太阳能杀虫灯设计(课程设计)

西安铁路职业技术学院毕业设计（论文）格式规范-PAGEII--PAGE1-太阳能杀虫灯设计(光伏发电技术课程设计)

目录第1章绪论 41.1课题研究背景与意义 41.2国内外杀虫灯具发展状况 51.3国内外太阳能光伏发展和利用状况 61.4国内外太阳能杀虫灯发展状况及存在问题 8第2章系统结构及部件选型 02.1引言 02.2光伏组件选型 02.2.1光伏发电工作原理 02.2.2光伏电池伏安特性 12.3蓄电池选型 32.3.1蓄电池工作原理 32.3.2蓄电池充放电特性 42.3.3蓄电池的选用 52.4光伏发电系统容量设计 62.4.1容量设计影响因素 62.4.2蓄电池容量设计 62.4.3光伏阵列容量设计 72.5太阳能杀虫装置结构设计 72.5.1Solidworks的设计特点 72.5.2太阳能杀虫装置结构设计 10第3章充放电控制器的设计 123.1引言 123.2充放电控制器基本功能 123.2.1蓄电池的充放电控制 123.2.2光伏阵列最大功率跟踪(MPPT) 123.2.3其他控制功能 133.3充电控制策略 133.3.1蓄电池充电模式 133.3.2最大功率跟踪(MPPT)原理 143.3.3脉宽调制(PWM)控制算法 14第4章逆变器的设计 164.1引言 164.2DC/DC高频升压变换 174.2.1高频逆变电路 174.2.2功率开关管的选择 174.2.3MOSFET管的过压保护及吸收电路 184.2.4MOSFET管驱动电路 194.2.5PWM脉宽调芯片SG3525 204.3.6开关电源保护电路 20

第1章绪论1.1课题研究背景与意义长期以来，随着化学工业高速发展，农药产品产量和品种增多，极大地满足了广大农民防治病害虫的需求，促进了农业生产的发展。但农民对有病害虫的防治，过分依赖化学农药，特别是对农药乱用、滥用等，导致农产品农药残留严重超标，影响了人体健康，造成环境污染破坏。探索农作物病害虫无害化防治新技术，进一步减少化学药使用量，生产无公害农产品，是农牧发展的重点。为此国内外从上世纪始研究采用物理机制进行病害虫防治，即利用昆虫的趋光、色、味、性等特性吸引病害虫，再借助高压电、水淹、熏杀等方式将其杀死，其中以利用昆虫的趋光性杀虫灯灯光诱杀技术研究最早、技术最为成熟、发展最快。杀虫灯主要工作原理就是利用昆虫的趋光性，灯具设定病害虫所需的波长和强度，将害虫吸引到灯附近，发生复眼效应而眩目打灯，再利用高压，药物，水淹等方式将害虫除掉，但高压电击效果最佳。利用昆虫趋光性研制的杀虫灯，高压电击是病害虫物理防治技术主要发展方向。基于野外、边远山区、广大农村等缺电地区，杀虫灯用电不能得到保证的现实，太阳能杀虫灯的构想便应运而生。太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、处处均可开发应用、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点，通过太阳能电池的光伏效应将太阳能转化为电能，为太阳能杀虫灯提供电源，有巨大市场前景，不仅带来良好的社会效益、环境效益，还具有明显的经济效益。(l)电源清洁、无噪声，不污染环境，不受地区限制。(2)无需架设电线、人员看守及维护，减轻劳动强度及降低成本等。(3)杀虫谱广、持效期长、控制效果好。杀虫灯一般有个峰值波和一个较宽的波段，可引诱的病害虫种类多，对鳞翅目、双翅目、鞘翅目、半翅目等夜出性昆虫均有较好的诱杀效果。(4)减少环境污染，避免对天敌的杀伤，维护生态安全，促进农业的可持续发展。可兼做病虫测报工具。杀虫灯具是监测昆虫迁飞、扩散、发生期和发生量的重要工具，有利于对害虫全面了解，并且杀虫灯具主要诱杀成虫，将病害虫消灭在幼虫期前，真正达到了预防的综合治理措施。太阳能杀虫装置也是许多研究机构、电器厂家的新产品研究重点。目前国内外尚未见到相关太阳能杀虫装置较系统的研究报道，因此研究太阳能杀虫装置对于有效防止农产品病害虫及提供无公害农产品具有重要的现实价值的可持续发展。可兼做病虫测报工具。杀虫灯具是监测昆虫迁飞、扩散、发生期和发生量的重要工具，有利于对害虫全面了解，并且杀虫灯具主要诱杀成虫，将病害虫消灭在幼虫期前，真正达到了预防的综合治理措施。太阳能杀虫装置也是许多研究机构、电器厂家的新产品研究重点。目前国内外尚未见到相关太阳能杀虫装置较系统的研究报道，因此研究太阳能杀虫装置对于有效防止农产品病害虫及提供无公害农产品具有重要的现实价值。1.2国内外杀虫灯具发展状况影响昆虫行为的环境因素很多，按自然特征可分为气候因素(如温度、光照、降水等)与生物因素(性、食料、天敌等)两大类[7]。其中光对昆虫行为活动的影响有着特殊意义，或间接上讲，光是昆虫不可缺少的条件，不同昆虫对光的需求各异，但昆虫趋光行为是其行为中最为重要和普遍的。国外最早采用石蜡和乙炔灯(Forst,19s2)采集昆虫开创了应用昆虫趋光性的先河;从上世纪六十年代中期以来，国外在较大面积上用黑光灯或口光灯对美国棉铃虫等害虫进行诱集或驱避防治试验。