太阳能路灯系统设计课程设计.doc

太阳能光伏发电系统课程设计 课题名称 50W太阳能LED路灯系统设计 专业班级： 新能本121 学生学号： 2012213117 学生姓名： 孙俊峰 学生成绩： 指导教师： 郭瑞、高微 课题工作时间： 2014.12.29 至 2015.1.5 沈阳工程学院 一、课程设计的任务和要求要求：1、具备独立查阅光伏发电系统设计的相关文献和资料的能力；具有查阅光伏电池、蓄电池、控制器和逆变器等光伏器件参数和型号的能力；具有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。2、具备独立设计光伏发电系统的能力，能提出并较好地实施方案，能对光伏发电系统的结构和配置进行分析研究和优化设计。3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力。4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。5、报告内容简练完整、立论正确、讨论充分、论述流畅、结构严谨、结论合理；技术用语准确、符号规范统一、编号齐全、书写工整、图表完备。6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。7、内容不少于3000字。 技术参数：1、光伏发电系统安装地点：沈阳； 2、LED太阳能路灯光源功率为50W，工作电压为直流24V。要求路灯工作9h，保证连续5个阴雨天能正常工作。 任务：1、选择适当的光源、太阳能电池组件、蓄电池和控制器； 2、设计合理的光伏路灯发电系统，并对结果进行分析和总结； 二、进度安排 1、2014.12.29 选题、分析查找相关资料 2、2014.12.30 提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计 3、2014.12.31 讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型 4、2015.1.4 写出课程设计报告初稿5、2015.1.5 整理课程设计报告、交稿三、参考资料或参考文献1、杨金焕、于化丛、葛亮， 太阳能光伏发电应用技术，第1版， 电子工业出版社， 20092、李钟实， 太阳能光伏发电系统设计施工与维护， 第1版，人民邮电出版社，20103、 黄汉云，太阳能光伏发电应用原理，第2版，化学工业出版社，2012 4、 瑞安·梅菲尔德，太阳能光伏发电系统设计及安装，第1版，人民邮电出版社，2012 5、Wenham S R,Green M A,Watt M E, Applied PhotovoltaicsM.Australia.University of NSW.  6、HadiAghazadeh,Hossein Madadi Kojabadi ,Ahmad Yazdankhah.Stand-Alone PV Generation System with Maximum power Tracking.International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC 2010),2010,1(9):1-2.指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日四、课程设计摘要（中文） 绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。 本次设计主要针对沈阳工程学院50W太阳能LED路灯系统进行课程设计，其内容主要包括当地气象数据分析，蓄电池容量计算和型号选择，太阳能电池板数量及型号确定，控制器型号、LED光源的选择、灯杆的选择。 本次设计基本涵盖了太阳能LED路灯系统的设计及选型，所有数据通过公式计算和软件模拟，满足理论设计的需要。关键词：节能 环保 LED 光伏系统 太阳能路灯五、课程设计摘要（英文）Abstract:green energy and sustainable development is a big problem faced in this century, the development of new energy, the energy utilizing have drawn greatattention of governments. Solar energy as an inexhaustible, be inexhaustibleclean energy will be hitherto unknown development.This design mainly aims at the course design of household independent photovoltaic power generation system in the Shenyang area, including theanalysis of the local meteorological data, the battery capacity calculation andmodel selection, and model to determine the number of solar panels, inverter and controller model selection.This design basically covers the design and selection of domestic independentpower system electrical equipment parts, all data simulated by formula calculation and software, satisfy the need of theoretical design.Keywords: stand-alone systems,battery, PVsyst六、指导教师评分评价内容具 体 要 求权重得分调查论证能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。10实践能力独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 15分析解决问题能力能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。