池片太陽能電池片是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為125*125或156*156。太陽能電池片的工作電壓約為0.5V，一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池片進行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池板，其功率一般為幾瓦到幾十瓦，一百瓦到兩百瓦以上，可以單獨作為電源使用。作為重要工序，絲網(wǎng)印刷的質(zhì)量(厚度，寬度，膜厚一致性)影響電池片的技術(shù)指標。絲網(wǎng)印刷工序：背面銀電極印刷(背銀)：在電池片的正極面(P區(qū))用銀、鋁漿料印刷兩條電極導線(寬約3-4mm)作為電池片的電極。正面銀印刷(正銀)：在電池片的正面(噴涂減反射膜的面)同事用銀漿料印刷一排間隔均勻的閃現(xiàn)和兩條電極，在工藝上要求柵線間距約3mm，寬度約0.10-0.12mm：（4）背板背板就是電池板背面的保護材料，一般有TPT，BBF，DNP等等。這些保護材料具有良好的抗環(huán)境侵蝕能力，絕緣能力并且可以和EVA良好粘接。太陽電池的背面覆蓋物-氟塑料膜為白色，對陽光起反射作用，因此對電池板的效率略有提高，并因其具有較高的紅外發(fā)射率，還可以降低電池板的工作溫度，也有利于電池板的效率。當然，氟塑料膜具有太陽電池封裝所要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等基本要求。TPT:PVF-PET-PVFTPE:PVF-PET-EVAKPK:PVDF-PET-PVDFBBF:PVDF-PET-Le/PET-PET-PET/THV-PET-EVAFFC:FFC-PET-FFCGBE:PVDF-PET-EVAPET:確保背板絕緣且堅固除了PET背板，其它的都含有氟聚合膜。PVF：聚氟乙烯，商品名為Tedlar，Tedlar是美國DuPont公司專利技術(shù)，按其生產(chǎn)工藝可分為TedlarOR膜和TedlarSP膜。PVDF：聚偏二氟乙烯，PVDF不容易單獨成膜，在加工中一般需要加入增塑劑，如PMMA等，但影響了其耐候性和化學性，因此法國Arkema公司擠出吹塑法，在PVDF兩面覆蓋純的PVDF保護膜，三層厚分別為5um/20um/5um，形成了獨特的三層膜結(jié)構(gòu)的PVDF膜，是Arkema公司的獨家專利技術(shù)，具有較好的耐候性、耐UV性、陰濕性和阻燃性，耐玷污性好，高光澤保持等。LE/LE-FILM:與EVA相似的熱熔膠黏劑。（5）接線盒接線盒一般由ABS制成，并加有防老化和抗紫外線輻射劑，能確保電池版納在室外使用25年以上不出現(xiàn)老化破裂現(xiàn)象。接線柱由外鍍鎳層的高導電解銅制成，可以確保電氣導通及電氣連接的可靠。接線盒用硅膠粘接在背板表面。（6）鋁合金邊框邊框采用硬制鋁合金制成，表面氧化層厚度大于10微米，可以保證在室外環(huán)境長達25年以上的使用，不會被腐蝕，牢固耐用。4.2蓄電池的結(jié)構(gòu)及原理由于太陽能電池板發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，再加上路燈的使用是在晚上，所以需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。蓄電池也是整個太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，它是整個太陽能系統(tǒng)的儲備能源設(shè)備，白天時太陽電池給蓄電池充電，晚上，系統(tǒng)和負載所用電全部由蓄電池來提供，其次，陰雨天的供電也要靠蓄電池來完成。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于PV陣列產(chǎn)生的電能不能總是在電能產(chǎn)生的同時加以使用。由于需求的能量不能總是與它的產(chǎn)量相符，所以在多數(shù)獨立PV系統(tǒng)中需要蓄電池。蓄電池的主要功能是：(1)能量存儲能力及自主運行。(2)電壓和電流穩(wěn)定性。(3)提供浪涌電流。4.2.1鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)及工作原理鉛酸蓄電池的電極主要由金屬鉛制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。一般由正極板、負極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成。在本設(shè)計中對此不做詳細講解。4.3控制器的基本工作原理太陽能電池的輸出特性曲線如圖4-7所示。太陽能電池的伏安特性具有很強的非線性，即當日照強度改變時，其開路電壓不會有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流有相當大的變化，所以其輸出功率與最大功率點會隨時改變。然而當光強度一定時，太陽能電池輸出的電流一定，可認為是恒流源。因此，必須研究和設(shè)計性能優(yōu)良的光伏控制器，才能更有效的利用太陽能。000.81.01.2輸出電壓（歸一化單位）100mV/cm,25℃PmaxIP圖4-7太陽能電池的輸出特性曲線太陽能電池將吸收的光能轉(zhuǎn)換成電能而通過充放電控制器對蓄電池充電。充放電控制器的功能主要有兩個，一是對蓄電池的充放電保護，以避免蓄電池有過充或過放的情形發(fā)生，而蓄電池的任務(wù)則是儲能，以便在夜間或陰雨天供給負載用電；二是提供穩(wěn)定的直流電壓源供給逆變器或直流負載使用。本設(shè)計系統(tǒng)未用到逆變器。