高杆灯风光发电电路及控制系统设计.docx

石家庄铁道大学毕业论文高杆灯风光发电电路及控制系统设计Design of High Pole Lamp Wind and Solar Power Generation Circuit System 2019 届机械工程学院（系）专业机械设计制造及其自动化学号20150928学生姓名胡培植指导教师李申山完成日期2019年5月30日毕业论文成绩单学生姓名胡培植学号20150928班级机1501-3班专业机械设计制造及其自动化毕业论文题目高杆灯风光发电电路及控制系统设计指导教师姓名李申山指导教师职称副教授评 定 成 绩指导教师李申山得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长(主任) 签字：年 月 日毕业论文任务书题目高杆灯风光发电电路及控制系统设计学生姓名胡培植学号20150928班级机1501-3班专业机械设计制造及其自动化承担指导任务单位机械工程学院导师姓名李申山导师职称副教授（主要包括课题的主要内容、基本要求、主要技术指标或研究方法，应收集的资料、参考文献以及课题进度计划等）1、研究内容。在详细了解高杆灯及风光发电系统工作原理的基础上，对高杆灯风光发电电路及控制系统进行设计。选择合适的高杆灯，并对风光发电电路及控制系统设计，画出硬件电路图。2、基本要求。完成系统设计，提交毕业设计论文、图纸等资料。3、主要技术指标或研究内容。1）论文一份； 2）图纸一份；2）外文翻译不少于3000字 ；4、主要参考文献。(1) 太阳能发电的相关资料。(2)风力发电的相关资料。(3 ) 高杆灯控制系统的相关资料。5、进度安排。第1周第2周：调研，需求分析；第3周第5周：系统方案设计；第6周第10周：系统详细设计；第11周第14周：完善功能，撰写论文； 2019年3月24日毕业设计开题报告题目高杆灯风光发电电路及控制系统设计学生姓名胡培植学号2150928班级机1501-3班专业机械设计制造及其自动化1、研究背景及意义能源是国民经济发展和人民生活必须的重要物质基础。在过去的200多年里，建立在煤炭、石油、天然气等化石燃料基础上的能源体系极大的推动了人类社会的发展。但是人类在使用化石燃料的同时，也带来了严重的环境污染和生态系统破坏。风光互补发电系统是利用风能和太阳能资源的互补性，具有较高性价比的一种新型能源发电系统，具有很好的应用前景。而目前中国现有9亿人口生活在农村，其中5%左右目前还未能用上电。在中国无电乡村往往位于风能和太阳能蕴藏量丰富的地区。因此利用风光互补发电系统解决用电问题的潜力很大。采用已达到标准化的风光互补发电系统有利于加速这些地区的经济发展，提高其经济水平。2、研究现状风光互补发电的现状：风光互补发电系统是一将太阳能和风能转化为电能的装置。该系统无空气污染、无噪音、不产生废弃物。因此风光互补发电系统是一种自然、清洁的能源。据国内有关资料报道，目前运行的风光互补发电系统有:西藏纳曲乡离格村风光互补发电站、用于气象站的风能太阳能混合发电站、太阳能风能无线电话离转台电源系统、内蒙微型风光互补发电系统等。风光互补路灯具有不需钿设输电线路，不需开挖路面埋管，不消耗电能等特点，其独特的优势在城市道路建设、r林绿化等市政照明领域t分突出。全国各地已将风光互补照明系统纳入了市政道路照明设计范畴，并开始大规模应用推广.晴天光照强，阴雨天风力较大:夏天太阳照射强，冬天风力较大，利用太阳能和风能的互补性，通过路灯的太阳能和风能发电设备集成系统供电，白天储存电能，晚上通过智能控制系统实现路灯供电照明。3、 研究内容 选择合适的高杆灯； 高杆灯太阳能电池的设计； 高杆灯风力发电机的设计； 高杆灯微机控制系统的设计； 高杆灯蓄电池、逆变器的设计。4、预期结果 设计合适的各种电池，电机； 用CAD绘制电路图； 撰写毕业设计论文。5、参考文献1电力电子技术，孟克其劳，纪松波.风光互补正弦波逆变电路的智能化设计, 2004.2单片机应用系统设计及实用技术，高峰. 机械工业出版社, 2004.3风光互补控制逆变器，李维华. 