太阳能LED照明系统的设计最终方案

1、太阳能LED照明系统的设讣最终方案目录中文摘要ABSTRACT第一章引言1.1选题的背最和意义11.2国内外光伏发电发展现状1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点12.2我国光伏产业发展现状1.3光伏电源具有以下优势1.4新一代照明光源白光LED1.5论文的研究目的和意义第二章 太阳能LED照明系统的总体设计2.1太阳能LED照明系统的基本结构2.2控制器的整体结构第三章太阳能电池板3.1太阳能的工作原理和特性3.1.1太阳能电池的基本原理3.1.2太阳能电池的特性曲线3.2太阳能电池的最大功率跟踪3.2.1最大功率点跟踪原理3.3本系统采用的MPPT控制方式3.3.1功率比较法3.3.1.

2、1功率比较法原理3.3.1.2功率比较法的算法设计3.4本章小结第四章主体电路的设计4.1整体电路设计4.1.1电源电路设计4.1.2 LED驱动电路4.2单片机的算法实现4.3 DC/DC变换器式254.3本系统采用的MPPT控制方式294.3.1功率比较法294.3.2最大功率的模糊控制324.4本章小结第五章太阳能LED照明系统光源优化的研究345.1超高亮白光LED的原理和特性345.1.1发光原理345.1.2工作特性345.2 LED照明系统光源亮度的提高方案355.2.1光度量参数及其测量方法355.2.2主要技术改进365.2.3 LED 的布板375.3 LED照明光源散热问

3、题的研究375.3.1半导体制冷的工作原理385.3.2半导体制冷的散热效果395.3.3半导体制冷的设计405.4本章小结40六章结束语416.1本文所做的工作及得到的结论41有待于进一步研究的问题41考文献43谢46录47学期间发表的学术论文和参加的科研情况529 / 499 / 49第一章引言1.1选题的背景和意义在世界能源短缺，环境污染日益严重的今天，充分开发并利用太 阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能LED照明系 统以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无 需架设输电线路或挖沟铺设电缆，可以方便安装在广场、校园、公园、 街道等多方面的优点而越来越受重

4、视。我国在1996年提出了 “绿色照明工程”，主要就是为了解决与 照明相关的能源供应和经济效益问题。绿色照明的科学定义为：绿色 照明是指通过科学的照明设计采用效率高、寿命长、安全和性能稳定 的照明电器产品（电光源、灯用电器附近、灯具、配线器材，以及调 光控制和控光器件），改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量, 从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代 文明的照明。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了 “绿色照明 工程”计划，并取得了显著效果。照明的质量和水平己成为人类社会 现代化程度的一个重要标志之一，成为人类社会可持续发展的一项重 要的措施。作为固体光源的LED发光

5、二极管，真正点燃了 “绿色照明”的光 辉，被认为是21世纪最有价值的新光源，将取代白炽灯和日光灯成 为照明市场的主导，使照明技术面临一场新的革命，从而一定程度上 改善人类的生产和生活方式。LED照明的应用前景在全世界掀起了高潮，被给了了厚望。目鬲照明消耗约占整个电力消耗的20%,大幅降低照明用电是节 约能源的重要途径。开发和应用更高效，可靠，安全，使用寿命长的 新型太阳能节能光源势在必行。一般的太阳能LED照明系统如下图 1-1所示，其实质是一个小的独立光伏系统，主要由几大部分组成， 即太阳能电池.蓄电池.控制器.LED光源。太阳能电池板 控制器蓄电池 LED光源图1-1太阳能LED照明系统结

6、构图太阳能路灯控制器主要采用脉宽调制充电方式，具有过充、过放、 短路保护和过充点的温度自动补偿功能。在独立太阳能发电系统中， 为了降低成木、提高效率和可靠性，应该既保证光伏阵列处于最佳工 作状态，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电 能。但在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，在设计充电控 制时通常只顾及到一个方而，如何兼顾三者的关系，寻求最优充电控 制策略，是一个设计难点。针对目前的太阳能照明路灯系统所存在的 问题，木文通过对典型的照明控制器进行优化设计，将最大功率跟踪 技术引入太阳能LED照明系统中，保证光伏阵列工作在最佳工作状 态，以提高系统的工作效率。从而使整个路灯

7、系统的可靠性得以提高。 研究和开发光效更高、更节能、更能适合太阳能灯具发展的LED新型 发光源就显得势在必行。新型LED发光源的开发与利用，可以提高光 源亮度，降低功率消耗，提高发光效率，降低整体太阳能灯具的功率 匹配，从而降低太阳能灯具成本，使其性价比提高，在节能环保和太 阳能灯具的市场普及方面具有重大的现实意义。1.2国内外光伏发电发展现状1839年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，1954年美国贝尔实验 室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳电池。在可再生能源中， 太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一。最近10年太 阳电池产量年平均增长率为37%,最近五年的年平均增长率为45%O

