阳太能智能路灯控制系统设计--本科毕业设计.doc

南昌航空大学自考本科毕业论文南昌航空大学自 学 考 试 毕 业 论 文题 目 太阳能智能路灯控制系统设计 专 业 光伏材料应用技术 24摘 要本文介绍了太阳能光伏发电系统的背景和国内以及国外的太阳能发展现状与发展趋势，并介绍了离网型和并网型的太阳能光伏发电系统，分析了太阳能光伏发电的利用原理和发展优势，说明了太阳能电池最大功率跟踪的原理以及一些常用的方法，并比较了他们的优缺点，介绍了太阳能蓄电池的工作原理和一些常用方法；随着全球能源危机和环境污染的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行，太阳能成为了当今世界上最清洁、最具有规模开发前景的可再生能源之一，其中光伏并网发电是太阳能利用的主要趋势。通过所学知识设计了一个太阳能路灯智能控制系统，整个系统运行均为自动控制，工作原理简单，安装方便。关键词：离网光伏发电系统；并网光伏发电系统；变换器；智能路灯。目录摘 要第一章 绪论11.1太阳能光伏发电的背景11.2太阳能光伏发电系统的现状与发展趋势31.2.1我国太阳能光伏发电的现状与发展趋势31.2.2国外太阳能光伏发电现状与发展趋势3第二章 太阳能光伏发电系统的介绍42.1太阳能光伏发电的优点52.2并网型的光伏发电系统62.3离网型的光伏发电系统72.4太阳能电池最大功率点跟踪82.4.1太阳能电池最大功率点跟踪原理及方法8第三章 铅酸蓄电池113.1太阳能蓄电池的工作原理113.2太阳能控制器133.2.1太阳能控制器的充电保护模式133.3光伏逆变器14第四章 太阳能路灯智能控制系统设计16总结21参考文献22致 谢23第一章 绪论1.1太阳能光伏发电的背景全球石油剩余可开采年限仅有41年，天然气剩余可采年限61.9年，煤炭剩余可采年限230随着全球能源消费量不断提高，常规非可再生能源已经不能满足大多数国家的供给需求。根据世界能源权威机构的分析，按照目前已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，年。另一方面，一次性能源的开采和应用也是造成生态破坏和全球环境污染的一个重要原因。因此，可再生新能源的开发使用是人类长久发展的必要条件，也是我们可持续性发展的根本之法。 新能源光伏发电，作为可再生清洁能源，因其具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便、资源广阔等其他常规能源所不具备的优点，被公认是21世纪重要的新能源，已广泛应用在并网发电、民用发电、公共设施以及一体化节能建筑等方面，目前晶体硅光伏发电系统占据新能源光伏发电市场的主要地位。自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据BP世界能源统2005的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%，而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。1 大规模使用新能源光伏发电电能，能有效减少二氧化碳的排放，减少温室效应，改善地球气候。2005年2月16日，由联合国141个成员国家共同签署的京都协议书正式生效，将再生能源的开发与规划推向一个新的阶段。从目前发展状况来说，新能源光伏发电虽然发展整体规模要小于风能，但是增长速度最快。随着多晶硅提纯技术的应用及硅片加工技术进一步成熟，光电转换效率的提高以及其他工艺技术的发展，包括新能源光伏发电在内的可再生能源完全有可能完成从补充能源到常规能源的角色转换。 我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了再生能源法，该法已于2006年1月1日起实施，这对于我国可再生能具有十分重要的意义。2目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度均达到30%以上。西班牙2003年风力发电装机占到全机总量的4%，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全的3.1%。瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。3从我国国内的市场容量来看，截止2003年，我国边远地区、山区近期市场潜力高达1420MWp（Wp是太阳能电池输出功率），综合考虑到以后用电水平的提高，最终市场容量将超过3000MWp。各类大型绿色照明示范工程、2010上海世界博览会场馆建设也是近期国内需求的主要来源之一。此外，根据2007年上海市10万个太阳能屋顶计划预测，到2015年，上海市将有超过10万个屋顶有望安装太阳能发电系统，总投资105亿元，装机总容量接近300MWp。 从国家产业政策来看，2006年1月1日，可再生能源法正式实施，明确提出“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷、新能源光伏发电系统等太阳能利用系统”，为可再生能源地位确立、价格保障、税收优惠政策等提供了法律保障。十一五期间，很多地方政府都相继发布了比较完备的新能源推广政策和相应的太阳能屋顶计划，例如国家发展改革委办公厅关于开展大型并网光伏示范电站建设有关要求的通知、2005-2007上海市太阳能开发利用行动计划、江苏省能源产业科技示范工程2005-2007实施方案等，将发展可再生能源落实到具体的政策以及地方法规中，为整个产业的发展建立了政策法制基础。