可再生能源, 2003.4电器设备控制电路，黄北刚.化学工业出版社, 2016.5单片机初级教程,张迎新，王盛军. 北京航空航天大学出版社，2015.6单片机原理及接口技术，李朝青，刘晓培， 北京航空航天大学出版社, 2013.7微型计算机控制技术，于海生， 清华大学出版社, 2009.6、进度安排第4周：查找阅读参考文献，了解高杆灯风光发电电路系统。第5周：选择合适的高杆灯，明确设计范围及内容。第6周：设计合适的电池，电机。第7-9周：设计高杆灯风光发电电路及控制系统。第10周：整理设计电路的内容，绘制CAD电路图，翻译外文文献。第11周：将各部分完善，形成统一的毕业设计论文。第12周：将文论初稿交指导老师查看，并进行论文查重。第13周：修改论文降低重复率达到合格标准。第14周：准备毕业设计答辩。第15周：毕业设计答辩。2019年 1月 7 日摘要在城市发展越来越好的背景下，各种高杆灯为人们晚上的生活提供了很大的便利 ，而在高杆灯为人们带去便利的同时，对城市电力资源的负担也越来越大。这时，以太阳能、风能这些新能源为动力的风光互补发电高杆灯就有了很大的应用前景。本文主要分析设计高杆灯实现风光互补发电的电路系统，首先选择合适的高杆灯，并选择出灯的型号，然后，选择合适的太阳能电池板与小型风力发电机，并在小型风力发电机后加入整流电路。在通过计算分析，得到蓄电池的容量大小，设计出合适的蓄电池充电电路。选择单片机控制太阳能或者风能为蓄电池充电，通过电压采集电路将实时电压数据通过AD转换送到单片机中，最后通过LCD显示出来，并用单片机的定时功能控制灯的开启与关闭，同时，用光敏电路控制灯的开关，与单片机互补控制灯的开关。最后，选用电路仿真软件对设计的控制电路进行仿真模拟，实现所设计控制电路的实用性。关键词：高杆灯；风光发电；单片机；控制电路AbstractUnder the background of better and better urban development, all kinds of high-pole lamps provide great convenience for people's evening life. While high-pole lamps bring convenience to people, the burden of urban power resources is also growing. At this time, the wind-solar hybrid high-pole lamp, powered by solar and wind energy, has a great application prospect.This paper mainly analyses and designs the circuit system of high-pole lamp to realize wind-solar complementary power generation. Firstly, the appropriate high-pole lamp is selected, and the type of the lamp is selected. Then, the appropriate solar panels and small wind turbines are selected, and the rectifier circuit is added after the small wind turbines. Through calculation and analysis, the capacity of the battery is obtained, and the appropriate charging circuit of the battery is designed. Select single-chip computer to control solar or wind energy to charge storage battery, convert