（检测技术与自动化装置专业论文）双能源道路照明系统的研究.pdf

江苏大学学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授 权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国学位论文全文数据 库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社将 本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查 询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：狃鸡氆 q 年6 其1 日 指删獬夯乏 3 0 i 年6 月3 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不 包含为获得江苏大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 饮热穆 日期：) o t l 年6 月侈日 江棼人学硕上学位论文 摘要 随着化石能源的日益紧缺和人们环保意识的不断加强，丌发与应用绿色新能 源迫在眉睫，光伏发电技术更足倍受关注，道路照明是城市公共用电的重要组成 部分，利用太阳能实现绿色照明系统具有重要意义。然而，由于目前光伏发电的 效率还比较低，单纯利用太阳能还不能满足全天候条件下道路照明的需要。因此， 研究与丌发双能源互补的道路照明系统是一个具有较大现实意义的研究课题。 本文针在分析了光伏发电技术与道路照明系统发展现状的基础上，提出了适 用于双能源道路照明系统的总体设计方案。旨在保证最大程度利用太阳能，市电 作为备用电源，设计了以单片机8 9 l p c 9 3 6 为核心的专用智能控制器，实现了对 蓄电池充放电方式的改进。首先，通过对铅酸蓄电池的充放电过程以及传统三阶 段充电模式的分析，依据蓄电池电压的测量以及温度补偿值的计算，采用p w m 原理，实现了对充电电压的控制。当蓄电池电压接近峰值时，采取脉冲式的涓流 充电方法，解决了蓄电池过充电的问题。其次，研究了双能源自动切换的原理， 以蓄电池的剩余电量为判断依据，提出了采用固态继电器实现双能源自动切换的 方法。完成了电源变换、数据采集、自动切换等模块的软硬件设计，详细设计了 各模块的电路结构、相关参数及实现软件，解决了纯太阳能路灯对能量的需求问 题。 最后，对本文设计的专用智能控制器在硬件方面、软件方面和抗干扰方面进 行了测试，测试结果表明改进的控制器的各项性能指标均达到了设计要求。通过 对整个系统的模拟试验表明，该系统具有较高的稳定性和可靠性，且能够保证太 阳能年平均供电率达到7 0 以上。 关键词：双能源，道路照明，光伏，自动切换，充放电，8 9 l p c 9 3 6 双能源道路照明系统的研究 ab s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gs h o r t a g eo ff o s s i lf u e l sa n dt h es t r e n g t h e n i n go fe n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a w a r e n e s so fp e o p l e ，d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fn e wg r e e ne n e r g yi si m m i n e n t ，p h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi sg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n r o a dl i g h t i n g i sa ni m p o r t a n t c o m p o n e n to fu r b a np u b l i ce l e c t r i c i t ya n di ti si m p o r t a n tt oa p p l ys o l a re n e r g yf o rg r e e nl i g h t i n g b e c a u s eo ft h el o we f f i c i e n c yo fs o l a re n e r g yp o w e rg e n e r a t i n g ，u s i n gs o l a re n e r g ya l o n ec a nn o t m e e tt h en e e d so ff u l l - t i m er o a dl i g h t i n g c o n s e q u e n t l y , r