光伏发电LED照明系统设计

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

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指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日

评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日0.前言21世纪,人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战,能源短缺和环境保护是当前经济发展和能源领域最重要的课题。回顾100年间能源产业的发展历史,人类正在消耗地球50万年历史中积累的有限能源资源，煤和石油虽然极大地解放了生产力,但同时也向人类敲响了常规能源面临枯竭的警钟，根据有关材料显示,人类己确知的石油储备可供开40多年,天然气可供开采60余年,煤可供开采200年,高成本油气田可供开采450年"能源问题的突出,不仅表现在常规能源的匾乏不足,更重要的是化石能源的开发利用对生态环境的污染破坏。每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空,使大气环境遭到严重污染,局部地区形成酸雨,严重污染水土,直接影响居民的身体健康和生活质量。而每年排放的210万吨二氧化碳带来的温室效应,更造成冰雪消融,冰川退缩,全球气候变暖,自然灾害频繁。由此可见,常规能源在给人类社会带来巨大腾飞的同时,也在很大程度上使人类社会面临着前所未有的毁灭性灾难，在有关国际组织已召开多次会议,限制各国CO等温室气体的排放量，这些问题最终将迫使人们改变能源结构,依靠科技进步,大规模地开发利用可再生洁净能源,实现可持续发展。太阳能是取之不尽的可再生能源,可利用量巨大。太阳每秒钟放射的能量相当于6x100吨标准煤按此计算,一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892xl0.3千亿吨,是目前世界能源探明储量的10万倍。太阳的寿命至少尚有40亿年,相对于人类历史来说,太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是无限的，相对于常规能源的有限性,太阳能具有储量的无限性,存在的普遍性,使用的经济性,利用的清洁性,决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏，枯竭的最有效途径之。太阳能、风能等清洁能源凭借其自身优势得到了越来越多的关注,其开发利用在最近儿年能得到如此长足的发展,究其原因,可以简单归纳如下:A)一次能源,可再生能源；B)可以免费使用,无需运输；C）可以替代部分常规能源,增强能源供应的安个性和可靠性；D)可以降低二氧化碳的排放,减缓个球的气候变暖。由此可见,太阳能等清洁能源必将在世界能源结构转移中担起重任,成为21世纪后期的主导能源。太阳能的应用领域非常广泛,但最终可归结为太阳能的光热利用和光电利用两个方面。日常生活中,太阳能热水器便是光热利用的一个很好的例子,除此之外太阳能的光热利用还包括太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀菌系统等,这此技术尤其在北方和西部应用较广,成效显著。太阳能热发电是太阳能热利用的另一个重要方面,它是利用集热器把太阳辐射热能集中起来给水加热产生蒸汽,然后通过汽轮机、发电机来发电。欧美在太阳能热发电方面较领先,我国才刚刚起步。若用太阳能全方位地解决建筑内热水、采暖、空调和照明用能,这将是最理想的方案,太阳能与建筑(包括高层)一体化研究与实施,是未来太阳能热开发利用的重要方向。除了太阳能热应用外,太阳能的光电应用也得到了长足的发展,这主要表现为光伏产业的发展,包括独立光伏系统、光伏并网系统等方面的应用。1.概述1.1太阳能产业在国内外发展趋势及研究现状1.1.1太阳能照明是节能照明的发展趋势太阳的能源非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳光所产生的能量相当于全球人类一年消耗的能量。可以说太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。目前，全球能源危机日益加剧，各国都在寻找新的能源，以取代即将枯竭的煤、石油、天然气等地球上所剩无几的不可再生能源。作为新型照明方式之一，太阳能照明能否挑起重担，在未来的照明行业中起主导作用。这不仅仅是照明行业所关注的焦点，也是整个社会思考和关注的焦点。利用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式。太阳能电源系统运行成本低，几乎不需要维护，不需要备件，不需要增添燃料。太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用。不包含任何运转部件，系统可连续工作、使用寿命超过数十年。太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定。无需为引接入电网而修路，在没有电网的地方，太阳能为灵活选取站址提供可能。除了直接的经济效益以外，太阳能发电还有很多间接优点。在其它一些供电系统，往往由于断电而立即造成巨大的经济损失。太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。太阳能照明本质上是一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。其工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制，当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、随时变换位置等优点，在照明行业中树立起神圣的地位。因为硅晶片价格昂贵，最初的太阳能仅应用在航天事业上。在技术上稍有突破后，被美国、日本、德国等发达国家率先尝试运用在高科技领域。随着太阳能光伏技术的发展和进步，在民用方面首先应用在照明灯具上。近几年来，太阳能灯具产品由于环保节能的双重优势，太阳能庭院灯、太阳能草坪灯和太阳能装饰灯等应用逐渐形成规模。大量试验表明，太阳能灯具和普通灯具对比分析后得出：在满足同样照明要求的条件下，两种不同的供电方式，太阳能灯成本比普通灯具要高；如果将投入工程的施工费用计入整个工程，则两种灯具在初始投资时造价相当。工程越大，普通灯具的工程施工费用越高，其初始投入大于太阳能灯具。使用时间越长，越能彰显太阳能灯具的实惠。如果把人力、物力计算在内，普通灯具的辅助费用与维护费用都将比预算的高。在后续的使用费用上（电费、维护费用等），太阳能灯具的优势更明显。如果在全国推广使用3亿只太阳能灯，其节能效果相当于新建一个三峡工程。据了解，太阳能的优点已被越来越多的人所接受。