15工作量、工作态度按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。10质量综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。40外语和计算机应用能力在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。5创新工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。5综合评语指导教师签字： 年 月 日 七、答辩记录记录人（签字）： 年 月 日答辩意见及答辩成绩答辩小组教师（签字）： 年 月 日课程设计总评成绩：（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）目录目录1第一章 绪论41.1 沈阳地理及气象分析41.2 LED太阳能路灯系统的组成及功能61.3 太阳能路灯照明系统工作原理介绍61.4 设计思路及其设计原则71.5 led路灯设计要求8第二章 LED路灯系统设备介绍92.1 灯杆92.2. LED路灯的定义92.2.1 LED的结构及发光原理102.2.2 LED路灯的特点与应用优势112.3 太阳能电池板122.3.1硅太阳电池的工作原理与结构132.3.2太阳能电池组件152.3.3太阳能电池的基本特性162.3.4 太阳能电池板组件构成162.3.5 影响太阳能电池输出的因素162.4 蓄电池172.4.1铅酸蓄电池的结构182.4.2 铅酸蓄电池的工作原理182.5太阳能控制器192.5.1 控制器的基本工作原理192.5.2蓄电池充电202.5.3 蓄电池给LED供电21第三章 50W LED太阳能路灯系统的计算223.1 负载的计算223.2 蓄电池容量的计算223.2.1、负载用电量L测算233.2.2蓄电池容量的确定233.3 直流工作电压的选择243.4 太阳能电池方阵相关计算243.4.1 平均峰值日照时数243.4.2系统所需太阳能电池板的峰值总功率：243.5控制器的计算25第四章 LED太能能路灯系统设备选型264.1灯具的选择274.1.1 led灯具的选择274.1.2 优倍照明LED路灯灯参数：274.2灯杆的选择284.2.1 选择灯杆遵循的基本的原则284.2.2 灯杆选择应考虑的内容284.2.3 灯杆的相关参数294.3太阳能电池组件的选择294.3.1 太阳能电池板的选择294.3.2 太阳电池组件的基本要求304.3.3 单晶硅太阳能电池组件技术参数304.4 蓄电池的选型314.4.1 购买免维护铅酸蓄电池注意事项314.4.2 阀控式密封免维护铅酸蓄电池技术参数324.5 控制器的选型334.5.1太阳能路灯控制器的选择应该注意334.5.2控制器的相关参数33第五章 led路灯系统的预算及分析345.1 LED路灯（单个）系统总费用的估算355.2 LED路灯与传统路灯综合成本对比表355.3 太阳能LED路灯的性价比分析36第六章 施工和安装376.1安装时需注意的问题386.2安装路灯的基础技术386.2.1 基础的设计施工的技术参数386.3太阳能LED路灯安装步骤396.3.1地基浇注396.3.2太阳能电池组件安装406.3.3蓄电池安装406.3.4灯具安装406.3.5控制器的安装41参考文献41心得体会42第一章 绪论1.1 沈阳地理及气象分析沈阳位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，辽河、浑河、秀水河等途经境内。属于温带季风气候，年平均气温6.29.7，自1951年有完整的记录以来，沈阳极端最高气温为38.3（1952年7月18日），中心城区极端最低气温为-32.9（2001年1月15日），近郊近年来最低气温为-35.4（沈北新区2001年1月11日）；之前沈阳还观测到39.3（1920年）的高温，和-33.1（1950年）的低温。全年降水量600800毫米，1951年至2010年市区年平均降水量716.2mm，全年无霜期155180天。受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。冬寒时间较长，近六个月，降雪较少，最大降雪为2007年3月4日47.0毫米的特大暴雪；夏季时间较短，多雨，1973年8月21日曾下过215.5毫米的大暴雨。春秋两季气温变化迅速，持续时间短：春季多风，秋季晴朗。根据PVsyst软件计算结果，最终倾角确定为53度。沈阳工程学院(位于道义开发区)的(1961-1990)年平均基本气候资料表3 道义开发区的年平均基本气候资料(1961-1990)月水平辐射mWh/cm²气温(0.1)最高气温(0.1)最低气温(0.1)极高气温(0.1)极低气温(0.1)相对湿度(%)日照时数(0.1h)平均风速(0.1m/s)降水 (mm)降水日数(天)平均 382.981.17 138.33 30.33 256.67 -100.92 62.92 2116.00 29.75 57.08 5.08 1196.9-115-52-16686-30560167126722299.9-78-17-131149-27255180929823412.7764-44198-217522313341634498.49816038293-125522406404355569.31722321113432552672375566543.721727116635278672473318787477.224529020435212478214326167118455.1236283193357807822372415799434.3173235119307107123552577610320.79515941292-836521592842411214.9357-42217-2016216433017312171.8-79-22-125134-3026015112792注：沈阳道义开发区位于(12326E,4146N)海拔高度43米1.2 LED太阳能路灯系统的组成及功能太阳能路灯系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、太阳能控制器 、蓄电池组（包括蓄电池保温箱）和灯杆有的还要配置逆变器等几部分构成。 