e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p i n gd u a l - e n e r g y s t r e e tl a m ps y s t e mh a v eg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nv i e wo ft h ea b o v ed e f i c i e n c y , as p e c i a li n t e l li g e n tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e db a s e do nt h e 8 9 l p c 9 3 6m c uo nt h eb a s i so fu s i n gs o l a re n e r g ya n dt h ea ca sb y p a s ss u p p l y t h ew a yo ft h e b a u e r yc h a r g ea n dd i s c h a r g ei si m p r o v e da n dt h eo v e r a l l d e s i g ns c h e m ei s f o r m u l a t e df o r d u a l e n e r g ys t r e e tl a m ps y s t e m f i r s to fa l l ，t h ec h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s so ft h el e a d - a c i d b a k e r ya n dt h ed e f i c i e n c yo ft h et r a d i t i o n a lt h r e es t a g ec h a r g i n gm o d ei sa n a l y z e d t h ep w m p r i n c i p l ei sp r o p o s e d ，b a s e do nt h em e a s u r e m e n to fb a u e r yv o l t a g ea n dc a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r e c o m p e n s a t i o nv a l u et or e a l i z et h ec h a r g i n gv o l t a g ec o n t r o l l a t i o n w h e nt h eb a u e r yv o l t a g en e a r t h ep e a k ，t h et r i c k l ec h a r g i n go f p u l s et y p ei st a k e n i no r d e rt or e s o l v et h ep r o b l e mo fb a t t e r y o v e r c h a r g e s e c o n d l y , t h ep r i n c i p l eo fd u a l e n e r g ya u t o m a t i cs w i t c h i n gi sr e s e a r c h e d t h em e t h o d o fd u a l - e n e r g ya u t o m a t i cs w i t c h i n gi sp r o p o s e db yu s i n gs o l i d s t a t er e l a yb a s e do nt h er e m a i n i n g o fb a u e r yp o w e r a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h eg e n e r a ls c h e m e ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g no fm o d u l e ss u c ha sp o w e rc o n v e r s i o n ，d a t aa c q u i s i t i o na n ds oo nh a v eb e e nc o m p l e t e d a n dt h e np r o b l e mo fe n e r g yd e m a n di sr e s o l v e d f i n a l l y , t h ew r i t e rt e s t e dt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es p e c i a li n t e l l i g e n tc o n t r o