作为太阳能应用的系列产品之一，太阳能灯具一直是各方研究和关注的焦点。在已有技术基础上，技术人员与厂商集思广益，在诸多方面取得了突破性进展，为太阳能灯最终走向千家万户打下了坚实基础。专家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。1.1.2太阳能产业国外发展状况国际上，光伏发电发展迅猛。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了23.4％；1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，美国计划到2010年安装100O～3000MW太阳电池。日本不甘落后，1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费高达9200万美元，安装目标是7600MW。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995～2005年间，全球太阳能电池产量增长了l7倍。我们预计，2010年全球太阳能电池的年产量有望较2005年的年产量增长6.3倍，整个行业的销售收入有望增长3.5倍。而在太阳能产业遥遥领先的德国，于2003年修汀的《再生能源法》中强调：电力公司以保证价格收购再生能源，使德国2005年太阳能等可再生能源产业获得34亿欧元的补助。德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能解决了自家的能源使用，而且这些家庭还成为小型“私人电站”，源源不断地向电网公司输送电力，获得一笔可观的收人。1.1.3太阳能产业国内发展状况我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。在1995～2003年间，我国合计在太阳能发电方面的资金投入22亿元人民币，对太阳能新能源起着积极的推动作用。2005年后，我国太阳能发电产业又有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、浙江中意、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。随着太阳能光电效应的发展，在照明系统方面，太阳能草坪灯、庭院灯、台灯、城市光彩工程灯等众多品种大量出现在了日常生活中，是太阳能光源的主要应用方向，在提高人们生活水平的同时，又节约了大量能源。1.1.4太阳能跟踪系统的发展状况太阳能跟踪系统是保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳能跟踪系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。河北某太阳能光伏发电企业独家研发出了具有世界领先水平、成本低廉、简单易用、不用计算各地太阳位置数据、无软件、可在移动设备上随时随地准确跟踪太阳的智能太阳能跟踪系统。该太阳能跟踪系统是国内首家完全不用电脑软件的太阳空间定位跟踪仪，具有国际领先水平，能够不受地域和外部条件的限制，可以在-50℃至70℃环境温度范围内正常使用；跟踪精度可以达到±0.001°，最大限度的提高太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率。该太阳能跟踪系统可以广泛的使用于各类设备的需要使用太阳跟踪的地方，该太阳能跟踪系统价格实惠、性能稳定、结构合理、跟踪准确、方便易用。把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，该太阳能跟踪系统都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳。1.2LED照明在国内外发展现状1.2.1国外LED电路发展现状半导体照明技术的开发研究引起了全球研究机构和企业的重视。国外共有近200家公司参与器件、材料和设备的开发，近300所大学和研究所参与研发。目前，功率型白光LED光视效能（发光效率）已经达到100lm/W，研究水平达到160lm/W。经过技术发展和市场竞争，世界主要LED厂商已经形成各自的技术特色。日本日亚化学处于全球技术领先水平，垄断高端白色、蓝、绿色LED的市场，丰田合成在白光LED及车灯照明技术开发据国际前端。美国Cree的碳化硅衬底生长GaN外延片国际领先，传统照明巨头Philips绝对控股的美国Lumileds功率型白光LED国际领先；传统照明巨头Osram欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型LED封装和车用LED灯具开发国际领先。1.2.2国内LED电路发展现状国内的外延片生长技术主要源于美国，基本上是进口美国的有机金属化学气相沉淀（MOCVD）装备，这些装备在美国就不是一流的装备，在整个LED产业外延片的生长、芯片、芯片封装3个环节中，外延片生长投资要占到70%，外延片成本要占到封装成成品的70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏，简单的说，外延片的水平决定了整个LED产业水平，国内近几年也陆续引进了50多台MOCVD装备，均处理大生产工艺摸索阶段，一旦工艺成熟，则会上10倍地增大装备数量形成规模生产，市场需求巨大。国家“863”计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD设备的研发（中科院半导体所、中电科技集团公司第四十八所），通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。随着国家照明工程的起步，国内LED芯片设备的巨大需求再次引起了国外半导体设备生产商的积极响应，他们日益重视中国这个巨大的市场，但是，这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备高昂的价格，相对制约了国内企业的规模化、产业化发展，也消耗了国家大量宝贵的外汇。同样也挤占了国内设备生产商的发展空间。1.3太阳能照明的优点无论是现在还是将来，太阳能都拥有广阔的市场前景。潜力无限的太阳能是一种清洁、高效而且可持续的可再生能源。同时，使用太阳能也是一个明智的财务选择。如果使用太阳能电池板为您的住宅供电，在收到每个月的电费单时，您就能体会到这一点。另外，太阳能是环保的选择——如果您知道使用太阳能将为您的孩子留下一个更环保的美好世界，您一定会感到自豪。如今，全球的光伏太阳能供不应求，是增长最快的可再生能源之一。随着制造工艺的高效化，光伏系统的成本将继续下降。如今，光伏系统的价格已经是20年前的1/25。即使是商业电力公司，也正在寻求通过利用太阳能来构建更为稳定的成本结构。研究结果显示，太阳能在北方的气候条件下更为有效。在加利福尼亚州，电费每年上涨6.7%。太阳能则可以用来预防未来电费的居高不下。在许多国家，您可以将富余电力卖给电力公司，冲抵您的电费。