real-time voltage data to single-chip computer through AD through voltage acquisition circuit, and finally display it through LCD, and use the timing function of single-chip computer to control the opening and closing of the lamp, at the same time, use photosensitive circuit to control the switch of the lamp, and complement with single-chip computer to control the switch of the lamp. Finally, the circuit simulation software is used to simulate the designed control circuit to realize the practicability of the designed control circuit.Keywords:High pole lamp; Wind and solar power generation; Single chip computer; Control circuit目录第1章绪论11.1研究背景与意义11.1.1国内外研究现状11.1.2研究意义11.2 风光互补发电系统21.3本课题研究2第2章光伏发电部分设计32.1 太阳能电池的基本原理32.2 太阳能电池的基本特性42.2.1 太阳能电池的电流-电压特性42.2.2 光电转换效率52.3 太阳能电池的选型与计算52.3.1 太阳能电池的类型52.3.2 太阳能电池相关计算7第3章风力发电部分设计83.1 小型风力发电机主要结构83.2 小型风力发电机的选型83.3 整流电路94.1 蓄电池工作原理与基本特性104.1.1蓄电池的结构及工作原理104.1.2蓄电池的基本特性104.2 蓄电池容量计算114.3 蓄电池充电电路124.4 LED灯工作原理与基本特性124.4.1LED灯的工作原理124.4.1LED灯的基本特性134.5 LED灯与其他灯具的比较134.5 LED光控电路145.1 单片机型号选择155.2 太阳能、风能充电控制电路165.2.1充电控制电路165.2.2电压采集电路175.2.3 AD转换电路185.3 LED灯控制电路196.1 Proteus软件介绍216.2 电路的仿真测试21参考文献24石家庄铁道大学毕业设计第1章绪论1.1研究背景与意义1.1.1国内外研究现状在太阳能、风能、核能等清洁能源被开发采用之前，人类社会的发展和进步主要靠以石油、煤炭为主的化石能源的使用来推动。而随着科学家们逐个发现太阳能能源，风力能源，核能源等清洁能源后，对于这些清洁能源的开发就逐渐开始 。放眼世界，由于这些可再生资源的清洁型与可再生性，众多国家都将这些能源开发列为未来发展进步的不可或缺的一条路。我国是人口大国，对能源的需求也很大，因此我国早就将眼光放在太阳能、风能、核能等可再生资源的开发利用上，这些能源的开发，这也就是我国可持续发展战略的重要一步。在太阳能的利用上，我国主要以太阳能资源丰富的西部地区为主要开发地区，经过多年的不断在太阳能发电项目上的开发，现在，全国太阳能发电的总电量已经位居世界第一。太阳能电池的研究也使得太阳能的应用行业越来越多，规模也随之越来越庞大。在风能资源的开发上，国外的一些国家开发利用较早，具有较为成熟的风力发电技术。在我国风力发电技术也逐渐成熟的情况下，我国的风能资源开发也逐渐步入正轨，现在，海上风力发电成为风力发电的主要趋势，在我国东南部的海域风力发电机的建立正在进行着。由于海风相比于陆地风具有更大的潜力，储量也更大，所以我国现在的风力发电研究方向主要是海风发电。