l l e ra n d d r o v et h er e s u l tt h a tt h ei m p r o v e dc o n t r o l l e rm e e t st h et a r g e tr e q u i r e m e n t s t h er e s u l t so f s i m u l a t i o nm e a s u r e m e n ti nl a b o r a t o r ys h o wt h a tt h i sc o n t r o l l e ri ss t a b l ea n dr e l i a b l e ，f u r t h e r m o r e ， i tc a ng u a r a n t e et h a ta n n u a la v e r a g ep o w e rs u p p l yr a t ei su pt o7 0 k e yw o r d s ：d u a l e n e r 9 5s t r e e tl a m p ，p h o t o v o l t a i c ，a u t o m a t i cs w i t c h i n g ，c h a r g ea n d d i s c h a r g e ，8 9 l p c 9 3 6 i i 江苏人学硕l j 学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 双能源道路照明系统研究的背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 光伏发电的囝内外发展现状2 1 2 2 太阳能路灯的研究现状及发展趋势3 1 3 论文的主要工作5 第二章双能源道路照明系统的总体设计7 2 1 总体设计方案与控制策略7 2 2 光伏电池的研究8 2 2 1 光伏电池的工作原理8 2 2 2 光伏电池的等效电路一：9 2 2 3 光伏电池的伏安特性1 0 2 2 4 光伏电池的安装原则1 1 2 3 储能系统的研究1 3 2 3 1 铅酸蓄电池的工作原理1 3 2 3 2 铅酸蓄电池的充放电特性1 3 2 4 容量计算及型号选择l5 2 5 充放电控制策略的改进1 6 2 5 1 充电控制策略的改进1 6 2 5 2 放电控制策略的改进l7 2 6 小结17 第三章双能源道路照明系统的硬件设计。1 8 3 1 专用智能控制器的技术指标1 8 3 2 硬件总体设计l8 3 2 1 硬件结构框图l8 3 2 2 主控芯片的选型19 3 3 电源电路设计2 0 3 3 1 稳压电源电路设计2 0 3 3 2d c d c 升压电源电路设计2 l 3 4 采样电路设计2 6 3 4 1 太阳能电池电压采样电路2 6 双能源道路照明系统的研究 3 4 2 铅酸蓄电池电压检测电路2 7 3 4 3 铅酸蔷电池电流检测电路2 9 3 5 充放电电路设计2 9 3 5 1 充电控制电路2 9 3 。5 2 放电控制电路3 0 3 6 显示电路3 3 3 7 温度补偿电路3 4 3 7 小结3 5 第四章系统软件设计。3 6 4 1 软件总体设计3 6 4 2 白天处理模块3 7 4 3 夜晚处理模块3 8 4 41 2 c 读写模块3 9 4 5 系统软件抗干扰措施4 l 4 5 1 a d 采集的数据处理4 l 4 5 2 阈值判断的软件滤波4 l 4 5 3 数据的保护与恢复4 2 4 6 小结4 2 第五章双能源道路照明系统的实验4 4 5 1 系统的调试4 4 5 1 1 硬件调试4 4 5 1 2 软件调试4 5 5 1 3 抗干扰测试4 5 5 2 实验结果与分析4 6 5 2 1 充电实验4 6 5 2 2 放电实验4 7 5 3 小结4 9 第六章总结与展望5 0 6 1 总结5 0 6 2 展望5l 参考文献5 2 致谢 攻读硕士学位期间发表的论文。5 7 i v 江苏人学硕：f j 学位论文 第一章绪论 1 1 双能源道路照明系统研究的背景 在2 0 世纪，煤炭、石油、天然气等化石能源足人类能源结构中的主要能源。 经过数千年的丌采，特别是近百年来的消耗，化石能源已经消耗殆尽，人类社会 面临着前所未有的能源危机。在2 1 世纪初进行的世界能源储备的调奁显示：煤 炭资源的可采量为2 2 7 年，石油资源为3 9 9 年，天然气资源为6 1 年。由此可见， 依赖化石能源的产业，其前景令人担忧。 在1 3 亿人口的中国，化石能源储量情况更是堪忧。按2 0 0 0 年底的统计显示， 经济上可以开发的能源总储量约占世界总量的1 0 1 ，而能源剩余可丌采总储量 的结构为：原煤占5 8 8 ，原油占3 4 ，天然气占1 3 ，水资源占3 6 5 。我 国能源经济可丌发剩余可采储量的资源保证程度仅为1 2 9 7 年【i j 。 因此，节约化石能源以及寻找开发可再生能源已成为社会发展的当务之急。 