8、发展可再生能源的时代己经到来传统的化石能源H益枯竭，并且利用 过程中严重污染环境制约了世界经济的可持续发展。能源的需求有增 无减，能源资源已成为重要的战略物资。而太阳能是最有发展前景的 可再生能源。1. 2. 1世界光伏产业的新进展及应用特点。1997年，美国提出“百万太阳能光伏屋顶”计划，预计2010年 完成。同年，日木“新阳光计划”，到2010年将生产43亿瓦光伏电 池。同年，欧盟提出“百万光伏屋顶计1999年，德国实施“十万光 伏屋顶计划”，并实行低息贷款。近年发达国家还制定了 “研发路线 图”。在光伏应用和安装方面，德、日、美依然是世界上三个最主要的 光伏应用市场。年全球安装太阳电池组

9、件1460MW,比前一年增长了 34%。德国安装837MW,比前一年增53%;占世界安装量的57%;日木安 装292MW,比前一年增长了 14%,占世界安装量的2美国安装102MW, 占世界安装量的7%;欧洲其它地区安装88MW,占世界安装量的6%;其 它地区安装146姗，占世界安装量的10%。1.2.2我国光伏产业发展现状1958年，我国开始研究太阳电池。1971年，首次将光伏电池成 功应用于东方红2星。1973年，开始太阳电池地而应用。从上世纪 70年代初到80年代末，由于成本高，阳电池在地面的应用非常有限。 90年代以后，随着成木的降低，太阳电池向工业领域和村电气化应 用方向发展。市场稳

10、步扩大，国家和地方政府开始制订光伏计划。2002 年，家发改委启动了 “送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速发 展起来，总装机容量从2年的23500kw迅速增长到2002年的45000kw, 至2003年达到55000kwo 20032005年,德国巨大的市场需求影响, 国内光伏企业产能迅速扩展，产量迅速增长。1.3光伏电源具有以下优势(1) 可靠。光伏电源很少用到运动部件，工作可靠。目前己有数 千套光伏系统的运行验，晶体硅的寿命可达20年以上。(2) 安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体，液体和气体 有害废弃物，噪音几没有，无环境污染和公害问题。(3) 安装维护简单，运行成本低，适合无

11、人值守等优点。(4) 兼容性好，光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据 需要而使光伏系统任增容。(5) 标准化程度较高，可由组件的串并联满足不同用电的需要， 通用性强。(6) 太阳能无处不有，应用范围广。1. 4新一代照明光源一白光LED近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突岀，人们迫切 希望应用节能环保的新技术。而半导体照明正是具有这种魅力的新技 术。所谓半导体照明，是以半导体发光二极管(Lightning Emitting Diode, LED）作为光源的照明。应用半导体p结发光原理制成LED问 世于20世纪60年代初。在早期，由于LED光色、发光效能、光通量、 光功率和价格等方

12、面的限制，主要应用于指示、显示领域，如电子电 气、热工仪表、自动化系统、通信设置、宇航空间开发、家用电气、 交通运输工具中作为指示灯、告示牌、警戒灯以及信息广告、显示牌 等。90年代以来，随着氮化稼为代表的第三代半导体的兴起，以及 口色LED的成功研制，使LED照明成为可能。口光LED被认为是21 世纪最有价值的新光源，口光LED照明取代传统照明而成为人类照明 的主要方式，将是大势所趋。“绿色照明”是九十年代初国际上对节 约电能、保护环境的照明系统的形象性说法。许多发达国家和部分发 展中国家先后制订了 “绿色照明工程”计划，并取得了显著效果。照 明的质量和水平己成为人类社会现代化程度的一个重要

13、标志之一，成 为人类社会可持续发展的一项重要的措施。作为固体光源的白光LED, 真正点燃了 “绿色照明”的光辉。口光LED照明的应用在全世界掀起 了高潮，被寄予了厚望。美国能源部预测，到2010年将会有55%的 白炽灯和荧光灯被半导体灯替代，每年可节电350亿美元。而我国科 技部有关领导提出：我们要以2008年北京奥运会和2010年上海世博 会为契机，推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导 体照明工程”计划2007年半导体照明逐步取代白炽灯，2012年后取 代荧光灯。目前，白光LED在发光强度方面，轴向己达到ZOcd以上, 光效达50 一 701m/W;色温可在5000K 一 10

14、000K之间任意选择;显色 指数在80以上。完全能符合普通照明之需要。1.5论文的研究目的和意义在光伏应用领域，太阳能照明占有重要的地位和份额，而LED太 阳能路灯是一个具体而有价值的应用。太阳能与半导体LED照明的有 机结合，能有效发挥二者的优势。在该照明系统中，包括硬件和软件 两方而，从硬件上来说，要配备性能可靠、价格合理的光伏配套部件, 如太阳能电池、蓄电池、控制器及灯具等。在软件方而，则要对光伏 系统进行优化设计，包括确定合适的太阳能电池输出功率和蓄电池的 容量、负载的大小、控制方式等。这项工作十分重要，如果设计不当. 即使光伏配套部件再好，结果要么光伏系统不能正常运行，要么就是 容量