国内也从1964年开始，在棉田和其他作物田中大面积用黑光灯防治多种害虫，已取得一定的效果。并且国内外从上世纪70年代开始加强了对昆虫复眼效应(趋光性)的研究，为采用物理机制的方式防治病害虫提供了理论依据。国外关于杀虫灯具的文章比较少，通过美国专利数据库可以查到美国主要采用黑光灯和白炽灯作为病害虫的防治，如参考文献[6]，而我国根据昆虫趋光性研制出的杀虫灯具，品种较多，如黑光灯，高压汞灯，双波系列灯，频振杀虫灯等。下面是我国主要使用的几种杀虫灯具1.白炽灯是最早用作预测昆虫，但做杀虫灯具效果较差。它的主要作用是与其它波长灯组合，制成效果更好的杀虫灯。2.黑光灯外形与普通口光灯一样，其灯管内壁涂有能发生特殊波长的荧光粉，发的紫外光对人畜无危害，但亮度小、照度低，故叫“黑光灯”，是最早研制成功的杀虫灯，产品成熟、市场规格较多、价格较便宜，大部分为单峰值波光，其峰值365nm左右，能够引诱许多种昆虫，例如棉铃虫、地老虎、金刚钻、玉米螟、造桥虫、斜纹夜蛾、甜菜夜蛾、甘蓝夜蛾、甘薯天蛾、蜡蛤、金龟子、食心虫、吸果夜蛾、桃蛀螟等多种粮棉、蔬菜及果树害虫，是一种比较理想的诱虫灯源。黑光灯可诱集多种农业害虫，作为防治和预测预报手段，具有效果好、成本低、方法简便等特点。目前国内外太阳能杀虫装置的灯具大都采用黑光灯。将远处大量昆虫引诱到近灯区;短光波通过空气层时，被空气吸收多，衰减快，照射的距离近，由于昆虫复眼对紫外线耐受能力差产生“眩目”而诱致扑灭。正由于长短光波的双重作用。

3.高压汞灯基于病害虫趋光习性，上世纪60年代我国研制成功一种高压汞灯，具有较强的紫外光(波长峰值为365nm，灯光谱在350~450nm。灯管利用氢气和汞蒸汽中的放电作用，同时发出长短两列光波，即白光段和黑光段(紫外光)。白光段把远处的昆虫引诱到近灯区，紫外光有较强的趋性而扑灯。其主要特点是光线强，功率大，可达450w，有效半径大，对昆虫的诱惑力大。缺点是耗电多，需专人管理，诱杀的天敌也多。4.频振式杀虫灯河南省汤阴县佳多科工贸有限责任公司自行研发的频振式杀虫灯，波长范围为320nm}400nm，光谱广，每台功率多为30w，诱杀害虫种类多，可诱杀87科，广泛用于农、林、蔬菜、烟草、仓储、酒业酿造、园林、果园、城镇绿化、水产养殖等。其对多种趋光性害虫获量大、始见期早、准确及时，能如实反映害虫各代的成虫发生期，测报性能优于黑光灯，也是一种准确预测预报各种害虫发生期和发生量的较好测报工具。5.纳米灯单波光，每台25w，也利用昆虫的趋光波长制成，具有强度高，省电等特点。6.双波诱虫灯系列由江苏沿江地区农业科学研究所研制的双波灯，有两个峰值，即350nm及585nm，前一峰值处于紫外线部分，后一峰值处于黄光部分。当双波灯发光时，长光波通过空气层时被吸收较少，衰减慢，照射的距离远，将远处大量昆虫引诱到近灯区;短光波通过空气层时，被空气吸收多，衰减快，照射的距离近，由于昆虫复眼对紫外线耐受能力差产生“眩目”而诱致扑灭。正由于长短光波的双重作用。虫量大大超过黑光灯。7.特制杀虫灯对于一些特殊的病害虫，可根据其趋光的波长特制灯管。在紫光和白光区内，即310}660nm内，选用可激发出一定波长段的不同荧光材料进行配置，利用20w普通荧光灯管，制成特殊波段的杀虫灯总之，我国杀虫灯具较齐全，能显著降低害虫虫口密度，减少用药次数，降低农药残留量，减少环境污染，维护生态平衡，提高农产品质量及市场竞争力。但是对于野外，边远山区，广大农村缺电地区，限制其应用推广。1.3国内外太阳能光伏发展和利用状况国内外太阳能利用基本上分为光热、光电、光生物、光化学利用等几类，光电利用也包括光热电转换和光电转换。本文研究太阳能杀虫装置就是基于太阳能光电转换的应用之一。光电转换，即光伏发电，光伏电池是光伏发电的基础。1941年国外出现有关硅电池报道，1954年研制成效率达到6%的单晶硅光伏电池，1958年光伏电池开始应用于卫星供电。1958年我国开始研制光伏电池，1959年中国科学院研究所研制成第一片有使用价值的光伏电池。1971年3月在我国发射的第二颗人造科学实验卫星实践1号上首次应用由天津电源研究所研制的光伏电池，1973年天津港的海面航标灯上。首次应用天津电源所研制的光伏电池(14.7W，开辟了我国光伏发电的始端。光伏电池的价格和转换率直接影响着光伏发电的发展。国内外商用光伏电池主要有以下几种:单晶硅、多晶硅，非晶硅、蹄化福.铜锢硒等光伏电池。前沿研究的光伏电池有纳米氧化钦敏化电池、多晶硅薄膜以及有机光伏电池等。但因其生产工艺成熟、转换效率稳定、成本相对低等原因，实际应用的主要还是硅材料电池，尤其是晶体硅方面有了很大的发展。如为边远地、牧区、海岛、高原、沙漠等供电的系统、太阳能户用电源系统、通讯信号电源、阴极保护、太阳能路灯、航标、光伏水泵、玩具、公交GPS系统等各种带蓄电池的可独立运行的光伏发电站。