1.1.2研究意义在化石能源推动人类社会发展的同时，化石能源的燃烧也使得环境污染问题日益加重，如随之带来的温室效应已经严重影响了地球的生态环境，使得多种动物数量急剧减少。同时，化石能源的不可再生性也限制了对化石能源的使用。与化石能源相对的，风能、太阳能核能等这些清洁能源具有储量大、无污染、可再生等诸多优点。太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源，据估计我国每年的太阳能储量达17000亿煤炭资源的标准。风能的开发利用也在逐年进行着，海上风能的储量巨大，具有良好的开发前景。在未来，这些新能源必定会在各个领域中代替不可再生的化石能源，为人们更方便快捷的生活提供动力。1.2 风光互补发电系统在对风能、太阳能资源的利用下，大部分地区单一的风力发电或太阳能发电总是在实际应用时存在一些弊端。如太阳能发电在连续气候为阴雨或多云等一些特殊气候时会影响其发电效果，严重时会不再发电，这些弊端对用电有连续要求的领域影响极大。而风力发电在风力不足时也会对发电效果影响很大，这严重的限制了风力发电装置的应用。风光互补发电系统的提出解决了风力发电与太阳能发电的诸多弊端，将这两者结合而制作的风光互补发电系统也能更好的应用在更多领域当中，为国家的可持续发展战略提供助力，为新型能源更好的为人们生活提供便利提供帮助。1.3本课题研究高杆灯在城市发展中扮演着一个重要角色，在公路、立交桥等多种地方默默为人们照亮道路。随着城市的不断呢扩大，对高杆灯的需求也越来越大，在默默为人们照亮道路的同时，对电能的使用量也随之增大。这时，风光互补发电系统与高杆灯的结合就解决了城市大量高杆灯的动力问题，每年可以节省巨大的用电量。而风光互补发电系统也可以避免传统太阳能路灯特殊天气无法工作的缺点，可以在太阳能不足时用风能发电，可以更加稳定的保证高杆灯的照明。本课题通过研究高杆灯风光互补发电电路系统，通过单片机的控制作用，从太阳能与风能之间选择出发电效果好的对蓄电池进行充电，当电池充满时停止充电，夜晚时控制高杆灯上的LED灯的开启与关闭。通过实现上述的控制功能，设计出合适的电路系统并作出电路图，选择合适的单片机并编写程序，进行仿真。通过上述工作，完成高杆灯风光电路电路系统设计。8第2章 光伏发电部分设计2.1 太阳能电池的基本原理太阳能电池可以看成一个由硅材料构成的大面积PN节，由一层P型晶体硅和一层N型晶体硅直接结合而成。实际生产中太阳能电池的PN结是由N型掺杂原子扩散进入P型晶片形成的，相同的，也可以由P型掺杂材料扩散进入N型晶片形成。图2-1 辐照太阳能电池的光线太阳能电池可以看做是受到太阳光的照射就会产生光伏效应的PN结。因此，太阳能电池的工作原理是：当电池表面受到太阳能光辐射时，太阳能电池内部硅原子里面得价电子会受到太阳能光子的碰撞，经过碰撞后价电子得到太阳能光子的能量，就可以脱离共价键的约束，变成价电子聚集在一起的区域，原子失去价电子后，就会产生空穴。由于太阳能内部此时存在大量价电子聚集与大量空穴，这时，由于被太阳能照射后产生的带电粒子进入太阳能内部PN节区域，就产生了电势，这时，就可以对外产生电流。通过不同的太阳能电池板的串联或者并联组合，就可以产生满足特定条件的电流，满足对连接不同元器件的要求。      在实际的太阳辐射时，光线内部有很多种不同辐射的光，它们对太阳能电池的作用是不同的，根据太阳能光线对太阳电池产生的影响不同将光线作用可以分成五类。（如图2-1所示）a类光线是达到太阳能电池表面就会被反射回去的光线，属于对太阳能电池不产生影响的光线;；b类光线会进入到太阳能电池中，但只能辐射进入到半导体单极区域，由于辐射能量过少，不足以支持价电子进入到PN节中，因此，也属于不会对太阳能产生影响的光线；c类光线会进入到太阳能电池内部的PN节附近，太阳能辐射所提供的能量足够将价电子送到PN节中，可以产生电动势；d类光线;会进入到太阳能电池内部的另一个半导体，会被太阳能电池直接吸收，不会产生电动势，也属于不会对太阳能电池发电产生影响的光线种类；e类光线会直接穿过太阳能电池，也不会对太阳能电池发电产生影响的光线种类。因此在太阳光辐射下五类光线中只有c类光线能够使太阳能电池产生电动势，实现太阳能发电。