毕业设计(论文)智能太阳能路灯系统.doc
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1、目录摘要1前言2第1章:太阳能新型节能能源3第11节 太阳能利用的基本方式3第12节 我国太阳能产业的发展现状与前景4第13节 光伏发电技术在国内外的发展现状5第2章:太阳能路灯的组成及各部件简要分析7第21节 概述7第22节 太阳能电池板7第23节 蓄电池8第24节 控制器9第25节 光源9第26节 灯杆及灯具外壳10第3章:智能太阳能路灯简介11第31节 智能太阳能路灯概念11第32节 智能太阳能路灯设计目的11第33节 与一般太阳能路灯的比较11331 光源亮灭控制方式比较11332 节能比较11333 成本比较12第4章 智能型太阳能路灯的设计方案13第41节 光源的介绍与选择1341
2、1 LED光源介绍13412低压钠灯介绍13413LED光源、低压钠灯与其他光源的对比14第42节 太阳能电池的选型15421材料的选型15422 太阳能电池功率计算15423 太阳能电池板安装角度16第43节 蓄电池的选取16431类型选择16432容量选择16433使用注意17第44节 路灯控制器的硬件设计17441路灯控制器结构框图17442主控芯片的选择18443电源电路设计19444输出驱动模块的设计19445电压输入采样模块22第45节 路灯控制器的软件设计26451 总体软件设计思想26452 单片机算法流程图27结论29参考文献30致谢31智能太阳能路灯系统摘要太阳能路灯是清洁
3、、干净、无任何污染的绿色环保照明,但因发展时间短,成本高,技术未成熟导致其尚不完善。本文介绍了基于单片机的太阳能LED路灯控制的一种实现方法和智能型路灯控制器的节能原理,重点介绍了控制器的主要功能及其软硬件设计。在未来太阳能将被更广泛的利用,真正意义上的绿色照明即将来临。关键词:太阳能;单片机; 控制器ABSTRACTSolar system for lighting is clean, no pollution, green lighting, but the short development time, high cost, technical immature lead to is n
4、ot perfect. A realizing method of the solar LED street lamp controller based on microcontroller is introduced in this paper. and introduces the theory based on saving energy of intellignt street lamps controller. The function of the controller,and the design of the hard ware and software are introdu
5、ced,Solar energy in the future will be more extensive use of truly green lighting coming.Key words: solar;microcontmller;Controller前言目前由于光伏技术的逐渐成熟,成本不断下降,太阳能的无处不在,取之不尽,使得太阳能企业面临新机遇,各种各样的利用太阳能开发的太阳能电子产品发展非常迅速,例如:太阳能热水器、太阳能路灯、太阳能热泵、太阳能交通信号灯、太阳能除湿空调系统等,这些产品显示出了巨大的市场潜力和生命力。在照明灯具中,作为技术和艺术相结合的太阳能路灯,是利用太阳能
6、作为能源的路灯,它比较常规能源供电的路灯具有很多优点,不需要常规能源,适应了能源开发和环境保护的需求,太阳能路灯可以随处安装,不论是在偏僻的山村,还是城市,不用连接公共电网,因此在安装时不必挖掘路面或草地,无须开沟埋设电缆,需要时可以移动位置,重新安装到另外的地点,灵活方便。我国地处北半球,土地辽阔,幅员广大,国土总面积达960万km2。在我国广阔富饶的土地上,有着丰富的太阳能资源。全国各地的年太阳辐射总量为3340-8400MJ/m2,中值为 5852 MJ/m2。从全国太阳年辐射总量的分布来看,青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带的年太阳辐射总量都在5