联网光伏发电系统是与公共电网相连的光伏发电系统，但投入成本高，规模大，目前主要是在国家有关政策扶持下发展，是光伏发电进入大规模商业化发展的标志，是世界太阳能光伏发电技术的发展主流。并网发电和光伏建筑集成(即太阳能屋顶计划)的发展，标志着光伏发电由边远地区和特殊应用向城市过渡，由补充能源向替代能源过渡，由大型集中电站向分布式供电模式过渡，人类社会向可持续发展的能源体系过渡。光伏发电将作为最具可持续发展理想特征的能源技术进入能源结构，其比例将愈来愈大，并成为能源主体构成之一。美国于1988年开始实施PVUSA计划，建立集中型光伏并网发电系统1MWp，1995年实施与屋顶结合的PVBONUS计划;1997年又宣布美国百万太阳能屋顶计划，总光伏安装量将达3025MWp;德国从1999年启动“屋顶光伏”计划，当年安装7MWp，2001年77MWp平均每年增加35MWp;口本从1994年开始到2001年在建筑屋顶安装光伏发电系统累计333MWp，其中从1997年到2001年累计320MWp}平均每年增长20MWp。此外，意大利、印度、瑞士、荷兰、西班牙和英国等都有类似计划。甚至提出“零能建筑”。在2000年世界光伏发电总产量中，约有一半左右用于“太阳屋顶”和并网系统。我国建设部科技发展促进中心于2003年召开的“太阳能与建筑界和应用工程技术交流会”，开始深入探讨我国太阳能与建筑一体化技术及试点示范工程等。国家体育馆100KW太阳能光伏电站示范项目已启动实施，光伏在国家体育馆屋顶和南立面作为玻璃幕墙，不仅能遮风挡雨，还可为体育馆供电。应以2008年我国举行奥运会为契机，进一步推动我国光伏一体化的发展。我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量在3.3X103}8.4X106KJ/(ma·年)之间，相当于2.4X104亿吨标煤，属太阳能资源丰富国家之一，全国总面积2/3地区年时数大于2200h，年辐射总量大于5020MJ/m2。我国两藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古高原的总辐射量和口照时数均为全国最高，属太阳能资源丰富地区，除四川盆地、贵州资源稍差外，东部、南部及东北等其他地区为资源较富和中。1.4国内外太阳能杀虫灯发展状况及存在问题在农药防治病害虫污染农产品及能源缺乏等矛盾中，太阳能杀虫灯将是未来农业病害虫物理防治目标。国内在2006年前对太阳能杀虫灯报道较少，如北京益环伟业农业生态科技公司的太阳能杀虫灯，更多集中在太阳能杀虫灯专利的申请上;而2006年，许多厂家或研究机构报道了研发太阳能杀虫灯的信息，如北京爱友恩新能源技术研究所研制的太阳能高压杀虫灯，微电脑自控灭虫灯，山东往平星火电器厂太阳能杀虫灯、北京康利亚科技有限公司等。国外在专利网上也查到了相关报道。纵观国内外太阳能杀虫灯、太阳能诱虫灯、灭虫灯、驱动灯等的相关报道及专利，可以看出，目前市场上太阳能杀虫灯主要存在问题。1.诱虫灯具从相关专利看出，以前诱虫灯具主要采用普通的LED二极管，利用二极管可发出紫光，达到昆虫一个峰值365nm，这类灯具发光单一，没有较大光谱范围，强度也有限，达不到诱虫的作用;近两年的专利中，出现了黑光灯、纳米灯具等一些效果比较好的灯具。对杀虫效果好的频振灯、双波灯、高压泵灯等还没有利用太阳能作能源装置的报道。2.杀虫方式利用昆虫趋光性研制出杀虫灯，通过高压电击击毙害虫是物理防治病害虫的主要发展方向。以前高压电压不高，达不到杀虫效果，专家建议电压达到8000V以上时对大部分病害虫防治效果较好。3.控制电路蓄电池充放电好坏直接关系到该系统的好坏，专利中多数控制器采用简单的集成运放电路，蓄电池全充全放电的模式，这种充放电模式不利于提高光伏阵列的发电，也不利于保护蓄电池及光伏板等。4．逆变器杀虫灯具主要有方波和正弦波两种，现市场上大多采用方波逆变信设备干扰少，整机效率高。5.太阳能杀虫装置以往太阳能杀虫装置大多简陋，考虑该装置长期置于室外，外观应美观大方，具有观赏价值。

第2章系统结构及部件选型2.1引言根据太阳能光伏发电系统和杀虫灯本身要求，设计了图2.1太阳能杀虫装置光伏系统，是独立光伏发电系统，主要由光伏阵列、防反充肖特基二极管D1，充放控制电路，蓄电池，逆变器，高压包，负载(杀虫灯及高压电网)及开关K1,KZ等组成。控制器通过开关K1,K2白天控制光伏阵列发电存储在蓄电池内，晚上控制蓄电池为负载(杀虫灯及高压网)供电;逆变器将蓄电池直流电压变成交流电压供负载使用;二极管D1防止晚上或光弱时，蓄电池对光伏阵列的反充电;杀虫灯吸引病害虫到灯前炫目而打灯，高压电网将其毙死。图2.1太阳能杀虫装置系统组成以下各章针对光伏发电系统容量计算，控制器，逆变器及装置结构等进行分析与设计。本章对太阳能杀虫装置的核心系统一光伏发电系统的容量设计问题进行深入探讨。首先，对光伏发电、蓄电池工作原理及特性进行分析;其次，针对光伏发电系统多次设计重复计算公式的缺点，采用Matlab设计独立光伏发电系统的容量计算界面，其包括光伏阵列及蓄电池容量的设计。