图2-2 光伏效应产生示意图太阳电池电池板在外接负载后，由c类太阳能光线下太阳能电池内部所产生的电动势会使载流子发生如下图2-2所示的反应，由于外接负载的作用，电池内部的载流子又会流回原来所在的半导体区域。之后，电池又恢复到初始状态，这时太阳能电池没有了电动势。而之后，如再次将太阳能电池放在太阳能光线下，这时，太阳能电池又会产生电动势，可以进行太阳能发电。因此，该电池在太阳光下实现了“发电”的功能。2.2 太阳能电池的基本特性2.2.1 太阳能电池的电流-电压特性由上述分析，可以将太阳能电池等效为一个具有光伏效应的二极管，为了研究太阳能电池的电流、电压等电特性，可以画出等效电路图如图2-3所示。其中，RL为太阳能电池所接的外部负载，Rs为太阳能电池的串联电阻，Rsh为太阳能电池的并联电阻。图2-3 太阳能电池等效电路Isc为太阳电池的短路电流，为太阳能电池的主要指标之一，即表示了太阳能电池在标准太阳光的照射下，不接外部负载时，太阳能电池此时所产生的电流。因此，短路电流与太阳能电池的种类，太阳能电池面积的大小有关，原材料不同的太阳能电池所产生的短路电流不相同，因此，短路电流也是可以判断材料是否适用于做太阳能电池的判断标准之一。面积相同时短路电流越大，该材料越适合做太阳能电池。而在原材料相同时，太阳能电池的面积越大，所对应的，短路电流就越大。在实际应用时，短路电流还会受周围环境温度的影响，在太阳能电池正常工作的情况下环境温度越高，短路电流越大。太阳电池的另一个主要指标为开路电压Uoc，即表示太阳能电池在标准光照射的条件下，太阳能电池两端不接负载时所测得的电压值。开路电压的大小与电池面积的大小无关而主要与光辐射强度有关，光能辐射越强，太阳能电池的开路电压就越大。此外，开路电压也与环境温度有关，在电池正常工作的情况下，环境温度升高后，开路电压值将会减小。在等效电路图中，Rs表示模拟的太阳电池的串联电阻，它由太阳能电池的电池电阻、电池表面的电阻、电极与太阳能电池所接触的表面组成。 Rsh表示太阳能电池的并联电阻，是由于电池硅片表面有尘埃和电池自身制造时的缺陷造成的。其中，串联电阻Rs主要影响的是太阳能电池短路电流，对太阳能电池的开路电压没有影响。Rs的增大会减小电池的短路电流。Rsh会影响电池的转换效率。因此，在计算时，可以将负载的电流简化为IL=Isc-ID （2-2a）式中，IL-与电池相连的负载电流(A)；Isc-太阳能电池的短路电流(A)；ID-流经等效电路图中的二极管的电流(A)。其中，ID的计算公式为 ID=I0(exp×qUDAkT-1) (2-2b) 式中，I0-等效电路图中的理想二极管反向饱和电流(A)；q-电子电荷(C)；UD-等效电路中理想二极管两端的电压(V)；A-等效电路中二极管PN结的曲线常数；k-玻尔兹曼常数；T-热力学温度(K)。2.2.2 光电转换效率对于太阳能电池，其光电转换效率是指在太阳能电池能输出的有用功率占太阳能电池板表面所受到光辐射的总光功率，体现了太阳能电池将光转换为电能能力的大小。光电转换效率的大小主要于太阳能电池的种类有关，原材料不同的太阳能电池光电转换效率亦不同，除了与种类有关，光电转换效率还与太阳能电池在发电时的有用能损耗有关，太阳能电池能源损耗的主要分为四大类。由2-1可知，太阳光照射在太阳能电池表面时，有部分光不会对电池电动势产生影响，只有c类光线可以使太阳能电池产生电动势。而且由于太阳能电池表面会反射部分有效光线，这部分太阳光辐射能量大约损耗为35%左右。在辐射光进入太阳能电池内部后，会有光在太阳能电池内部损耗。这过程大约会损失60%的有效光。太阳能电池不会将所产生电量全部放出，像蓄电池一样存在放电深度，一般放电深度在80%左右。由于太阳能电池内部的电阻，会使输出功率减少。太阳能电池的实际光电转换效率为所有损耗的合算后的有用功率与总功率之比，正常情况下生产的太阳能电池的光电转换效率大小约为总功率的百分之十到百分之十八。因此，在以后生产太阳能电池的过程中，如何减少损耗，提高实际光电转换效率也是太阳能电池未来发展的主要问题之一。