光伏电源在照明路灯中的应用.doc

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1、洛阳理工学院毕业设计论文 光伏电源在照明路灯中的应用 摘要 能源是国民经济发展的重要基础之一随着国民经济的发展能源的缺口增大能源安全及能源在国民经济中的地位越显突出。能源问题不仅表现在常规能源的匮乏不足更重要的是化石能源的开发利用带来的一系列问题如环境污染温室效应等都与化石燃料的燃烧有关。因此人类要解决上述能源问题实现可持续发展只能依靠科技进步大规模地开发利用可再生洁净能源。太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分太阳能发电在路灯系统中的应用也日趋完善1。 本设计就是在这样的背景下完成了一种以单片机为核心的光伏电源照明路灯控制系统该控制器通过对蓄电池电压、充电电流等参数的检测判断控制开

2、关管的关断来实现充放电控制和保护功能最终实现照明系统的自动开关。文中介绍了系统的硬件和软件的设计采用PWM技术对蓄电池进行充电管理保证蓄电池的正常工作实现LED路灯的打开与关闭。与以往的控制器相比此控制器成本低可靠性高。 关键词光伏发电 太阳能电池板 蓄电池 控制器 LED 洛阳理工学院毕业设计论文 II Photovoltaic Power for Lighting Street Lamps ABSTRACT Energy is the important basis of the development of national economy, with the development o

3、f the national economy, the energy gap increases, energy security and energy in the position in national economy is more prominent. The energy problem not only in conventional energy deficiency, is more important than fossil energy development and utilization has brought a series of problems, such a

4、s environmental pollution, greenhouse effect and the burning of fossil fuels for. Therefore, human beings to solve the energy problem, implementation can develop continuously, rely on progress of science and technology, large-scale development and utilization of renewable clean energy. Solar energy

5、is a new energy and an important part of renewable energy, solar power in the street lamp system application has become more and more perfect. This design is in such a background, to complete a single chip microcomputer as the core of photovoltaic power lighting lamp control system, the controller t

6、hrough the battery voltage, the charging current and other parameters of the detection, control switch off, to realize charge and discharge control and protection function, realize the automatic switch of lighting system. This paper introduces the hardware and software of the system, using PWM techn

7、ology to charge the battery management, ensure the battery work, realize the opening and the closing of the LED road lamp. Compared with former controller, this controller with low cost, high reliability. Key words Photovoltaic power generation; Solar panels Storage battery; Controller; LED洛阳理工学院毕业设

8、计论文 III 目录 前 言 . 1 第1章 绪论. 2 1.1太阳能LED路灯照明背景介绍 . 2 1.1.1太阳能LED路灯的优势及成本估算 . 4 1.2 太阳能LED路灯产业化进展与分析 . 5 1.2.1 太阳能LED路灯产业化进展 . 5 1.2.2 经济效益分析 . 5 1.3 太阳能路灯照明系统实现功能 . 7 第2章 太阳能光伏发电技术及应用 . 8 2.1 太阳能光伏发电技术 . 8 2.1.1 太阳能电池光伏发电原理 . 8 2.1.2 太阳能电池技术 . 9 2.2 太阳能光伏发电现状及预测 . 10 第3章 太阳能路灯各组成部分及选择 . 12 3.1 太阳能路灯各组

9、成部分 . 12 3.2 各部件的论证与选择 . 12 3.2.1 太阳能电池板选择 . 12 3.2.2 蓄电池的比较和选择 . 12 3.2.3 照明灯具的选择 . 14 3.2.4 控制芯片的选择 . 16 第4章 系统各部件理论分析 . 19 4.1 太阳能照明系统电路总体分析 . 19 4.2 控制器设计理论基础 . 19 4.3 蓄电池的充放电原理 . 20 4.4 LED灯驱动原理 . 21 第5章 太阳能路灯照明系统设计 . 22 5.1 控制模块的硬件设计 . 22 洛阳理工学院毕业设计论文 IV 5.1.1充放电硬件电路设计 . 22 5.1.2 外围电路的硬件设计 . 2

10、4 5.1.3 控制模块系统总图 . 25 5.2 软件设计 . 26 5.2.1系统设计原理图 . 26 5.2.2 系统主要程序编写 . 28 5.3 LED驱动电路设计 . 29 5.3.1 LED驱动电路图设计. 29 5.3.2 电路数值计算 . 30 5.4 太阳能路灯照明系统总电路图 . 33 结语 . 34 谢辞 . 34 参考文献 . 35 附录 . 37 外文资料翻译. 43 洛阳理工学院毕业设计论文 1 前 言 太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源太阳能作为一种巨量可再生能源 (可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源)可以说是取之不尽