2.2光伏组件选型2.2.1光伏发电工作原理半导体具有很强的光伏效应。即半导体吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势，即光生伏打效应，如图2.2所示。光伏发电工作可概括为3个主要过程:一是半导体吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子一空穴对，称为“光生载流子”，三是光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能，即所谓光伏发电。图2.2光生伏打效应原理图光伏电池的光电转换效率取决于上述三个过程，而这三个过程主要与半导体材料、PN结特性、工作温度、放射性粒子辐射情况、环境变化等因素有关，故光伏电池的转换效率也主要受这些因素所制约。以单晶硅太阳能电池为例，考虑上述影响因素，理论计算表明，其转换效率最高可达25.12%，单晶电站的资本金内部收益率IRR会比投资多晶电站高出至少2.78%以上。表2.1单晶与多晶价格对比单晶多晶备注组件规格156*156**60156*156**60/组件功率275w260w/组件单价4.11元/w3.98元/w国内平均价格金额与组件数量相关设备1.151.24支架，夹具，串联电缆，汇流箱，回流电缆，接地系统等建设工程费用0.50.54人工费，安装费综合管理费0.40.41材料费，项目管理费合计.2光伏电池伏安特性图2.3是在一定的光强和环境温度下的光伏电池伏安特性曲线。曲线中，ISC为短路电流，即将光伏电池置于标准光强1000W的照射下，在短路输出(RL=0)时光伏电池两端的电流，与光伏电池面积成正比。一般来说，1cm2硅太阳能电池的ISC值约为16}30mA。同一块光伏电池，与入射光的辐射照度成正比;当环境温度升高时，ISC值略有上升，一般温度每升高10C。图2.3光伏电池伏安特性曲线Uoc为开路电压，即把光伏电池置于1000W/m2标准光源照射下，且光伏电池输出两端开路(RL=0)时所测的输出电压值。光伏电池开。路电压与入射光辐照度对数成正比，与环境温度成反比，而与电池面积无关。温度每上升10C,Uoc值约下降2/3mV。曲线T,Q,S等表示一定负载下的功率曲线，功率点值对应电流I与U围成的面积(即I与U乘积)。曲线Q与伏安曲线交点所围成面积最大表示光伏电池的最大输出功率Pm。常用的光伏电池伏安特性曲线是在一定光强和环境温度下得到，实际运用中，光伏电池电压和电流是随着光强和环境温度变化而变化。图2.4是相同温度下，不同光强度下的光伏阵列一般伏安特性曲线。可看出光强越大，输出的电流变化越大，开路电压变化不大，短路电流越大。每个光强下只有一个最大功率点，且光强越大，输出功率越大，最大功率点值也越大。图2.5为在标准光强下，不同温度时的光伏阵列伏安特性曲线，可以看出，温度升高时，开路电压有所下降，而短路电流稍有增大。图2.4不同光强度下的光伏阵列一般伏安特性曲线图2.5不同温度时的光伏阵列伏安特性曲线如图2.4及图2.5所示，为使太阳能电池输出功率尽量处于最大功率输出状态，应采用最大功率跟踪控制方法。蓄电池充放电特性蓄电池将光伏阵列白天产生的电能，除供白天负载外，剩余电能储存为蓄电池化学能，以供晚上或连续阴雨天时负载供电，因此蓄电池是光伏发电系统中不可缺少的一部分。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是:1、自放电率低；2、使用寿命长；3、深放电能力强；4、充电效率高；5、少维护或免维护；6、工作温度范围宽；7、价格低廉。光伏发电系统蓄电池需满足浮充、循环使用等要求。2.3蓄电池选型2.3.1蓄电池工作原理蓄电池正极活性物质是二氧化铅(Pb02>，负极活性物质是海绵状金属铅，电解液是稀硫酸(H2S04)。放电时，电池正、负极上，二氧化铅和铅分别转变成硫酸铅;充电时，两极上的硫酸铅又还原为二氧化铅和金属铅。2.3.2蓄电池充放电特性1.蓄电池充电特性铅酸蓄电池充电特性如图2.6所示，蓄电池充电过程分三个阶段。图2.6蓄电池充电曲线初始(OA)阶段，电压快速上升。开始充电时，硫酸铅转化为二氧化铅和铅，有硫酸生成，因而活性物质表面硫酸浓度迅速增大，蓄电池端电压急剧上升。中期(AC)阶段，电压缓慢、平稳上升，且延续较长时间;当充电电压到A点后，扩散作用使活性物质表面积微孔内硫酸浓度不再急剧上升，即端电压上升较为缓慢。活性物质也逐渐从硫酸铅转化为二氧化铅和铅，活性物质空隙逐渐扩大，孔隙率也增加。后期(cD)阶段，随着充电时间的延续，到c点后逐渐接近电化学反应结束，端电压迅速上升，接近D点时，负极析出氢气，正极析出氧气，水被分解，充电应该停止。2.蓄电池放电特性铅酸蓄电池放电特性如图2.7所示，主要分为3个阶段。