4.3.1蓄電池充電當系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線充足時，控制器就會進入充電模式。蓄電池充電主要有兩個比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充電電壓。前者代表蓄電池充電的最高電壓，這些參數(shù)可從蓄電池產(chǎn)品手冊上查到。在電路設(shè)計中針對12V蓄電池，分別設(shè)置深度放電電壓為11V和浮充電電壓為13.8V。具體充電模式見表1所示。表4-1蓄電池充電模式蓄電池電壓VBAT控制器工作模式欠壓保護值<VBAT<11V涓流充電模式，采用MPPT算法優(yōu)化太陽能電池輸出功率，充電電流最大限制在0.5A11V<VBAT<13.8V恒流充電模式，采用MPPT算法優(yōu)化太陽能電池輸出功率，充電電流最大限制值取決于太陽能電池最大輸出功率VBAT>13.8V恒流充電模式，確保蓄電池電壓穩(wěn)定在13.8V從表4-1可以看出恒流充電模式會用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實現(xiàn)，總的來說各有優(yōu)劣，設(shè)計中采用相對簡單的擾動觀察法來實現(xiàn)。這種方法是通過增大或者減少充電電路開關(guān)信號PWM占空比，然后觀察輸出功率是變大還是變小，由此來決定下一步是增大還是減小占空比。由于太陽能電池的輸出變化相對比較緩慢，而且是單級點，所以采用這種方式可收到比較好的效果。4.3.2蓄電池給LED供電當系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線不足時，就會進入蓄電池給LED供電模式。LED電流通過高位電流檢測芯片（TSC101AILT）采樣送回MCU，有MCU通過調(diào)整開關(guān)信號PWM的占空比來獲得恒定輸出電流。為了達到節(jié)能的目的，LED的恒定電流值會根據(jù)系統(tǒng)檢測的環(huán)境光強度來調(diào)整。當環(huán)境光由暗變亮時，系統(tǒng)的輸出電流也會相應(yīng)從小變大；當環(huán)境光照完全暗下來時，系統(tǒng)的輸出電流也達到預設(shè)的最大值。除了由環(huán)境光照控制LED的光輸出，用戶還可以通過設(shè)定開光DIP1～DIP4的狀態(tài)來設(shè)置LED燈的開啟時間，系統(tǒng)會根據(jù)DIP1～DIP4的設(shè)定組合來控制LED路燈工作在5min～12h的時間范圍內(nèi)。此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在電路設(shè)計中設(shè)置了針對太陽能電池組件，蓄電池和LED等一系列軟硬件的保護功能。在太陽能LED路燈控制器硬件設(shè)計中應(yīng)注意以下事項：（1）感應(yīng)雷保護電路應(yīng)設(shè)計在太陽能電池引線入口保護電路周圍4mm不要布置其他器件。（2）放置太陽能電池組件反接入用的二極管必須采用快恢復二極管，這種二極管導通電阻小，充電時發(fā)熱量小，不用散熱器也可以連續(xù)充電，充電效果好。（3）充電、負載放電電路的PCB線路的寬度至少為4～5mm，線路上用搪錫處理以增加導通電流能力。（4）過流、短路保護電路選用的電流采樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個因素。電阻增大則電路效率下降，若選用電阻為0.01Ω選用過電流能力在10A以上的康銅絲作為電流取樣電阻，來產(chǎn)生取樣電壓，取樣電壓不超過0.2V，故采用運放LM358對它進行放大。4.4LED光源LED具有管線質(zhì)量高、基本上無輻射、可靠耐用、維護費用極為低廉燈優(yōu)勢，屬于典型的綠色照明光源。超高亮度LED的研制成功大大的降低了太陽能LED照明燈具的使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明系統(tǒng)的初裝成本，并且具有保護環(huán)境、安裝簡單。工作安全經(jīng)濟節(jié)能等優(yōu)點。采用平頭LED的柱式和炬式組合光源結(jié)構(gòu)，通過合理控制平頭LED安裝傾斜角度，可使LED組合光源所發(fā)出的均勻度及照度得到大幅提升。為太陽能LED照明系統(tǒng)專門研制的組合十字型和炬型組合發(fā)光源，充分發(fā)揮平頭LED開光角度大、光均勻度良好和圓頭LED點面積亮度高的優(yōu)點，使兩者取長補短，發(fā)揮最大的光照。通過對傳統(tǒng)LED照明燈具的結(jié)構(gòu)、智能控制器、光源結(jié)構(gòu)的更新及技術(shù)改革，進行最佳傾斜角設(shè)計，使平頭和圓頭LED的優(yōu)勢互補，從而使其發(fā)光更均勻，整體亮度更高，成本更低，更有利于應(yīng)用推廣。主要部件太陽能電池組件控制器蓄電池照明光源參考壽命25年10年3～5年超高亮度LED為150000h表4-2太陽能照明燈具4個主要部件使用壽命參考值對于獨立太陽能LED照明系統(tǒng)，提高能量利用率，研究科學的系統(tǒng)能量控制策略，可降低獨立太陽能LED照明系統(tǒng)的投資費用。目前太陽能組件、控制器、蓄電池和LED光源是太陽能LED照明燈具產(chǎn)品的4個主要部件，它們各自的使用壽命參考值見表4-2。530W太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計要求：太陽能路燈光源功率為30W,工作電壓為直流12V要求路燈每天工作7h,保證連續(xù)7個陰雨天能正常工作。