11、 、用之不竭。同时也随着太阳能光伏技术的发展和进步太阳能发电在人们生活中得到迅猛发展。根据欧洲JRC 的预测到2030年太阳能发电将在世界电力的供应中显现其重要作用达到10%以上可再生能源在总能源结构中占到302050 年太阳能发电将占总能耗的20%可再生能源占到50以上到本世纪末太阳能发电将在能源结构中起到主导作用2。 太阳能路灯照明系统主要有太阳能电池板、蓄电池、电源控制器、发光组件构成。设计采用基于AT89C51单片机控制结合锂电池的充放电特点和太阳能伏安特性利用 PWM脉冲调制控制保护技术实现恒压恒流等充电阶段的控制对蓄电池进行保护和实现LED路灯的正常供电。白天利用光伏效应对太阳能电

12、池板发电并充电到蓄电池中晚上利用蓄电池中能量实现路灯的正常工作。选择一种合适的蓄电池充放电管理模式需要对电压和工作电流实时监测及时配合指令工作。并且选择最少的太阳能组件和蓄电池容量选择适宜的灯具有利于优化设计本身的效率和成本。 洛阳理工学院毕业设计论文 2 第一章 绪论 1.1太阳能LED路灯照明背景介绍 随着现代工业的发展全球能源危机和大气污染问题日益突出太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。目前太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模逐步扩大。世界光伏组件在过去15年平均增长率约15%。20世纪90年代后期发展更加迅速1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效

13、率从10%13%提高到13%15%生产规模从15兆瓦/年发展到525兆瓦/年并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。近几年全世界太阳能电池的生产量平均每年增长近40%。发展中国家印度处于领先地位目前有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂年生产组件11兆瓦累计装机容量约40兆瓦。本世纪以来一些发达国家纷纷制定了发展包括太阳能电池在内的可再生能源计划。太阳能电池的研究和生产在欧洲、美洲、亚洲大规模铺开。美国和日本为争夺世界光伏市场的霸主地位争相出台太阳能技术的研究开发计划。世界太阳能电池材料发展的趋势是非常迅猛的。

14、最近的光伏行业调查表明 2010年光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利4。 在可再生能源中太阳能取之不尽清洁安全是理想的可再生能源。我国的太阳能资源比较丰富且分布范围较广太阳能光伏发电的发展潜力巨大。此外目前太阳能光伏发电技术已日趋成熟是最具可持续发展的可再生能源技术之一。截止2004年太阳能光伏发电的应用领域遍及我们生活的各个方面如交通、通讯、公共设施如照明、家庭生活用电等。尤其是在边远地区太阳能光伏发电更加显示它的优势。我国目前尚有约30000个村庄700万户3000万农村人员

15、还没有用上电60%的有电县严重缺电光伏市场潜力巨大。到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统从2011年到2020年中洛阳理工学院毕业设计论文 3 国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。 中国作为新的世界经济发动机光伏业也呈现出前所未有的活力大量系统集成公司伴随者国家的“光明工程”、“奥运工程”、“世博会工程”等项目的启动应运而生世界一些大财团也瞄准了中国巨大的光伏市场潜力开始投资中国光伏行业。 国内市场从20世纪90年代国内光伏市场平稳发展年增长速度在20%左右进入21世纪国内光伏市场呈现加速发展趋势20012003年平均增长速度

16、都在30%以上。中国政府目前正在制订新能源和可再生能源发展规划将出台一系列扶持PV发展的优惠政策。按照规划中国20032009年在农村电网建设中每年安装70兆瓦光伏系统20102020年普及推广应用年平均安装100兆瓦。目前中国已经是国际光伏发电应用产品生产基地。 能源是国民经济发展的重要基础之一随着国民经济的发展能源的缺口增大能源安全及能源在国民经济中的地位越显突出。但我国是世界上少数几个能源结构以煤为主的国家之一也是世界上最大的煤炭消费国燃煤造成的环境污染日益突出。目前我国二氧化碳排放量已位居世界第二甲烷、氧化亚氮等温室气体的排放量也居世界前列。从我国目前能源生产及能源消费的实际状况出发发

17、展新能源及高效节能的技术及产品是保证我国可持续发展的重要举措。因此大力发展新能源和可再生能源是我国未来的能源发展战略要求。 为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展根据国家可再生能源中长期发展规划国家发展和改革委员会决定在20052007年期间实施可再生能源和新能源高技术产业化专项。其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭/硅片以及高效低成本太阳能电池组件及系统控制部件的产业化成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支持的重点领域之一。太阳能是洁净无污染的巨大能源最大限度地开发利用太阳能将是人类新能源利用方面的科技发展方向。近年来由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展廉价的非晶硅太阳电池