开始(OE阶段，反应所需的硫酸得不到及时补偿，电压下降较快;中期(EF)阶段，硫酸扩散加快，几所需硫酸得到补偿，电压下降缓慢，延续时间较长;到后期(FG)阶段，硫酸铅的生成使活性物质空隙率降低，加剧了硫酸向微孔内部扩散的困难，硫酸铅的导电性不良，电池内阻增加，从而导致了电池端电压急剧下降。F点电压标志着蓄电池接近放电终点，应停止放电，否则会给蓄电池带来不可逆转、永久性的损坏。图2.7蓄电池放电特性曲线2.3.3蓄电池的选用与光伏电池配套使用的蓄电池种类很多，目前广泛使用铅酸免维护蓄电池(即阀控式铅酸蓄电池)、普通铅酸蓄电池及碱性镍福蓄电池三种，国内主要使用铅酸免维护蓄电池，因其“免”维护特性及对环境污染较少的特点，适于性能可靠的光伏发电系统，尤其是无人值守工作站。普通铅酸蓄电池需常维护，环境污染较大，适于有维护能力或低档场合。碱性镍福蓄电池虽有较好的低温、过充、过放性能，但其价格较贵，适用于较为特殊的场合。另外，单体碱性电池额定电压若同样装置48V系统，碱性电池而铅酸电池仅需要42/2=24只，蓄电池组件体积就小了。表2.2传统铅酸蓄电池、阀控式铅酸蓄电池和碱性福镍蓄电池的性能对比种类普通铅酸蓄电池阀控式铅酸蓄电池碱性福镍电池额定电压/V221.2放电放电率小放电深度于C10，75%放电深度75%高倍率7cs以上，放电深度100%腐蚀性产生酸雾易腐蚀设各，需专用电池室无腐蚀，可人机共室腐蚀性小，可任意安装环境温度5~35-20~45-40~35浮充电压比额定电压高8%~10%比额定电压高11%~14%比额定电压高13%~20%浮充寿命/a8~1010~1515~20安装安装复杂，占地面积大安装简单，占地面积小，可水平和垂直安装安装简单，占地面积小2.4光伏发电系统容量设计2.4.1容量设计影响因素光伏阵列设计是一个重要环节，若光伏阵列所能提供的电能不能满足负载需求，就保证不了系统的稳定工作;若光伏阵列所提供的电能超过负载要求，则又造使成本上升、能量损失等。对于光伏阵列系统容量设计，主要包括蓄电池和光伏阵列容量设计。光伏阵列和蓄电池容量的设计，主要受如下因素影响。(1)太阳辐射到光伏阵列的光谱、光强受到大气层厚度(即大气质量)、地理位置、所在地的气候、气象、地形地质等的影响，其辐射量在一天、一月和一年中都有很大的变化。(2)光伏阵列的光电转换受电池本身、光强和蓄电池浮动等因素影响，三者在一天内都是变化的，故光伏阵列的光电转换是变化的。(3)蓄电池组一般工作在浮充电状态下，其电压随阵列发供能量还受环境温度的影响。(4)太阳能充放电控制器、逆变器等由电子元件组成，本身需耗能，所用元器件的性能、质量等关系到耗能的大小，从而影响充放电的效率。(5)负载用电情况是变化的，光伏发电的负载可以是通信的中继站，无人气象站，航标灯或路灯等。故光伏阵列和蓄电池容量设计时，需考虑光伏阵列所处的环境条件(地理位置、太阳能辐射、气候、气象、地形和地物等)，考虑负载和控制器、逆变器、蓄电池本身等耗电装置的耗电量，考虑蓄电池和太阳能电池本身的特点，满足系统经济效益，又要保证系统运作的高可靠性。光伏发电系统容量设计包含光伏阵列容量及蓄电容量池设计。2.4.2蓄电池容量设计蓄电池是光伏发电系统的重要储能装置，是保证向负载连续供电的首要条件。选择光伏发电蓄电池应遵循如下原则:既要经济又要可靠，防止在长期阴雨天气时导致电池的储存容量不够，达不到使用目的，并影响其循环使用寿命;蓄电池容量选择适当，过小不利于正常每个蓄电池都有它的标称电压(即蓄电池刚出厂时，正负极之间的电势差)和标称容量(也称为额定容量，指在250C环境温度下，蓄电池以5或10小时率电流放电的电量)，为了达到负载工作所需的电压和容量，对蓄电池进行串、并联，其计算公式如下:蓄电池串联数=负载标称电压/单个蓄电池标称电压蓄电池并联数=蓄电池所需容量/单个蓄电池标称容量蓄电池一般工作在浮电状态下，其电压随着光伏阵列发电量和负载用电量变化而变化，随充电进行电压上升，随负载用电电压下降;受环境温度的影响也很大，如温度高时易分解，需温度补偿。2.4.3光伏阵列容量设计光伏电池的单体、组件和阵列。光伏电池单体是光电转换的最小单位，尺寸一般为4}lOcm2。太阳能电池单体工作电压约为0.45}O.SV，工作电流约为20}25mA/cm2，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联并封装后，就成为光伏电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百瓦，是可单独作为电源使用的最小单元，这样既可以防止外界环境对其损害，延长电池的使用寿命，又便于电池的安装使用。一般一个电池组件有36或33个单体电池组成，产生约17V电压。太阳能电池组件在经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池方阵(阵列)，可以满足负载所要求的输出功率。