太阳能路灯设计思路论文

太阳能路灯设计思路论文（精选7篇）

太阳能路灯设计思路论文 篇1

0 引言

在各式各样的新能源中，太阳能以其清洁、廉价的特点成为新能源当中最理想的可再生能源，开发利用太阳能具有重大战略意义。我国大部分地区太阳能资源丰富，将太阳能转化为电能可有效解决能源危机，绿色环保，实现可持续发展。太阳能路灯照明系统就是独立光伏发电系统，因其拥有无可比拟的经济、实用以及节能等优点，使得其可见应用越来越广泛，并表现出显著优势与卓越潜力。

1 太阳能路灯控制器设计

路灯控制系统工作原理:白天光伏电池向蓄电池充电，晚上蓄电池提供电力供路灯照明。所以蓄电池将构成一个充放电循环。太阳能路灯照明控制电路包括光伏电池、蓄电池、路灯和控制器四部分。设计中采用AT89S52单片机，并将其作为智能核心模块。外围电路主要包括太阳能电池电压采样模块、蓄电池电压采样模块、键盘电路模块、LED显示模块、充放电控制模块等[1]。图1是太阳能路灯控制器结构设计图。

2 单片机智能控制模块[2]

太阳能路灯控制器选择ATMEL公司的8位单片机AT89S52为核心的智能控制模块，在整体上具有低功耗、性能高的特点。

2.1 单片机振荡电路

单片机振荡电路如图2所示。

2.2 复位电路

复位电路如图3所示，电路结构简单，稳定可靠。

3 电源电路模块设计

系统正常工作电压为5V，系统采用12V/24V的铅酸蓄电池供电，蓄电池电压不稳定，所以需要对电源进行稳压。本系统采用LM7805三端稳压器，其输入电压在5～24V时均可以保证输出为稳定的+5V。LM7805组成稳压电源只需要很少的外围元件，使用起来非常方便，工作稳定可靠[3]。系统电源电路如图4所示。

4 采样模块设计

太阳能电池采样和蓄电池采样对于系统正常运行起着非常重要的作用。太阳能路灯控制器要对蓄电池充放电进行合理控制，即需对蓄电池、太阳能电池板电压进行采样。为此，AT89S52单片机就要外接A/D转换模块，把电压转换为数字信号，系统选用V/F转换芯片LM331组成数模转换电路[4]。在系统采样设计中，为了防止因为外部因素导致AT89S52程序跑飞或死机，提高系统稳定性，在LM331与单片机之间还需增加单通道的高速光电隔离器6n137[5]。

图5为太阳能电池板采样电路图。系统蓄电池采样和太阳能电池板采样电路相同。

5 充放电控制电路设计

本设计中单片机产生PWM信号，通过光电耦合器TLP250控制功率场效应管IRF5305的栅极开断，以达到控制充电的目的。TLP250既有直接驱动场效应管的能力，又能满足PWM调制的要求，而且还对强电电路和弱电电路进行有效的隔离。

5.1 充电电路设计[6]

充电电路采用蓄电池负极与电池板负极直接连接，通过控制正极连接处的MOS管通断，来控制充电方式。PWM信号为高电平时，TLP250导通，输出为高电平，MOS管截止，太阳能电池板与蓄电池断开。PWM信号为低电平，TLP250截止，输出为低电平，MOS管导通，太阳能电池板与蓄电池连接。充电电路接MBR2060，防止反充。充电电路如图6所示。

5.2 放电电路设计[4]

电路采用蓄电池负极与负载接地端直接连接，通过控制负载与蓄电池正极连接处的MOS管通断，来控制负载工作与否。当控制信号为高电平时，TLP250导通，蓄电池通过电阻R6，稳压管D2形成回路，MOS管导通，蓄电池向负载供电，负载工作。控制信号为低电平时，TLP250截止，稳压管接地，不再形成有效电压，MOS管截止，蓄电池不能向负载供电，负载停止工作。放电电路如图7所示。

6 太阳能路灯主程序流程图

系统通过对光伏电池电压的数据采集，判断当前系统工作是在白天还是夜间。如果是白天，根据蓄电池电压值的不同，控制光伏电池按预定的方式给蓄电池充电。若是夜间，则控制蓄电池放电，负载工作。系统主程序流程如图8所示。

7 结束语

近年来，我国在太阳能路灯的开发上投资很大，太阳能路灯逐渐在我国普及开来。本文设计了一种基于AT89S52的智能太阳能路灯控制器，文中介绍了太阳能路灯控制器的基本功能，进行了控制系统的整体设计，根据蓄电池的充放电特性完成了太阳能路灯控制器的电路设计，给出了系统硬件设计和程序流程图。目前太阳能路灯系统仍然有一些较难解决的问题。某种程度上太阳能路灯系统的好坏是由其储能环节的质量决定的，因此，通过合理控制充放电模式以得到最好的能源存储，延长其使用寿命，提高系统的利用率将是未来下一步的后续研究发展方向。

摘要：本文设计了一个基于单片机AT89S52的太阳能路灯控制电路,由光伏电池、蓄电池、负载和控制器四个部分组成。白天有阳光时光伏电池将电能储存在蓄电池中,晚上蓄电池放电供路灯照明。在充放电控制器的作用下系统可自动调节充电和放电模式。太阳能路灯安全、环保、节约能源,在光伏发电应用领域具有重要的地位。

关键词：太阳能路灯,单片机,采样

参考文献

[1]何朝阳,戴君,吴立琴.太阳能路灯控制器的设计[J].电力电子技术,2006(12):70-73.