相比世界发达国家，我国的光伏市场仍然处于起步阶段，目前国内生产的光伏电池/组件主要用于出口。 1.2太阳能光伏发电系统的现状与发展趋势当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以10%-15%的递增速度在发展。490年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1.2.1我国太阳能光伏发电的现状与发展趋势20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计容量达35MW，约占世界份额的3%。10多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。到2020年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/(kW·h);2010-2020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kw·h)。到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。51.2.2国外太阳能光伏发电现状与发展趋势到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9MW，到2005年底，达到4961.69MW。己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以及薄膜电池等几类。在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元/W，并网系统价格为6美元/w，发电成本为0.25美元/(kw·h)。光伏电池的发电转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到15%，单晶硅光电池转化率是23.3%，砷化镓光电池转化率是25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35%-36%。太阳能光伏电池/组件使用寿命大大增长，可使用30多年。目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。第二章 太阳能光伏发电系统的介绍太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。6独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的能量，独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，如家庭系统、村级太阳能光伏电站；在工业范围内主要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电/太阳能发电互补系统等。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。民用太阳能光伏发电多以家庭为单位，商业用途主要为企业、政府大楼、公共设施、安全设施、夜景美化景观照明系统等的供电，工业用途如太阳能农场。图1光伏发电系统目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。2.1太阳能光伏发电的优点1、太阳能取之不尽，用之不竭，地球表面接受的太阳辐射能，能够满足全球能源需求的1万倍。只要在全球4%沙漠上安装太阳能光伏系统，所发电力就可以满足全球的需要,太阳能发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击；2、太阳能随处可处，可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路的损失；3、太阳能不用燃料，运行成本很低；4、太阳能发电没有运动部件，不易用损坏，维护简单，特别适合于无人值守情况下使用；5、太阳能发电不会产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能源；6、太阳能发电系统建设周期短，方便灵活，而且可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳能方阵容量，避免浪费。太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构如图所示，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量;当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或把过剩能量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能。7图2太阳能光伏发电系统2.2并网型的光伏发电系统并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵、控制器、并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统，并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。