与高成本的化石燃料污染和全球温室效应相比，太阳能不仅使用范围广，而且更经济。在近期的民意调查中，当受访对象被问及哪类能源最适合子孙后代时，太阳能的得分高出所有其它能源。光伏系统在提供电力的同时，不会排放二氧化碳(CO2)。一块光伏组件在25年的有效使用期内，可减少约7.5吨的碳排放量。随着经济发展，我国的照明用电将大幅度提高，绿色节能照明的研究应用，将越来越受到重视。太阳能LED照明灯具作为冷光源产品，具有性价比较高、绿色环保、安全可靠、质量稳定、使用寿命长、安装维护简便等特点，可广泛应用于绿地照明、公路照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明及家居照明系统，但太阳能LED照明灯具一次性投入较高是其发展的瓶颈。目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%左右，降低照明用电是节省能源的重要途径。为实现这一目标，业界已研究开发出多种节能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还较远，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。到2006年底，我国可再生能源利用量总计为2亿吨标准煤(不包括传统方式利用生物质能)，约占0.5个百分点，为2010年实现可再生能源占全国一次能源消费总量10%的目标迈出了坚实的一步。目前，我国正在从以下几个方面来推动光伏发电的国内市场发展：eq\o\ac(○,1)、启动送电到村工程；eq\o\ac(○,2)、在特殊工程上运用光伏发电，如世博会、奥运会等；eq\o\ac(○,3)、在沙漠地区建光伏电站；eq\o\ac(○,4)、动员一些城市启动屋顶计划；eq\o\ac(○,5)、研究制定提高光伏发电竞争力的电价政策(光伏产品90%的出口以及国内市场的缺失，都可能限制中国光伏产业的长远发展。一旦国外光伏产业政策有变或者为保护本国产业采取限制进口的措施，中国近年来大量上马的光伏项目将面临困境)。1.4课题研究的意义随着地球资源的日益贫乏,基础能源的投资成本日益攀高,各种安全和污染隐患无处不在太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受到重视，目前太阳能应用技术已取得较大突破,尤其太阳能光伏技术发展,给太阳能在公共照明中的应用带来了极为广阔的前景。随着近十年来LDE技术取得了突飞猛进的发展。LED以固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源和低功耗可直流驱动等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏和景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，如电话机、仪表板照明、汽车防雾灯和交通信号灯等。太阳能电源是直流电，而传统灯泡需要交流供电。这样，传统的光伏照明系统需要逆变器将直流逆变为交流，这种方法普遍存在着交流逆变不可靠、低温启动难、灯管寿命短、功耗高以及系统造价高等缺点。而LED需要直流驱动，于是，LED光伏照明系统，相比于传统的照明系统少了一个复杂而性能又未必可靠的逆变器环节。正是基于上述优点，使得LED逐渐取代传统光源应用于光伏照明系统，彻底地解决了传统的光伏照明系统存在的交流逆变不可靠、低温启动难和灯管寿命短等缺点。纵览国内外的种种太阳能电池，大多数是采用非跟踪式接收装置，这种方式下提高光-电转换效率的研究方向主要有提高采光面积，研发蓄电池新型材料及智能充放电和控制灯具关、开等。但是，随着阳光的移动电池板与阳光投射倾角不同，所以非跟踪式太阳能接收装置每个时段获得的太阳能是不等的，因此光--电转换太阳能的总效率低。在此基础上，人们开始研究如“向日葵”跟随太阳旋转的光伏电池，让太阳能电池板始终以最大的发电功率跟随着太阳旋转，即实现太阳能最大功率点跟踪。这样太阳能的转换效率将大大提高。2.太阳能光伏发电系统介绍及其原理白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池开始供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能→电能→化学能→电能→光能。2.1发电原理太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。（1）电池单元：由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件（阵列）。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流，开路电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，于是就有“光生电流”流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。（2）电能储存单元：太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间（发电时间）的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。2.2设置原理太阳能光伏发电系统的设计需要考虑的因素：（1）需要考虑太阳能光伏发电系统使用的地方以及该地日光辐射情况；（2）需要考虑太阳能光伏发电系统需要承载的负载功率；（3）系统所输出电压，以及考虑应该使用直流电还是交流电；（4）系统每天需要工作的小时数；（5）如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天；（6）考虑负载的情况，是纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流的大小。2.3系统组成光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备组成。图2-1光伏系统组成Figure2-1pvsystems2.3.1太阳能电池在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。原材料特点：电池片：采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。图2-2太阳能电池图Figure2-2solarcellsfigure玻璃：采用低铁钢化绒面玻璃(又称为白玻璃)，厚度3.2mm,在太阳电池光谱响应的波长范围内(320-1100nm)透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。EVA：采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为0.78mm的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。