[2]陈汝全.实用微机与单片机控制技术[M].北京:电子科技大学出版社,2005.

[3]姜威.实用电子系统设计基础[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[4]彭路明.新型太阳能路灯控制电路的设计与实现[D].乌鲁木齐:新疆大学,2009:15-23.

[5]吴理博,赵争鸣,刘建政.用于太阳能照明系统的智能控制器[J].清华大学学报(自然科学版),2003,43(9):1195-1198.

[6]杨晓光,寇臣锐,汪友华.太阳能LED路灯照明控制系统的设计[J].电气应用,2009,28(3):28-30.

太阳能路灯系统的组态监控设计 篇2

关键词：太阳能,组态,监控,单片机

目前, 以社区、街道路灯系统为研究对象, 太阳能路灯系统大多采用单片机控制技术, 以此构建能够实现“节能设计”集成优化的智能太阳能led控制器, 同时利用组态软件可以监控系统的电流、电压、功率因数等参数, 实现为建设节能提供了一条新思路。

1 太阳能LED路灯系统组成

目前的太阳能路灯控制系统都是独立光伏控制系统, 主要由7个部分组成:太阳能电池板、蓄电池、负载 (LED路灯) 、控制器、测量电路、充电电路、放电/负载驱动电路。

2 太阳能LED路灯系统组态监控分析及设计

本监控系统使用组态王6.55制作, 是以控制和实时监测现场跟踪机构与电池板各个参数为中心, 应具有功能完善、操作简便、可视性好、可维护性强的突出特点。

2.1 组态监测分析及设计

在监测系统中, 我们设计可以实时检测到太阳能电池板的温度, 蓄电池的电量存储情况, 蓄电池的输出电压, 以及蓄电池供电时的直流。从而可以实现对太阳能电池板的温度控制, 对蓄电池的电量饱和度的检测, 以及蓄电池的输出电压电流的稳定情况的监测。

为了让维护人员能够更快更直接的对故障负载设备进行维护, 本系统设置了实时报警数据库, 可以实时的显示出现故障的设备名称、故障类型、报警值等等。按照本监控系统要求, 监控程序要实现当前实时数据和报警数据的生成和打印。采用了计算机进行控制, 可以代替繁重的手工记录, 用计算机直接进行无纸记录, 产生各种各样的报表, 以供查阅。通过以上部分, 实现了对太阳能路灯的监测, 减轻了人工工作的负担, 使得工作效率大大提高。

2.2 设计步骤如下

创建工程“智能太阳能路灯系统监测”;

创建画面, 利用系统的工具箱中的“圆角矩形”工具画出路灯杆, 太阳能电池板模型, 并使用“显示画刷类型”按钮, 将路灯杆设置为白底灰色填充的样式。之后使用“扇形 (弧形) ”工具画出路灯, 并使用“直线”工具在路灯周围画出表示路灯亮灭的短线。

设置变量。绘制完基础画面之后, 回到工程浏览器, 点击左侧菜单栏中的“数据词典”, 新建一些关联变量, 分别用于控制电池板的旋转, 监测系统电压值、电流值及一些相关变量的变化。具体如图1所示。建立数据连接;

编写程序;利用函数“=Date ($年$月$日) 和=Time ($时$分$秒) ”, 该函数是使报表可以再运行时, 记录实时时间。右键点击画面, 选择“画面属性”选项, 在弹出的对话框中选择命令语言选项, 在存在时输入栏中输入下列命令语言。具体如图2所示。

为了让维护人员能够更快更直接的对故障负载设备进行维护, 本系统设置了实时报警数据库, 可以实时的显示出现故障的设备名称、故障类型、报警值等等。

报表系统:按照本监控系统要求, 监控程序要实现当前实时数据和报警数据的生成和打印。采用了计算机进行控制, 可以代替繁重的手工记录, 用计算机直接进行无纸记录, 产生各种各样的报表, 以供查阅。具体如图3所示。

3 小结

在监测系统中, 我们可以实时检测到太阳能电池板的温度, 蓄电池的电量存储情况, 蓄电池的输出电压, 以及蓄电池供电时的直流。从而可以实现对太阳能电池板的温度控制, 对蓄电池的电量饱和度的检测, 以及蓄电池的输出电压电流的稳定情况的监测。实现为建设节能提供了一条新思路。

参考文献

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[2]鞠振河.太阳能路灯系统的优化设计[J].可再生能源, 2007 (05) :79-83.

[3]张军朝.太阳能路灯系统的仿真研究[J].计算机仿真, 2011 (04) :328-331.

[4]杨桂红, 滕为公, 王冬梅等.双光源多时段太阳能路灯[J].可再生能源, 2006 (04) :77-78.

[5]陈尚伍, 陈敏, 钱照明.高亮度LED太阳能路灯照明系统[J].电力电子技术, 2006 (06) :43-45.