2.5太阳能杀虫装置结构设计2.5.1Solidworks的设计特点Solidworks软件是在总结和继承几个大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下开发的。全面采用Windows技术的界面，操作简易方便;“全动感“的用户界面使设计过程中设计者非常轻松方便，图形趋于动态的预览显示，可审视设计的合理性，PropertyManager属性管理器可快速、简易的建立和修改零件或装配的，极大地提高了设计效率;作为面向产品级的机械设计工具，全面采用了非全约束的特征建模技术，为设计者提供了极强的设计灵活性。太阳能杀虫灯是利用太阳能电池板作为用电来源，其将白天太阳能发的电贮存起来，晚上放电给杀虫灯具，供其工作。杀虫灯具是利用365±50nm波长紫外光对昆虫具有激备较强的趋光、趋波、趋色、趋性的特性原理，确定对昆虫的诱导波长，研制专用光源，利用放电产生的低温等离子体，紫外光辐射对害虫间生的趋光兴奋效应，引诱害虫扑向灯的光源，光源外配置高压击杀网，杀死害虫，使害虫落下专用的接虫袋内，达到灭杀害虫的目的。

图2.8高压网单根网线图2.9高压网线装配图2.10高压网线压圈图2.11高压网装配再建立高压网的压圈如图2.10，其主要作用是点焊在高压网的外侧，以便固定高压网。将上述的高压网与压圈进行再装配就成了一个如图2.11所示。整个建模过程就像实际的加工工件过程，设计思路清晰、明朗。且发现压圈过小时，可先修改压圈尺寸到合理，再重新建模，装配图中会自动修改，具有省时、灵活的特点。2.5.2太阳能杀虫装置结构设计因太阳能杀虫灯装置置于室外，应虑其外观，增加欣赏价值。借助于太阳能路灯及鸟笼外观，将太阳能杀虫装配主体设计成鸟笼的形状如图5-5;设计整体结构成路灯形式如图2.12，整体美观大方。图2.12太阳能杀虫灯组件装配图如图2.12所示，太阳能杀虫装置主体由上盖、支撑板、高压内外网、防护网及托盘组成，杀虫灯将病害吸引到灯前打灯，高压网将其毙死;病害虫掉入托盘内;用来防治高压对人员伤害;太阳能杀虫装置的全部电器组件(控制器、逆变器、高压包等)均置于支撑板上，由上盖盖住而不受风雨的侵袭而损坏。图5.13所示，太阳能杀虫装置还包括蓄电池、立柱、光伏阵列及其支撑架等。弯管固定在立柱上支撑光伏阵列;立柱中空，一方面用来布置蓄电池与光伏阵列、负载等间电线而不外露;另一方面托盘的病害虫最终掉入立柱的内腔进行收集;对于立柱的高度，应视庄稼的高度而言，如蔬菜应立柱高度低点，对于较高庄稼，立柱可高点，常装灯高度在1/2m间;蓄电池至于立足下面减少受外部环境的影响，以保护蓄电池。图2.13太阳能杀虫装置

第3章充放电控制器的设计3.1引言无论光伏发电系统负载的大小，充放电控制器都是最基本、必不可少的。太阳能杀虫装置的好坏，就取决于充放电控制电路的好坏。本章就控制器的基本功能、控制策略进行研究与分析;采用脉宽调制的控制策略，以提高光伏发电利用率和保护蓄电池;并对控制器的软硬件进行设计。3.2充放电控制器基本功能独立光伏发电系统控制器应具有的功能有:对蓄电池过充、过放电控制;对蓄电池进行保护及蓄电池的温度补偿;对太阳能最大功率点进行跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT);对光伏电池防反充保护;运行状态指示等。3.2.1蓄电池的充放电控制为延长蓄电池使用寿命，需对充放电条件加以限制，防止过充电及深度放电;且光伏发电系统输出能量极不稳定，对蓄电池充电控制比普通蓄电池充电控制要复杂。1.防过充电由铅酸蓄电池充电特性曲线可知，当充电到D点电压(即门限电压或电压阀值)时，标志蓄电池已经充满，充电应结束，否则会出现两极析氢、氧的水分解反应，给蓄电池带来损坏。因此，控制器中应设置电压采集和电压比较电路，经对蓄电池端电压检测，来控制其充电进程，确定蓄电池的充电方式，来达到快速、高效的充电，并保护蓄电池。2.温度补偿蓄电池充电控制最终目的，是保证蓄电池充满前提下，尽量避免水分解。蓄电池充电过程中，氧化还原反应及水分解反应都与温度有关。温度高时，氧化还原反应和水分解反应容易，其电化学电位下降，此时应降低蓄电池充满的门限电压D，以防止水被分解;温度低时，氧化还原反应和水分解反应变得困难，其电化学反应电位应升高，即提高蓄电池充满的门限电压D，以保证将蓄电池被充满同时又不发生水分解。3.2.2光伏阵列最大功率跟踪(MPPT)光伏阵列的造价较高，约占整个光伏发电系统造价的。为降低系统造价应提高光伏发电利用率。如图3.1所示，是光伏阵列在不同口照、表明光伏阵列的输出既非恒压源，也非恒流源，而是一个非线性直流源。图3.1同光强下不同温度时的伏安特性曲线光照强度和环境温度都是变化的，故最大功率点也是变化的，口照越强，光伏阵列输出功率越大，而光伏阵列本身温度越高，光伏阵列输出越低。为提高光伏发电系统效率，需使光伏发电系统在不同口照、温度以及负载特性条件下都工作在光伏阵列输出特性的最大功率点附近，如图3.1所示，光伏特性曲线与负载特性曲线L的交点A,B,C,D即为光伏发电系统负载的工作点。