2.3 太阳能电池的选型与计算2.3.1 太阳能电池的类型在对太阳能能源的开发利用上，太阳能电池的开发是核心问题，为了提高太阳能能源的开发利用全球科学工作者进行了坚持不懈的努力，目前已经进入第三代发展期。第一代的太阳电池采用晶圆技术，材料以硅元素为主，其技术已相当成熟，目前占总产量的98%以上，其元件的使用寿命已超过25年，其最高效率为21.5%，由美国Sun Power公司生产。而目前主流市场上的太阳电池为价格较低的多晶硅太阳电池，其效率在15%左右。I-V族材料可以制造更高效率(>25%)的太阳电池，但其昂贵的成本已使产品朝向高效率聚光电池发展。第二代的太阳电池采用薄膜技术，制造程序较硅圆技术变化多且制作成本低。而达到供电力用的只有CIS电池，目前已在欧洲量产，效率为13%左右。其他较廉价但中等效率的太阳电池有微晶(约8%)、非晶硅(约10%)、 I-M族(约10%)已广泛应用于消费电子产品，如手表与计算机中，还有多种可挠的产品面世。第三代太阳电池指现在正在进行开发的新型太阳能电池。目前分为两大类，第一类是极高效率(>31%)的新型太阳电池，主要由GaSb、GaInSb等热能转换晶体加在GaAs光电池上，可使效率达到30%。在单层太阳电池方面，其理论模拟钛元素之量子点在GaP或GaAs中有望达到63.2%的高效率，但有待实验的检验。第二类是廉价的可制作成大面积的有机太阳电池，以染料敏化薄膜太阳电池为代表，含液态电解液，此类电池实验室达到1%的效率，商品化效率达到8%，并保证15年的寿命。如开发成功商品化效率达到10%，有望使成本降低至25美元/m2,达到普及化要求。表2-1 各型太阳能电池光电转换效率电池种类半导体材料转换效率（%）硅结晶硅单晶硅1320多晶硅1015非晶硅a-Si、a-Sio、a-SiGe510化合物半导体二元素GaAs、CdTe1830CdS、CdTe710三元素CuInSe22040表2-2 各类太阳电池比较种类优点缺点硅晶电池原料丰富，开发时间长，技术成熟工艺技术复杂，材料吸收光能力差硅薄膜成本低，适用大规模生产效率较低，稳定性差铜铟鎵硒薄膜原材料稳定性最好，可用于弹性基板成本高，原料有限2.3.2 太阳能电池相关计算本次设计采用12V的LED低压灯泡灯与12V蓄电池，因此可以计算出所用太阳能电池的数量。太阳能电池的种类选择采用一块12V75W的太阳电池，材料为多晶硅太阳能电池板。太阳能电池位置的计算： T=24-215cos-1(-tantan) （2-3a）式中,-当地纬度角()；为太阳赤纬角()；T为负载每天工作时间(d)。下图为我国部分地区的太阳能辐射最佳倾角。表2-3 我国部分地区太阳能辐射最佳倾角城市纬度角（°）最佳倾角（°）哈尔滨45.68+3长春43.90+1沈阳41.77+1北京39.80+4天津39.10+5上海31.71+3杭州30.23+3第3章 风力发电部分与高杆灯设计3.1 小型风力发电机主要结构在高杆灯风光发电系统中，由于高杆灯属于小型电力机构，因此一般选用发电功率在10千瓦及以下的小型风力发电机，就可以满足高杆灯风力发电的需求，在本次设计中，选用的LED灯额定电压为12V，为了给LED灯供电，也选用了12V的电池，因此，选用小型风力发电机的额定工作电压为12V。小型风力发电机的主要结构包括风轮、小型发电机、转向机构、防过速机构组成。风轮：小型风力发电机的风轮叶数一般为35叶，主要功能是用于将风能转换为动能，带动小型发电机的旋转。因此，叶片的结构与质地直接影响了对风能采集的能力。小型发电机：在风轮带动发电机快速旋转后，发电机开始发电，一般情况下小型风力发电机的种类是交流发电机，因此，在发电机给蓄电池充电之前，还要在两者之间补充一个整流电路。转向机构：由于风轮的单向性，在风向改变后，原来的风轮不能在继续正常工作，所以，要在小型风力发电机中加入转向机构用来面对不同风向下风机的正常工作。放过速机构：在风力过于充足的条件下，不能让风轮旋转过快，因此，要有一个放过速机构防止风轮旋转速度过快。3.2 小型风力发电机的选型按照所选LED与蓄电池的类型，选择小型风力发电机的数据参数，参数为额定电压12V，选择合适电压参数后，选择合适的小型风力发电机类型。