太阳能路灯设计思路论文 篇3

太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源, 它作为一种巨大的可再生能源, 每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油, 可以说是取之不尽、用之不竭的能源。

太阳能高效路灯主要由太阳能电池组件 (PV MODULE) 、储能蓄电池 (BATTERY) 、太阳能控制器 (SOLAR CONTROLLER) 、金卤灯镇流器 (RECTIFIER) 及陶瓷金卤灯 (HID) 等组成。

1 系统组成及工作原理

系统工作原理是:日照时利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出, 产生一定电压的充电电流, 通过太阳能控制器对储能蓄电池进行充电。夜晚时, 当日照光线照度减弱到一定程度, 太阳能电池板开路电压下降到设定值时, 太阳能控制器侦测到这一电压值后动作, 光控自动启动, 由蓄电池通过控制器向负载供电, 点亮陶瓷金卤灯。点亮陶瓷金卤灯, 必须配备相应的镇流器, 启动时先由触发器产生瞬间高压 (6KV) 点燃, 再由镇流器镇流维持负载正常工作。

太阳能控制器具有光控、时控与过充、过放保护功能, 可自动控制开灯、关灯, 并可设定时间, 定时开灯、关灯。过充、过放保护可有效地保护储能蓄电池进行正常充放电, 延长蓄电池的使用寿命。

太阳能高效路灯集成了太阳能与陶瓷金卤灯的优点。

2 产品主要构成

产品主要由太阳能电池组件部分、太阳能控制器、储能蓄电池和陶瓷金卤灯、灯杆构成。

2.1 太阳能电池光效达到127Wp/m2, 效率较高;

2.2 以35W陶瓷金卤灯作为发光源。陶瓷金卤灯是一种集金卤灯的良好光色性能和钠灯优秀的发光效率于一身的光源, 有如下特点:

(1) 光源寿命长, (9000~15000小时) ;

(2) 发光效率更高 (>90 lm/w) ;

(3) 寿命期间光色稳定性能好 (在+/-200K之间) , 并且光源之间的光色一致性更好;

(4) 具有3000K和4200K两种色温可供选择, 光源显色性好 (Ra 80~90) 。

2.3 太阳能控制器和储能蓄电池集中放置于控制箱内。太阳能控制器具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等功能。

2.4 太阳能控制器以单片机为核心处理芯片, 具有全方位、全自动、多功能、高效能的特点, 能满足太阳能高效路灯在各种条件下长久可靠的运行, 有以下特点:

(1) 太阳能控制器采用MPPT技术 (太阳能最大功率跟踪技术) , 可以使控制器在阴雨天或蓄电池深放电后, 能够获得相当增加1.3倍极板容量的电流。最大功率点跟踪 (MPPT) , 使得太阳能系统始终工作在功率输出的最大工作状态, 保证太阳能输出功率在任何光照条件下的最大化, 提高光电转化效率, 更能有效利用太阳能, 提高了整个系统的效率。

(2) 太阳能控制器根据蓄电池剩余容量 (SOC) 控制工作, 则每天晚上开灯时, 控制器的智能芯片按数学模型对蓄电池剩余容量进行计算, 根据SOC的大小, 自动调整点亮时间, 因而系统一直以最小工作负载工作, 这样可以使蓄电池尽快恢复到浮充状态, 有效的保护了蓄电池, 延长了蓄电池的使用寿命, 大大提高了系统的可靠性。

3 系统设计思想

太阳能高效路灯的设计与一般的太阳能照明相比, 基本原理相同, 但是需要考虑的环节更多。下面将以太阳能高效路灯为例, 分几个方面做分析。

3.1 太阳能电池组件选型

设计要求:无锡地区, 负载输入电压24V功耗40W (含镇流器) , 每天工作时数10h, 保证连续阴雨天数7天。

(1) 无锡地区近二十年年均辐射量106.5cal/cm2, 经简单计算无锡地区峰值日照时数约为5.48h;

(2) 负载日耗电量:16.7AH

(3) 所需太阳能组件的总充电电流=1.05×16.7÷ (5.48×0.85) =3.76A在这里, 两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天, 1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数, 0.85为蓄电池充电效率。

(4) 太阳能组件的最少总功率数=34.4×3.76=129.4W

选用峰值输出功率130Wp、单块65Wp的标准电池组件, 应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。

3.2 蓄电池选型

根据上面的计算知道, 负载日耗电量16.7AH。在蓄电池充满情况下, 可以连续工作7个阴雨天, 再加上第一个晚上的工作, 蓄电池容量:

6.7× (7+1) =133.6 (AH) , 选用2颗12V150AH的蓄电池就可以满足要求了。

3.3 太阳能电池组件倾角设计

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, 我们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很多。本次路灯使用地区为无锡地区, 查阅相关文献中的资料, 选定太阳能电池组件支架倾角为35°。

3.4 太阳能控制器

太阳能控制器的主要作用是保护蓄电池, 其基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。在选用器件上, 本产品采用单片机智能控制技术。

4 结束语

整体设计基本上考虑到了各个环节;光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法, 设计思想比较科学;经过实际运行证明各环节之间匹配较好。

太阳能高效路灯高性价比的特点是相当明显的, 使用绿色、环保、可再生能源, 一次投入, 长期受益。在城市广场、海滨浴场、高档的别墅区等照明工程上, 太阳能灯具将作为优选的灯饰灯具受到投资商的青睐。与太阳能的可再生、清洁无污染以及陶瓷金卤灯的环保节能相比, 常规化石能源日趋紧张, 并且使用后产生的排放对环境会造成了日益严重的污染。所以, 太阳能照明灯具作为一种新兴的户外照明产品, 将给我们带来无穷的生命力和广阔的市场前景

摘要：随着能源短缺和环境污染的日益严重, 各国都在寻求解决能源危机的办法, 太阳能这一可再生能源的利用, 使太阳能光伏技术得到了高速发展。本篇文章通过详细的数据分析介绍了太阳能高效路灯系统的工作原理和系统设计方法。

关键词：太阳能,太阳能高效路灯,系统工作原理,设计

参考文献

[1]李俊峰, 王仲颖主编, 《中华人民共和国可再生能源法解读》, 化学工业出版社[M].