具有较高的透光率和抗老化能力。TPT：太阳电池的背面覆盖物—氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。边框：所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。也是家用太阳能发电中价值最高的部分。2.3.2蓄电池组其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是：a.自放电率低；b.使用寿命长；c.深放电能力强；d.充电效率高；e.少维护或免维护；f.工作温度范围宽；g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为2V；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为12V。2.3.3充放电控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。2.3.4逆变器是将直流电转换成交流电的设备。由于太阳能电池和蓄电池是直流电源，而负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。逆变器按运行方式，可分为独立运行逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器保护功能：a、过载保护；b、短路保护；c、接反保护；d、欠压保护；e、过压保护；f、过热保护。注：本设计是无需逆变器的，因为给LED灯供电用直流电，没有直流变交流的必要。2.3.5防反冲二极管太阳能光伏发电系统的防反充二极管又称阻塞二极管，在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时，擂电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中，起单向导通作用。因此它必须保证回路中有最大电流，而且要承受最大反向电压的冲击。一般可选用合适的整流二极管作为防反充二极管。一块板的话可以不用任何二极管，因为控制器本来就可防反冲。板子串联的话，需要安装旁路二极管，如果是并联的话就要装个防反冲二极管，防止板子直接冲电。防反充二极管只是保护作用，不会影响发电效果。2.3.6太阳能光伏发电系统的分类

目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类，离网光伏蓄电系统，光伏并网发电系统及前两者混合系统。

A）离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。

B）光伏并网发电系统，当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电。而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。

C）A，B两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。3.光伏发电LED照明系统的配置3.1光伏发电系统的设计原理太阳能光伏发电系统的设计包括两个方面：软件设计和硬件设计。光伏系统软件设计包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。由于软件设计牵扯到复杂的太阳辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成。在要求不太严格的情况下，也可以采用估算的办法。光伏系统硬件设计包括：负载的选型及必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计。逆变器的选型和设计，以及控制和测量系统的选型和设计。对于大型太阳能光伏发电系统，还要有光伏电池方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。太阳能电池发电系统设计的总的原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以减少初始投资。系统设计者应该知道在光伏发电系统设计过程中做出的每一个决定都会影响造价。由于不适当的选择，可轻易地使系统的投资成倍的增加，而且未必就能满足使用要求。再决定建立一个独立的太阳能光伏发电系统之后，可按下述步骤进行设计：计算负载，确定蓄电池容量，确定太阳能电池方阵容量，选择控制器。在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、经度、纬度和海拔等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射能量、直接辐射量及散射辐射量；年平均气温和最高最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。但是很少有独立的光伏发电系统是建立在太阳辐射数据资料齐全的城市的，而且偏远地区的太阳辐射数据可能并不类似于附近的城市。因此只能采用临近的某个城市的气象资料或类似地区气象观测站所记录的数据进行类推。在类推的时候要把握好可能导致的偏差因素，要知道，太阳能资源的估算会直接影响到光伏发电系统的性能和造价。另外，从气象部门得到的资料，一般只有水平面的太阳能辐射量，实际使用时必须设法换算到倾斜面上的辐射量。3.2负载计算对于负载的估算，是独立光伏发电系统设计和定价的关键因素之一。通常列出所有负载的名称、功率要求、额定工作电压和每天用电时间。对于交流和直流负载都要同样列出。功率因数在交流功率计算中不要过滤。然后，按负载分类和按工作电压分组，计算每一组的总功率。接着，选定系统工作电压，计算系统在这一电压下所要求的平均安培·小时（Ah）数，也就是算出所有负载的每天平均耗电量之和。关于系统工作电压的选择，经常是选最大功率负载说要求的电压。在以交流负载为主的系统中直流系统电压应当考虑与选用的逆变器输入电压相适应。通常独立运行的太阳能光伏打电系统，其交流负载工作在220V，直流负载工作在12V或12V的倍数。从理论上说，负载的确定是直截了当的，而实际上负载的要求却往往并不确定。例如家用电器所要求的功率可以从制造商的资料得知，但是并不知道他们的工作时间，如果使用时间估算过高，其累计的效果会导致光伏发电系统的设计容量和造价上升。实际上，某些较大功率的负载可安排在不同的时间内使用。再严格的设计中，我们必须掌握独立光伏发电系统的特性，即每天24小时中不同时间的负载功率。特别是对于集中的供电系统，了解用电规律后可适时地加以控制。