在可再生能源中，水能已经得到了广泛的利用，能够有效替代化石能源，带来生 产效益，但水资源和化石能源一样，都是有限的，储量并不容乐观。太阳能和风 能是一种取之不尽、用之不竭的新能源，所以太阳能在能源比较匮乏的今天显得 格外重要。根据国际权威机构的预测，可再生能源在能源结构中的比例将在2 0 5 0 年超过5 0 ，如表1 1 所示1 2 j 。 表1 1 可再生能源和太阳能在未来能源结构中的比例( ) 太阳能的利用主要有光热利用和光伏发电利用这两种主要形式。光热利用目 前已具有可观的规模，相关技术研究也比较成熟。光伏利用近期在世界范围内高 l 双能源道路照明系统的研究 速发展，所谓“光伏发电”是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。光伏发 电具有取之不尽且无污染等优点，目前在我国，光伏发电主要应用在如下领域： 西部偏远地区电力供应、通讯及交通设施、气缘台站、航标灯和照明路灯【3 l 。 其中，太阳能路灯以其节能性、经济性和实用性等优点，在众多应用领域具 有最广泛的发展前景。然而目前使用的太阳能路灯，不但在能源效率上无法满足 道路照明的要求，且无法实现连续阴雨天的正常工作，造成太阳能路灯问断性罢 工，不能完全发挥其节能环保的优点。即使有的能实现连续阴雨天的工作，但其 功率匹配余量都预留过大，造成浪费，十分不经济。因此，开发利用双能源道路 照明系统是当前的迫切需求。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 光伏发电的国内外发展现状 进入2 l 世纪以来，环境污染和能源危机越来越制约着人类的发展，大力发 展可再生能源已成为当务之急，太阳能的开发利用是世界各国政府可持续发展的 战略决策。 在世界各国尤其是美、r 、德等西方发达国家先后发起的大规模光伏发电计 划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，世界光伏产业近年来保持着年均高达3 0 的增长势头，是目前发展最快的产业之一1 2 j 。 1 9 5 8 年中国开始研制第一片晶体硅光伏电池。1 9 6 9 年，半导体所停止了硅 太阳电池研发，随后，天津1 8 所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道 卫星研制生产太阳电池阵。1 9 7 5 年宁波、开封先后成立太阳电池厂，电池制造 工艺模仿早期生产空间电池的工艺，太阳能电池的应用开始从空间降落到地面。 中国的光伏产业在8 0 年代以前尚处于雏形，光伏电池的年产量一直徘徊在1 0 k w 以下，价格也很昂贵。由于受到价格和产量的限制，市场的发展缓慢。在1 9 8 1 1 9 9 0 年间，中国弱小的光伏产业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范工程， 如微波中继站、部队通信系统、农村载波电话系统、小型户用系统等。到2 0 0 0 年，中国的光伏电池年产量已达3 m w ，累计用量己超过1 5 m w 。从1 9 9 6 年到 2 0 0 0 年，中国的光伏发电技术无论是在产业化方面还是在应用方面都取得了巨 2 江苏人学硕i j 学位论文 大的进展。截止到2 0 0 4 年，中国已在光伏水泵、独立运行逆变器、并网逆变器、 通信用控制器、光伏电站、风光互补电站、光伏户用系统和并网发电系统的丌发 上取得一定经验。 2 0 0 8 年，世界太阳能电池导入量达到了5 。5g w 以上，其巾8 0 以上的新增 导入量位于欧洲地区。德国和西班牙又是欧洲光伏产业的龙头，2 0 0 8 年，西班 牙推出了优厚的光伏产业补贴政策，使其国内光伏产业出现了爆发式发展的态 势，一度占据了世界光伏电池产量的三分之一强；2 0 0 9 年德目光伏组件安装量 高达3 2 0 0 m w ，占全球总安装量的5 0 4 。这两大传统光伏大国对能源政策的转 变给欧洲乃至【廿界光伏市场带来了沉重的打击。与此同时，许多新兴光伏市场也 迅速崛起，例如美国的光伏产业在小布什时代，已获批准八年退税优惠，专家们 预测美国的光伏市场将有5 0 的增长，关键就在于美图经济何时恢复。但是即便 加州和整个美国的市场在2 0 0 9 年增长达1 0 0 ，至多才达到与西班牙相同的5 0 0 兆瓦水平。美国未来的光伏市场是健康的i 数个较大的光伏发电计划在进行中， 如j 下在规划中的由p g & e 公司在加州建设的8 0 0 m w 项目等。预计未来几年，美 国的可再生能源与太阳能市场都将到达一个新的高度t 4 】1 5 1 。 目前，光伏产业是全球发展最快的新能源产业之一，光伏电池发电具有充足 性，清洁性，安全性、广泛性、和免维护性等优点，被公认为是2 1 世纪最重要 的新能源，根据国际能源组织( 1 e a ) 预测，2 0 2 0 年全球光伏电池组件年产量将 达4 0 g w ，光伏发电总装机容量将达2 0 0 g w ；到2 0 4 0 年，光伏发电量将达 7 3 6 8 t w ，占全球总发电量的2 0 ，专家预测光伏发电将在二十一世纪前半期超 过核电成为最重要的基础能源之一。 