非晶硅太阳能路灯系统的设计 篇4

随着世界能源危机的加剧,各国都在寻求解决能源危机的办法,一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用;另一条是寻求新的节能技术,降低能源的消耗,提高能源的利用效率。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,可以说是取之不尽、用之不竭[1]。同时,随着太阳能光伏发电技术的发展和进步,太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。本文主要介绍非晶硅太阳能LED路灯系统,并以沈阳汉锋工厂内安装的太阳能路灯为例进行说明。

1 非晶硅太阳能电池的基本原理

非晶硅太阳能电池是薄膜太阳能电池中最成熟的产品,是在晶体硅制成的前道工序中,将含有硅的烷气采用化学方式沉积到非硅基板(如玻璃基板)上制造而成。加工原理为:使用硅烷(SiH4)等离子体分解法,通过在硅烷掺杂乙硼烷(B2H6)和磷化氢(PH3)等气体,在基板上(玻璃、不锈钢)低温成膜。

非晶硅太阳电池的结构各有不同,其中有一种较好的结构叫PIN电池,它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅,再沉积一层未掺杂的I层,然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅,最后用电子束蒸发一层减反射膜,并蒸镀银电极。

非晶硅薄膜太阳能电池光吸收系数高,对太阳光适应范围较广,非最佳角度阳光下的工作情况好于其他太阳能电池,具有易于实现集成化的特性,可以适合不同需求的多品种产品。尤其适合用于太阳能路灯,建筑光伏一体化(BIPV)以及大型太阳能并网发电系统[2]。

2 太阳能路灯的工作原理及基本结构

2.1 太阳能路灯的工作原理

太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理[3],白天太阳能电池吸收太阳能光子能量产生电能,通过控制器储存在蓄电池里,当夜幕降临或灯具周围光照度较低时,蓄电池通过控制器向光源供电,到达设定的时间后切断。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。系统还具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。

2.2 太阳能路灯系统的基本结构

太阳能路灯系统由非晶硅太阳能电池方阵(包括支架)、太阳能充放电控制器(含路灯光控和时控)、控制箱、LED灯、蓄电池组和灯杆几部分构成,若输出电源为交流220V或110V,还要配置逆变器,其结构如图1所示。

(1)非晶硅太阳能电池方阵。

非晶硅太阳能电池方阵能产生光伏效应,是进行光电转换的部分。光伏效应是半导体在吸收光能后,内部带电载流子分布状态和浓度发生变化从而产生出光生电流和光生电动势的效应。利用这种特性,半导体材料的光伏阵列将太阳能转换成电能,是整个光伏应用系统能量的来源。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。

(2)太阳能控制器。

太阳能路灯系统中,性能良好的充放电控制器是必不可少的[4,5,6]。为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充放电条件加以规定和限制,并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出,防止蓄电池过充电及深度充电,是整个系统的核心控制部分。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器除具有路灯控制功能外,还应具有光控、时控功能,并应具有夜间自动切控负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。

(3)蓄电池组。

将太阳电池组件产生的电能储存起来,当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时,将储存的电能释放以满足负载的能量需求,它是太阳能光伏系统的储能部件。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池,对于较高要求的系统,通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等[7]。

对铅酸蓄电池的选择,主要考虑的是蓄电池的容量和工作电压。其中蓄电池的容量指的是在一定放电条件下蓄电池能连续提供的能量的总和,单位为安时(Ah),这个参数的选择主要与太阳能光伏系统的工作条件下的太阳辐射平均强度和需要连续供应负载电量的时间和功率有关;工作电压是蓄电池接通负载放电时在负载上所呈现出来的电压,其大小主要决定于后面负载的额定工作电压值。

(4)逆变器。

在太阳能路灯系统中,如果含有交流负载,那么就要使用逆变器设备,将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。

3 非晶硅太阳能路灯系统的设计

沈阳汉锋工厂厂区6盏太阳能路灯,每盏24W,每天工作12h,保证连续阴雨天数3天。该太阳能路灯系统配套设备的容量可按以下方式计算。

3.1 非晶硅太阳能电池方阵容量计算

太阳电池容量与负载日用电量、当地的地理位置、阳光资源、气候条件密切相关。因此,首先应确定日平均负载Q,组件日输出QL及年均标准日照时数H。

Q=It (1)

式中:I—负载工作电流,取I=6A;t—负载每天工作时间,h。

undefined

式中:S—年总辐射量,kcal/cm2;1.163—换算系数,Wh/kcal;q—热流密度,按AM1.5标准取0.1W/cm2。

QL=Imax×H×Kop×Cz (3)