18、的生产技术已经成熟。大规模的光伏发电可解决广大中西部无电地区居民的能源问题。专家预测若光伏电池与城市和农村的建筑相结合实行光伏并网发电不但达到绿色环保的目的而且会逐步改变我国传统能源结构对克服我国能源紧张、改善生态环境及人体健康具有重大意义6。 洛阳理工学院毕业设计论文 4 1.1.1太阳能LED路灯的优势及成本估算 节能、洁净利用太阳能光伏发电系统给LED路灯供电利用太阳能电池板将太阳光能量转化为电能又用LED作路灯照明既节能又是清洁的能源系统。金卤灯和钠灯除灯泡耗电外其内置高压电器尚须耗其20%电能。以150W钠灯为例实际耗电功率为180%左右在等光效的情况下换上高效的太阳能LED路灯只需

19、35W两者相比为35:180省电5倍一旦使用将极大节约国家电能。从而真正实现无能耗、环保、高科技照明。 安全钠灯汞灯等的高压放电一旦产生漏电事故可危害人的生命安全。而LED路灯内芯为半导体材料低压供电即使按触灯芯上的电源也毫无电感根本无危险隐患。另外钠灯发光时表面温度极高有时会发生爆裂引发火灾并且高压高温发光对人体又有辐射危害其内置钠气又是有毒气体而LED灯表面发光时温度不到40其无辐射的冷光源真正做到无毒无害的“绿色照明”。 寿命长LED芯片设计使用时间为10万小时左右制成路灯后一般也能用上2万小时以上综合光衰不到2以五年来计算光衰也不到10。除低耗电外其维护成本也要比钠灯低数倍。 美观、视

20、感好钠灯四面发光很刺眼尤其在小区、广场等人聚集处会照成明显的光污染在景观照明方面种类单一LED具有几乎自然光全系列颜色的光可以制作成各种颜色照明的景观和投射灯对装饰城市小区广场等有很好的效果另外其灯面与地面间无明显光影不刺眼又视觉宽阔、清爽灯面如颗颗亮丽的宝石极具高档视觉感5。 本设计方案指标LED灯具功率为30W若连续工作4天蓄电池容量需100AH太阳能电池板功率为100W。如投入批量生产则成本计算大致如下 太阳能电池板采用多晶硅电池板批量买1W约30元则100W需3000元 蓄电池4节组成的锂电池100AH则需1200元 LED灯30W批量购买高效LED1W约8元则大概为250元 控制器、

21、驱动和散热片加上制板控制器和驱动各约25元散热片约200洛阳理工学院毕业设计论文 5 元。 因此本方案设计的太阳能LED路灯总价格估算为4700元的成本费并且是用锂电池进行蓄电整个产品会轻巧许多在充放电方面也会比铅酸电池等常用的蓄电池好因此加上投入生产的工艺技术和材料等估计与市场上同性价比的太阳能LED路灯相比价格也不会高多少而性能却有所提高并且此太阳能LED路灯在性能控制上比较稳定也真正做到了绿色照明要求的标准。 1.2 太阳能LED路灯产业化进展与分析 1.2.1 太阳能LED路灯产业化进展 道路照明与人们生产生活密切相关随着我国城市化进程的加快绿色、高效、长寿命的 LED 路灯逐渐走入人

22、们的视野。目前 LED 照明技术日趋成熟大功率 LED 光源功效已经达到 80lm/W 城市路灯照明节能改造成为可能。美国加州大学著名科学家登巴斯表示如果美国四分之一的灯泡换成每瓦150流明的发光二极管则美国到2025年前将可以节省约合1150亿美元的电耗。这相当于新建133个热电厂与此同时向大气排放的二氧化碳数量将减少258吨。韩国目前转正计划利用5 年时间将国内10%的路灯换成LED路灯。功率40WLED路灯实际光利用率可达钠灯的200W金卤灯的250W。 中国是目前全球城市化进程最快的国家之一可以预料在未来的数十年内全国各地对于大功率、高亮度、节能的 LED 路灯产品的市场需求是极其庞大