太阳能电池组件一般选用单晶硅或者多晶硅太阳能电池组件；LED灯头一般选用大功率LED光源；控制器一般放置在灯杆内，具有光控、时控制、过充过放保护及反接保护，更高级的控制器更具备四季调整亮灯时间功能、半功率功能、智能充放电功能等；蓄电池一般放置于地下或则会有专门的蓄电池保温箱，可采用阀控式铅酸蓄电池、胶体蓄电池、铁铝蓄电池或者锂电池等。太阳能灯具全自动工作，不需要挖沟布线，但灯杆需要装置在预埋件（混凝土底座）上。 1.3 太阳能路灯照明系统工作原理介绍 系统工作原理如图1.1所示，利用光生伏打效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电10小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并有短路保护、反接保护等。图1.1太阳能led路灯系统原理图1.4 设计思路及其设计原则 太阳能电池发电路灯系统设计的总原则是，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，以尽量减少初始投资。对系统设计者来说，在光伏发电系统设计过程中做出的每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地增加，而且未必见得就能够满足使用要求。对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题： （1）从功能上,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升工厂形象。（2）在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。 （3）另外还要结合当地的光资源情况。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、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，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。这些气象数据我们均可以在NASA上查到。若是当地有国家标准我们以国家标准为主。 采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大” 的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则原则，即根据蓄电池均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值,同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池放电深度,确定出组件和蓄电池的合理搭配容量。 本次设计的主要思路为，查找沈阳当地气象数据，利用PVsyst软件模拟当地气象数据，包括包括地理纬度、年平均总辐射量、平均气温及极端气温等。确定固定式太阳能方阵的安装倾角，计算所确定倾斜面上的辐照量进而折算等效的年平均峰值日照小时数。分析负载类型和功耗，包括直流负载、交流负载（阻性负载、感性负载）功率，运行时间等。选择直流系统电压，进行蓄电池容量计算、太阳电池方阵容量计算，最后进行控制器、逆变器的计算和型号确定。1.5 led路灯设计要求假设沈阳工程学院某道路的LED路灯配置在次干道，选低档值Eav=10 lx，路面实际宽度Ws为8m，人行道为1m，单侧排列，要求路灯每天工作9h,保证连续5个阴雨天能正常工作。位于12326E,4146N，采用截光型灯具。第二章 LED路灯系统设备介绍2.1 灯杆路灯灯杆即安装在路旁按道路照明用的用以支撑灯具的杆子。分为：不锈钢灯杆，我国采取的方式是进行热镀锌表面处理，热镀锌符合国际标准的产品寿命可以达到15年。否则远远达不到。铁质灯杆，只是表面做一下喷涂（刷漆或喷粉处理），寿命是35年。铝合金灯杆，高强度铝合金制造，不仅人性化地保护了人员安全，而且强度高，不需要任何表面处理也有超过50年的耐腐蚀性，而且非常美观。看起来更加高档。2.2. LED路灯的定义即半导体照明灯，以发光二极管作为光源，因其是一种固态冷光源，具有环保无污染、耗电少、光效高、寿命长等特点，做成的LED路灯。传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，而大功率LED路灯以高效、安全、节能、环保、寿命长、驱动特性好、响应速度快、抗震能力高、显色指数高等独特的优势逐渐走入人们的视野、成为目前世界上最具有替代传统光源优势的新一代节能光源，因此，LED路灯将成为道路照明节能改造的最佳选择。图2.1 传统高压钠路灯灯具（左）和LED路灯灯具（右）2.2.1 LED的结构及发光原理LED是英文light emitting diode（发光二极管）的缩写，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附 三丰LED在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型1半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料的禁带宽度决定的。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好，大功率LED，一般指大于0.65W， 图2.2 发光二极管结构图发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。 当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。2.2.2 LED路灯的特点与应用优势LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型高蓝光LED与黄光荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。外罩可用pc管制作，耐高温达135度，耐低温达-45度。