式中:Imax—光伏板组件的最大工作电流,I=0.9A;Kop—斜面修正系数,取Kop=1.0671;Cz—修正系数,主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失,一般取0.8。

代入数据得Q=72Ah,H=4.6h,QL=3.53Ah。

并联的组件数量undefined。

串联的组件数量undefined。

V为系统工作电压,Vmax为组件最大工作电压。

太阳电池组件的输出,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电池组件数量,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,有必要将环境和组件自身衰减等因素考虑在内,综合考虑以上因素,可以得到下面的修正公式。

并联组件的数量undefined

式中:c—蓄电池的库仑效率;α—非晶硅太阳能电池的衰减因子。

根据以上计算数据,可以选择并联组件数量为25,串联组件数量为1,所需的非晶硅太阳电池组件数为:

总的太阳电池组件数=25×1=25块

总的太阳电池组件功率=25×30=750W

此外,非晶硅太阳电池组件由于生产批次工艺参数漂移,所以在订货时应根据组装方阵的串并联情况对电参数提出要求。具体原则为:同一方阵应选择输出功率相近的组件;方阵并联应选择工作电压相近的组件,串联应选择工作电流相近的组件,然后再考虑它们之间的串并联问题。

3.2 蓄电池容量计算

蓄电池的设计包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组的串并联设计。首先,给出计算蓄电池容量BC的公式。

undefined

式中:D—自给天数,通常自给天数取3～5d;CC—蓄电池的最大放电深度,一般铅酸蓄电池取0.75,碱性镍镉蓄电池取0.85;T0—温度修正系数,一般在0℃以上取1,-10℃以上取1.1,-10℃以下1.2。经计算,近似得BC=288。

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,将蓄电池串联起来给负载供电,在该工程中,蓄电池选2V/490Ah。

串联蓄电池数undefined

式中:V—负载标算电压,取24V;V单—单体蓄电池的标称电压,取2V。故串联蓄电池数=12。

并联蓄电池数undefined

式中:BC单—单体蓄电池的容量。

根据以上计算数据,可以选择并联蓄电池数量为1,串联组件数量为12,所需要的蓄电池总数为:

总的蓄电池数=12串×1 并 =12 个

3.3 太阳能电池组件倾角设计

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不少。本次路灯使用地区为沈阳地区,依据本次设计参考文献[8],选定太阳能电池组件支架倾角为42.77°。

3.4 最终技术方案确定及运行数据记录

经过计算比较、校核,最后确定出如表1所示的太阳能路灯系统参数,并且在表2中列出系统正常工作时的性能参数。

4 结语

非晶硅薄膜太阳能电池光吸收系数高,对太阳光适应范围较广,非最佳角度阳光下的工作情况好于其他太阳能电池,因此光伏组件方阵的功率要小于其他太阳能电池。随着非晶硅薄膜电池制造成本的不断降低和集成化技术的不断成熟,太阳能路灯将成为道路照明的主体,与人们的生活更加密切。

参考文献

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[6]何朝阳,戴君,吴立琴.太阳能路灯控制器的设计[J].电力电子技术,2006,(12):69-72.

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太阳能LED路灯控制系统的设计 篇5

当前,由于全球性能源危机,世界主要发达国家都开始重视可再生能源的利用研究。在所有可再生能源利用中,太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的无污染的洁净能源,已被公认为未来解决能源危机的最有效能源[1];LED灯具有寿命长、高效节能、环保等优势。因此,把太阳能与LED路灯有机地结合起来,开发出一套太阳能LED路灯控制系统非常重要[2]。

目前,在所有的太阳能利用中,光伏发电无疑是其中一项重要的解决方案。但是,太阳能电池具有非常明显的非线性特性,造成太阳能电池与负载之间的不匹配,从而降低了太阳能电池的输出效率;同时光伏发电成本居高不下,制约了光伏产业的发展。因此为了充分利用太阳能,降低发电成本,提高发电效率的需要,急需研制一种能实时跟踪太阳能最大功率点(MPPT)[3]的控制系统。

为此,设计了的基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统,系统采用变步长的导电增量法跟踪太阳能电池板的最大功率点,充分利用太阳能电池板的能量,对铅酸蓄电池充电,同时实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等现象;对LED路灯采用多段式的恒流控制,通过环境照度的监测控制LED路灯在不同电流强度下工作,以增强LED路灯的使用寿命,实现节约用电的目的。

二、系统原理

基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统原理图如图1所示。系统主要由太阳能光伏板、太阳能电流电压采集、Buck充电电路、铅酸蓄电池、Boost放电电路、蓄电池电压采集、放电电路电流采集、LED路灯及STC12单片机等部分组成。通过采集太阳能光伏板的电压来判定充电和分段式恒流负载输出。当检测到太阳能板电压高于蓄电池电压一定值时开始MPPT充电模式,这时STC单片机通过采样到的太阳能板电压和电流值通过变步长的电导增量法计算最大功率点,通过PWM信号的占空比调节太阳能板充电电压大小达到最佳充电功率点,充电同时实时监测蓄电池电压防止过充电;当检测到太阳能板电压低于一定值时,停止充电进入分段式恒流负载输出控制模式,此时主要根据不同的太阳能板电压值,通过Boost放电电路控制PWM信号的占空比方式控制负载输出电路输出不同的电流值。