一般的并网发电系统如下图所示，将太阳能电池控制系统和民用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充。而当其输出的功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。并网光伏发电系统有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，因而没有太大发展。而分散式小型并网光伏系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。图3并网光伏发电系统图2.3离网型的光伏发电系统离网光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。离网型的太阳能发电系统广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。系统一般由太阳电池组件组成的光伏方阵、太阳能充放电控制器、蓄电池组、离网型逆变器、直流负载和交流负载等构成。光伏方阵在有光照的情况下将太阳能转换为电能，通过太阳能充放电控制器给负载供电，同时给蓄电池组充电；在无光照时，通过太阳能充放电控制器由蓄电池组给直流负载供电，同时蓄电池还要直接给独立逆变器供电，通过独立逆变器逆变成交流电，给交流负载供电。下图所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。DC/DC变换器将太阳能电池阵列转化的电能传送给蓄电池组存储起来供日照不足时使用。蓄电池组的能量直接给直流负载供电或经DC/AC变换器给交流负载供电。该系统由于有蓄电池组，因而系统成本增加，但可在无日照或日照不足时为负载供电。8图4独立的太阳能光伏发电系统图2.4太阳能电池最大功率点跟踪目前，太阳能电池阵列在太阳能光伏发电系统造价中占很大比重，而且太阳能电池的转化效率本身就不高，因此有必要研究提高太阳能电池利用效率的方法，以降低系统单位价格的成本，促进太阳能光伏发电系统的应用推广。太阳能电池最大功率点跟踪(简称MPPT)是其中的途径之一，它能最大程度的利用太阳能电池转化所得的电能。92.4.1太阳能电池最大功率点跟踪原理及方法太阳能电池的输出特性受电池温度和日照强度等因素的影响，电池温度主要影响太阳能电池的开路电压，日照强度主要影响太阳能电池的短路电流。在一定日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点，太阳能电池只有工作在最大功率点才能使其输出的功率最大。目前使用的太阳能电池最大功率点跟踪方法主要有恒电压法、观察扰动法、电导增量法以及其它的一些跟踪方法。1. 恒电压法温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近，因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率。恒电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比一般太阳能光伏系统可望多获得20%的电能，较之不带CVT的直接藕合要有利得多。然而恒电压法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大功率点的影响，一般硅太阳能电池的开路电压都在较大程度上受结温影响，以常规单晶硅太阳能电池而言，当太阳能电池温度每升高1时，其开路电压下降率约为0.35%-0.45%，这说明太阳能电池的最大功率点对应的电压也随电池温度的变化而变化，其中对太阳能电池温度影响最大的因素是环境温度和日照强度。因此对于四季温差或日温差较大的地区，CVT方式并不能完全跟踪太阳能电池阵列最大功率点，从而导致系统功率损失。研究结果表明，虽然许多太阳能光伏系统仍然采用这种最大功率点跟踪方法，但这种方式所带来的功率损耗相比于微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价，已经显得很不经济。2. 扰动观察法扰动观察法的原理是:在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”;然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。扰动观察法的最大优点就是结构简单，被测参数少，容易实现。但是即使在某一周期太阳能电池阵列运行在最大功率点，由于扰动的存在，下一周期太阳能电池阵列运行点又会偏离最大功率点，因此太阳能电池阵列实际是在最大功率点附近振荡运行，从而导致部分功率损失;其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失;另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中，会出现误判现象。 3. 增量电导法为了解决扰动观察法导致的功率损失问题，有人在1995年提出了增量电导法。由太阳能电池阵列输出电气特性知，太阳能电池阵列的输出功率-电压(P-V)曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零。增量电导法的优点是:在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。