1 2 2 太阳能路灯的研究现状及发展趋势 目前，日本、德国、美国等发达国家对于独立光伏系统的研究主要侧重于以 下三个方面：提高太阳能电池的输出功率、完善蓄电池充电策略和提高系统稳定 性。 从2 0 0 2 年至今，我国的光伏产业发展迅猛，已成为世界光伏产业和市场发 展最快的国家之一。其中太阳能光伏照明技术是太阳能利用的重要手段之一，也 越来越受到能源行业和照明行业的关注，大力推广使用包括照明灯具在内的光伏 双能源道路照明系统的研究 系统产品，是解决困扰我国经济发展中能源紧缺问题的有效途径。太阳能路灯是 一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响、不需开沟埋线、不消 耗常规电能、只要阳光充足就可以就地安装等特点，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。太阳能路灯既可用于城镇公园、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，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的照明问题1 6 j 。 据有关统计数字显示，目前我国城市照明( 包括景观照明和路灯等的功能照 明) 的年用电量，约占全国总发电量的4 至5 ，相当于三峡水电工程的8 4 0 亿 度发电能力。然而，我国一些公共场所的照明( 如交通隧道、街道、公园、住宅 小区等) 大多是采用传统的供电照明方式，路灯大多不是节能型的，路灯的光源 主要为高压钠灯和汞高压钠灯。另外，我国每年新增各种路灯5 0 0 0 万盏，如果， 其中1 采用太阳能路灯，那将为国家= 符约电量7 亿度，相当于每年送给国家一 座没有任何消耗，没有任何污染的1 0 万k w 的发电厂。资料统计：“如果在全 国推广使用3 亿只太阳能路灯，其节能效果相当于新建一个三峡工程的总发电 量”。因此，充分利用太阳能路灯是落实国家建设资源节约型、环境友好型社会 的一项重要举措f 7 1 。 2 0 0 8 年奥运会时，场馆周围8 0 至9 0 的路灯利用太阳能发电。青岛奥帆 中心共安装有1 6 8 盏太阳能路灯，每盏可供3 5 w 钠灯每天照明8 h ，每年节电约 1 7 1 0 4 k w h 。青岛奥帆中心在场馆建设中倡导“科技奥运，绿色奥运”的理念， 大量利用太阳能、风能等清洁能源，成为集循环经济示范和新能源应用为一体的 现代化赛场1 8 j 。 德国和r 本在太阳能应用照明领域也走在世界前列，据有关专家预测，如果 能够实现用太阳能照明，则今后2 0 年内同本将无需新建发电厂。 自从9 0 年代太阳能照明系统被研发成功，一直备受环保界人士的关注。世 界各国的照明企业都在太阳能道路照明上进行了大量的研究与实践，特别是以飞 利浦、松下、g e 、欧司朗等为代表的国外大型照明企业更是取得了实质性的进 展。国内的上海宏源、杭州元光德、深圳格林莱等一批企业也在太阳能照明领域 进行了大胆的尝试，开发出一系列产品。 近年来，太阳能路灯在美国、法国、日本等发达国家得到广泛应用，在我国 4 江苏人学硕i j 学位论文 则处于起步阶段。随着我困城市道路建设规模的不断扩大，也有很多厂家对太阳 能路灯进行了开发研制，并形成产品销售，它以无需敷设电缆、不消耗常规能源、 使用寿命长等优点得到了社会的广泛认可，很多城市和乡村也- 丌始以试验或示范 的形式，在部分地区、部分道路推广使用太阳能路灯，并收到了一定的效果。国 内企业虽在这一新兴产业方面投入了大鼍的资金、技术，但仍存在许多技术方面 的l 、u j 题，导致太阳能路灯在国内的应用受剑限制。为了提高太阳能道路照明系统 的利用率和可靠性，为了克服照明系统囚缺电带来的不足，在太阳能道路照明系 统的发展中，人们通过对照明系统常用的控制模式不断进行深入分析，提出了各 种实际可行的工作模式，同时太阳能照明的光源也在不断的更新换代，使太阳能 的有效利用率越来越高，因此在太阳能各个组成部分的发展中，太阳能照明系统 也在不断地趋于完善1 9 j 。 针对当前太阳能路灯存在的不足，本文提出将太阳能与常规电源进行有机结 合，在最大程度的利用太阳能，而将常规电源作为备用能源的基础上，保证太阳 能年平均供电率达到7 0 以上，相比传统的太阳能路灯照明系统，双能源道路照 明系统不需要动用大量的人力、物力和投入大笔建设资金，不需要进行开挖布线， 只需对现有的道路照明系统进行改造，加装部分装置就可投入运行，不仅连续工 作能力强，性价比高，更重要的是节约了能源，保护了环境，符合国家节能减排 的基本国策。 从长远角度看，双能源道路照明系统这个市场逐渐被看好，在未来十年将 会得到普及，成为未来照明行业的发展趋势。特别是在能源紧张、拉闸限电的 城市道路照明中，有着很强的可推广性。 