三、系统硬件设计

1. Buck MPPT充电控制主电路

太阳能最大功率点跟踪控制电路主要采用如图2所示的Buck斩波降压电路。其中,Q1、Q2就是通过PWM信号的占空比来调节太阳能板的充电电压大小,Q3、Q4主要起防反充的作用(当蓄电池电压高于太阳能板时要及时关闭),压敏电阻TVS管防雷击和浪涌电压,U1(ACS712)是霍尔电流传感器,通过它来检测太阳能板的输出电流。

2. 负载开关控制电路

负载开关控制电路主要有MOS管Q7、Q8和自恢复保险丝F1、F2、F3组成,可以和后级的负载Boost电路构成简单的恒流分段式控制电路控制LED路灯工作在不同的恒流电流值下。

3. STC单片机采样控制电路

STC单片机采样控制电路如图4所示,主要完成对太阳能板的电流电压的采样、蓄电池电压的采样以及负载输出电流的采样等。通过采样的信号完成MPPT控制信号和负载多段式恒流输出控制信号的产生及各个指示灯控制信号的产生。

4. MPPT充电控制电路

MPPT充电控制电路如图5所示,主要把STC单片机产生的MPPT充电控制PWM信号通过高速光耦U4(P521)转换成MOS的控制信号,来实现控制信号之间的隔离,减少电路噪声干扰等作用,同时也有助于增加驱动MOS的能力。

四、系统软件设计

系统软件流程图如图6所示。此次设计采用的STC12单片机有2路8位PWM发生器和8路10位AD转换器,可直接实现PWM输出和AD转换。系统实时采集太阳能板电压和蓄电池的电压,当检测到的太阳能板电压大于蓄电池电压加上0.4V时,系统进入充电模式,通过判断当蓄电池电压低于14.5V时进入最大功率点充电子程序,否则关闭充电;而当检测到太阳能板电压低于6V时,系统进入放电模式,通过判断当蓄电池电压低于10.5V时停止放电,否则进入分段式放电子程序。

最大功率点充电子程序流程图如图7所示。相比于光照的突变,光伏太阳能板表面温度的变化是非常的缓慢的,因此,在研究最大功率点跟踪时,可以近似的认为光伏板表面的温度是不变的。当d U=0时,光照的变化必然引起功率P的变化;当d U<0时,若d I<=0,则光照降低;当d U>0时,若d I>=0,则光照增强。对于其他情况,可以设定一个阈值δ,当|d I|>δ时,认为光照发生了较大变化。

基于以上原理设计了一种变步长的电导增量法,未检测到光照发生变化时,若d U≠0,系统没有工作在最大功率点。在最大功率点的左侧(d P/d U>0)时,应该提高工作点的电压,即减小占空比(增大Duty值d D>0)。该区域远离最大功率点,d P/d U变化速度小,为了加快逼近速度可取,其中M1、N设置为适当的常数,当N>1时,可以放大d P/d U>1时的步长,并缩小d P/d U<1时的步长。在最大功率点的右侧(d P/d U<0)时,应当降低工作点电压,即增加占空比(减小Duty值d D<0)。该区域内d P/d U变化速率较大,取d D=M2*d P/d U。检测到光照发生变化时,出于电流的变化方向和最大功率点电压变化方向一致,因此可以取d D=M3*d I作为步长数据,可以快速追踪由辐照度变化引起的最大功率点电压变化。

五、总结

设计了一套基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统,系统采用变步长的电导增量法跟踪太阳能电池板最大功率点,并可实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等的现象;对LED路灯采用多段式的恒流控制,通过环境照度的监测使LED路灯在不同电流强度下工作,以增强LED路灯的使用寿命,实现节约用电。

摘要：设计了一套基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统,系统采用变步长的电导增量法跟踪太阳能电池板最大功率点,充分利用太阳能电池板的能量,对铅酸蓄电池充电。同时实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等现象;对LED路灯采用多段式的恒流控制,通过环境照度的监测控制LED路灯在不同电流强度下工作,以增强LED路灯的使用寿命,实现节约用电的目的。

关键词：太阳能,LED,最大功率跟踪

参考文献

[1]高峰,孙成权,刘全根.太阳能开发利用的现状及发展趋势.世界科技研究与发展[J].2001,23(4):35-39.

[2]刘永玺.功率型白光LED的荧光粉涂覆工艺及散热技术研究[D].厦门:厦门大学.2008,2-5.

基于单片机的智能太阳能路灯设计 篇6

1 硬件电路设计

选择DS1302计时器、AT24C02存储器、4位数码显示器、过充过放电路、STC12C2051单片机等组成智能控制系统。根据各部分电路的功能不同, 整体电路可分为以下几个部分:太阳能电池板组件、过充过放电路[2]、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。

1.1 电源电路设计

电源电路如图1所示。系统由太阳能电池板供电, 24 V蓄电池电压经过7805稳压后产生5 V电压, 作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容, 将高频信号旁路到地。同样电容C1为滤波电容[3]。

1.2 方案选择

DS1302是美国Dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路, 其可对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时, 具有闰年补偿功能, 工作电压为2.5~5.5 V[4]。采用三线接口与CPU进行同步通信, 并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品, 与DS1202兼容, 但增加了主电源/后背电源双电源引脚, 同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力[5]。