3.3蓄电池容量设计基本原理蓄电池容量设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作，为了避免连续阴雨天气时蓄电池长期处于欠压状态，在蓄电池容量设计时需要引入一个不可缺少的参数--自给天数，即系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。这个参数让系统设计者能够选择所需使用的蓄电池容量大小。一般来说自给参数的确定与两个因素有关：一，负载对电源的要求；二，安装地点的最大连续阴雨天数。一般情况下可以将安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计的自给天数。对于负载对电源要求不是很严格的光伏系统，我们在设计中常取自给天数为3—5天；对于负载对电源要求很严格的光伏系统，我们在设计中常取自给天数为7—14天。所谓负载不严格的光伏应用系统通常指用户可以稍微调节一下负载需求从而适应恶劣天气带来的不便，而严格系统指负载用电比较重要，如通信、导航、医院、诊所等。此外还要考虑安装地点，如果在很偏远的地方必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员到达现场需要花费很长时间。3.3.1蓄电池容量计算1)基本公式将每天负载需要的用电量乘以根据实际情况确定的自给天数就可以得到初步的蓄电池容量，再除以蓄电池的允许最大放电深度即可得到所需的蓄电池容量。最大放电深度的选择需要参考光伏系统中使用的蓄电池的性能参数，通常情况下，深循环型蓄电池推荐使用80%的放电深度（DOD）；浅循环型蓄电池推荐使用50%的放电深度（DOD）。基本公式如下：所需蓄电池总容量=每个蓄电池都有它的标称电压，为了达到负载工作的标称电压，我们将蓄电池串联起来给负载供电，需要串联的蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。当蓄电池总容量大于单个蓄电池容量时，我们需要将单个蓄电池并联起来组成总容量。公式如下：串联蓄电池数量=并联蓄电池数量=2)修正对于铅酸蓄电池，蓄电池的容量不是一成不变的与两个重要因素有关：蓄电池的放电率和环境温度。放电率对蓄电池容量的影响蓄电池的容量随放电率的降低（即蓄电池放电时间变长）而相应增加。在蓄电池匹配计算中我们常用到平均放电率这一参数。公式如下：平均放电率（小时）=对于多个不同负载的光伏系统，负载的工作时间可以使用加权平均负载工作时间。公式如下：加权平均负载工作时间=根据上面两式就可以算出光伏系统的实际平均放电率，根据蓄电池生产商提供的该型号电池在不同放电速率下的蓄电池容量，就可以对蓄电池的容量进行修正。b.温度对蓄电池容量的影响蓄电池的容量随温度的下降而下降。通常，铅酸蓄电池容量是在25℃时标定的，随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到额定容量的90%,而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80%，所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。蓄电池生产商一般会提供相关的蓄电池温度-容量修正曲线在该曲线上可以查到对应温度的蓄电池容量修正系数。蓄电池的最大放电深度受低温的影响。在寒冷气候条件下，如果蓄电池放电过多，电解液凝结点上升，电解液就可能凝结，以致损坏蓄电池。修正后公式如下：蓄电池容量=3.4太阳能电池组件配置计算1)基本公式计算太阳能电池组件数量的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳能电池组件在一天中可以产生的能量即组件日输出（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳能电池组件数，其中组件日输出的计算为太阳能光伏组件最大工作点电流（安）乘以每日太阳辐照最小时数（小时），使用这些组件并联可以产生系统负载所需要的电流。用系统的标称电压除以太阳能组件的标称电压，就可以得到需要串联的太阳能组件数，使用这些太阳能电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。基本公式如下：并联的组件数量=组件日输出（Ah）=组件最大工作点电流(A)日辐射最小时数(h)=2)修正太阳能电池的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的太阳能电池组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正：将太阳能电池组件输出降低10%在实际工作情况下，太阳能电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低，如泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变等。通常的做法就是在计算的时候减少太阳能电池组件的输出的10%来解决上述不可预知和不可量化的因素。将负载增加10%以应付蓄电池的库伦效应在蓄电池的充放电过程中，蓄电池会电解水产生气体逸出，太阳能电池组件产生的电流中将有5%—10%的部分不能转化储存起来而是耗散掉，我们用蓄电池的库伦效率来评估这种电流损失。所以保守设计中有必要将太阳能电池组件的功率增加10%以抵消蓄电池的耗散损失。修正后公式如下：并联组件数量=组件日输出（Ah）=组件最大工作点电流(A)日辐射最小时数(h)串联组件数量=光伏发电太阳能电池方阵对于荫蔽十分敏感。在串联回路中，单个组件或部分电池被遮光，就可能造成该组件或电池上产生反向电压。因此受其它串联组件的驱动，电流被迫通过遮光区域，产生不希望有的加热，严重时可能对组件造成永久性的损坏。在选购太阳能电池组件时，如果是用来按一定方式串联、并联构成方阵，设计者或使用者应向厂房提出，所有组件的I-V特性曲线须有良好的一致性，以避免方阵的组合效率过低。一般应要求光伏组件的组合效率大于95%。对于方阵设置的方位角和倾角，设计者和使用者也应有个基本了解。位于北半球的我国，方阵的方位应按正南向设置。但是，只要在正南+20°～－20°之内，方阵的输出功率将不会降低很多。如果出于某种考虑，方阵不是正南设置，那应尽可能偏西南20°以内，这意味着方阵输出峰值将在中午过后的某时，这样做可以有利于冬季使用。关于方阵的倾斜角问题，对于小型光伏发电系统来说，一般采用按当地纬度的整数固定设置。3.5LED光源介绍及其驱动电路3.5.1电光源的介绍电光源是将电能转换为光能的器件或装置，广泛用于日常普通照明、城市夜间照明、国民经济生产、国防和科研等方面。随着电光源工业技术的发展，各种新光源产品不仅在数量上，而且在质量上都有很大的提高，各种发光效率高、显色性好、使用寿命长的新型电光源不断出现。本章主要介绍电气照明领域中常用的电光源的种类、工作原理以及电光源的选择和应用，并重点阐述LED(LightingEmittingDiode，简称LED)光源特性。1879年，美国人爱迪生发明了具有实用价值的碳丝白炽灯，使人类从漫长的火光照明进入了电气照明的时代。以后白炽灯的进一步完善，低压钠灯和高压汞灯的发明，特别是荧光灯和卤钨灯的问世时电光源技术的一大突破。