河南理工大學位于焦作，平均實際日照時數(shù)10小時，平均峰值日照時數(shù)（組件表面上）為4.56小時；最小的日峰值日照時數(shù)為3.68小時.。校區(qū)內(nèi)東西主干道長4公里，車道寬16m。根據(jù)以上資料，計算出焦作地區(qū)的太陽能電池組件最佳傾角為51°，標準峰值時數(shù)約3.9h。(1)負載日耗電量QF=P×h/V=30×7/12=20(A·h)5-1-1式式中，V為系統(tǒng)蓄電池標稱電壓。(2)滿足負載日用電的太陽能電池組件的充電電流I1=Q×1.05/h/0.85/0.9=7.04(A)5-1-2式式中，1.05為太陽能充電綜合損失系數(shù)；0.85為蓄電池充電效率；0.9為控制器效率。(3)蓄電池容量的確定。滿足7個陰雨天能正常工作的電池容量C=Q×(d+1)/0.75×1.1=20×8/0.75×1.1=235(A·h)5-1-3式式中，0.75為蓄電池放電深度；1.1為蓄電池安全系數(shù)。取蓄電池容量為240A·h，則選用2節(jié)12V、120A·h的電池組成電池組。(4)連續(xù)陰雨天過后需要恢復蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流I2=C×0.75/h/D=240×0.75/3.5/25=1.855-1-4式式中，0.75為蓄電池放電深度。(5)太陽能電池組件的功率為（I1+I2）×18=(7.04+1.85)×18=160(W)5-1-5式序號配件名稱規(guī)格單位數(shù)量備注1太陽能電池組件80W塊2單晶硅或多晶硅2蓄電池12V/120Ah塊2鉛酸蓄電池3光源30WLED只1暖白色4充放電控制器12V/10A臺1過充電、過放電保護5燈桿6m根1熱鍍鋅、噴塑式中，18為太陽能電池組件工作電壓。在太陽能LED路燈系統(tǒng)中，線損，控制器的損耗及恒流源的功耗各不相同，實際應(yīng)用中可能為5％～10％。所以160W只是實際值，現(xiàn)實應(yīng)用中可根據(jù)實際情況有所增加。表5-1太陽能LED路燈的配置方案選取2塊峰值功率為80W的太陽能電池組件構(gòu)成太陽能電池陣列。根據(jù)計算,我們做出太陽能LED路燈的配置方案見表5-1，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)見表5-2。表5-2結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù)燈管高度6m組件支架優(yōu)質(zhì)鋼材光源度6m表面處理熱鍍鋅設(shè)計燈管間距20m燈管預埋件優(yōu)質(zhì)圓鋼設(shè)計安裝數(shù)量（套）200燈桿基礎(chǔ)C25混凝土澆筑5.1太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計所在地位置焦作地處中國內(nèi)陸，中緯度地帶，氣候類型屬于溫帶大陸性季風氣候。主要特點是：冬冷夏暖，寒冷期短；春秋短促多風；雨量較少，普遍較干燥；日照充足，四季分明。我市年平均氣溫為11.2℃,冬季寒冷,平均氣溫-9.1℃。最低氣溫<=0的日期平均為本51天,寒冷期較長。冬季極端最低氣溫為-30.6℃(出現(xiàn)在55年1月2日)，夏季平均氣溫22.3。極端最高氣溫為38.3℃(出現(xiàn)在52年7月18日)，但高溫時段一般持續(xù)較短，而且晝夜溫差較大，所以感覺并不炎熱。年降水量平均為716.6毫米,全市降水主要集中在夏季。6-8月的降水量約占總降水量的62.5%。年日照時數(shù)約為2516小時。全年大風>=6級的日數(shù)平均為58.5天。其中春季27.0天占全年的5-2河南理工大學所在地(焦作)的(1961-1990)年平均基本氣候資料月水平輻射mWh/cm2氣溫(0.1℃)最高氣溫(0.1℃)最低氣溫(0.1℃)極高氣溫(0.1℃)極低氣溫(0.1℃)日照時數(shù)(0.1h)平均風速(0.1m/s)降水(mm)降水日數(shù)(天)平均382.981.17138.3330.33256.67-100.922116.0029.7557.085.081196.9-115-52-16686-100.3167126722299.9-78-17-131149-71180929823412.7764-44198-552313341634498.49816038293-102406404355569.3172232111343102672375566543.7217271166352782473318787477.2245290204352124214326167118455.12362831933578022372415799434.31732351193071023552577610320.79515941292-8321592842411214.9357-42217-20116433017312171.8-79-22-125134-30215112792注：焦作位于(123゜26’E,41゜46’N)海拔高度43米。5.4太陽能電池組件的選擇由設(shè)計要求知：太陽能電池組件的功率為（I1+I2）×18=(7.04+1.85)×18=160(W)選取2塊峰值功率為80W的單晶硅組件太陽能電池組件構(gòu)成太陽能電池陣列。所選組件經(jīng)過了CE，TUV，IEC等國際認證，產(chǎn)品性能及壽命均滿足國家或行業(yè)標準。組件出廠均進行嚴格的檢測，保證電性能參數(shù)盡可能一致，其中最大輸出功率Pm、最大工作電流Im及工作電壓Wm的離散性均小于±5%。5.4.1太陽電池組件的基本要求(1)防水、防冰雹、防風。一般太陽能電池組件采用鋼化玻璃封裝，采用的鋁合金邊框應(yīng)具有高強度，抗機械沖擊能力要強。安裝時用金屬支架固定，能抵御10級以上大風。