15、过大，造成很大浪费。所以，从一定意义上来讲，光伏系统设计 要比光伏器件更加重要。目前，光伏照明难以大面积推广的瓶颈不在于技术问题，而在于 成本价格问题。本课题拟在太阳能电池、蓄电池和LED负载三者间进 行合理测算、设计和实施以确定最佳匹配方案，优化系统设计，旨在 保证同样照明要求的前提下降低运行成本，提高性能价格比。第二章 太阳能LED照明系统的总体设计2. 1太阳能LED照明系统的基本结构太阳能LED照明优化系统主要由以下部分组成，即太阳能电池、 控制器、蓄电池、DC/DC、驱动电路、LED光源，如图2-1所示。图2-1太阳能照明系统结构框图太阳能LED照明系统在白天通过太阳能电池组件采集太

16、阳光的 能量，并将其转化为电能存储起来，在晚上点亮LED用于照明，是现 代化绿色环保节能产品。具有智能控制系统，全天候供电无需管理人 员。在系统设计时考虑连雨天气，把平时多余的电能储存到蓄电池内， 确保用于阴雨天有足够的电能使用。系统各个组成部分的主要功能如 下：(1) 太阳能电池阵列由许多太阳能电池组件串、并联而成，其合成的容量可以是数百 峰瓦(WP),也可达数个兆峰瓦(WP)甚至更大，组件可由单晶硅、多晶 硅、非晶硅或其它类型的太阳能电池组成。一般来说，光伏阵列由于 多为半导体器件构成，其特性(伏安特性)具有强烈的非线性。(2) DC/DC (直流-直流变换器)环节DC/DC环节是本系统的

17、关键组成部分，它是将固定的直流电压变 换成可变的直流电压，也称为直流斩波。在该环节中，由于太阳能电 池阵列具有强烈的非线性特性，通过控制开关闭合跟断开的时间(即 PWM脉冲宽度调制)，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压 来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。(3) 驱动电路驱动电路对输出的控制信号进行放大，产生满足功率器件正常工 作要求的驱动电压。(4) 蓄电池组蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而 成，其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配。该部分的主要 作用是储存太阳能阵列所产生的电能，以备不时之需。而且由于蓄电 节。(5) 控制器太阳能

18、控制器的基木作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电 压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、 尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电 现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为 负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳能电池方阵发出的直 流电的电压和电流不是很稳定)。为保证太阳能电池阵列在任何日照和环境温度下始终以相应的 最大功率输出，引入了太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT-Max imum Power Point Tracking)控制策略。在芯片内部写上由程序所构成的 控制软件，配合外围的相关电路完成主要控制功能。(6) LED

19、光源应保证亮度高，亮度辐射范围大且均匀，所使用的超高亮LED数 量少。在太阳能照明灯具中，发光体所使用的LED数量从一个到上千 个不等，一定数量的LED组合成一个发光体时，其排列和组合是一个 非常重要的问题。即不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。在 LED排列组合上依据光学原理及数学模型，最有效的发挥超高亮LED 的发光效率，并使得单位而积LED灯的数量少以降低成本。2. 2控制器的整体结构在太阳能LED照明系统中，太阳能充放电控制器是整个照明系统 中的核心部件，它的性能在一定程度上决定了整个照明系统的性能好 坏。目前，市场上有各种各样的太阳能LED照明系统，典型的太阳能 充放电控制器结构框

20、图如图2-2所示：图2-2控制器的结构框图该控制器为脉宽调制型控制器，即太阳能电池对蓄电池充电采用 脉宽调制方式，具有如下功能：1）采用容量控制法防止蓄电池的过放电。容量控制方式：双灯控 制（调整负载和工作时间）。2）该控制器具备蓄电池充满点温度补偿功能：以25°C为基准， 每2V蓄电池，温度补偿为-0. 3mV/°Co3）防止任何负载短路的电路保护。4）防止夜间蓄电池向太阳能电池组件反向放电的保护。5）防止蓄电池极性反接的电路保护。6）该控制器最大自身耗电电流不得超过50mAo7）该控制器充、放电回路的压降不得超过系统额定电压的5%o8）该控制器的耐冲击电压为：在一小时内

21、可承受高于太阳能电池 组件开路电压的1.25倍的电压，而自身不损坏。9）该控制器的耐冲击电流为：在一小时内可承受太阳能电池组件 短路电流1.25倍的电流的冲击，而自身不损坏。该控制器具有较高的价格性能比，安装维护简单,且工作稳定可 靠。此控制器的电路特点是：1、由于系统对转换速度要求不高，该控制器电路采用价格便宜 的LM331构成A/D转换器，调节参数，可使LM331的转换精度达到 4mv,如果采用12位的A/D转换器，其精度为10mv,而高精度的A/D 太阳能LED照明系统的设讣最终方案转换器价格较贵。如果采用内部集成有A/D转换模块的PIC单片机， 其A/D转换模块为10位，精度只能达到4

22、0mv,不能满足系统的精度 要求。2、充放电开关管采用功率M0SFET,只要保证开关的栅源电压， 具有好的开关特性，而且采用继电器作为比较开关，耗能小。3、单片机与开关管之间采用光电耦合器作为驱动和隔离元件， 这样可以避免输出部分电源变化对单片机的影响，减少系统所受的干 扰，提高系统的可靠性。此路灯控制器采用了脉宽调制充电方式，并 且具有过充点的温度自动补偿功能。在独立太阳能发电系统中，为了 降低成木、提高效率和可靠性，既保证太阳能电池阵列处于最佳工作 状态，又要使蓄电池正确充放电，同时还要最大限度地利用所发电能。 在目前的光伏系统中，这三者的实现存在矛盾，在设计充电控制通常 只顾及到一个方而