若能使工作点移至光伏阵列伏安曲线的最大功率点A',B',C",D附近，可最大限度地提高光伏阵列的能量利用率，实现光伏方阵最大功率点跟踪CMPPT。3.2.3其他控制功能1.运行状态指示和故障诊断。通过指示灯、显示装置等指示光伏发电系统的运行和故障信息。2.信号检测。监测光伏发电系统装置及各单元的运行状况和参数，如光伏电压、蓄电池电压、环境温度等，以便进行充放电、温度补偿等控制。3.3充电控制策略3.3.1蓄电池充电模式铅酸蓄电池充电技术主要有三种运行方式，即循环充放电制、定期浮充制、连续浮充制1.循环充放电制循环充放电制属于全充全放型方式。光伏电池先直接向蓄电池充电，然后蓄电池直接向负载放电。蓄电池经常进行全充全放电状态，缺点是电解液消耗较多，使用寿命短，适合于小型户用光伏发电系统充放电方式。2.连续浮充制连续浮充制也称全浮充制，是长期将蓄电池并接在负载回路上，蓄电池保持少量充电电流，并对波动负载电流起补偿作用。正常情况下，光伏直流电压加在蓄电池两端，当蓄电池电压低于光伏阵列直流电源，该电源就给蓄电池充电;当光伏阵列不够或完全没有电时，启用蓄电池对负载供电，保证了不中断负载电源。3.定期浮充制定期浮充制也称半浮充制，是一种定期将光伏阵列直流电源和蓄电池并联供电的工作方式。部分时间由蓄电池供电，部分时间由光伏阵列直接供电，同时补充蓄电池已消耗的容量及自放电损失的容量。定期浮充制与连续浮充制的效果比循环充放电制效果好。本系统属于白天充电，晚上放电工况，满足对蓄电池采用循环充放电控制模式。但受光伏阵列发电特性、外部环境影响及蓄电池充放电特性影响，为提高光伏发电利用率及保护蓄电池等，在循环充放电控制模式基础上，采用脉宽调制(PWM)的充电控制方式。3.3.2最大功率跟踪(MPPT)原理最大功率跟踪(MPPT)目的，是将光伏阵列产生的电能及时、高效地提供给负载。实际光伏发电系统中，靠改变负载阻抗大小实现负载工作点A,B,C,D与光伏阵列伏安特性曲线上的最大功率点A',B',C",重合是很难的。MMPT控制电路，有带正弦波输出功能的单片机89C196，有带A/D转换功能P87LPC767，也有采用DSP代替单片机的控制电路。要实现MPPT功能，采用哪种控制算法效果差别很大。主要控制算法有定电压跟踪法(CVTConstantVoltageTracking、扰动观察法、功率回授法、增量电导法、模糊控制算法及标准蓄电池查表法等实际系统操作过程中，涉及系统的光伏阵列、蓄电池、负载等相匹配等问题，以下的MPPT控制系统优势并不明显。MPPT主要应用于较大系统。太阳能杀虫装置功率一般在40W左右，为设计时不考虑复杂的控制算法。结合蓄电池充电模式及光伏阵列最大功率跟踪的特点，采用了脉宽调制PWM的控制方式。3.3.3脉宽调制(PWM)控制算法蓄电池充电时，为光伏发电系统的负载，且一旦充电进行，光伏阵列端电压会被拉低到蓄电池的端电压。随着蓄电池充电容量的增加，其端电压会增加，从图3.2充电曲线看，增加速度缓慢且最高值受到控制。因此，像定电压跟踪法等控制方法靠调节充电电压来达到最大功率跟踪，效果并不理想。图3.2一定光照强度和温度下电流—功率曲线图功率P与电流I的曲线函数已知，那么，对曲线函数求一阶、二阶导数及迭加等，可求出最大功率点Pm所对应的电流I、电压Um。实光伏阵列的光伏发电受到口照强度、环境温度、负载等的影响，没有明确的目标函数。所以，最大功率点寻优是靠比较一些参数来得到的。蓄电池的电压在一段时间内可认为是定值，那么，对最大功率点Pm的寻优，可以看成是对充电电流I的寻优。实际寻优过程，电流I受占控比D的影响，即转化为功率与占空比间的关系，如图3.6所示。D表示MOSFET管开通时间的长短，即是光伏阵列给蓄电池充电的长短。占空比D为0时表示光伏阵列开路，功率P为0;D为1表示全充状态。

第4章逆变器的设计4.1引言光伏阵列及蓄电池提供的电能均为直流电能，而大多负载需交流电能，需要一种电能转换装置将直流转换成交流。逆变器便是通过半导体功率开关的开通和关断，将直流电能转换成交流电能电能转换装置，是光伏发电系统的重要组成部分。同时逆变器具有自稳压的功能，可以改善光伏发电系统的供电质量太阳能杀虫装置是独立光伏发电系统，故采用无源、单相、工频式逆变器。采用DC/DC,DC/AC两极逆变技术，将其设计成全桥式、MOSFET场效应管、电压型、脉宽调制式(PWM}正弦波逆变器。图4.1光伏发电系统逆变器结构原理图4.1正弦波逆变器系统基本原理。目前，构成DC/AC逆变技术较多，考虑使用条件、成本及可靠性等，采用典型的二级变换，即DC/DC变换和DC/AC逆变技术。结构框图如图4.1所示。首先，由DC/DC变换将DC12v电压逆变为高频高压方波，再整流滤波得到稳定的280V直流电压;然后由DC/AC变换以正弦波逆变的方式，将稳定的直流电压逆变成有效值稍大于220V的正弦波电压;再经LC工频滤波得到有效值为220V的5Hz交流电压，驱动杀虫装置。