1 3 论文的主要工作 双能源道路照明系统的研究是在纯太阳能路灯的基础上，进行的进一步设计 和完善，要求控制器能够根据蓄电池的剩余电量自动决定启动或停止太阳能市 电供电，该控制器具有启动响应迅速、自动化程度高、运行安全稳定、控制可靠 等优点。 本设计是以单片机为核心进行控制的。系统要求能够在蓄电池电量不足的情 况下，自动启用市电对负载进行供电；并在市电供电过程中，不断对蓄电池的电 双能源道路照明系统的研究 压进行实时检测，当蓄电池电量恢复后，自动停止由市电供电，并切换至蓄电池 供电模式。 本文主要做了如下工作： ( 1 ) 通过对光伏电池的工作原理和伏安特性以及蓄电池充放电特性的研究， 提出了对现有控制器的充放电控制策略的改进，在最大程度利用太阳能，而将市 电作为备用能源的原则下，完成了双能源道路照明系统的整体方案设计。 ( 2 ) 根据系统制定的整体设计方案，完成了双能源道路照明系统中专用智 能控制器的具体硬件电路设计。硬件电路主要包括：主控芯片基本电路设计、电 源电路设计、太阳能电池电压采样电路设计、铅酸蓄电池电压检测和电流检测电 路设计、充电控制电路设计、放电控制电路设计、显示电路和温度补偿电路设计， 并进行了电路板的绘制及电路的焊接。 ( 3 ) 在硬件设计的基础上，进行了系统的软件设计，首先分析了系统的整 体软件流程和控制策略，然后详细介绍了系统各部分的软件设计方案和抗干扰 措施。 ( 4 ) 将专用智能控制器应用于太阳能路灯，完成双能源道路照明系统的模 拟实验，并对得出的结果和数据进行了详细的分析。结果表明该设计达到了预期 的设计目标。 ( 5 ) 最后，对全文的工作进行了总结并对今后太阳能路灯的发展方向进行 了展望。 6 江苏人学硕i j 学位论文 第二章双能源道路照明系统的总体设计 2 1 总体设计方案与控制策略 太阳能道路照明系统实质上是一个小的独立光伏系统，主要由太阳能电池 板、蓄电池、控制器、灯具等组成。双能源道路照明系统足针对目前国内使用的 太阳能路灯，不但在能源效率上无法满足道路照明的要求，而且无法实现连续阴 雨天的正常工作，造成太阳能路灯间断性罢工，不能完全发挥其节能环保的优点。 即使有的能实现阴阿天的正常供电，但其功率匹配余量都预留过大，造成浪费， 十分不经济。因此，提出将太阳能与常规电源进行有机结合，在最大程度利用太 阳能的基础上，将常规电源作为备用电源，保证太阳能年平均供电率达到7 0 以上。系统的总体设计方案如图2 1 所示。 0 1 ! j | 、 太阳能 电池扳 l 溺 控制器 下上 市电 辔 r 流负载 围 蓄电池 图2 i 总体设计方案 在上图所示的双能源道路照明系统总体方案设计中，首先要解决的是怎样将 太阳能转换为电能。光伏电池就是利用半导体光伏效应制成的，它是一种能将太 阳辐射能直接转换为电能的转换器件。而将太阳辐射能转换来的直流电转化为化 学能储存起来的装置就是蓄电池，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳 定，所以一般需要配置蓄电池才能使负载正常工作。控制器在整个系统中起着至 双能源道路照明系统的研究 关重要的作用，其性能的好坏将直接影响到实际应用的效果，其主要任务是对所 发的电能进行调尊和控制。白天阳光照射到太阳能电池板时，电池板会产生电流， 当光照度达到一定值时，控制器控制太阳能电池对蓄电池的充电，为了延长蓄电 池的使用寿命，对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池的过充电及深度放电； 夜晚当光照度减小到一定值时，控制器负责对负载的供电，而该系统的供电电源 为蓄电池和市电两个不同的电源，因此控制器还应具有电源转换功能和双电源的 自动切换功能，使其满足当蓄电池的电压在正常范围内时，控制器控制开关接通， 由蓄电池给负载提供电能，当蓄电池的电压处于欠压或是过放状态时，控制器控 制开关截止，蓄电池停止对负载的供电，转为由市电对负载进行供电。在这个过 程中控制器起着给负载供电和保护蓄电池的作用。 系统各个部分的控制功能由单片机来完成。通过单片机的a d 口将采集到 的太阳能极板电压、蓄电池端电压和电流，经过单片机内部的控制算法运算后， 从单片机的输出端口输出控制信号，控制信号将实现对功率开关器件m o s 管的 开通与关断的控制，从而实现太阳能极板是否对蓄电池的充电，以及负载由蓄电 池供电还是由市电进行供电。本系统的硬件设计和软件编程均采用模块化管理， 确保整个控制系统的稳定性和可靠性。 2 2 光伏电池的研究 2 2 1 光伏电池的工作原理 硅原子的的原子核外有4 个带负电的电子。当由于受热及其他能量冲击时， 这些带负电的电子就会脱离原子核的束缚而成为能够到处移动的自由电子，这样 原来的位置由于少个电子而带上正电，我们称其为“空穴。对于纯净的硅晶体 来 兑，自由电子和空穴是成对出现的，所以硅晶体呈中性。但是如果在纯净的硅 中掺入硼、镓等三价元素，使之取代品格中硅原子的位子，就形成空穴型半导体， 即p 型半导体。