(2)標準測試條件：輻射度為1000W/㎡,電池溫度為25℃。(3)絕緣電壓：≥600V。(4)邊框接地電阻：≤10Ω。(5)迎風壓強:2700Pa。(6)填充因子：73％。(7)短路電壓溫度系數(shù)：+0.4mA/℃。(8)開路電壓溫度系數(shù)：-60mV/℃。(9)工作溫度：-40℃~+85℃。5.4.2單晶硅太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)（1）單晶硅太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)單晶硅太陽能電池組件的實物外形如圖5-1所示，單晶硅太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)如圖5-2所示,光伏組件的I-V輸出曲線如圖5-3所示。圖5-1單晶硅太陽能電池組件的實物外形圖5-2單晶硅太陽能電池組件的結(jié)構(gòu)圖5-3光伏組件的I-V輸出曲線（2）單晶硅太陽能電池組件的技術(shù)參數(shù)見表5-3。表5-3單晶硅太陽能電池組件技術(shù)參數(shù)如下：電池片的類型單晶/多晶最大工作功率（W）80最大功率電壓（V）17.5最大功率電流（A）4.66短路電流（A）5.12開路電壓（V）21.5最大系統(tǒng)電壓（V）700工作溫度(℃)-40℃~+85℃電池片數(shù)量（PCS）60尺寸（mm）1195×545×30短路電流隨溫度變化系數(shù)(%/℃)0.04±0.015開路電壓隨溫度變化系數(shù)(%/℃)-(0.325±0.1)最大功率隨溫度變化系數(shù)(%/℃)-(0.43±0.05)NOCT(℃)45±2功率偏差范圍(%)±5組件表面能能承受的最大壓強（Pa）2700冰球試驗25mm冰球以23m/s的速度撞擊重量（kg）19.5接線盒Renhe(6-diode)引線長度（mm）900/900電池轉(zhuǎn)換效率(%)＞16兩塊電池板并聯(lián)正極接正極，負極接負極，中間要接二極管。兩塊輸出功率和規(guī)格不同的太陽能電池組件不可以并連在一起，因并聯(lián)會造成內(nèi)部損耗，降低了太陽能電池組件的使用效率，縮短了使用壽命。5.5蓄電池的選型5.5.1閥控式密封免維護鉛酸蓄電池我們選用閥控式密封免維護鉛酸蓄電池如圖5.4所示。閥控式密封免維護鉛酸蓄電池是歷盡四十余年不斷創(chuàng)新的結(jié)晶。為亞洲市場開發(fā)的NP系列和GM系列電池更是積累四十余年生產(chǎn)經(jīng)驗的成功之作。優(yōu)良的品質(zhì)、卓越的性能受到用戶的廣泛贊譽。其高能密度、全密封結(jié)構(gòu)、使用壽命長、高可靠性及良好的服務(wù)為客戶提供了更大的便利。其產(chǎn)品特點如表5-4。表5-4鉛酸蓄電池產(chǎn)品特點產(chǎn)品特點：應(yīng)用領(lǐng)域：免維護無需補液報警系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境溫度-30到45℃營運照明系統(tǒng)使用壽命長，NP為3-5年，GM可達15年電子儀器、電子系統(tǒng)安全防爆鐵路、船舶無游離電解液，側(cè)倒90度仍可使用郵電通信內(nèi)阻小，在電流放電特性好太陽能、風能發(fā)電系統(tǒng)自放電小大型UPS及計算機備用電源5.5.2蓄電池結(jié)構(gòu)(1)電池端子：為高硬度鉛基合金或銅鍍銀端子，耐腐蝕性能好、導電性能優(yōu)良、強度高。(2)外殼：采用ABS外殼，分粘接和熱封兩種，后者尤其適合于振動大，環(huán)境溫度變化大。要求電池使用壽命特別長的場合。(3)密封膠：采用三次密封技術(shù)，第一層是鉛套焊接密封，試壓后用堵微孔密封膠密封，最后采用紅黑膠密封，確保電池使用期間不會出現(xiàn)滲酸缺陷。(4)安全閥：采用耐酸耐熱性能優(yōu)異的三元乙丙橡膠制成，確保電池使用期間的安全性、可靠性。(5)極板：其板柵采用耐腐性優(yōu)良的鉛、鈣、錫等多元合金。(6)隔板：采用耐酸耐熱性能良好的超細玻璃纖維制成，防止正負極短路，保持電解液，緊壓迫極板表面，防止活性物質(zhì)脫落。5.5.3電池性能（1）大電流放電性能：NP系列電池采用薄型極板，正極板厚度在2.4-2.9mm之間，同時采用高孔活性物質(zhì)配方，極板比表面積大，其適合于大電流放電。（2）壽命：因NP系列電池采用薄型極板，正極柵耐腐蝕性能相對較差，電池使用壽命相對較短，在環(huán)境溫度為25±5℃時，為5-8年。（3）密封反應(yīng)效率：NP系列電池極板薄、片數(shù)多，比表面積大，便于密封反應(yīng)。同時該類電池氣室較小，一般密封反應(yīng)效率≥98%。(4)技術(shù)參數(shù)如表5-5。表5-5技術(shù)參數(shù)型號額定電壓額定容量25℃（AH）尺寸（mm）重量(V)20Hour1.75V/cell10Hour1.75V/Cell長±1寬±1高±1總高±1(KG)AhAhmmmmmmMmNP65-1212656035016617417422.70NP100-12121009333017021524331.50NP120-121212011040517521024037.00NP150-121216015048017024024048.00NP180-121220018652424021624460.505.6系統(tǒng)硬件設(shè)計5.6.1電源電路電源電路如圖2所示。系統(tǒng)太陽能供電，24V蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5V電壓，作為控制器的主電源。電容C2、C3作為高頻旁路電容，將高頻信號旁路到地。同樣電容C1、C4為濾波電容。