23、，如何兼顾三者的关系，寻求最优充电控制策略， 这也是一个设计难点，也是本文所重点研究的内容。第三章太阳能电池板3.1太阳能的工作原理和特性3. 1. 1太阳能电池的基本原理太阳能电池的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直 接转化为电能。所谓光生伏特效应，简单地说，就是当物体受到光照 时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应 和外观。可将半导体太阳能电池的发电过程概述如下：首先是收集太阳 光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。太阳能电池吸收具有一 定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）一电子一空穴对。 这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。

24、 这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的 作用下，电子一空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边, 在p-n结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电 压。在太阳能电池p-n结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电 路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太 阳能（或其他光能）直接转换成了电能。fD1:图3-1太阳能电池的电路及等效电路太阳能电池的电路及等效电路如图3-1所示，其中心中为电池的 外负载电阻。当心二0时，所测的电流为电池的短路电流/%，就是将 太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电 池两端的电流。当心趋于

25、无穷时，所测得的电压为电池的开路电压。 所谓开路电压如c，就是将太阳能电池置于10O忆,的光源照射下, 在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。ID (二说管电流)为通过 p-n结的总扩散电流，其方向与/比相反。他为串联电阻，它主要由电 池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表而间接触电阻所 组成。心为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起 的。一个理想的太阳能电池，串联电阻心很小，而并联电阻心很大。 由于他和心是分别串联和并联在电路中的，所以在进行理想的电路 设计时，它们可以忽略不计。此时，流过负载的电流乙为：IL = lsc - ID(3-1)理想的p-n结特性曲线方程为1l

26、=IscTd 農-(3-2)式中。一太阳能电池在无光照时的饱和电流，A;q电子电荷，C；K玻尔兹曼常数；T热力学温度，K；A常数因子(正偏电压大时A值为1,正偏电压小时A值为2)； e自然对数的底。当/产0时，电压U即为°。可用下式表示：心也 In 隹+ 1)(3-3)q3. 1. 2太阳能电池的特性曲线11 / 4911 / 49太阳能LED照明系统的设讣最终方案根据(3-2) (3-3)两式作图，及坐标变换可得到太阳能电池的 电流一电压关系曲线，如图3-2所示.这个曲线，可简称为IU曲线，或伏一 安曲线。JL3丿F I W丿0510152025图4-3太阳能电池特性曲线图3-2太

27、阳能电池特性曲线太阳能电池的I-V特性曲线包含其绝大多数技术特性，是系统分 析最重要的方而。太阳能电池的I-V特性是指在某一确定的日照强度 和温度下，太阳能电池的输出电压和输出电流之间的关系，如图3-2 所示。I-V特性曲线表明：太阳能电池既非恒压源，也非恒流源，它 不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源。输出电流 在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在一个足够高的电压之后， 电流迅速下降至零。曲线上的每一点都唯一对应着太阳能电池在该一 工作电压下的输出功率，匕表示对应于该H照强度和环境温度下的太 阳能电池所能输出的最大功率，um和则表示太阳能电池输出最大 功率时所对应的工作点电压

28、和电流。也就是说，在一定的温度和日照 强度下，太阳能电池具有唯一的最大功率点，当太阳能电池工作在该 点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。在最大功率点左侧,太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而增大;在最大功 率点右侧，太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。根据特性曲线可以定义出太阳能电池的几个重要技术参数：(1) 短路电流(厶在给定温度照度下所能输出的最大电流。(2) 开路电压(/“)在给定温度照度下所能输出的最大电压。(3) 最大功率点电流(/,)在给定温度照度下最大功率点对应的电 流。(4) 最大功率点电压(人)在给定温度照度下最大功率点对应的 电压。(5) 最大功率

29、点功率(匕)在给定温度照度下所能输出的最大功 率,Pm =/mX um.此外，P-V特性曲线可以更直观的确定匕、人和几，它是利用 I-V特性曲线数据通过计算后作出的，如图3-3中虚线所示。807060p 50/ 40W3075950°C-25°C o°c-2010*.(b)FI照强度变化时图3-3 (a)和图3-3 (b)分别为太阳能电池在温度变化和日照强度 变化下的P-V特性曲线，从图中可以看一出，太阳能电池的输出功率 受H照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加时，太阳能电池的 开路电压下降，短路电流略有增加，最大输出功率减小；当H照强度 增加时，太阳能电池的

30、开路电压变化不大，短路电流增加明显，最大 输出功率增加。D 510152025u/v(a)温度变化时图4-4太阳能电池的P-V特性Illi线图3-3太阳能电池的P-V特性曲线3. 2太阳能电池的最大功率跟踪3. 2. 1最大功率点跟踪原理由于目前太阳能电池的成本高、转换效率低，并且其输出功率易 受H照强度、环境温度等因素的影响，因此，为了提高太阳能照明系 统的效率，在现在的太阳能照明系统中，通常要求太阳能电池的输出 功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪太阳能电池的最大功率 点。最大功率点跟踪控制(MPPT)策略实时检测太阳能电池阵列的输 出功率，采用一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大