20世纪60年代开发了高压钠灯和金属卤化物灯，80年代出现了紧凑型节能荧光灯、小功率高压钠灯和小功率金属卤化物灯，照明用发光二极管的开发，使电光源进入了高性能化、节能化和电子化的新时期。1）光电源的发展史电光源一般可分为照明光源和辐射光源两大类。照明光源是以照明为目的，辐射则主要为人眼视觉可见光谱（波长380～780nm）的光电源，其规格种类繁多，功率为0.01W～50kW，使用量占电光源总产量的95%以上。辐射光源是能辐射出大量的紫外光（1～380nm）和红外光（780～1×106nm）的电光源，紫外光源用在部分装饰照明和间接照明中，但大部分用在多类工业用辐射照明中。以上两大类电光源均为非相干光源。此外，还有一类相干光源，它通过激发态粒子在受激辐射作用下发光输出光波波长从短波紫外光直到远红外。这种光源称为激光光源。2）照明光源的分类照明光源种类很多，室外照明光源一般采用CFL节能灯、汞灯、高压或低压钠灯、金卤灯，近年来有出现了无极灯和半导体发光器件LED。这些光源按其原理可以分为低气压放电灯、高气压放电灯、电磁感应灯、场致发光灯等。①高压钠灯光效高，寿命也较长，但是显色性不好。因此目前常被使用在显色效果要求不高的城市主干道道路照明中；②金卤灯的显色性和相关色温较高，因此目前主要应用在高质量的广场照明或者商场照明中；③LED光源的寿命极长，而且随着科技的进步，LED光源取得了越来越大的进步，光效越来越高，前景很广阔，并已经由传统的作为指示灯用途而跨入现代照明体系中，以其诸多优点在路灯照明系统中扮演着越来越重要的角色，LED是固态光源，体积小、抗摔、耐震、无紫外线、无红外污染、寿命长，因此现在已经逐步取代白炽灯、CFL节能灯等传统电光源。总的来说，目前在大功率、高照明质量要求的场合，一般选择金卤灯作为光源；对于大功率、质量要求不高的场合，可以选择汞灯、高压钠灯最为光源；而对于小功率的照明场合，尤其是像光伏发电照明系统，可以选择高亮度大功率的LED作为光源。LED作为新型光源从特殊照明市场逐渐进入普通照明市场，市场前景极为广阔。作为特殊照明光源的应用，白光LED已经显示出巨大的性能优势、强劲的发展势头和迅速增长的市场需求。目前，国产商品化白光发光二极管的发光效率已经达到50lm/W，远远超过了15lm/W的白炽灯，光效和60lm/W的荧光灯相近。日本企业近年计划量产100lm/W以上的白光发光二极管，这一指标超过了80lm/W的稀土三基色荧光灯，逼近光效140lm/W的钠灯，就发光二极管的技术潜力和发展趋势来看，其发光效率将达到200lm/W以上，超过当前光效最高的高强度气体放电灯，成为世界上最亮的光源。因此，业界认为，半导体照明将创造照明产业的第四次革命。3）应用场合目前LED主要用于以下场合：A)景观照明：包括建筑装饰、室内装饰、旅游景点装饰等；B)汽车市场：车用市场是LED运用发展最快的市场，主要用于车内仪表盘、空调、音响等指示灯及内部阅读灯，车外的第三刹车灯、尾灯、转向灯、侧灯等；C)背光源市场：LED作为背光源已普遍运用于手机、电脑、手持掌上电子产品及汽车、飞机仪盘等众多领域；D)特殊工作照明和军事运用：由于LED光源有抗震性、耐候性、封闭性好、以及热辐射低、体积小、便于携带等特点，可广泛应用于防爆、野外操作、矿山、军事行动的特殊工作场所或恶劣工作环境之中。3.5.2LED光源特性近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，人们迫切希望应用节能环保的新技术，半导体照明就是这种魅力的新技术。所谓半导体照明，是指用半导体发光二极管（简称LED）作为光源的固态照明。因白光LED最近接日光，更能较好地反映照射物体的真实颜色，所以白光LED照明最有魅力。应用半导体PN结发光原理制成LED问世于20世纪60年代初，90年代以来，随着氮化镓为代表的第三代半导体的兴起，以及白色LED的研究成功，使实现半导体发光LED照明成为可能。LED被认为是21世纪最有价值的新光源，LED照明取代传统照明成为人类照明的主要方式，将是大势所趋。3.5.3LED光源的发光原理LED光源其实是一个PN结的二极管。它由管芯即发光半导体和导线支架组成，管芯周围是由环氧树脂封装，以保护管芯，见图3-1。在热平衡下，半导体PN结N区的电子扩散到P区，P区的空穴扩散到N区，这种互扩散运动的少数载流子聚集在PN结的两侧，形成势垒，势垒产生的电场将阻止互扩散运动的继续进行。当PN结上施加正向电压时，其势垒降低，注入少数载流子，N区电子注入P区，而P区空穴注入N区。注入的少数载流子将和该区原有的少数载流子复合发光。复合发光根据能带结构，带间的复合可分为直接跃迁和间接跃迁两种。发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入，复合辐射和光能传输。图3-1发光二极管结构图Figure3-1light-emittingdiodestructureLED的工作情况与标准的硅二极管相同，在正向电压达到2V以前，正向电流很小；随着电压继续上升，电流增长速度很大，大量电子流入P结，使管芯半导体晶体发光，见图3-2。图3-2（a)PN结二极管示意图(b)PN结二极管法度昂模型示意图Figure3-2（a)PNjunctiondiode(b)Amodelforthep-njunctiondiodetestimonies1)单色LED光源的发光原理当电流从PN结的阳极流向阴极时，管芯半导体晶体就会发光，光的颜色取决于使用的晶体材料的种类，从LED发光过程看出，一是发光的光为单色光；二是不同的管芯半导体材料发出不同的单色光，LED能发出紫外到红外不同颜色的光；三是发光的强弱和正向电流有关。2)白光LED光源的发光原理对于照明来说，人们更需要的是白色的光源，白光是多种颜色混合而成的光。目前实现白光LED的技术可分为三种：一是用InGaN蓝色LED激发忆铝石（YAG）荧光粉；二是利用三基色（RGB，即红光、绿光、蓝光）原理将红、绿、蓝三种高亮度LED混合成白光；三是用紫外光LED激发三基色荧光粉或其它荧光粉，产生多色光混合成白光。三种技术均已实现产业化，其结构也从单芯片到多芯片不等。3.5.4LED光源的基本特性从照明角度看，要有效地利用LED光源，就必须对它的光、电和热特性及一些基本参数有所了解。1)LED的光和颜色特性①LED的光特性最早的LED的光效很低，只有4～5lm/W，后来随着芯片晶体的生长和荧光粉的改进，现在白光LED的光效可达35～40lm/W，预测到2010年可达60lm/W。其光效介于白炽灯（141lm/W）与紧凑型荧光灯（87lm/W）之间。②LED的光谱特性LED的发光原理决定了它发光的单色性，不同材料的LED对应不同的主波长和不同的光谱曲线，各谱线的半宽度∆λ有一定的差异。③LED的光强分布特性目前LED发出光束的角度用1/2半宽度角表示，即光强降到峰值光强1/2时的光束角，见图3-3。由于目前的光源都是对称的透镜，所以它的扩散角为2。LED的光强分布曲线都可用示。因此，再利用多个LED集中起来制成“二次光源”时，在计算上比较方便的。