发光二极管(LightEmittingDiode，简称为LED)是基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入P区的空穴和注入N区的按目前市场产品的输入功率对LED分类其中输入功率为几十mW的，称为传统的小功率芯片；其输入功率小于1 W的，为功率LED；输入功率等于1 W或大于1 W的，则为W级功率(大功率)LED。目前大功率比较常见的有1，3，5，8，1OW。已批量应用的有1 W和3 W LED，并正朝大电流(300 mA14 A)、高效率(601 204 lmW)、亮度可调的方向发展。大功率LED路灯采用单颗功率大于1 W以上的LED。选用美国CREE公司的3 W LED将多个芯片集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源，组合成一个大功率LED单体模块，装入路灯灯具中，借此提高芯片面积，并增加发光量。    将多个LED集中在一起设计道路照明，除足够的光通量和合理的光学设计保证合理的光分布外，更为重要的是散热问题。由于路灯具有户外夜间使用，散热面位于侧上面以及体型受限制较小等特点，有利于空气自然对流散热，所以LED路灯选择自然对流散热方式，同时整灯采用高导热系数铝作为散热主体，解决了LED的散热问瞬。我们这个太阳能设计采用的是50w的LED灯。2.3 太阳能电池板太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的P-N结。工作原理和二极管类似。只不过在二极管中，推动P-N结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响P-N结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热。也就是通常所说的光生伏特效应原理。目前光电转换的效率，大约是光伏电池效率大约是单晶硅1315，多晶硅1113。目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。2.3.1硅太阳电池的工作原理与结构太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图2.3。图2.3图2.3中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当含硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图2.4所示。 图2.4图2.4中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而实心的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的空心的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（Positive）型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（Negative）型半导体。实心的为磷原子核，小的为多余的电子，如图2.5所示。图2.5N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。如图2.6所示。 图2.6当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P 型一侧 带负电，N 型一侧 带正电。这是由于P 型半导体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。N 区的电子会扩散到P 区，P 区的空穴会扩散到N 区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受到光后，PN结中，N型半导体的空穴往P 区移动，而P区中的电子往N 区移动，从而形成从N 区到P 区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源 ，如图2.7所示。图2.7由于半导体不是电的良导体，电子在通过PN结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖PN结，如图2.7所示，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射,将光能转变为电能,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，使太阳能电池板的表面呈紫色，将反射损失减小到5甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。2.3.2太阳能电池组件太阳能电池组件由进口（或国产）单晶（或多晶）硅太阳能电池片串并联，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框，具有抗风、抗冰雹能力强、安装方便等特性。广泛应用于太阳能照明、灯具、户用供电、公路交通、建筑及光伏电站等领域图2.8 太阳能电池组件 2.3.3太阳能电池的基本特性太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线性。太阳能电池阵列的额定功率是在以下条件下定义的：当日射S=l000Wm2；太阳能电池温度T=25；大气质量AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。太阳能电池阵列额定功率的单位为“峰瓦”，记以“Wp”。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。通过PVsyst软件计算结果，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大的太阳辐照量9。太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用75W单晶硅太阳能电池组件。2.3.4 太阳能电池板组件构成(1)钢化玻璃 （2）EVA （3）太阳能电池片（4）背板 （5）接线盒 （6）铝合金边框2.3.5 影响太阳能电池输出的因素 日照强度和温度是影响电池输出的重要因素，如图29、图2-10所示。 