31、功率输 出，通过改变当前的阻抗情况来满足最大功率输出的要求。这样即使 13 / 4913 / 49太阳能LED照明系统的设讣最终方案太阳能电池的结温升咼使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以运行 在当前工况下的最佳状态。3. 3本系统采用的MPPT控制方式太阳能电池的输出呈非线性，随着光照强度和电池表而温度的改 变，它的输出也发生改变。为了避免能量的损失，国内外提出了多种 实现办法。木论文采用功率比较法以此来提高系统的跟踪效率。3.3. 1功率比较法3. 3. 1. 1 原理让流通率a连续变化，即可得岀功率的输出特性如图3-4所示, 由图可见，输出最大功率值几心0000O3 出率眄 输功玖00i

32、0.000.200.400.600.80流通率a由于用变换器的太阳能发电系统其输出特性具有上述特征，故可 取实时的发电功率，把a作定量(Aa)增减，以决定最大功率。这 是一种最简单的求取最佳工作点方法，称为功率比较法。当变换器流通率的变化量a值恒定时，功率比较法的核心是 用前后功率大小的比较来确定最佳工作点。该方法的特点是：(1) 当a增加时，P单调增加，则应当让a进一步增加 a (图4-9中的A区)；(2) 当a增加Aa时，P单调减少，则应当让a减少Aa (图 4-9中的B区)(3) 当a减少Aa时，P单调增加，则应当让a进一步减少 a (图4-9中的C区)；(4) 当a减少Au时，P单调减

33、少，则应当让a增加Aa (图 4-9中的D区)如图3-4所示的P-a特性曲线是一条凸形的非线性曲线，只要 选定初始值。和适当的 a,可以逐步逼近到人枷值。此外，检测的 信息只是发电功率大小，因此硬件结构简单是其优点。该方案的最大 缺陷是不能适应H照量的急剧变化，在短时间内寻找出正确的最佳工 作点。此外，当Aa固定时，该值的大小将对最佳工作点的跟踪时 间和发电功率的脉动值有影响。因此，的选择要十分慎重。4. 3. 1. 2功率比较法的算法设计a初始值设定为0. 5, A a初取为0. 01,设程序的控制周期T为 70 (ms)，则控制流程图如图3-5所示。# / 4915 / 49太阳能LED照

34、明系统的设汁最终方案16 / 4916 / 4歹太阳能LED照明系统的设讣最终方案图35功率比较法跟踪最大功率流程图3. 4本章小结本章对太阳能发电系统中重要的环节一“太阳能电池最大功率 点的跟踪方案”进行原理的阐述和实验论证。证明不管日照量是恒定 还是急变，均能高速而稳定地跟踪最大功率点。本方案的另一优点是 确定变换器通流率的检测信息只是发电功率，因此，控制硬件简 单，只要用单片机即可构成简单、廉价装置，对于小规模太阳能发电 系统非常适用。同时在最大功率点跟踪策略中引入模糊控制理论，并 对这一思想进行简要介绍。第四章主体电路的设计为了使路灯亮度能够调节，本文采用由多个LED组成一盏路灯的 方

35、法，控制各个LED的亮灭来达到调节路灯亮度的目的。为了使分析 简单明了，在木文以下的分析中暂且假设一盏路灯内部包含三个LED。4. 1整体电路设计整个太阳能路灯系统的原理示意图如图4-1所示，其中的太阳能 电源电路采用光伏电池和超级电容器作为能量转化与储能系统；微控 制器采用AT公司生产的AT89C51；单盏路灯中暂设为包含三个LED, 可以通过控制LED亮灭的个数调节路灯的亮度；驱动电路为恒流LED 驱动电路，可以保证电流稳定和LED亮度恒定。图1整体电路框图图4-1整体电路框图4.1.1电源电路设计如图4-2所示，BT1为光伏电池，C1为超级电容器，为单片机以 及LED提供电源，Rl, R

36、5为分压电阻，R2, R3, R4为限流电阻，C2 为滤波及稳压电容器。Q1用来控制Q2的导通与关断，Q2的发射极接 单片机电源，控制单片机的开关。白天有太阳照射时，光伏电池产生 电能，通过二极管DO将电能储存进超级电容器Cl, DO可以保证超级 电容器中的电流不倒灌入光伏电池。此时A点电位上升，三极管Q1 基极为高电平，Q1导通，B点电位为低，致使三极管Q2关断，超级 电容器储存的电能无法送到单片机，单片机没有电源，处于未启动状 态，路灯处于熄灭状态。当夜晚降临，阳光减少，光伏电池上储存的 电量开始降低，致使A点电位降低，Q1关断，超级电容器储存的电 能开始令B点电位上升，Q2开通，单片机上