圖5-4電源電路5.6.2太陽能電池板組件在新能源中，公認技術(shù)含量最高、最有發(fā)展前途的是太陽能發(fā)電。太陽能發(fā)電主要有太陽能熱發(fā)電和太陽能光發(fā)電兩種基本方式。(1)太陽能熱發(fā)電：將吸收的太陽輻射熱能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，可分為兩類：一類是太陽能熱電直接轉(zhuǎn)換，如溫差發(fā)電等，目前功率都很小，有的尚處于原理試驗階段；另一類是太陽能熱動力發(fā)電，是將太陽熱能通過熱機帶動發(fā)電機發(fā)電，其基本構(gòu)成包括集熱裝置、儲能系統(tǒng)、熱機和發(fā)電機等。有些國家正在研制較大功率的裝置，已達到并網(wǎng)發(fā)電的實際應(yīng)用水平。由于太陽能熱發(fā)電技術(shù)復雜，商業(yè)應(yīng)用只適合比較大的容量，因此發(fā)展不快，實際應(yīng)用不多。(2)太陽能光發(fā)電：不通過熱過程，直接將太陽的光能轉(zhuǎn)換成電能的利用方式，可分為光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學發(fā)電和光生物發(fā)電。目前應(yīng)用的光伏發(fā)電，是將照射到太陽能電池上的光，產(chǎn)生光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成直流電能輸出，一般由太陽能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點：間歇性。受氣候條件影響；能量密度低；初始投資高。迄今已有100多個國家參與太陽能光電池的開發(fā)應(yīng)用。近年來，產(chǎn)量迅速增加．生產(chǎn)成本開始下降[7]。目前．光伏發(fā)電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產(chǎn)品。如各類太陽能充電器、太陽能燈具等；并網(wǎng)發(fā)電。太陽能電池的基本特性太陽能電池陣列的伏安特性具有強烈的非線性。太陽能電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當日射S=l000W／m2；太陽能電池溫度T=25℃；大氣質(zhì)量AM=1.5時，太陽能電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽能電池陣列額定功率的單位為“峰瓦”，記以“Wp”。為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。通過Hay模型的計算，可以得到的不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。在不同角度傾斜面上，太陽輻照量差別較大，要為電池板選擇合適的傾角使其能獲得最大的太陽輻照量[9]。5.6.3照明負載LED外施電壓后在其內(nèi)部會產(chǎn)生受激電子躍遷光輻射。按照不同半導體基本材料的物理特性，所產(chǎn)生的光波長是不同的。發(fā)光二極管的實質(zhì)性結(jié)構(gòu)是P—N結(jié)，在半導體P—N結(jié)通以正向電流時注入少數(shù)載流子，少數(shù)載流子的發(fā)光復合就是發(fā)光二極管的工作機理。半導體P—N結(jié)發(fā)光實質(zhì)為固體發(fā)光，而各種固體發(fā)光都是固體內(nèi)不同能量狀態(tài)的電子躍遷的結(jié)果。半導體材料的發(fā)光機理決定了單一LED芯片不可能發(fā)出連續(xù)光譜的白光，必須以其它的方式合成白光。白光LED通常是在發(fā)射藍光的InGaN基材上涂熒光材料，熒光材料在受到藍光激勵時會發(fā)出黃光，藍光和黃光的混合物形成白光[8]。由于LED是直流供電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應(yīng)用于直流系統(tǒng)，如太陽能燈具產(chǎn)品。超高亮白光LED應(yīng)用于太陽能燈具，單個束光型超高亮度LED發(fā)光管其產(chǎn)生的光線方向性太強，綜合視覺效果較差，因此應(yīng)首選平光型超高亮LED或平光型與束光型超高亮LED組合使用，將多個LED集中于一起，排列組合成一定規(guī)則的LED發(fā)光源。超高亮白光LED發(fā)光源既要保證有一定的照射強度，又要使其具有較高的光效，然而電流的增大，光通量雖然增大，但是，另一方面電流的增加會引起光源熱損耗的增加，通常導致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合點為最佳工作點，一般為17.5mA。超高亮白光LED發(fā)光源具有如下優(yōu)點：(1)壽命長。LED的壽命長達100000h，而白熾燈的壽命一般不超過2000h，熒光燈的壽命也不過5000h左右。(2)效率高。相對于傳統(tǒng)的第一代照明光源白熾燈，LED的功耗只有前者的10％～20％。(3)綠色環(huán)保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比，LED不含汞、無頻閃，是一種環(huán)保光源。(4)耐低溫。環(huán)境使用溫度在一40℃～80℃，環(huán)境適應(yīng)性非常強[7]。這種電路的關(guān)鍵是針對蓄電池的充放電特性設(shè)計一個比較好的電壓比較點，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個具有實用功能的智能控制器，具有防蓄電池過放電、過充電功能。