逆变器具有输出短路保护、输出过电流保护、输出过电压保护、输出欠电压保护、功率电路保护等功能。图4.1正弦波逆变器的结构方框图4.2DC/DC高频升压变换4.2.1高频逆变电路DC/DC逆变电路有半桥式、全桥式、推挽式，考虑输入电压较低，若采用半桥式时开关管电流变大;若利用全桥式时控制复杂，开关管功耗增大;因此，采用推挽式电路，开关器件少，双端工作变压器体积较小，可提高占空比，增大输出功率。如图4.2所示，DC/DC变换器由推挽逆变电路、高频变压器、整流电路光电隔离驱动电路等构成。SG3525产生的一定频率PWM方波经光电隔离驱动电路，驱动推挽式MOSFET场效应开关管栅极G1与GZ将蓄电池的直流变成高频交流;经变压器升压成高压，再经整流器将交流整流成直流;整流器后的滤波器将过滤整流后的高频谐波。采用推挽式电路，两端用开关控制，交替工作，可以提高转换效率。DC/DC高频升压后，随蓄电池随着放电而电压有所下降，仍可保证逆变部分输入电压较稳定，同时提高电压，减小电流，降低逆变部分损耗。图4.2DC/DC推挽式高频变换电路结构图4.2.2功率开关管的选择开关电源(SwitchModePowerSupply;SMPS)的性能在很大程度上依赖于功率半导体(即开关管)的选择。目前，开关管种类繁多，如晶闸管(也称可控硅SCR)、大功率晶体管(GTR)、可关断晶闸管}GTO)、功率场效应管(MOSFET)、绝缘门极晶体管(IGBT)等。应用较多的主要有MOSFET管和IGBT两种。MOSFET管，图4.3为其电路符号，电流增益高，不存在少数载流子积蓄效应，较高开关速度及热稳定性等特点;在串联调整稳压电源中作为调整管时无需大电流;并联时无需加均流电阻，简化了电路;驱动功率小;没有二次击穿现象，安全工作区宽，提高了可靠性。开关电源电路中采用MOSFET管，可获得较高的开关速度，提高效IGBT既具有MOSFET管的通断速度快、输入阻抗高、驱动电路简单及驱动功率小;具有大功率双极晶体管的容量大和端电压高等优点。在开关电源中，被认为是理想的开关器件，图4.3为其等效电路和电器符号。但在关断IGBT时，存在电流拖尾现象;当集电极电流超过额定电流时，极易产生过流故障，造成IGBT的损坏，需加专门的过流保护电路反馈给PWM芯片;且IGBT价格较高。由上分析得到从性能、价格、驱动电路等角度，本设计选取MOSFET场效应管。4.2.3MOSFET管的过压保护及吸收电路1．过压保护MOSFET过压保护包括栅极-源极、漏极-源极间的过压保护。(1)栅极一源极间的过压保护。漏极一源极间电压若发生突然改变，会通过极间电容藕合到栅极，因栅极一源极间的阻抗很高，便会在栅极一源极间产生相当高的UGs电压过冲，但栅极一源极间电压UG不能超过士20V，使栅极一源极间的氧化层造成永久性损坏，为此所示在栅极一源极间并联一个阻尼电阻器或并联电压约为18V的齐纳二极管来降低栅极驱动电路的阻抗。图4.3MOSFET吸收电路(2)漏极一源极间的过压保护。在MOSFET管关段瞬间会产生漏极电流的突变，尤其在接有感性负载时，漏极电流的突然改变会产生比外接电源还高的漏极电压过冲，导致MOSFET管被击穿。MOSFET管一般在漏极一源极间并联一个二极管，二极管的击穿电压将瞬变电压钳位住并保证完全消耗掉所钳位的能量。2.吸收电路漏极一源极间并联的二极管已和MOSFET做成一体;且利用RC缓冲电路也可以防止漏极一源极间的电压过冲，即一个电阻器R和一个电容C串联后跨接在MOSFET管漏极一源极间，构成一个RC缓冲电路，可有效降低漏极峰值电压。DC/DC推挽式变换的吸收电路，电容C在功率管开关过程中不发生完全的充放电，稳态时电容电压维持为电源电压，只有在线路寄生电感引起过电压时，电容才放电。当功率管导通时，吸收电容充有电源电压;当功率管截止信号到来时，功率管恢复阻断.由线路寄生的过电压被电容吸收;电容上过电压通过电源和电阻放电。由于电容不产生完全的充放电，故不存在电容电压完全放电的过渡过程，且吸收电容可选择性较大，可使同等条件下产生的过电压较小。4.2.4MOSFET管驱动电路开关管的好坏，直接影响开关电源的可靠性和其他性能指标。一个好的MOSFET管驱动电路满足MOSFET管快速通断、开通时驱动电压稳定、驱动电路简单、损耗小等要求，严格条件下采用隔离驱动。MOSFET管栅极驱动电路，有TTL,CMOS等直接驱动电路，也有脉冲变压器及光电藕合器等隔离驱动电路，IR3125,IR2110,UC3724与UC3725配对组成栅极驱动电路，SG3525A,SG3527A驱动，TDA4918,TDA4919,L4990等集成驱动芯片，为使工作性能稳定，采用光藕隔离驱动。驱动电路应满足在功率管需要导通时，能迅速地建立起驱动电压;且在关断时，能迅速地泄放功率管栅极电容上的电荷，拉低驱动电压。如图4.4所示，有光藕芯片6N135组成光藕驱动电路。当光藕原边控制电流流过(即信号被拉低)时，光偶导通，光藕副边的二极管打开，副边三极