在设计中一般使用的计时功能电路有软件计时, 定时器定时, 但其缺点是计时有误差, 需隔一段时间校正一次;另一种是硬件计时, 现在流行的串行时钟电路有DS1302、DS1307、PCF8485等, 这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便, 被广泛地采用。在设计中采用硬件定时, 时钟芯片DS1302。DS1302是Dallas公司的一种具有涓细电流充电能力的电路, 主要特点是采用串行数据传输, 可为掉电保护电源提供可编程的充电功能, 并且可以关闭充电功能。

RST输入有两种功能:首先, RST接通控制逻辑, 允许地址/命令序列送入移位寄存器。其次, RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时, 所有数据传送被初始化, 允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平, 则会终止此次数据传送, I/O引脚变为高阻态[6]。

采用时钟控器型的路灯控制器, 要预先设定开关时间, 使路灯按时亮灯、准时熄灯, 从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰, 除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间, 需人工调整开关时间, 费时费力, 不利于节能。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型, 机械钟表型以石英钟为主, 走时精准, 但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形, 从而导致停机现象[7]。

电子钟表型定时开关使用的也较多, 常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。图2为与单片机的连接图, 其中VCC1为主电源, VCC2为后备电源。在一般情况下, SCL、I/O、RST与单片机连接实现1302的读写控制。

存储器AT2402的1, 2, 3脚为空脚, 4脚为接地端, 5脚为数据端, 6脚为时钟端, 7脚为写保护端口, 8脚为电源。

AT24C02在设计中的作用是掉电存储器, 是为防止电源突然断开时, 用户信息不会丢失, 存储当前设定的信息。AT24C02是Atmel公司的2 k B的电可擦除存储芯片, 由于AT24C02的数据线和地址线是复用的, 采用串口的方式传送数据, 所以只用两根线SCL (移位脉冲) 和SDA (数据/地址) 与单片机传送数据。电压最低可达2.5 V, 额定电流为1 m A, 静态电流10μA (5.5 V) , 芯片内的资料可在断电的情况下保存相当长的时间, 而且采用8脚的DIP封装, 使用方便。其与单片机的连接如图3所示。

太阳能路灯与普通路灯控制电路功能基本相同, 均是为了完成晚上亮灯, 早晨熄灯以及对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等, 但由于其工作原理不同, 各有优缺点。

2 软件设计

系统的软件设计主要包括程序初始化、时间设定子程序、1302的读写程序、24C02的读写程序、时间比较子程序、按键子程序、显示刷新子程序等共同组成[8]。程序开始要进行初始化, 调用24C02内部存储的开关路灯时间点, 程序每隔一段时间调一次1302中的时间[9]。通过程序将设定的时间同系统当前时间进行比较, 设定的比较间隔为1 s/次, 当时间相同时, 则通过程序输出控制信号, 如图4所示。

能源电路部分中的器件参数可以通过计算得出, 驱动电路是一种成熟的电路, 已经得到广泛应用, 单片机的算法程序已在开发板上运行成功。其中器件参数也可确定单片机的算法程序在开发板上运行, 到达预期的目的, 因此该方案是可行的。图5为该系统显示部分仿真电路图, 图6是过冲过放电路图。该系统理论值是12 V, 实际测量值为9.4 V, 存在一定的误差[10,11]。

3 结束语

太阳能路灯设计思路论文 篇7

1 太阳能路灯系统

太阳能路灯控制系统主要是由太阳能电池板、蓄电池、灯具、控制箱、灯杆等组成的。太阳能路灯系统的核心控制系统如图1所示。

这样的太阳能系统是由太阳能电池方阵 (含电池的支架) 、路灯控制箱 (内部设置有蓄电池组、路灯控制器等) 、LED路灯照明灯头、路灯灯杆等几部分组成的。灯头主要是使用1W功率的LED白光集成在电路板上, 并按照一定间距进行排列的平面发光源。LED技术有21世纪新光源的称号, 是在白炽灯、日光灯、高压气体之后的新一代的光源, LED灯具有节能、无污染、使用时间长、没有频闪、安全、控制性能良好、直流供电等多种优点。路灯控制箱的箱体主要是采用不锈钢的材料布置的, 既美观又实用, 路灯控制箱内布置的铅酸蓄电池与相应的充放电控制元件, 其中在设计充放电控制器的时候, 需要考虑好控制器的功能以及花费的成本, 功能上控制器需要具有光控、时间控制、过放保护控制、过充电保护控制以及接反电保护控制等性能, 具有良好的性价比。

2 系统硬件电路设计

在对单片机太阳能路灯照明进行控制设计的过程中, 主控制器采用AT89C52单片机, 主要是经过总线与系统中各模板进行连接。设置系统工作时间, 因为时间不同, 工作状态也不相同。采用光敏感电阻器对路灯所处环境的光亮程度进行检测, 并经过转换芯片将收集的信息进行转换, 之后发送给单片机。单片机对这写信息进行相应的处理后, 再经过继电器对路灯的工作状态进行控制。通常情况下, 路灯的工作时间分布情况为:每日0时-次日6时是路灯节能的时间, 路灯需要处在半电压的情况下工作;而9时-0时则是处在全电压的情况下工作, 其他的时间需要根据实际环境的光线情况对泸路灯的亮暗情况进行控制。