在p 型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子，主要靠空穴 导电。空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多，多 子( 空穴) 的浓度就越高，导电性能就越强；如果在纯净的硅晶体中掺入磷、砷 等五价元素，使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了电子型半导体，又称为n 型 江苏人学硕 j 学位论义 半导体。这些杂质提供了带负电的电子载流子，称他们是主杂质或n 型杂质。 在n 型半导体中，自山电子为多子，空穴为少子，主要靠自由电子导电。自由 电子主要由杂质原子提供，空穴由热激发形成。掺入的杂质越多，多子( 自由电 子) 的浓度就越高，导电性能就越强。若把p 型和n 型这两种半导体联结在一 起，交界处便形成一个p n 结。当太阳能电池受到阳光直射时，电子由于受到 光能激发，继而向n 区移动，使n 区带上负电，同时p 区接受漂过来的空穴， 使p 区带正电。如此一来，在p n 结两端便产生了一定的电动势。这就是所谓 的“光生伏打效应”。如果在p 型和n 型两端加上导线，外围接上负载组成一个 凹路，那么就能产生电流和电压，达到光生电的效果【1 0 i i l 。实际中使用的太阳 能电池是将若干太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电 池组件，在太阳能的作用下就会输出功率足够大的电能，以满足负载的功率要求。 2 2 2 光伏电池的等效电路 光伏电池等效电路的理想形式和实际形式分别如图2 2 ( a ) 、( b ) 所示。 9 5z 一! i o i 【1 上 r si t 多 5： f 1 1 r 幽 上 。节一s 上 申r l j ( a ) ( b ) 图2 2 光伏电池的等效电路 其中，l p h 光生电流，它与入射光的强度和光伏电池的面积成正比。i d 为无光 照下的类似于二极管的暗电流。r 。为串联电阻，r 。h 为并联电阻。r 。是由于引线、 前面和背面的令属电极接触、基区和顶层的电阻以及材料的电阻引起的，它数值 很小，通常都在lq 以下。另外由于太阳能电池边沿的漏电或制作金属化电极时 电池的微裂纹、划痕等形成的金属电桥漏电，漏电会使一部分本应通过负载的电 流短路，用并联电阻r 。h 表示。r ；h 数值较大，一般都在千欧姆以上。理想情况下 r 。、r s h 都可忽略，因此理想的等效电路只相当于一个恒流源i p h 与一个二极管并 联。 由上述定义可列出光伏电池等效电路的方程为： 9 双能源道路照明系统的研究 厶= 厶( 唧等一t ) 亿t ， ，。= ，加一，。一u 妯t ) = 1 肚- i o e x p ( ! 掣) 一- 一j u i d c 2 2 ， i w = l _ l 。u 曲n 一百u d ( 2 3 ) = 等t n 睁t ) 亿4 ， 9 k o 其中，i o 为等效二极管的p n 结反向饱和电流，一般为常数，它的大小不受 光照强度的影响。i s c 为电池的短路电流，即光伏电池在光照条件下，在输出短 路( r l - 0 ) 时流过电池两端的电流。u p 为等效二极管的端电压，q 为电子电荷， 1 6 x 1 0 。9 c 。k 为玻尔兹曼常量，o 8 6 x 1 0 4 e v k 。t 为绝对温度。a 为p - n 结的曲 线常数。 理想形式下( r s - o ；r ；h _ ) 的等效电路方程为： 卜铲卜等“加一易 ( 2 5 ) 2 2 3 光伏电池的伏安特性 光伏电池的电气特性主要是指1 v 输出特性，也称伏安特性曲线，如图2 3 所示【l l 】【1 2 】。 图2 3 光伏电池的伏安特性曲线 1 0 江苏人学硕l ：学位论文 图2 4不同光照下的伏安特性曲线 通过图2 3 所示的伏安特性曲线可以看出，光伏电池在光照条件下输出电流 值为i f ，光伏电池的输出电流和输出电压均与太阳辐照的通量密度成正比。图 2 4 所示为不同的光照强度条件下，得到的不同的输出特性曲线。其中，伏安特 性曲线与电流轴的交点为短路电流i s c ，与电压轴的交点为开路电压u o c 。 通过图2 3 和图2 4 可知，光伏电池的输出电压与光照强度有关，因此可以 通过采样光伏电池两端的电压值来判断外界环境光线的强弱，从而由单片机输出 信号控制系统进入充电模式或放电模式。 2 2 4 光伏电池的安装原则 l 、光伏阵列的组成l l 2 j 单体光伏电池是光伏电池最基本的组成单元，又称为光伏电池单体。在使用 光伏电池供电时，由于光伏电池片本身容量小，所以其输出电压、输出电流和功 率都相对较小，一般来浣，输出电压只有o 5 v 左右，输出功率也只有l - - 2 w 。 不能满足作为电源应用的要求。因此要将几片、几十片或几百片电池单体合理地 连接起来，并封装成组件；在需要更大功率的场合，则需要将多个组件连接成方 阵，以提供数值更大的输出电流、输出电压。 