37、电，路灯被点亮，整个 路灯系统开始运行。R4图2电源电路图4-2电源电路4. 1.2 LED驱动电路直接从单片机管脚输出的电平难以驱动高辉度的LED路灯，因此 木文采用如图4-3所示的驱动电路。此驱动电路为恒流LED驱动电路, Q7基极接单片机PX (X=l, 2, 3) 口。D1为齐纳二极管，作为加在 Q3的基极上，由于基极偏压稳定，集电极电流Ic也随着稳定，根据 Ic二(VZD-VBE) /R10,即使电压源VDD变化Ic也不会变化，可以保 证电流和亮度稳定。4.1. 3单片机的算法实现本文从合理利用能源的角度出发，分析了太阳能路灯在一天内的 运行状态，认为其工作过程可分为三个阶段：(1)

38、 下午18点至晚上20点。此阶段是全天开始进入黑暗的时 段，路面光线逐渐变暗，太阳能路灯开始投入运行，此时路灯的亮度 不必达到最大，我们将其亮度等级划为C级；19 / 4918 / 49太阳能LED照明系统的设讣最终方案（2）晚上20点至凌晨12点。此时段路面光线最暗，路灯亮度 应调为最大。亮度等级为A级；（3）零点至次日凌晨3点。此阶段间路上行人较少，因此路灯 亮度可稍稍降低，亮度等级为B级；（4）凌晨3点至5点。此阶段所需亮度也较低，亮度等级也为C级。基于以上分析得出结论：太阳能路灯必须拥有智能化控制技术才 能实现路灯亮度的自动调节。单片机控制LED亮度变化的算法如图4 所示。B级庇熾C级

39、亮度所有LED 灭图4单片机算法流程图图4-3单片机算法流程图由图4-3算法可知，当单片机上电时，程序自动运行，当P1输 出高电平时，驱动LED1发光，此时路灯亮度级别为C级，经延时2 个小时后P2与P3 口同时输出高电平，LED2与LED3也开始发光，路 灯亮度级别为A级，依次类推直到Pl, P2, P3 口全部输出低电平， 此时路灯彻底熄灭。4. 2 DC/DC变换器目前DC/DC主要有Buck电路结构、Boost电路结构、Buck Boost 电路结构和Cuk电路结构四种,图4-4的a）、b）、c）、d）分别表示 了这四种电路结构的拓扑，这四种结构都是由功率开关管、二极管、 电感元件、电

40、容元件组成的De-De变换电路。a) Buck电路I)图2.12四种主要充电电路拓扑结构I图4-4四种主要充电电路拓扑结构图R为Buck电路，又称Buck变换器，其工作原理是：当开关管 导通时，电流通过电感L对蓄电池和电容充电，二极管承受反向电压, 电能转变为磁场能；当开关管闭合时，由于电感线圈电流不突变，负 载电流方向不变，电容处于放电状态，从而继续维持输出电流和电压 恒定，此时二极管承受正向偏压。Buck电路的输出电压v。满足VO二DutyXvs,其中Duty为开关管的占空比。由于Buck变换器输 出电压小于输入电源电压Vs,故又称为降压变换器。图b）为Boost电路，其工作原理是：当开关

41、管导通时，电流流过 电感L,电能以磁场能形式储存在电感线圈中，电容C放电，二极管 承受反向电压；当开关管关闭时，由于电感线圈电不突变，电感线圈 中产生与电流方向相反的感应电动势与电源电压串联，共同给电容和 21 / 4920 / 49太阳能LED照明系统的设讣最终方案蓄电池充电，二极管正向导通。因为Boost的输出电压V。满足VO二 vs/（1 Duty）,输岀电压大丁输入电压，故又称为升压变化器。图c）为Buck 一 Boost电路，又称降压一升压变换器或反号变换 器，电路的工作过程为：当开关管导通时，电流流过电感L,电能以 磁场能形式储存在电感线圈中，电容向负载放电；当开关管关闭时， 由于

42、电感线圈电流不突变，电感线圈中产生与电流方向相反的感应电 动势，下正上负，二极管正向导通，电容蓄电池充电。输岀电压V。 满足 V0二Vs X Duty/（1 一 Duty）。图d）所示为Cuk电路，又称升降压变换器，其主要原理是把Boost 电路与Buck电路串联起来，即升压变换器后串接一个降压变换器。 电路的工作过程为：当开关管导通时，二极管反向截止，电流通过电 感将电能转换为磁场能储存在电感中，电容C向负载端放电；当开关 管关闭时，二极管正向导通，由于电感线圈电流不突变，电感线圈中 产生与电流方向相反的感应电动势，电感L1和L:分别给电容C和C: 充电，L:同时给负载供电。与前三个电路以电

43、感作为能量的传递元件 不同，Cuk电路用电容C完成整个过程中的能量传递，输岀电压Vo 满足关系 Vo 二 VSXDuty（l 一 Duty）. o四种变换器参数的比较见下表4-1表2. 2四种基本DC-DC变换器特性参数比较电路拓扑电压增益输出电流纹波输出电压纹波临界电感Buckq8 厶C1 '隧（1胡）Boosti糾5Buck-Boostq1-D,陛（1-酊Cukq i-qVD池8/ 1 5V<)Ts (I D.)2 2厶'“表4-1四种基本DC-DC变换器特性参数比较再次考虑到外部电路的实现难易程度和可靠性分析，四个充电电 路拓扑的连续和非连续状态的临界电感大小经过转