本次设计为高杆灯的设计，高杆灯一般高度为15米以上，因此，所选用小型风力发电机类型为垂直轴类型风机，垂直轴型风机可以避免风向改变的问题，不需要随着风向去改变风轮的方向。但是相对的，垂直轴类型的风机在风能的利用上效率相对较低。根据上述参数的选择与小型风力发电机类型的选择，通过查阅，选取广州英飞风力发电机制造有限公司MINI系列风力发电机中的MINI300W小型风力发电机，具体参数如下表3-1。表3-1 MINI300W小型风力发电机参数额定功率300W（在风速12米/秒）额定电流25A叶片直径1.16 米重量6.55公斤运输包装尺寸770x410 x 200 毫米（8.3公斤）安装架1.5吋40系列钢管 48毫米外径起动风速2.5米/秒切入风速3.5米/秒输出电压12V机体铝合金叶片3个 - 尼龙纤维复合材料过速保护电子扭矩控制可承受的极限风速25米/秒产品保证期1年有条件的保证期3.3 整流电路在小型风力发电机正常工作后，将会产生12V的交流电压，为了给12V的蓄电池充电，要将12V交流电转变为12V直流电，才能让小型风机正常为蓄电池充电。在12V交流电转12V直流电的的电路中，选择桥式整流电路，如图3-1所示，在电流方向在1处进去桥式整流电路时，由于二极管的单向导通性，DI与D3导通，经过负载电阻电流方向向下；在电流在2处进入电路时，D2与D4导通，经过负载电阻电流方向还是向下，因此，实现了交流电到直流电的转变。图3-1 12V整流电路3.4 高杆灯设计在城市照明系统中，高杆灯是不可或缺的一部分，它为人们的生活带来了便利，默默地为人们照亮了道路。高杆灯的应用范围较广，可以用来为道路照明，如城市之间的高速公路；可以用来为各种基础设施提供照明，如体育场、公园等；可以为人们施工工作照亮，如码头、海港等。本次设计中，高杆灯的能源来自风能与光能，考虑到风力一般在高空之间比较容易获取，同时考虑到安装应该方便，最终选用高度为15米，主要用于城市的照明功能。由于本次设计需要在高杆灯上安装小型风力发电机，太阳能电池板与蓄电池等主要外部器件，考虑到蓄电池主要给LED灯供电，并且本次设计中高杆灯为独立发电系统，不需要与其它外部相连，因此采用安装方案为一次性安装，选择高杆灯种类为非自动升降式。整个高杆灯材料选择性价比较为高的硬铝合金，制造出15米长的高杆灯灯体。由于高杆灯高度较高，材料质地由为金属材料，因此要考虑到高杆灯的防雷装置，防止雷电对高杆灯造成损害，通过查阅资料，选择通过安装防雷汇流箱来对高杆灯进行防雷。在有特殊雷雨天气时，通过安装的防雷装置将电流引入到防雷汇流箱中，这样，就解决了高杆灯的防雷问题。在安装时，先将小型风力发电机，太阳能电池板安装在高杆灯顶部，高杆灯采用的为3节制成，每段长度为5米左右，将LED灯安装在第二段，这样可以满足一般的照明范围，将蓄电池与LCD显示屏安装在最后一段，最后将每段按顺序接在一起，完成整体的安装。经过上述的选择，大体上本次设计选用的高杆灯为长度15米，材料为硬铝合金，在高杆灯上主要设备有太阳能电池板、小型风力发电机、防雷汇流箱、灯盘、蓄电池等。第4章 蓄电池与LED灯设计4.1 蓄电池工作原理与基本特性4.1.1蓄电池的结构及工作原理常用蓄电池按电解液酸碱性主要分为酸性蓄电池与碱性蓄电池两大类。而随着科学技术的发展，产生了许多其他蓄电池种类，如锂电池、燃料蓄电池、超级电容电池等。本次设计为高杆灯风光发电，使用小容量电池就可以满足要求，因此选用酸性蓄电池。对于酸性蓄电池来说，其电解质溶液呈酸性，在目前来看，应用最广，性价比最高的是铅酸蓄电池。正常的铅酸蓄电池一般由正极、负极、电解液、电解槽组成，正极的活性物质通常选用为二氧化铅，负极的活性物质为金属铅，将两者分别插入到以硫酸溶液构成的电解液中的两端，再将俩物质放在电解液中时，由于离子在两端的移动，两端就产生了电位差，形成了铅酸蓄电池的电动势，就可以实现充放电功能。在铅酸蓄电池中注入一定浓度的硫酸溶液之后，正极板活性物质金属晶格上的原子因受到液相水分子的极化、吸引，最终有部分脱离晶格并以水和离子的状态进入溶液，同时，电解液中的金属离子也部分的吸附到极板金属的表面上来。