23、的。据 2006 年国家路灯行业统计我国城市道路照明共有 1500 万只以上的路灯近几年的增长率在 20% 以上。照此估算全国每年照明路灯的市场规模不低于 50 亿元如使用 LED 路灯每年可节电 20 亿度以上当太阳能光伏发电与LED照明结合的技术成熟时此节能工程将更是难以想象这样不仅为国家节省了能源也为国家甚至世界的环保作出巨大贡献。 1.2.2 经济效益分析 如果将整个施工过程发生的费用考虑进去的话安装太阳能LED路灯的初始投资与普通高压路灯相对高点太阳能灯具初始投资为980000元普通灯具洛阳理工学院毕业设计论文 6 初始投资为679600元但是普通灯具每年的电费要用54750元更换易

24、损件和维护每年用18600元当普通高压路灯用了4年其电费与成本加起来就与安装太阳能LED路灯的投资持平4年以后每年可少支出60000元左右。 表1-2普通电力高压路灯与太阳能LED路灯对比 普通电力高压路灯 太阳能LED路灯 项目 数量 单价元 合计金额元 项目 数量 单价元 合计金额元 高压灯具 100 3500 350000 太阳能板+LED灯具 100 9800 980000 管线铺设 4200M 73 306600 配套费用 350000*5% 17500 控制柜 1 5500 5500 首次投资费用 679600 首次投资费用 980000 电费 300W*10H*365天*10年*

25、100盏/1000W.H*0.5元 547500 蓄电池 550元*2只*100盏 110000 光源 220元*3只*100盏 66000 光源 LED 10年不会坏 维护费 120元*10年*100盏 120000 10年费用总额 1413100 10年费用总额 1090000 安全性由于普通高压灯具采用的能源为交流电在某些方面十年的使用期内会出现管线老化存在着很严重的安全隐患。 安全性 太阳能灯具采用是低于36V的直流电不会出现安全问题。 由表1-2中的案例对比可得出以下基本结论 1本案例中如果将整个施工过程发生的费用考虑进去的话太阳能LED路灯略比普通高压路灯总体造价高 2当规模越大时

26、普通高压路灯安装的相关费用越高其初始投资将高于太阳能LED路灯 洛阳理工学院毕业设计论文 7 3运行费用上普通高压路灯明显高于太阳能LED路灯而且会越来越高电费、人工等 4使用稳定性上太阳能LED路灯易受天气和使用环境影响这里处于劣势可通过改变控制方式来增强稳定性随着太阳能光伏发电技术的改进太阳能LED路灯将越来越趋于稳定 5太阳能LED路灯的安全性非常高不像电力供电的高压路灯容易出现安全隐患7。 1.3 太阳能路灯照明系统实现功能 1根据锂电池的充电特性利用程序控制能够很好地为锂电池充电。利用一个液晶屏显示电池的电压和充电时的电流。 2 根据光的强度可以精确地判断出是白天还是夜晚从而控制路灯

27、的开和关。 3能够根据电池的电压来决定一个晚上打开路灯的时间。 4照明部分还设有独立的驱动电路能够使LED正常工作保证LED的使用寿命。 洛阳理工学院毕业设计论文 8 第2章 太阳能光伏发电技术及应用 2.1 太阳能光伏发电技术 2.1.1 太阳能电池光伏发电原理 早在1839年法国科学家贝克雷尔(Becqurel)就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”简称“光伏效应”。1954年美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。 图1-1 太阳能电池光伏发电原理 太阳能电池光伏发电是

28、指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程通常叫做“光生伏打效应”简称光伏效应太阳能电池板是利用这种效应制成的。 当太阳光照射到半导体上时其中一部分被表面反射掉其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光当然有一些变成热另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞于是产生电子空穴对。这样光能就以产生电子空穴对的形洛阳理工学院毕业设计论文 9 式转变为电能。如果半导体内存在PN结则在P型和N型交界面两边形成势垒电场能将电子驱向N区空穴驱向P区从而使得N区有过剩的电子P区有过剩的空穴在PN结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外还使P型层带正电N型层带负电在N区与P区之

29、间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和N型层焊上金属引线接通负载则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件把它们串联、并联起来就能产生一定的电压和电流从而输出电功率。 2.1.2 太阳能电池技术 太阳光电技术可提供稳定可靠的本土能源它不受石油产业的制约、维护成本低、模块化且可扩展性高。它是目前唯一可满足全球长期能源需求、而不排放温室气体的技术。事实上一颗150x150km的太阳能电池数组在理论上已可满足北美的所有能源需求。但太阳光电技术目前仍比采用电力网格的电能昂贵并缺少合适的负载均衡方案同时也还需要相当大的空间来产生电能。 一般的太阳能电池共有4种类型其中的前三种都已完全量产。