44、换相差不大;但是23 / 4921 / 49太阳能LED照明系统的设讣最终方案因为Cuk电路使用电容做为能量转换器件，电容需要耐受的纹波电流 较大，成高，可靠性稍差。这就是为什么Cuk电路虽然其他性能较好, 但仍不被广泛使用的原因。4.2 DC/DC变换器主电路由于该DC/DC变换器的输入电压较高，主电路选取半桥式拓扑， 如图4-5所示。V】，V2, G, G和主变压器T组成半桥式DC/DC变换电 路。CT为初级电流检测用的电流互感器。G为防止变压器偏磁的隔直 电容。变压器的副边采用全波整流加上两级滤波以满足低输出纹波的 要求。&, G,尼，G, &和尿，G为吸收电路。吊和丘起

45、到保证 电容G及G分压均匀的作用。电阻用和爪为输出电压的采样电阻。385V图4-5DC/DC变换器主电路4. 2. 1控制器的技术指标本论文光伏充放电控制器预期的技术指标如表4-2表41光伏充放电控制器的技术指标太阳能电池雷电池-SI2V蓄电池过充电压DCI4.5V±02VPWM启动电压DC15V富电池过放电压DC10.8i0.2V番电池过放恢复电压DC13.3V输出电压締DC1O.814.5V虽大輸出电流5A充电回路控制方式PWM侏宽调制放电回路控制方武电子开关表4-2光伏充放电控制器的技术指标以木论文光伏充放电控制器控制高效LED负载组成50W中小功率 照明系统为例，说明光照明系

46、统容量匹配设计方法。考虑到太阳能照明系统的特殊性，其能量取自于白天之光照，能 量有限，因此光源功率不该选择太大。高效LED光源光效达50Lm/W, 故50W的LED光通量达25005,相当于250w 口炽灯，己经具有良好 的照明效果。假设LED负载每天夜间照明时长为10个小时，并且要 保证阴雨天能连续工作3天。上述情况下，每天LED消耗的能量为：50WX10h=500w. h太阳能组件配置的基木原理是使得组件每天所得到的电能等于 或者略大于负载每天所消耗的电量。考虑到一定的损耗，对于有效光 照保守估计为3小时的地区，选择200W的太阳能板，每天将产生600W 的电能，可以满足要求，并且有一定的

47、裕度。本文选择12V的蓄电池, 其配置要满足最长供电时间的要求，所以储能最小应该为 500W hX3（天）=1500Wh,留取一定的裕量，将储能调整为1600 Wh.故选择12V蓄电池时，蓄电池的容量不应该低于：1600 W-h/12133. 3Ah,这样光伏电池，蓄电池，LED负载容量的匹配 25 / 4923 / 49太阳能LED照明系统的设讣最终方案设计就完成。4. 3控制器电路总体设计方案本论文所设计的光伏充放电控制器的总体结构如图4-6所示图4-6系统结构框图主控芯片选用PIC16F877A单片机，负责监控管理整个充放电过 程。单片机根据反馈采样得到各种按电压、电流信息判断蓄电池和光

48、 伏电池的状态，以此作为依据，发送各控制器指令如给定充电回路的 参考电压u和接通关断负载等，保证系统按设计需求正常工作。光伏 电池输岀的直流电压通过功率回路中DC-DC变换器按单片机控制给 定的要求输出相应的直流电压、电流，完成能量的变换传递。系统各 个组成部分的主要功能如下：(1) 光伏电池接口：接入光伏电池。光伏电池将光能转化为电 能，是系统的能量最原始来源：(2) 功率回路:DC/DC功率变换单元。木论文采用P沟道MOSFET 组成的BUCK变换器作为功率回路；(3) 电压、电流调节器:采用电压外环，电流内环的双环控制，含 双调节器。电流调节器的输出改变PWM调制器的输出占空比实现对功

49、率回路的控制。(4) PWM调制器:采用TL494芯片。TL494设计使用带使能端22V 射极输出器供电。可通过单片机控制使能端关断对TL494供电，以实 现关断充电主回路的功能。(5) 蓄电池接口：接入蓄电池，蓄电池储存光伏电池所发出的能 量，并向负载输送能量；(6) 电源模块:将蓄电池电压转换成控制器工作需要的各种电压 值；(7) 采样电路:将系统中光伏电池的电压，蓄电池电压，反馈给调 节器或转换为符合MCU端口电气特性规范的电压值，以供系统通过模 数转换后把数据交给软件做控制、运算所用；(8) 主控MCU:监控系统的状态，完成人机交互，参考电压的给定, 开关的通断、过压过流保护等功能。本