7、000MJ/m2以上,是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区。尤其以青藏高原地区最高,达6000-8000 MJ/m2。从全世界来看,我国是太阳能资源相当丰富的国家,绝大多数地区年平均日辐射量在4 kWh/m2,西藏最高达7 kWh/m2。与同纬度的其它国家相比,和美国类似,比欧洲、日本优越得多。特别是一、二类地区,正是我国人口稀少、居住分散、交通不便的偏僻、边远的广大西北地区,经济发展较为落后。可充分利用当地丰富的太阳能资源,采用太阳光发电技术,节约能源,发展经济,提高人民生活水平。在太阳能路灯系统中,太阳能控制器是整个路灯系统中的核心部件,也是设计中的一个难点,它的性能在一定程度上决定了整个路
8、灯系统的性能好坏,它控制对蓄电池的充放电,蓄电池性能、使用寿命和充放电方式有关.。【1】所以设计一种利用单片机来实现智能化控制的太阳能路灯系统是非常有必要的。同时,利用电压采集模块采集太阳能电池板电压,实现光控;采集蓄电池电压以保护蓄电池过充过放。结合时钟模块为系统提供更多时间点,例如,我们可以根据时钟电路确定现在的准确时间,可以确定春、夏、秋、冬四个季节。使控制器能根据季节的变化来确定灯每晚点亮的时间,因为,冬天比夏天天黑得时间长,有了时钟电路,可以准确的根据季节的变化,来调整负载的工作时间,使路灯系统设计的更为合理。第1章:太阳能新型节能能源作为一种新型的能源,太阳能无疑是现在利用最广泛的
9、能源,其绿色无污染和取之不尽用之不竭的优点更是使其倍受世界的关注,如何利用好如此普通而又特别的能源是当今科学界的焦点,也是我们不断探索的目标。第11节 太阳能利用的基本方式太阳能的利用主要是利用其辐射能而实现的,利用的基本方式可以分为如下4大类。一、光热利用此种方式的原理主要是将太阳能的辐射能收集起来,通过特定的转化方式转化成热能加以利用。收集太阳辐射能的装置主要有平板型集热器、真空管集热器和聚焦集热器等。根据所能达到的温度和用途的不同,而把太阳能光热利用分为低温利用(200)、中温利用(200800)和高温利用(800)。目前低温利用主要有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳房、太
10、阳能温室、太阳能空调制冷系统等,中温利用主要有太阳灶、太阳能热发电聚光集热装置等,高温利用主要有高温太阳炉等。此外这种方式还可以利用转化的热能进行发电。一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽,然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。即通过两个过程完成,前一过程为光热转换,后一过程为热电转换。二、光伏发电早在 1839年,法国科学家贝克雷尔(BECQURAL)发现,光照能使半导体材料的不同部位之问产生电位差,当时还未对这种现象得到重视,后来被称为“光生伏打效应”。其原理就是当半导体材料受光照时,半导体材料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。当太阳光或其他光照射半导体的P
11、N结时,就会在PN结的两边出现电压(叫做光生电压),使 PN结短路,就会产生电流。【2】 该发现到了1954年,在美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳能电池,此时就诞生了太阳能光伏发电技术。此技术被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。太阳能电池板正是利用了这一技术的产物,他能将太阳能转化成电能,并可接蓄电池将电脑储存起来,以备用。根据太阳能电池板的大小,可利用在不同场合。大规模的可用在太阳能光伏发电网和太阳能屋顶;小的可用在太阳能路灯,草坪灯,景观灯等地方三、光化利用这是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化学转换方式。四、光生物利用通过植物的光合作用来实现将太阳
12、能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物(如薪炭林)、油料作物和巨型海藻。此技术在现阶段迅速的发展起来,日前从上海市科委获悉,华东师范大学科研人员利用纳米材料在实验室中成功“再造”叶绿体,以极其低廉的成本实现光能发电。 叶绿体是植物进行光合作用的场所,能有效将太阳光转化成化学能。此次课题组并非在植物体外“拷贝”了一个叶绿体,而是研制出一种与叶绿体结构相似的新型电池染料敏化太阳能电池,尝试将光能转化成电能。在上海市纳米专项基金的支持下,经过3年多实验与探索,这块仿生太阳能电池的光电转化效率已超过10,接近11的世界最高水平。新型太阳能电池是“三明治”结构中空玻璃夹着一层纳米“夹心”,光电转化的