30、 采用III-V族材料的聚光型多接面太阳能电池是一种直接能隙复合物它具有最高转换效率(与成本)。它们主要针对卫星和军事应用而且通常需要轻聚光型光学组件与复杂的追踪系统以实现40以上的转换效率。 采用单晶硅(cSi)或多晶硅(mcSi)的块状硅(bulk-silicon)太阳能电池在某些场合下的转换效率可达22以上。 薄膜太阳能电池的转换效率大约介于采用非晶硅太阳能电池时的(aSi)10以及采用II-VI族材料时的18之间。这些II-VI族材料包括碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)等物质。由于采用这种薄膜方式可望为现有制程导入全新或改良的材料长期看来最有可能大幅降低成本。 最后一类则囊括了

31、各种新技术例如业已表现出高转换效率的染料敏化薄膜太阳能电池以及到目前为止转换效率仍低的有机太阳能电池等。 太阳光电转换效率的最简单定义是撞击太阳能电池数组上可被转换成可用电流的光子比例。事实上效率的计算更复杂只吸收光并产生自由载子是不够的。为了产生可用的能量电子和电洞载子必须要达到电池的电极。如果由入射洛阳理工学院毕业设计论文 10 光子形成的电子-电洞对在向电极运动的过程中太快重组在一起那么它们就无法为光电电流带来任何帮助。 诸多问题均可能降低载子的迁移率(或者增加重组的可能性)。对于单接面电池来说块状晶硅太阳能电池的问题最少效率却很高。这是因为流动的载子从其产生的接面流至为其提供负载的电池

32、电极过程较简单电子-电洞对各自分开并通过相称的n型(n-type)或p型(p-type)材料。 多晶硅太阳电池以同样的方式运作但由于存在晶界问题导致电子-电洞对的重组现象增加迁移率与转换效率也降低至与采用CIGS的薄膜电池接近的水平(约15到18)。 虽然薄膜电池使用的硅较少(或根本不用)未来还可能以降低成本而提供实现?太阳能发电成本与购买现有电力成本相同?(grid parity)的最佳途径但它所具有的转换效率却比块状硅电池更低。虽然采用CIGS的电池在转换效率上接近于多晶硅电池但采用CIGS的太阳能电池制程比采用块状硅的制程具有更高的变异性。虽然原因目前尚不明朗但一般均认为对于CuIn3S

33、e5的p型相位和富含铟的n型相位进行奈米级隔离控制可说是形成太阳能电池一致能隙的关键14。 2.2 太阳能光伏发电现状及预测 块状硅太阳能电池约占目前全球产能的94其中日本和德国拥有最大的占有率。中国正迅速成为全球太阳能生产强国并可能在未来几年内超越目前占第一的日本。虽然大多数公司主要关注于增加电池和模块生产产能但许多新进入该领域的公司则希望紧抓住目前市场供需不平所带来的机会。然而由于缺乏经验和引进新技术所带来的高度风险因此并非所有新兴公司都能如愿以偿。 随着许多国家导入了强制收购价格(feed-in tariff)制度(政府承诺以事先约定的价格购买由太阳光电产生能源的一种补贴制度)过去5年来

34、全球太阳光电产能一直以每年超过50的速度增长并预计将持续高速增长。 太阳光电产业营收从2006年的100亿美元增长到2007年已超过130亿美元同一时期在产能扩充和研发方面的投入也将近160亿美元。对于许多公司来说供应链的重要性一直是最深刻的经验教训电池和模块的持续性和可靠性洛阳理工学院毕业设计论文 11 取决于原始材料的一致性与组成成分。从硅原料到晶圆全球硅材料的短缺一直冲击着极需硅材料的太阳光电市场并推动其寻找解决方案的动力这一努力有时也会带来意想不到的结果。 尽管中国太阳光电产业的发展将使其成为全球太阳能电池和模块供应的主导国但德国和日本也仍持续迅速地扩张其产能。虽然美国目前尚未成为太阳能电池和模块的供应重镇但它已宣布计划在2012年时实现太阳能发电成本与购买现有电力成本并驾齐驱的目标。美国对于探索突破性技术以实现?grid parity?的目标显现出强烈兴趣。但值得注意的是美国并未专注于块状硅技术(如Sunpower公司制造具有全球最高转换效率的单晶硅电池预计将在2008年将带来约12亿美元收入)。 洛阳理工学院毕业设计论文 12 第3章 太阳能路灯各组成部分及选择 3.1 太阳能路灯各组成部分 一个完整的太阳能路灯控制系统有以下部分组成多晶硅太阳能电池板充放电锂电池LED照明系统和以单片机C