图2.9 一定温度不同日照 图2.10一定日照不同温度由以上两图可知，温度相同时，随着日照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加；在日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小，具有负温度系数。此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能电池总有一个最大功率点，温度(或日照强度)不同，最大功率点位置也不同。2.4 蓄电池太阳能供电系统中，蓄电池的性能好坏直接影响系统的综合成本及运行好坏和使用寿命。蓄电池可分为：酸性蓄电池和碱性蓄电池。在光伏发电系统中，目前最受欢迎的是免维护铅酸蓄电池，正规名称叫阀控式密封铅酸蓄电池。免维护蓄电池由于自身结构上的优势，电解液的消耗量非常小，在使用寿命内基本不需要补充蒸馏水。它还具有耐震、耐高温、体积小、自放电小的特点。使用寿命一般为普通蓄电池的两倍。2.4.1铅酸蓄电池的结构铅酸蓄电池的电极主要由金属铅制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。一般由正极板、负极板、隔板、电池槽、电解液和接线端子等部分组成。如图2.11所示。图2.11 铅酸蓄电池的示意图2.4.2 铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池是一种利用化学反应，把化学能转变为低压直流电能的电化学电源设备。它具有能释放能量又有能储存能量，它能把其它能量转换为电能储存起来。铅酸蓄电池电动势的产生，如图2.12所示：图2.12 铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板二氧化铅（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质-氢氧化铅（Pb(OH)4），氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4+）留在正极板上，故正极板上缺少电子。铅酸蓄电池充电后，负极板是铅（Pb），与电解液中的硫酸（H2SO4）发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。其原理可通过下面的反应方程式来表示：负极： Pb + H2SO4 PbSO4 + 2H+ +2e 正极： PbO2 + H2SO4 + 2H+ +2e PbSO4 + 2H2O 总反应：Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O此反应产生的电压：E = E0 +（2RT/nF）× 10Ln（aH SO4 /aH 2O）= 2.04 + 0.059 × l0 Ln（aH SO4 /aH2O） 从此可以看出，当aH SO4 /aH 2O=1 时，此反应产生的电压E = E0 =2.04V，这被称为标准状态下铅酸电池的标准电动势。人们有时为了方便，称铅酸电池的额定电压是2V，就是缘于此。需要指出的是，2V 指的是单格电压，如果串联了3个单格，则电压为6V，串联了6个单格，电压为12V； 反之，一个额定电压为12V 的铅酸电池必定串联了6个单格，额定电压为8V 的电池串联了4个单格。放电时负极的活性物质海绵状的铅与电解液硫酸反应生成硫酸铅，并释放出电子，而正极的活性物质二氧化铅接收负极释放的电子并与电解液硫酸反应生成硫酸铅和水2.5太阳能控制器太阳能控制器应用于太阳能光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统中非常重要的组件。使整个太阳能光伏系统高效，安全的运作。 2.5.1 控制器的基本工作原理太阳能电池的输出特性曲线如图2.13所示。太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随时改变。然而当光强度一定时，太阳能电池输出的电流一定，可认为是恒流源。因此，必须研究和设计性能优良的光伏控制器，才能更有效的利用太阳能。00.20.40.60.81.00.20.40.60.80.50.81.2输出电压（归一化单位）100mV/cm, 25PmaxIP图2.13 太阳能电池的输出特性曲线太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充放电控制器对蓄电池充电。充放电控制器的功能主要有两个，一是对蓄电池的充放电保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是储能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电；二是提供稳定的直流电压源供给逆变器或直流负载使用。本设计系统未用到逆变器。2.5.2蓄电池充电当系统检测到环境太阳光线充足时，控制器就会进入充电模式。蓄电池充电主要有两个比较重要的电压值：深度放电电压和浮充电电压。前者代表蓄电池充电的最高电压，这些参数可从蓄电池产品手册上查到。在电路设计中针对12V蓄电池，分别设置深度放电电压为11V和浮充电电压为13.8V。具体充电模式见表1所示。表1 蓄电池充电模式蓄电池电压VBAT控制器工作模式欠压保护值<VBAT<11V涓流充电模式，采用MPPT算法优化太阳能电池输出功率，充电电流最大限制在0.5A11V<VBAT<13.8V恒流充电模式，采用MPPT算法优化太阳能电池输出功率，充电电流最大限制值取决于太阳能电池最大输出功率VBAT>13.8V恒流充电模式，确保蓄电池电压稳定在13.8V从表1可以看出恒流充电模式会用到MPPT算法，MPPT算法有很多种方式可以实现，总的来说各有优劣，设计中采用相对简单的扰动观察法来实现。这种方法是通过增大或者减少充电电路开关信号PWM占空比，然后观察输出功率是变大还是变小，由此来决定下一步是增大还是减小占空比。由于太阳能电池的输出变化相对比较缓慢，而且是单级点，所以采用这种方式可收到比较好的效果。2.5.3 蓄电池给LED供电当系统检测到环境太阳光线不足时，就会进入蓄电池给LED供电模式。LED电流通过高位电流检测芯片（TSC101AILT）采样送回