13、玄机就藏在这层几十微米厚的复合薄膜中。纳米“夹心”的“配方”十分独特:染料充当“捕光手”,纳米二氧化钛则是“光电转换器”。为了让染料尽可能多“吃”太阳光,科研人员还别出心裁地撒了点“佐料”一种由纳米荧光材料制成的量子点,让不同波长的阳光都能对上“捕光手”的“胃口”。只要不断改进“配方”,纳米“夹心”的光电转化效率就能一次次提高。作为第三代太阳能电池,染料敏化电池的最大吸引力在于廉价的原材料和简单的制作工艺。据估算,染料敏化电池的成本仅相当于硅电池板的110。同时,它对光照条件要求不高,即便在阳光不太充足的室内,其光电转化率也不会受到太大影响。另外,它还有许多有趣用途。比如,用塑料替代玻璃“夹板
14、”,就能制成可弯曲的柔性电池;将它做成显示器,就可一边发电,一边发光,实现能源自给自足。第12节 我国太阳能产业的发展现状与前景我国在2006年1月1日可再生能源法正式实施,太阳能、风能等可再生能源作为十一五期间国家能源重点发展方向,将在税收等方面享有优惠政策。同时,可再生能源法中明确指出,到2020年,我国可再生能源的构成比例要占到10以上,其中的第十七条还明确要求房地产开发企业应在建筑物的设计和施工中,为太阳能的利用提供必备条件。由此可看出政府对这一新型能源的关注,如今时间已经过了3年,我国的太阳能技术也得到了可观的发展,太阳能热水器,太阳能灯已经是非常普遍了,但是当人们提到太阳能产品时,
15、在脑海里就会浮现出成本高这一思想,的确这正是制约太阳能产业更好发展的一大问题。如何降低太阳能产品的成本,如何将太阳能的利用率达到最高,这些问题都制约着我国太阳能产业的发展,现阶段要做的就是提高太阳能技术,多引进学习先进技术。只有技术进步,提高太阳能的转化率,才能使太阳能得到大规模的利用,进一步开拓市场。第13节 光伏发电技术在国内外的发展现状自20世纪70年代全球发生石油危机以来,太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了高度重视,各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度出发,纷纷制定政策,鼓励和支持太阳能光伏发电技术,其发展速度很快。2009年上半年德国太阳能发电新设备的规模大幅增加。另外,
16、中国大陆生产的模块(module)价格,今年以来已降低三分之一,虽然价格攻势凌厉,但对德国太阳能企业仍有正面激励作用。根据联邦电力网建设主管单位称,2009年上半年的太阳能发电量逐月增加,2009年7月增加50%。依Merck Finck的分析,今年的太阳能发电量将达2,300MW,比2008年的1,500MW急速扩增。传闻也可能达到3,000MW。本年初欧洲太阳能设备制造商协会EPIA才估计德国全年只有2,000MW发电量。太阳能发电急速增加,要求德国政府对太阳能电力的补助金应予削减的呼声高涨。依据德国再生能源法(EEG)规定,政府对太阳能电力的收购价,每1千瓦小时固定补助0.43欧元(大型
17、发电设备则为0.33欧元)。有效期间定为20年,如以莱茵西法伦经济研究所(RWI)的估算,太阳能发电量增加680MW,则政府补助金终究由消费者负担,金额累计增加31亿欧元。如果太阳能发电达2,000MW,则补助金高达91亿欧元,3,000MW的发电量,补助金则需137亿欧元。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步,90年代中期进入稳步发展时期。太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力,已迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下,中国光伏发电产业迅猛发展。到2007年年底,全国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦(100MW)
18、,从事太阳能电池生产的企业达到50余家,太阳能电池生产能力达到290万千瓦(2900MW),太阳能电池年产量达到1188MW,超过日本和欧洲。在金融危机形势下,2009年3月23日,财政部、住房和城乡建设部出台关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见,并出台了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法,决定有条件地对部分光伏建筑进行每瓦最多20元人民币的补贴。2009年7月21日财政部、科技部、国家能源局联合宣布在我国正式启动金太阳示范工程,三部门联合印发了关于实施金太阳示范工程的通知,决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式,加快国内光伏发电的产业化和规模化发展,并计划在2-3年内,采取