在太陽輻照不足的幾個月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時端電壓也較低，這樣負載工作電流較小、功率小，系統(tǒng)也能夠工作更長的時間。反之在太陽輻照比較充足時，負載工作電流較大、功率大、也更亮。太陽能LED發(fā)光源：在太陽能LED燈具中，發(fā)光源所用的LED數(shù)量，從1個到上千個不等，一定數(shù)量的LED組成一個發(fā)光源時，其排列和組合是一個非常重要的關(guān)鍵點。即不同的排列和組合對整體的亮度都有影響。在LED排列組合上依據(jù)光學原理及數(shù)學推導建立數(shù)學模型，最有效地發(fā)揮超高亮白光LED的發(fā)光效率，并使得單位面積LED的數(shù)量少以降低成本。本設(shè)計采用的單個高亮管的正常工作電壓3.3V，共采用28個1W高亮管，每7個高亮管串聯(lián)成一組，共四組并連在電路中，這樣也可以減少當電路中的某一個高亮管出現(xiàn)故障時對其他高亮管的影響，由于高亮管的直射效果好，所以燈具的體積要盡量小一些，這樣可以使高亮管的照射范圍更大一些，高亮管盡量選用照射角度大一些的高亮管。5.6.4蓄電池和太陽能板的選用該電源給路燈供電,該路燈的工作電壓為24V,工作電流約1.2A。由于路燈一天要工作8個小時左右,考慮連續(xù)陰天3天情況下系統(tǒng)的供電,后備電源須具有24h的供電能力,且按80%的放電率計算,則蓄電池的容量如公式（1）為:Qx=(Tx×Is)=(24×1.2)/0.8=36(Ah)(1)式中:Qx——蓄電池容量;Tx——蓄電池放電時間;Is——設(shè)備工作電流。應(yīng)選用24V/36Ah免維護蓄電池。有日照時，要求太陽能板給蓄電池充電，每天有效充電時間8H,兩天充滿,則可計算出太陽能板輸出的功率如式(2)：P=24Ic=Vg〔Qx+Qs×(D-1)〕/(Tc×D)=24Qx/Tc=24*(36+9.6)/16=68.4W(2)式中:——蓄電池容量；D——充滿電需要的天數(shù)；Qs——日耗蓄電池容量；——設(shè)備工作電壓；——充電滿電所用時間。則太陽能板取24V/70W。太陽能LED燈具的具體技術(shù)指標如表5-6所示：表5-6太陽能LED燈具的主要性能指標太陽能電池70W，24VLED發(fā)光源28只LED、每只1W工作溫度-40℃+80℃過充保護電壓26V(25C)過放保護電壓22V蓄電池24V,36Ah照明時間天黑后，光控自動啟動電光轉(zhuǎn)換功能，使路燈點亮；在深夜時控（時間點可調(diào)）自動使路燈熄滅；早晨時控（時間點可調(diào)）自動使路燈點亮；天亮后光控自動恢復到光電轉(zhuǎn)換模式陰雨天保證時間保證連續(xù)3個陰雨天正常工作5.6.5顯示電路本電路采用單片機串口顯示，由74LS164作為數(shù)碼管驅(qū)動電路，二極管D1、D2和D3起降壓、保護數(shù)碼管作用，數(shù)碼管用四位，前兩位顯示小時內(nèi)容，后兩位顯示分鐘內(nèi)容，電路圖如圖5-5。STC12C2051單片機的串行口RXD，TXD為一個全雙工串行通信口，但工作在方式0下可作同步移位寄存器用，其數(shù)據(jù)由RXD(P3.0)端串行輸出或輸入；而同步移位時鐘由TXD(P3.1)端串行輸出，在同步時鐘作用下，實現(xiàn)由串行到并行圖5-5顯示電路的數(shù)據(jù)通信。由于74LS164在低電平輸出時允許通過的電流達8mA，故不必添加驅(qū)動電路，亮度也較理想。5.6.6過充、過放控制電路過充控制，就是在蓄電池處于過充狀態(tài)時斷開充電電路，過放控制電路就是在蓄電池處于過放狀態(tài)時斷開放電電路。過充、過放控制都是為了保護蓄電池，延長蓄電池的使用壽命。過充、過放控制電路如圖5-6。過充、過放判斷的依據(jù)主要是蓄電池電壓的高低，其工作原理如下：過充控制電路中將繼電器J1的開關(guān)串聯(lián)在充電電路中，當白天有太陽光時處于正常充電狀態(tài)時，由太陽能板吸熱經(jīng)繼電器開關(guān)常閉點向蓄電池充電，當蓄電池的電壓高于26V時，認為蓄電池處于過充狀態(tài)，U1A“-”端電壓高于“+”端電壓時U1A輸出“-”，低電平，使Q1截止，同時Q2導通，繼電器線圈J1通電，則繼電器常閉點斷開，常開點閉合，充電電路斷開過充指示燈亮，停止向蓄電池充電，達到過充保護功能。圖5-6過充過放控制電路過放控制電路中將繼電器J2的開關(guān)串聯(lián)在放電電路中，當處于正常放電狀態(tài)時，放電電路正常工作。在晚上由蓄電池向負載供電時，當蓄電池的電壓低于22V時，認為蓄電池處于過放狀態(tài)，此時U1B“+”端電壓低于其“-”端電壓時，U1B輸出“-”低電平，使Q3截止，同時Q4導通，繼電器線圈J2通電，繼電器開關(guān)由常閉點轉(zhuǎn)到常開點，放電電路就斷開，過放指示燈亮停止向負載供電。達到過放保護功能。5.6.7DS1302的結(jié)構(gòu)及工作原理在設(shè)計中一般使用的計時功能電路有軟件計時，定時器定時，但其缺點是計時有誤差，需要隔一段時間校正一次；另一種就硬件計時，現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。這些電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用[17]。在設(shè)計中采用是硬件定時，時鐘芯片DS1302。DS1302是DALLAS公司的一種具有涓細電流充電能力的電路，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能。工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。