图3-3LED光源的光强分布特性Figure3-3LEDlightintensitydistributioncharacteristics2)LED光源的电特性①LED的伏安特性曲线发光二极管的伏安特性(又称V-I特性)与普通二极管大致相同，只是在正向特性的上升速率上略有差异。当所施加的正向电压未达到开启电压时，几乎没有电流通过发光二极管，但当电压超过开启电压时，电流急剧上升，电流电压几乎成线性关系，即发光二极管呈欧姆导通特性。发光二极管正向开启电压通常称作正向门限电压，它取决于半导体材料的禁带宽度，其取值因使用晶体材料的不同而有所差异。在25℃时，SF-50TUV13紫外发光二极管GaP红色发光二极管的正向电压分别是1.5V和2.2V,正向工作电流都为20mA，反向电压分别为-5V和-7V。相同的管压降是不同的，流过LED的电流i与其两端电压V的关系如下式：式中：T—温度—LED的反向饱和电流；e—电子电荷；k—波尔兹曼常数；β—正向电流较大时近似为1。②LED的发光特性LED的发光亮度，基本上正比于其通过的电流强度。亮度正比于电流密度这种特性，对于采用脉冲驱动的方式来说是很有利得，它可以在平均电流与直流电流相等的情况下获得较直流电流更高的亮度。3)LED光源的热特性①LED的工作和环境温度的关系LED的设计环境温度是-20℃～+70℃，其宽温范围有利于设计和应用，但需十分小心LED内部的PN结工作温度，它的变化会导致器件的颜色变化。典型数据如下：红色是120℃，白色是100℃，应保持温度范围小于105℃，在设计和装配时应考虑发热造成效率的下降。超过这个温度后，LED的发光和寿命就会减少，当环境温度从20℃增加为60℃时，光输出就减少一半。根据使用场合再设计外壳时必须注意热量带来的问题。②环境温度对LED发光的影响LED的发光强度与使用的环境温度有很大关系，一般的趋势是温度降低，发光越强，反之则越弱。除此之外，温度变化对LED的主波长也有影响。实验证明，一般情况下，LED在恒定电流下工作，电压虽温度变化到稳定时，LED所消耗的电能是一定的。若不控制温度，稳定的电功率就会产生不同的工作条件。光辐射的相对光谱分布将受到两方面的影响：一是光谱分布曲线的形状；二是随着温度的升高，整个光谱分布曲线的主波长会发生偏移。3.5.5LED与传统光源的性能比较1)LED的优点虽然目前白光LED仍处于初级发展阶段，但与现行照明光源比较，LED照明有很多优点。也就是LED适合做照明灯具的原因。(1)光效高白炽灯、卤钨灯的光效为12～24lm/W，荧光灯的光效为50～70lm/W，钠灯的光效为90～140lm/W，大部分的好店变成热量损耗。LED的光效经改良可达到50～200lm/W，而且光的单色性好、光谱窄、无需过滤可直接发出有色可见光。目前，世界各国均加紧提高LED光效的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。(2)功率低LED单管功率为0.03～0.06W，采用直流驱动，单管驱动电压1.5～3.5V，电流15～20mA，反映速度快，可在高频操作。在同样的照明效果下，LED的耗电量是白炽灯泡的八分之一，荧光灯管的二分之一。据日本估计，如采用光效比荧光灯还要高两倍的LED替代日本一半的白炽灯和荧光灯，相当于每年可节约60亿升原油。美国科学家语言，全球的白炽灯和日光灯都被白光LED取代的话，将节约38座核电站的发电量。(3)使用寿命长LED的使用寿命可以长达10万小时，传统的光源在这方面无法与之相比。一般来讲，普通白炽灯的寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过一万小时，高压钠灯寿命也不超过二万小时。使用LED作为光源，可大大降低人工费用。(4)安全环保LED为全固态发光体、耐震、耐冲击不易破碎、发热量低、无热辐射，属冷光源，且不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收，没有污染。(5)响应时间短气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，需要几十秒至几十分的时间，这是由气体放电光源本身的特性决定的，因为多数体放电灯的工作物质在常温下是液体或固体，启动后需要一个加热气化的过程，才能达到稳定的工作状态。白炽灯是热辐射光源，而LED得相应时间只有几十纳秒，因此在一些需要快速相应或高速运动的场合，应用LED作为光源是很合适的。(6)发光体接近点光源LED的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源，这样能给灯具设计带来许多方便。白炽灯的发光体是灯丝，有一定的长度，荧光灯的尺寸更大，这些照明光源都不能看成点光源，在灯具设计时首先要建立一个光源辐射模型，处理起来有一定的厚度。而LED发光的方向性很强，很多情况下只需要透镜将其发出的光线进行准直、偏折，而不需要使用反射器，这样设计的灯具厚度较小，可以做成薄型美观的灯具。除此之外，相比于传统光源，LED光源还有色温范围广（3600～11000K）、体积小、无红外线和紫外线辐射、直流驱动和使用安全等优点。2)LED改善之处近年来，LED的发光效率正在逐步提高，商品化的器件已达到白炽灯的水平，景观灯采用的白色LED发光效率接近荧光灯的水平，并在稳步增长中。但是，LED想要在照明中全面普及，还需要解决一些技术性的问题：(1)光提取效率低虽然LED的电光转化效率较高，但传统的正装结构LED的光提取效率只有百分之几，严重影响LED的光输出功率，采用LED作为照明光源，必须可以发出更多的光，必须具有更高的能量转换效率。(2)散热问题散热不良将导致芯片温度迅速上升和环氧树脂碳化变黄，从而造成LED的加速光衰，降低LED的寿命，甚至失效。(3)光色不佳LED发出的光与自然光仍有一定的差距，譬如白炽灯具有非常强的黄色光的成分，给人一种温暖的感觉，而白光LED发出的白光带有蓝色光的成分，在这种光的照明下，人们的视觉不很自然。(4)价格昂贵这是影响LED照明普及的主要原因，例如安装到灯杆上25W的LED灯条至少需要1000元，比相同效果的钠灯要贵得多。3.6LED的驱动电路3.6.1LED驱动技术原始电源有各种形式，但无论哪种电源，一般都不能直接给LED供电。因此，要用LED作为照明光源就要解决电源变换问题。LED实际上是一个电流驱动的低电压单向导电器件，LED驱动应具有直流控制、高效率、PWM调光、小型尺寸以及简便易用等特点。给LED供电的电源必须注意以下事项：(1)LED是单向导电器件，由于这个特点，就要用直流电流或者单向脉冲电流给LED供电。(2)LED是一个具有PN结结构的半导体期间，具有势垒电势，这就形成了导通门限电压，加在LED上的电压值超出这个门限电压时LED才会充分导通。LED的门限电压一般在2.5V以上，正常工作时的管压降为3V到4V。(3)LED的电流—电压特性是非线性的，流过LED的电流在数值上等于供电电源的电动势减去LED的势垒电势后再除以回路的总电阻(电源内阻、引线电阻和LED体电阻之和)。