2.1 键盘电路设计

键盘S1, S2, S3分别接在单片机P2.4, P2.5, P2.6上, 其中S1设置为模式选择键, 主要用来控制数码管现实的模式 (蓄电池的电压情况、太阳能电池板的电压、负载工作时间) 。S2, S3则分别显示控制负载工作时间的增减情况, 每次的增减时间为15min。

2.2 电源电路模块设计

太阳能路灯控制系统正常工作的时候电压为5V, 主要采用12V/24V的铅酸蓄电池进行供电, 当蓄电池的电压不稳定的时候, 需要提供相应的电压进行稳定控制, 该系统采用LM7805三端稳压器, 当输入的电压在5~24V之间的时候, 可以保证输出的电压稳定在+5V左右。LM7805三端稳压器组成稳定的电源只需要少部分的元件, 这样使用更加方便, 系统的工作情况更加稳定。

2.3 蓄电池电压采样电路设计

在整个太阳能单片机照明系统中, 蓄电池是非常重要的设备, 白天的时候蓄电池可以将电池板采集的太阳光转换成电能存储起来, 等到天色暗下去的时候再将其转换成电能输送到照明设备上。智能控制系统所使用的电源也是由蓄电池提供的。蓄电池采样电路主要使用的是V/F转换器LM331。LM331转换器是美国NS公司生产的具有高性价比的集成芯片, 可以当做精密频率的电压转换器。

LM331使用的是新的温度补偿能隙基准电路, 在太阳能单片机照明系统工作的时候, 在温度范围以内或者是降到4.0V电源电压的时候都会输出准确的数据, 此外, LM331转换器的动态范围相对交宽, 可以达到100d B;LM331转换器的线性非常好, 最大的非线性失真低于0.01%, 工作状态下的LM331转换器工作频率降到0.1Hz的时候还有非常好的线性;LM331转换器的变换精度较高, 数字分辨率可以高达12位;外接电路也相对简单, 只需要介入几个外部元件就可以方便转换器进行电路转换, 并且很容易确保转换的精度。蓄电池电压的采样电路如图2所示。

2.4 环境光线检测模块

基于单片机的太阳能路灯照明控制系统设计使用的是光敏电阻与ADC0832模拟数字转换器相结合的方式进行检测, 工作的原理是当照射在光敏电阻上的光线亮度发现变化的时候, 光敏电阻的电阻值也会发生变化, 光线变强电阻值变小, 光线变弱电阻值变大, ADC0832可以将电压信号转换为数字信号, 发送给单片机, 保证单片机可以对环境的明暗程度的信号进行分析并作出相应的处理。

3 系统软件程序设计

3.1 白天充电子程序

白天太阳能电池板会收集相应的太阳光, 转换器会将其转换成化学电能储存起来, 单片机可以通过蓄电池对路灯设置充电策略, 这样可以有效地控制电能的使用, 有效地提高蓄电池的使用寿命。单片机设置的充电方式有三种: (1) 快速充电阶段, 充电电路的输出等于路灯使用的电流源。路灯的电流源输出情况与蓄电池的工作情况有着非常密切的联系, 在整个充电的过程中, 输出的电源流会对整个蓄电池的电压进行自动监测, 如果电压达到转换条件的时候, 会自动转换成下一个充电方式; (2) 过充阶段。这个时候设计的充电电路会对蓄电池设置一个更高的电压, 如果蓄电池的电压持续达到设置的于要求时2, 电路会自行认为蓄电池已经充满, 这时会转换到浮充阶段。 (3) 浮充阶段。该阶段主要是对蓄电池设计一个准确的浮充电压, 确保路灯在晚上时可以正常工作。

3.2 夜间放电子程序

夜间放电子程序主要对蓄电池进行放电保护, 防止过放。12V系统蓄电池负载切断电压是1 111.9V (可调) , 24V系统切断电压是22.823 8V (可调) 。夜间放电子程序的另一个主要功能是控制开灯时间。

4结束语

本文主要AT89C52单片机设计了一个太阳能单片机照明系统, 实现了路灯可以按照时间以及光源双重的控制方式, 经过试验, 太阳能AT89C52单片机照明系统工作情况稳定、安全, 相较于其他的控制系统更加智能化, 可以大幅度的节省电能, 降低施工成本, 满足节能的要求。

摘要：就目前的情况看, 太阳能是非常干净、没有任何污染、可以持续使用的能源之一, 取之不尽, 用之不竭。在目前各种化石能源逐渐减少的现在, 太阳能资源是替代其他化石资源的重要能源之一。将太阳能作为路灯能源的来源, 白天的时候太阳能电池板可以为蓄电池充电, 晚上的时候蓄电池可以为路灯提供电能, 在建设的过程中, 不需要敷设复杂的管线, 灯具可以进行任意的调整, 并且没有任何污染, 安全环保。基于单片机的太阳能路灯照明系统的工作情况相对稳定, 运行效果良好。

关键词：单片机,太阳能路灯,照明控制系统

参考文献

[1]辛智广, 于春荣, 王树彬.LED路灯智能控制系统设计方案[J].科技传播, 2016, (5) :178.

[2]吴正茂.基于STC单片机的太阳能LED路灯控制器设计[J].中国科技财富, 2012.