增量电导法的缺点是:太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点；如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的，步长过小会使跟踪速度变慢，太阳能电池阵列较长时间工作在低功率输出区;步长太长，又会使系统振荡加剧，影响跟踪精度。在实际的光伏系统中，增量电导法的实现对硬件的要求相对较高，控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。第三章 铅酸蓄电池太阳能电池是一种利用光生伏打效应把光能转换为电能的器件，当太阳光照射到半导体P-N结时，就会在P-N 结两边产生电压，使P-N 结短路，从而产生电流。这个电流随着光强度的加大而增大，当接受的光强度达到一定数量时，就可以将太阳能电池看成恒流电源。对于太阳能电池方阵而言，应按照用户的要求、负载的用电量及技术条件确定太阳能电池组件的串并联数。串联数由太阳能电池方阵的工作电压决定，应考虑蓄电池的均浮充电压、线路损耗以及温度变化对太阳能电池的影响。蓄电池的容量决定其最大充电电流，该数值再结合负载电流，可决定太阳能电池并联数。太阳能电池组件（也叫太阳能电池组件）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作，太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。3.1太阳能蓄电池的工作原理白天太阳光照射到太阳能组件上，使太阳能电池组件产生一定幅度的直流电压，把光能转换为电能，再传送给智能控制器，经过智能控制器的过充保护，将太阳能组件传来的电能输送给蓄电池进行储存；而储存就需要有蓄电池，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。普通蓄电池又称为铅酸蓄电池，它的电极是由铅和铅的氧化物构成，电解液是蒸馏的水溶液。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。老式普通蓄电池一般寿命在2年左右，而且需定期检查电解液的高度并添加蒸馏水。不过随着科技的发展，普通蓄电池的寿命变得更长而且维护也更简单了。铅酸蓄电池最明显的特征是其顶部有6个可拧开的塑料密封盖，上面还有通气孔。这些密封盖是用来加注、检查电解液和排放气体之用。按照理论上说，铅酸蓄电池需要在每次保养时检查电解液的高度，如果有缺少需添加蒸馏水。但随着蓄电池制造技术的升级，铅酸蓄电池的维护也不再复杂。正常使用，2-3年间铅酸蓄电池都无需添加电解液或蒸馏水。储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其对于独立光伏发电系统而言，储能环节更是不可缺少的组成部分。储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性能在实际的光伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的部分。所以获得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部分。目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。3.1.1铅酸蓄电池充电控制方法在太阳能独立光伏发电系统中，对铅酸蓄电池使用的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命。而电荷量的大小决定着太阳能独立光伏发电系统向负载供电的能力、铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的成本、造价以及系统的使用寿命，目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电等方法。10(一)恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着铅酸蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于多个铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组进行充电，能使落后的铅酸蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处在于:铅酸蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长。(二)恒压充电法恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进行充电。在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低，充电电流较大，但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高，电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过，这样充电过程中就不必调整电流。相对恒流电来说，此法的充电电流自动减少，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低。