19、财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目。2009年国家出台的政策将推动国内太阳能发电市场发展,中国的太阳能光伏发电市场“已经开始启动”,在我国政府强有力的政策引导下,光伏产业不仅让国内企业看到了机遇,而且已经吸引了世界的目光。第2章:太阳能路灯的组成及各部件简要分析第21节 概述太阳能电池由以下几部分组成:太阳能电池板,太阳能控制器,光源,蓄电池,灯杆及灯具外壳。如下图所示太阳能电池板照明电路蓄电池控制器第22节 太阳能电池板太阳能电池板是太阳能路灯系统中的重要组成部分,其价格是最高的,它的作用是利用太阳的辐射能,将其转化成电能并储存在蓄电池内,其输出的为直流电。其转化的效率为主要
20、的参数。一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压,远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要,需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池,这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上,太阳能电池的标准数量是36片,所以一个完整的太阳能电池板产生的电压大约是17V左右的电压,正好能为额定电压为12V的蓄电池充电。常用的太阳能电池板现在有单晶硅太阳能电池板和多晶硅太阳能电池板两种。【15】硅的制取顺序是:二氧化硅矿石-工业硅-多晶硅-单晶硅,不难看出单晶硅太阳能电池板的做成品工艺相对苛刻,价格相对偏高,但其转换效率是最高的,在实验室里最高转换效率为24.7%,规模生产效率也可
21、达到15%,但因降低成本很困难,为了节省硅材料直接采用多晶硅材料做太阳能电池板,该材料成本较低廉,而效率稍低,其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转化效率为14%,该材料规模生产相对容易。【3】从工业化发展来看,发展重心已由单晶向多晶方向发展,主要原因为:一、可供应的太阳能电池板的头尾料越来越少,因为单晶硅是用多晶硅经单晶炉拉制而成的。二、对太阳电池来讲,方形基片更合算,通过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料,而单晶硅多为大面积,切成四方形,可是四角有截角,有些是圆形。三、多晶硅的生产工艺不断取得进展,全自动浇铸炉每生产周期(50小时)可生产200公斤以上的硅锭,晶粒的
22、尺寸达到厘米级。四、由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快,其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产,例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极,采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米,高度达到15微米以上,solar panels快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间,单片热工序时间可在一分钟之内完成,采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14。【14】第23节 蓄电池蓄电池在太阳能路灯系统中的作用相当于心脏在人身体里的作用一样,一个好的蓄电池在整个太阳能路灯系统中尤为重要。所谓蓄电池即是贮存化学能量,于必要时放出电能的一种电气化学设备
23、。在太阳能路灯系统中,通过太阳能电池板将辐射能转化成的电能就储存在蓄电池中,这样经由控制器的控制就能使路灯进行工作。目前,我们常用的蓄电池主要分为三类,分别为普通蓄电池、干荷蓄电池和免维护蓄电池三种:一、普通蓄电池;普通蓄电池的极板是由铅和铅的氧化物构成,电解液是硫酸的水溶液。它的主要优点是电压稳定、价格便宜;缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁。二、干荷蓄电池:它的全称是干式荷电铅酸蓄电池,它的主要特点是负极板有较高的储电能力,在完全干燥状态下,能在两年内保存所得到的电量,使用时,只需加入电解液,等过2030分钟就可使用。三、免维护蓄电池:免维护蓄电池由于自身结
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