圖5-751302與單片機連接圖圖5-7為與單片機的連接圖,其中Vcc1為主電源，VCC2為后備電源。在一般情況下，由主電源供電，同時主電源向備用電源充電，在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當Vcc2大于Vcc1＋0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。圖中SCL、I/O、RST與單片機連接實現(xiàn)1302的讀寫控制。5.6.8存儲器AT24C02簡介存儲器AT2402的1，2，3腳為空腳，4腳為接地端，5腳為數(shù)據(jù)端，6腳為時鐘端，7腳為寫保護端口，8腳為電源端口。其與單片機的連接如圖6所示：圖5-824C02與單片機連接圖AT24C02在本設(shè)計中的作用是掉電存儲器，是為了防止電源突然斷開的時候，用戶的信息不會丟失，存儲當前設(shè)定的信息。AT24C02是ATMEL公司的2KB字節(jié)的電可擦除存儲芯片，由于AT24C02的數(shù)據(jù)線和地址線是復用的，采用串口的方式傳送數(shù)據(jù)，所以只用兩根線SCL（移位脈沖）和SDA（數(shù)據(jù)/地址）與單片機傳送數(shù)據(jù)。電壓最低可以到2.5V，額定電流為1mA，靜態(tài)電流10uA(5.5V)，芯片內(nèi)的資料可以在斷電的情況下保存相當長的時間，而且采用8腳的DIP封裝，使用方便。管腳名稱功能A0、A1、A2器件地址選擇SDA串行數(shù)據(jù)/地址SCL串行時鐘WP寫保護VCC+1.8V～6.0V工作電壓GND地表5-724C02的管腳介紹圖中R18、R19為上拉電阻，其作用是減少AT24C02的靜態(tài)功耗。每當設(shè)定一次信息，系統(tǒng)就自動調(diào)用存儲程序，將信息保存在芯片內(nèi)；當系統(tǒng)重新上電的時候，自動調(diào)用讀存儲器程序，將存儲器內(nèi)的信息，讀到緩存單元中，供主程序使用。太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池?；竟δ軇t必須具備過充保護、過放保護、光控、時控與防反接等。當蓄電池電壓達到設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)。在選用器件上，目前有采用單片機的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點和優(yōu)點。（1）我們選用CLP12-5A/ST型太陽能LED路燈控制器，此控制器適合120W以下（12V）的太陽能LED路燈系統(tǒng)的自動控制，具有防止蓄電池過充電、過放電、反向放電功能。根據(jù)設(shè)定定時關(guān)閉照明燈具，或者根據(jù)光線強弱自動關(guān)閉照明燈具。充電指示燈亮起表示正在充電，閃爍表示正在浮充電，不亮表示充電已停止。負荷指示燈亮起表示有輸出，負載可以工作；不亮表示沒有輸出，負載不能工作。CLP12-5A/ST型太陽能LED路燈控制器的技術(shù)指標見表5-8。表5-8CLP12-5A/ST型太陽能LED路燈控制器技術(shù)參數(shù)表額定電壓12V供電停止電壓10.8V或21.6V額定充電電流5A供電恢復電壓11.8V或23.6V額定負載電流5A充電停止電壓14V工作溫度-20～+60℃停止充電壓溫度系數(shù)-3mV/℃外形尺寸131㎜×69㎜×49㎜凈重120g（2）CLP12-5A/ST型太陽能LED路燈控制器的接線CLP12-5A/ST型路燈控制器的接線方法如圖5-9所示。揭開控制器上蓋，露出接線端子，按上蓋圖示進行接線。將蓄電池正、負極正確、牢固地連接到控制器的3、4端子上。負荷指示燈閃爍一下且30S后亮起，表示連接正確。將太陽能電池正、負極正確、牢固地連接到控制器的1、2端子上。將負載正、負極正確、牢固地連接到控制器的5、6端子上。圖5-9CLP12-5A/ST型路燈控制器的接線圖（3）CLP12-5A/ST型太陽能LED路燈控制器主燈關(guān)閉方式的設(shè)定按下Set鍵不放，片刻后綠燈開始閃爍，從“0”開始，沒閃爍一下定時數(shù)增加0.5h。達到需要的時間后，松開鍵，設(shè)定完成，此時關(guān)閉主燈的方式為時控方式。超過10h后。綠燈轉(zhuǎn)為快速閃爍，松開鍵，設(shè)定完成，此時關(guān)閉主燈的方式為光控方式。關(guān)閉方式查詢步驟如下。A按下Set鍵1s，松開。B時控方式：綠燈閃爍一下代表0.5h（每秒2次）。C光控方式：快閃4s（每秒10次）。D光控有30s延時，以避免如雷電、汽車燈光的干擾。（4）控制器的防水，控制器大都裝于燈罩、蓄電池箱中，一般也不會進水，但在實際工程案例中有些因為安裝不當或者有的控制器的電路板沒有做三防漆處理，會因為雨水順著控制器端子的外接線流入控制器造成短路。所以在施工時應(yīng)該注意將控制器端子內(nèi)部連接線彎成“U”字型并固型,暴露在外部的連接線也固定為“U”型，這樣雨水就無法淋入造成控制器短路，另外還可在內(nèi)外線接口處涂抹防水膠來防水。5.7光源的設(shè)計及選擇5.7.1使用LED作為照明的理由目前，照明約占世界總能耗的20%，若能以高效率的LED取代目前低效率、高耗電的傳統(tǒng)照明，無疑對緩解當前越來越緊迫的能源和環(huán)境問題起到舉足輕重的作用。雖然LED的應(yīng)用現(xiàn)在仍處于初期階段，但與現(xiàn)行照明設(shè)備比較，LED照明優(yōu)點仍然突出：（1）發(fā)光效率高、耗能少LED的光效預計可達到200lm/W以上，而且光的單色性好、光譜窄。在同等照明效果下，LED的耗電量是白熾燈的1/8，熒光燈的1/2。