这种充电方法不足之处在于:在充电初期，如果铅酸蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电器的安全，而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤;如果铅酸蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电。铅酸蓄电池电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到，因为这种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大，而且这种系统中铅酸蓄电池组串联不多。(三)两阶段充电法这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电，铅酸蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压充电方式充电。采用这种充电方式，在充电初期，铅酸蓄电池不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现铅酸蓄电池电压过高，使铅酸蓄电池产生析气。(四)三阶段充电法 三阶段充电法是在两阶段充电完毕后，铅酸蓄电池容量己经达到额定容量时，再继续以很小的电流向铅酸蓄电池充电以弥补铅酸蓄电池由于自放电损失的电量，这种以小电流充电的方式也称为浮充。在浮充时，铅酸蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低。在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以及环境温度对光伏系统充电电流的影响、铅酸蓄电池性能以及系统成本等因素，使用三阶段充电法对铅酸蓄电池充电较为合理。3.2太阳能控制器太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。太阳能控制器负责对太阳能电池输出能量控制，输出稳定的220VDC。直接为逆变器提供电能向负载供电；也可以向蓄电池组充电，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用，同时具有电池巡检功能。 3.2.1太阳能控制器的充电保护模式1、直充保护点电压：直充也叫急充，属于快速充电，一般都是在蓄电池电压较低的时候用大电流和相对高电压对蓄电池充电，但是，有个控制点，也叫保护点，就是上表中的数值，当充电时蓄电池端电压高于这些保护值时，应停止直充。直充保护点电压一般也是“过充保护点”电压，充电时蓄电池端电压不能高于这个保护点，否则会造成过充电，对蓄电池是有损害的。2、均充控制点电压：直充结束后，蓄电池一般会被充放电控制器静置一段时间，让其电压自然下落，当下落到“恢复电压”值时，会进入均充状态。为什么要设计均充？就是当直充完毕之后，可能会有个别电池“落后”（端电压相对偏低），为了将这些个别分子拉回来，使所有的电池端电压具有均匀一致性，所以就要以高电压配以适中的电流再充那么一小会，可见所谓均充，也就是“均衡充电”。均充时间不宜过长，一般为几分钟十几分钟，时间设定太长反而有害。对配备一块两块蓄电池的小型系统而言，均充意义不大。所以，路灯控制器一般不设均充，只有两个阶段。3、浮充控制点电压：一般是均充完毕后，蓄电池也被静置一段时间，使其端电压自然下落，当下落至“维护电压”点时，就进入浮充状态，类似于“涓流充电”（即小电流充电），电池电压一低就充上一点，一低就充上一点，一股一股地来，以免电池温度持续升高，这对蓄电池来说是很有好处的，因为电池内部温度对充放电的影响很大。其实PWM方式主要是为了稳定蓄电池端电压而设计的，通过调节脉冲宽度来减小蓄电池充电电流。这是非常科学的充电管理制度。具体来说就是在充电后期、蓄电池的剩余电容量（SOC）>80%时，就必须减小充电电流，以防止因过充电而过多释气（氧气、氢气和酸气）。4、过放保护终止电压：这比较好理解。蓄电池放电不能低于这个值，这是国标的规定。蓄电池厂家虽然也有自己的保护参数（企标或行标），但最终还是要向国标靠拢的。需要注意的是，为了安全起见，一般将12V电池过放保护点电压人为加上0.3v作为温度补偿或控制电路的零点漂移校正，这样12V电池的过放保护点电压即为：11.10v，那么24V系统的过放保护点电压就为22.20V 。 3.3光伏逆变器直流-交流（DC/AC）变换器，也称逆变器。其功能是将直流电变为固定频率和电压或可调频率和可调电压的交流电，供负载使用。太阳能逆变器是太阳能交流发电系统：电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成，逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。太阳能交流发电系统是由太阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能 直流发电系统则不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用，有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。通过普通的交流电插座进行并网，这样就可以减少成本和设备的安装，但往往各地的电网的安全标准也许不允许这样做，电力公司有可能反对发电装置直接和普通家庭用户的普通插座相连，另一和安全有关的因素是是否需要使用隔离变压器（高频或低频），或者允许使用无变压器式的逆变器，这一逆变器在玻璃幕墙中使用最为广泛。