将单体电池连接起来主要有串联和并联两种方式，也可以同时采用这两种方 式而形成串并联混合连接方式。实际应用中，太阳能电池的功率是按照用户要求 和负载的用电量及技术条件计算太阳能电池组件的串、并联数，方阵的输出功率 与组件的串并联的数量有关，串联是为了获得所需要的工作电压，并联是为了获 双能源道路照明系统的研究 得所需要的工作电流。在将太阳电池组件进行串并联组装成方阵时，应注意以下 几点： ( 1 ) 串联时需要将工作电流相同的组件连接在一起，并为每个组件并接一 个旁路二极管，以防止其中某个组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时，阻碍 其它正常组件的发电，同时也保护太阳电池组件避免受到较高的正向偏压或由于 “热斑效应”发热而损坏。 ( 2 ) 并联时需要将工作电压相同的组件连接在一起，并在每一条并联线路 中串接一个阻塞二极管，以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流 向弱电流支路。 ( 3 ) 尽量考虑组件互连接线最短原则。 2 、安装角度 为了使光伏阵列获取更多的太阳辐射能量和更多的同照时间，除了考虑提高 光伏材料的能量转换效率外，还要考虑光伏阵列的放置方位，其放置的角度应满 足在正午时阳光能垂直射入采光面，一般选择朝南方向的安装场所，倾斜角为 2 0 0 - - 5 0 0 。由于地理纬度不同，所以太阳能电池板面与地面的夹角亦有所不同， 通常高纬度地区夹角大一些，低纬度地区夹角小一些，本文中的双能源道路照明 系统使用地区在长江下游一带，依据该设计参考的有关文献中的资料，选定太阳 能电池板的倾斜角为4 0 0 ，从而最大限度地利用太阳能。此外还应注意，对太阳 能电池还要根据公式进行耐风压、抗地震等的强度计算。 3 、阴影要求 一般情况下，在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。 如果太阳能电池不能被日光直接照到，此时的发电量比无阴影时要减少约1 0 2 0 。因此，在安装光伏阵列时，要尽量避免周围的建筑物、树木和片- 日了b 光伏电 池板的阴影遮挡在电池板上，影响其对太阳辐射能量的吸收。由于太阳的高度角 越小，建筑物的阴影就越长，因此太阳方位角最小为1 2 月份。为了使光伏阵列 在一天内完全避免建筑物阴影对它的影响，需要计算出建筑物从早上8 点到下午 4 点阴影移动的范围。 具体的太阳电池方阵的安装，在合理确定倾斜角的同时，还应进行全面的考 虑，才能使方阵达到最佳状态。 江苏人学硕l j 学位论文 2 3 储能系统的研究 在独立光伏发电系统中，蓄电池是不可或缺的储能部件。蓄电池的特性直接 影响光伏发电系统的工作效率、可靠性和价格。因此蓄电池的充放电方式是整个 光伏系统设计的重要组成部分。 2 3 1 铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池的正极活性物质是二氧化铅( p b 0 2 ) ，负极活性物质是海绵状金 属铝( p b ) ，电解液是稀硫酸( h 2 s 0 4 ) ，其j 下常充、放电的化学反应式为 尸6 d 2 + 2 h 2 s o , + p b 2 p b s 0 4 + 2 致0( 2 6 ) 当化学式( 2 6 ) 由左向右进行时，是铝酸蓄电池的放电反应，由右向左进 行时，是铝酸蓄电池的充电反应。 充电时，正极由p b s 0 4 转化为p b 0 2 ，j 下极板中储存由电能转换成的化学能； 负极由p b s o a 转换成海绵状的助，负极板中储存由电能转化成的化学能。 放电时，正极由p b 0 2 转化为p b s 0 4 ，将化学能转化为电能对负载进行供电， 负极由海绵状的p b 转化为p b s 0 4 ，将化学能转化为电能对负载进行供电。 其一负极的电解反应方程式如下： 正极p b o a + 4 + + s 0 4 2 - + 2 e - # 半肋s q + 2 h 2 0 ( 2 7 ) 负樱p b + s o , 2 一e 睾尸6 s q + 2 p 一 ( 2 8 ) ( 2 7 ) 和( 2 8 ) 的反应方程式从左到右为放电过程，从右向左为充电过程。 放电反应和充电反应互为可逆反应| 1 3 】1 14 1 。 当正、负极板和电解液组成一个蓄电池时，在正、负极板上各自形成了正、 负电极电位。这种电极电位是由离子扩散所引起的，是一个热力学的不可逆过程。 电解液的浓度一经确定，电极电位随之确定。整个蓄电池的电动势就是正负极板 上所有界面电极电位的代数和。 2 3 2 铅酸蓄电池的充放电特性 铅酸蓄电池具有储能大、安全和密封性能好、寿命长、免维护等优点，在独 1 3 双能源道路照明系统的研究 立光伏发电系统中是必不可少的。铅酸蓄电池的充、放电特性曲线分别如图2 5 和2 6 所示。 电压( v ) 2 8 0l23 4 567891 0l i1 2 以额定率充电的小时数( h ) 图2 5 充电过程