（2）使用壽命長LED的使用壽命可以長達近十萬小時，而白熾燈一般為1000～2000h，熒光燈為6000～8000h。（3）安全環(huán)保LED為全固態(tài)發(fā)光體，耐振、耐沖擊，而且發(fā)熱量低，無熱輻射，無污染。（4）啟動時間短LED的響應(yīng)時間只有幾十納秒，因此適合用在一些需要快速響應(yīng)的場合。（5）體積小LED具有小型化、平面化、可設(shè)計性強的特點，可以使人們從傳統(tǒng)的點線光源點局限中解放出來，實現(xiàn)照明的隨意布置。白光LED的發(fā)光效率現(xiàn)已突破60lm/W，據(jù)預測，隨著LED單價的下降，到2010年左右，白光LED照明將逐步取代白熾燈和熒光燈，成為主流的照明光源。LED是低壓驅(qū)動的冷光源，它的性能受使用條件和驅(qū)動器性能的制約。5.7.2所選用的LED路燈特點（1）配光設(shè)計（蝙蝠翼型配光透鏡）：合理控制光的分布使光斑呈矩形，保證理想的路面亮度及均勻度的同時，很好的消除眩光并使光能利用率發(fā)揮到極致；（2）透鏡與燈罩一體化設(shè)計：透鏡陣列同時擔當聚光與防護作用，避免了光的重復浪費，降低了光的損耗，同時也減輕了大功率LED路燈的重量，并使結(jié)構(gòu)簡單化，讓產(chǎn)品更加輕??；（3）E40標準燈頭：燈頭可360°旋轉(zhuǎn)。燈頭擰緊后仍可隨意旋轉(zhuǎn)，保證出光面調(diào)整到最佳位置；外觀輕薄，燈罩不會老化發(fā)黃（4）節(jié)能顯著：采用超高亮大功率LED光源配合高效率電源，比傳統(tǒng)鈉燈、汞燈節(jié)電60%以上；相當于普通100W高壓鈉燈；（5）應(yīng)用：適合庭院、道路照明。5.7.3產(chǎn)品參數(shù)產(chǎn)品參數(shù)如表5-9所示：表5-9產(chǎn)品參數(shù)輸入電壓（V）85-265VAC功率因數(shù)≥0.90LED功耗30WLED顆數(shù)28顆LED光通量2520LM產(chǎn)生尺寸258*97*67mm路燈色溫黃色3000-3500K，白色4000-6000K燈頭E40燈頭推薦燈桿高度3-6米,燈桿間距:10-15m平均照度15LUX工作環(huán)境濕度-40--55℃5.8太陽能電池最佳傾角的設(shè)計為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。本設(shè)計中采用固定式安裝必須進行最佳傾角的計算，以保證系統(tǒng)發(fā)電量最佳，在本方案中通過統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比進行最佳傾角的選擇。為了保證系統(tǒng)有足夠高的效率以及最大的發(fā)電量，電池板必須按一定的傾角進行安裝。因此有必要先計算不同傾角對效率和發(fā)電量的影響，這個影響可以用在太陽能組件板面上的日平均輻照強度來量化，輻照強度越大則電池板的效率越高，發(fā)電量也越大。如表5-10是在最佳傾角時斜面上的輻照強度表：表5-10最佳傾角（51度）輻照度表地點緯度最佳傾角一月二月三月四月五月六月沈陽地區(qū)北緯41°46′51°395.3498.8538.7504.2482.5426.9七月八月九月十月十一月十二月390.2424.6519.1507.0421.8368.2經(jīng)過計算比較，取51°最為合適，所以固定式安裝的最佳傾角為51°5.9LED路燈工程設(shè)計5.9.1LED路燈道路照明設(shè)計（1）燈具布置道路照明設(shè)計應(yīng)根據(jù)道路和場所的特點及照明要求，選擇常規(guī)照明方式或高桿照明方式，常規(guī)照明燈具的布置可分為單側(cè)布置、雙側(cè)交互布置、雙側(cè)對稱布置、中心對稱布置和橫向懸索布置五種基本方式，如圖1.采樣常規(guī),,照明方式時，應(yīng)根據(jù)道路橫斷面形式,、寬帶及照明要求進行選擇，并應(yīng)符合下列要求：（1）燈具的懸挑長度不宜超過安裝高度的1∕4。（2）燈具的仰角不宜超過15o。燈具的布置方式、安裝高度及間距可按表5-11經(jīng)計算后確定。表5-11燈具的配光類型、布置方式與燈具的安裝高度、間距的關(guān)系配光類型截光型半截光型非截光型布置方式安裝高度（m）間距S（m）安裝高度H（m）間距S（m）安裝高度H（m）間距S（m）單側(cè)布置H≥WeffS≤3HH≥1.2WeffS≤3.5HH≥1.4WeffS≤4H雙側(cè)交互布置H≥0.7WeffS≤3HH≥0.8WeffS≤3.5HH≥0.9WeffS≤4H雙側(cè)對稱布置H≥0.5WeffS≤3HH≥0.6WeffS≤3.5HH≥0.7WeffS≤4H注：Weff：路面有效寬度（m）。采用高桿照明方式時，燈具及其配置方式，燈桿安裝位置，高度，間距以及燈具最大光強的投射方向，應(yīng)符合下列要求?？砂床煌瑮l件選擇平面對稱，徑向?qū)ΨQ和非對稱三種燈具配置方式。配置在寬闊道路及大面積場地周邊的高桿燈宜采用平面對稱配置方式；布置在場地內(nèi)部或車道布局緊湊的立體交叉的高桿燈宜采用非對稱配置方式。（1）燈桿不能設(shè)在危險地點或維護時嚴重妨礙交通的地方。（2）燈具的最大光強投射方向和垂線交角不宜超過65o。（3）市區(qū)設(shè)置的高桿燈應(yīng)在滿足照明功能前提下與環(huán)境協(xié)調(diào)。5.9.2單臂燈的工程安裝步驟單臂燈的工程安裝步驟如下：（1）燈桿在運輸時應(yīng)采用塑袋封閉的包裝形式，捆綁形式采用矩形包，中間用鋼包帶捆扎。燈盤運輸時采用裝箱運輸形式。（2）當燈具運至施工現(xiàn)場后，開箱復檢配件是否齊全。（3）利用5T起吊將燈桿吊起，安裝燈臂、太陽能電池板以及燈具，并保證螺