50、设计采用PIC16F877A单片机 作为主控MCU;(9) 驱动电路:给DC/DC变换器的开关管提供合适的驱动电压。(10) 显示电路:采用1602液晶模块显示模块指示光伏充放电系 统的各种工作状态参数。(11) D/A转换:单片机内部PWM输出，经运算放大器有源低通滤 波实现。4. 4功率主回路的设计4.3功率主回路设计功率主冋路设计如图42所示:图4-2功率主回路304. 4. 1各主要元件参数设计与选型分析(1) 输出滤波电感L设计电输出滤波电感L对应图4-2中的L2,电感的选择应保证输出 到而额定电流的1/10时，电感电流仍然保持连续。贝IJ:27 / 4925 / 49太阳能LED照

51、明系统的设汁最终方案Vin】伽F式(4-1)VIN为光伏电池输出电压可取典型值20V,接入12V蓄电池则Vo 可去12V。FSW为开关频率，开关频率提高可以降低对电感的要求， 缩小电感的体积，但由于于驱动电路的局限性开关频率不可能无限 高，这里折中考虑取:(42)根据设计预期指标代入式Fsw = 2QkHz弋""为输岀的额定电流，(4 一 1)得：(4-3)L = 240川/、式但由(4-2)(4 一 3)(2) 输出滤波电容c的设计输出滤波电容C对应图4 一 2中的C21大的输出电容可以抑制输 出的纹波，但选择过大会影响到系统的响应速度，本设计取 C = 5 =1000/

52、zFo 通常电容生产厂家给岀的电容的R如C时间常数为5X1QY,则计算出 R 卜m = 0.05Q1，(3) 开关管M0SFETQ6 > Q8的选型本设计BUCK变换器选用P沟道M0SFET型号为IRF9540t301,最 大通过电流9A,击穿电压为lOOVo导通电阻0.2欧姆；负载通断用开关选 用N沟道MOSFET型号为IRF640,最大通过电流6A,击穿电压为200V,导 通电阻0. 2欧姆。以上设计均满足性能指标的要求。回路中MOSFET栅源极 都接入12v稳压二极管6,保护栅源极。(4) 其他功率回路元件设计续流二极管选型 选用从快恢复二极管MUR9146,其最大正向 电流为8A

53、;放电回路接到负载的自回复保险丝热选为6A;输入滤波电容GjiOOO/zF,出 以稳定光伏电池的工作点；心为防雷击压敏电阻；电阻心二0. Olo,为电流反"亠.,R（ -=0.01Q馈电阻，故4. 4. 2 MOSFET驱动电路设计BUCK变换电路要正常工作，对其中MOSFET驱动好坏，直接关系 到整个BUCK变换器的性能。本设计中的BUCK变换器采用P沟道的MOSFET作为功率开关。本论文设计的MOSFET驱动电路如图4 一 3所示：图43 P沟道MOSFET驱动电路为TL494内部集成的三极管，为便于分析在图4 一 3中示 出;PWM信号端为TL494内部比较器产生，用于驱动Q7

54、的基极。PWM端低电平时，山作为射极输出器导通，叫严几"汁, MOSFET关断。PWM端高电平时,几,由于之前栅极电压 讥,则4的发射结正偏，集电结也正偏，所以久导通,MOSFET栅极通过久, 迅速放电直到d必/（心心）热 ：,此时只需设计 必/'（心+心必勿2/就可以使得MOSFET迅速关断。由图4 一 2知Vs 1, 等于光伏电池的工作电压，系统正常工作时气：最低等于15V。所以本论文取29 / 4927 / 49太阳能LED照明系统的设讣最终方案心/(心+心必严12卩由于采用了电平移位电路交替驱动厲、幺构成的推挽电路，对栅 源极电容的充放电电流都比较大，所以驱动MOSF

55、ET的动作是很迅速。 电阻代乂取80欧姆是为了抑制电路寄生电感的存在，造成高速电 平变化引起电路谐振，造成跳变沿处电压过冲。4. 4. 3电压和电流反馈电路设计PIC6F877A单片机内部集成lObit精度A/D变换器。5V的参考电 压下精度为5mVo(1)蓄电池电流反馈根据欧姆定律，可通过采样串联在蓄电池回路中的高精度0. 01Q 电阻眄,两段的电压间接获得，划为最终的反馈信号。蓄电池电流采样电 路如图4 一 5所示：E4-4畜电池电流反馈采样电路设计U5A组成同相比例放大器，对蓄电池充电时'咕电压为正， 运算放大器输出为正。由于第二章的分析中假设电流反馈系数01,且电流 采样电阻險

56、"01,所以取放大倍数为100。这里取心皿5血，心=5也则：咕，=】00咕电阻心，5. IV稳压二极管对电流反馈电压唁二限幅。由于模 拟调节器一般来说需要一个微小的超调后才能到达稳态，所以运算放大器的 电压设置为7. 5V,保证电流反馈可以输出一个微弱的超调到电流调节器。（2）蓄电池反馈采样蓄电池电压采样电路如图4 一 5所示。&为最终的反馈信号。 由于电流采样电阻爲很小，可忽略其压降，所以对蓄电池电压的反馈采样可 直接用对仝毗的采样得到。这样采样电压的方式也与第三章中的充电系统模型分 析相吻合。为了减小反馈采样的损耗，“弘应取较大，可用U4A组成电压 器跟随进行阻抗变换，减小下一级的负载效应