负极板表面的活性物质（Pb）发生溶解，产生铅离子，其反应如下PbPb2+2e铅离子进入电解液后，负极板表面积累了过剩的电子而呈负电。当离开负极板与又沉淀在负极板上的铅离子达到动态平衡，这时负极板不再发生溶解，就形成了蓄电池的负极电位。与此同时，正极板上的二氧化铅与电解液中的水作用，生成氢氧化铅，又马上离解生成四价铅离子，反应过程如下PbO2+2H2OPbOH4PbOH4Pb4+4OH-其中，四价铅离子留在正极板，氢氧根离子进入溶液，由于正极板表面积累了过剩的正离子而呈正电，在极板表面形成的界面双电层就形成了蓄电池的正极电位。4.1.2蓄电池的基本特性(1)蓄电池的自放电蓄电池在充满电后，即使不连接任何负载，由于电解液内的杂质，蓄电池会自己在电池内部发生反应，即蓄电池的自放电。在长时间的自放电后，将会放空蓄电池的电量。这种特性会减少蓄电池的使用寿命，同时，由于自放电，还会影响蓄电池内电解液的浓度。不过，蓄电池的自放电电量不大，对蓄电池的正常工作并没有太大的影响。 (2)蓄电池的运行方式蓄电池的运行方式主要有三种：循环充放电制、连续浮充制、定期浮充制。循环充放电制：其工作方式为在使用蓄电池时，先将蓄电池连至充电电路，将蓄电池充满电，之后把充电电路断开，将蓄电池与负载连接，直至蓄电池电量不足，断开与负载的连接，将蓄电池再次连至充电电路，进行循环充放电。该种运行方式比较简单，但适用于可控制电路开启与断开的电路，同时由于蓄电池的放电深度较大，对蓄电池本身损害较大，会减少蓄电池的寿命。连续浮充制：其工作方式为将蓄电池与充电电路一直连接，蓄电池电量不足时，电路正常对蓄电池进行充电，充至蓄电池满电时，以小电流继续给蓄电池充电。该种方式的好处是可以以小电流的充电方式抵消蓄电池的自放电特性。定期浮充制：其工作方式为将蓄电池的充电时间固定为定期充电，通过定期给蓄电池充电可以防止蓄电池放电过深，可以提高蓄电池的工作效率，增加蓄电池的使用寿命。4.2 蓄电池容量计算在进行蓄电池的容量设计时，蓄电池的容量要满足在太阳能发电和风力发电都未能正常工作时，自身的电储量可以保持一段时间的正常工作，使得在一段时间内即使没有给蓄电池充电也可以让LED灯正常工作，这个在计算时需要自己设定的时间成为自给天数，对于蓄电池的容量设计十分重要。自己天数的选择主要与设计产品的工作特性有关，本次设计为高杆灯的风光发电，在太阳能不充足和风能过小时为了使高杆灯正常工作，说明本设计中蓄电池的自给天数主要与气候有关，设计时要自己设定蓄电池的自给天数。对于负载工时对电源的要求程度不是很严格的场合在设计中自给天数可以为24天，而对负载工作时间要求严格的场合，自给天数可以为57天。由已知条件LED灯的参数为12V 15W，设计自给天数d为5天，每天负载工作时间为8h,蓄电池放电深度为80%，则有：W=P×h=120(W.h) (4-2a)C=W×dVDOD=62.5(A.h) (4-2b)式中，W-蓄电池的能量（W.h）P-负载的功率（W）h-负载每天的工作时间（h）C-蓄电池的容量（W.h）d-设定蓄电池的自己参数（天）DOD-蓄电池的放电深度（%）V-蓄电池额定电压（V）所以，选用蓄电池的容量为12V/100A.h。4.3 蓄电池充电电路用CAD软件绘制充电电路图如下，当蓄电池电量不足时，用正常电流给蓄电池充电；当充足电后，不会断开充电电路而是仍然以几十毫安的小电流继续给蓄电池充电，以便消除蓄电池的自放电影响。电路工作原理: LM39第5脚电压V5=6V.当E小于12V时，V4也小于6V，LM339第2脚输出高电平，9013 饱和，3AD30 处于放大状态，以大电流给蓄电池充电。当E>12V时，V,6V, LM339的2脚输出低电平，9013 和3AD30截止，以40mA小电流给蓄电池充电。元器件选择:电子开关采用9013,为了使9013可靠饱和，R5 取220kQ电阻。充电晶体管采用锗管3AD30，其Iceo较大，当此管截止时，仍然有40mA的电流通过，处于放大状态时，其最大Iceo=4A,足够充电使用。比