因此，流过LED的电流和加载LED两端的电压不成正比。(4)LED的PN结的温度系数为负，温度升高时LED的势垒电势降低。由于这个特点，所以LED不能直接用电压源供电，必须采用限流措施，否则随着LED工作时温度的升高，电流会越来越大，以至损坏LED。(5)流过LED的电流和LED的光通量的比值也是非线性的。LED的光通量随着流过LED的电流增加而增加，但却不成正比，越到后来光通量增加的越少。因此，应该使LED在一个发光效率比较高的电流值下工作。另外，LED也和其他光源一样，所能承受的电功率是有限的。如果加在LED上的电功率超过一定数值，LED也可能损坏。由于生产工艺和材料特性方面的差异，同型号的LED的势垒电势以及LED的内阻也不完全一样，这就导致LED工作时的管压降不一致，在加上LED势垒电势具有负的温度系数，因此，LED不能直接并联使用。3.6.2LED驱动电路理想的LED驱动方式是采用恒压、恒流方式，但驱动器的成本会增加。其实每种驱动方式均有优缺点，根据LED产品的要求、应用场合，合理选用LED驱动方式，精确设计驱动电源称为关键。对于LED驱动方面，由于蓄电池输出是直流电，所以可以和LED相匹配。那么我们要考虑的就是如何使输出电压给LED光源提供稳定的电流。而LED也是需要直流供电，则对于LED的驱动我们选用DC/DC变换器。4.太阳能光伏发电照明系统的设计4.1太阳能LED照明系统概述一个完整的太阳能LED照明系统如下图4.1所示，主要由太阳能电池、蓄电池、控制器、电压电流检测双环路、LED灯及其驱动电路等部分组成。图4.1光伏发电LED照明系统结构图PhotovoltaicpowergenerationLEDlightingsystemstructurediagraminfigure4.11)太阳能电池板太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P-N结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能，太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类：一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂，另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接来的太阳辐射能量经过高频直流转换后成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。2)蓄电池蓄电池的作用是把有阳光时太阳能电池发出的电存储起来，供没有阳光时使用。蓄电池的容量要根据太阳能电池板的功率和LED灯的功率以及照明时间来决定。3)太阳能充电控制电路这部分电路的功能是在阳光充足，光照时间长的时候控制充电程度，电池充满即停止充电，不使蓄电池过充损坏，以保护蓄电池，延长其使用寿命。4)LED驱动电路这也是系统的核心控制电路的一部分，它要完成发光二极管的恒流驱动控制，使流过发光管的电流不随蓄电池的电压变化。5)LED照明灯LED(1ightemittingdiode)即发光二极管，它是一种在P-N结上施加正向电流时能发出紫外光、可见光、红外光的半导体固体发光器件。LED的发光机理是：半导体材料的电子和空穴在P—N结处结合，发出与电子和正电荷空穴之间的能量差相对应的光子而发光。不同的半导体材料可制成各种波长发光的LED。与现行照明光源相比，LED照明具有以下优点：A)功耗低、节能在同样的照明效果下，LED的耗电量是白炽灯泡的1/8，是荧光灯的1/2。在我国，照明所消耗的电能约占电力总消耗量的1/6，而只要目前1/3的白炽灯被LED代替，每年就可以为国家节省用电10—11度，相当于节省一个三峡工程的年发电量。B)发光效率高白炽灯、卤钨灯的光效为12～24lm/W，荧光灯的光效为50～70lm/W，钠灯的光效为90～140lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。LED的光效经改良后可达到50～200lm/W，而且光的单色性好、光谱窄、无须过滤可直接发出有色可见光。C)使用寿命长LED的平均寿命长达10万小时，是普通灯的数十倍。使用LED可以大大减少了人工费用。D)安全环保LED为全固态发光体，耐震、耐冲击不易破碎、发热量低、无热辐射，属冷光源，且不含汞、钠元素等可能危害健康的物质，废弃物可回收，没有污染。4.2光伏发电的LED照明系统的硬件电路设计光伏发电照明系统的硬件设计主要包括两部分的内容：（1）太阳电池板对蓄电池的充电电路；（2）蓄电池对LED灯的放电电路。第一部分主要涉及到太阳电池充电电路的合理安排，包括充电的思路，蓄电池的保护电路以及蓄电池充电管理等内容，第二部分主要侧重于对于LED光源的驱动。4.2.1BUCK电路及其驱动电路的设计(1)BUCK电路的设计BUCK电路是一种降压斩波器，其输入电压总是大于降压变换器输出电压的平均值。在此电路中降压变换器的开关频率、电容C和滤波电感L的数值对输出电流是否平滑起到关键作用。本课题的针对电路中各元器件参数对BUCK电路设定以下要求：输入直流电压：18V，输出电压:12V，输出电流:10A，输出电压纹波峰-峰值50mA，锯齿波幅值=1.5V，开关频率:100KHZ，采样网络传递函数H(s)=0.3。主电路二极管的通态压降=0.5V，电感中的电阻压降:0.1，开关管导通压降:0.5,滤波电容C与电解电容的乘积为。以上各参数的要求均以其最大值来计算。图4.2BUCK电路及其驱动电路Figure4.2BUCKcircuitanddrivecircuit1)滤波电容的选择因为输出纹波电压只与电容的容量以及ESR有关，电解电容生产厂商很少给出ESR，但C与的乘积趋于常数，约为5090F。在本课题中取为90F，由式(4-1)可得，C=3000F。2)滤波电感选择开关管闭合与导通状态的基尔霍夫电压方程分别如式(4-2)、(4-3)所示：（4-2）（4-3）（4-4）（4-5）假设二极管的通态压降，电感中的电阻压降，开关管导通压降。利用，可得，将此值回代式(4.5)，可得。(2)BUCK电路驱动电路的设计如图4.2所示，BUCK电路作为一种斩波电路，对其IGBT通断的控制是核心部分。本课题选用infineon公司的IKA10NT60型号IGBT，其驱动芯片选用日本东芝公司生产的TLP250。TLP250的最大驱动能力可以达到1.5A，能够驱动小功率IGBT和MOSFET，同时在驱动IGBT和MOSFET时保证了可靠的离。从TLP250的说明书和实际使用来看，其具备以下特征：输入阈值电流电源电流；电源电压；输出电流；开关时间。由图4.2可见，PWM控制信号由ATMEGA16的PD5PWM口输出之后,经过TLP250放大、整形之后驱动功率IGBT(IKA10NT60)。太阳能电池的输出电压经过PWM斩波调压之后，能够满足蓄电池当前充电状态所需要的电压。PWM波通过TL