第四章 太阳能路灯智能控制系统设计太阳能路灯智能控制系统原理：太阳能路灯智能控制系统主要由电源、蓄电池过充和过放保护电路、红外控制及光控电路以及灯具组成。电源分为电池电源和220 V市电经AC-DC转换电路后的稳定电源。AC-DC转换电路主要由变压器及集成稳压管构成。蓄电池过充保护电路是一个简单的由稳压二极管、三极管及电阻构成的电路，而在太阳能板给电池充电时为防止电池对太阳能板反向充电，需在太阳能板和电池之间接一个二极管。蓄电池过放保护电路的主要元件为滞回比较器和继电器。由滞回比较器来判断电池是否达到过放状态，由继电器作为选择开关，来选择用电池供电还是后备电源供电（电池在过充状态时和阴雨天气时）。红外控制和光控电路主要组成部分是红外探头、数字电路及光敏电阻，而红外控制部分可以集成一块芯片，即BISS001芯片。灯具有照明灯具及演示时的指示灯。由于设计的是草坪灯，照明灯具需要足够的亮度，可以选用由81个发光二极管构成的现成的灯具，指示灯用简单的发光二极管即可。总体框图如图5所示。 如图5太阳能路灯总体框图此系统有两点节能之处：第一，使用太阳能电池板发电作为能源，实现路灯照明的零损耗；第二，后续电路中使用光控及红外控制节能系统，实现人到灯亮，人走灯灭的效果，同时在连续阴雨天气下，使用后备电源220 V供电，保证电路正常工作。白天，光控开关电路处于打开状态，后续控制电路不工作，路灯不亮；晚上，光控开关电路自动闭合，当行人路过，被红外探测器检测到，红外控制开关闭合，路灯亮起，同时时延电路启动，数十秒后路灯自动熄灭。当遇到连续阴雨天气，太阳能蓄电池电压过低，达到低压控制开关开起阈值时，开关自动闭合，电路切换到220 V市电供电，经过AC-DC转换电路，将稳定的直流电源输送至光控开关电路，以实现取代蓄电池供电的目的，同时也实现了节能的效果。1过充保护电路为防止电池过充电，影响电池的使用寿命，设计了一个简单的电池过放保护电路。原理如图6所示，图中的Q1、D2、D1组成保护电路，其中D1（1N4743）为稳压管二极管（+13.5 V），D1和D2共同组成三极管Q1的偏置电路。R1是Q1管的限流电阻。电路外接充电器充电时，如电池的最高阈值电压在14.4 V左右，在充电初期蓄电池按常规的欠压状态慢慢上升，当电池电压达到稳压管D1的击穿电压时，D1管开始导通，此时Q1管也导通，促使A、B端电压下降，设置合适的参数使电池两端电压最高值不会大于14.4 V。在蓄电池已充满时保护电路会使蓄电池处于涓流充电状态，这就使电池具有充电保护功能。图6过充保护电路图当电池两端电压高于太阳能板两端电压时，可能会产生电池给太阳能板反向充电现象。一旦发生这种现象，太阳能板很有可能被烧坏，造成损失。因而，过充保护电路还应该包括防反充电路，即在太阳能板和电池之间连接一个二极管来防止电池对太阳能板反向充电，如图7所示。 图7防反充电路图2 过放保护电路该电路原理如图8所示。图中Q2使比较器起滞回作用，使比较电路有两个门限电压：VTHR和VTHL（VTHH>VTHL），一个滞回区。当电池电压从低升高至VTHH时，比较器输出高电平；当电池电压降低至VTHL时，比较器输出低电平。这个时候电池端电压虽然会迅速升高至VTHL以上，但由于达不到VTHH，所以，比较器仍然输出低电平，直到电池被充电后电压升高至VTHH以上才能再次输出高电平。这样就避免了电路的振荡，保护了负载和电池。图8过放保护电路比较器正端反映的是电池的采样电压U3，比较器负端反映的是电池的参考电压U2。当U3>U2时，比较器输出高电平，Q1导通，Q1的C极为低电平，Q3截止，负载不工作。3 后备电源在阴雨天太阳能电池板无法将电池充到可工作的状态时，就要用到后备电源给电路供电，后备电源采用的是交一直流转换，将交流电转换到额定的直流电压值以确保电路正常工作。4 红外光控控制电路该系统采用了BISS0001芯片，它是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关，具有独立的高输入阻抗运算放大器。该组成部分采用硬件来实现，可以选用集成芯片BISS0001、三极管8050、光敏电阻和红外感应器来设计。红外感应器把传感器传送的红外信号处理后反馈到控制端，经过内部线性放大，双向鉴幅，信号处理，延迟定时，封锁定时等处理。其脚2输出高电平使三极管8050导通，驱动继电器K吸合，再由继电器触点控制相应的被控对象。此处继电器可换成双向可控硅。图9红外光控电路图图9中，运算放大器OP1将热释电红外传感器的输出信号作第一级放大，然后由C3耦合给运算放大器OP2进行第二级放大，再经由电压比较器COP1和COP2构成的双向鉴幅器处理后，检出有效触发信号Vs去启动延迟时间定时器，输出信号Vo经晶体管T1放大驱动继电器去接通负载。其中，R3为光敏电阻，用来检测环境照度。当作为照明控制时，若环境较明亮，R3的电阻值会降低，使9脚的输入保持为低电平，从而封锁触发信号Vs。SW1是工作方式选择开关。当SW1与1端连通时，芯片处于可重复触发工作方式；当SW1与2端连通时，芯片则处于不可重复触发工作方式。图中R6可以调节放大器增益的大小，原图选10 k，实际使用时可以用3 k，可以提高电路增益改善电路性能。输出延迟时间Tx由外部的R9和C7的大小调整，触发封锁时间Ti由外部的R10和C6的大小调整，R9R10可以用470 ，C6C7可以选0.1 V。5创新点（1）电池过放保护系统的电路简单，使用灵活。只需选择供电电压较高的比较器，就可以应用到任何电压等级的电路中；只需改变电阻值就可以设置任意的导通和关断门限，从而可以具有一个较宽的安全范围。（2）在控制系统中照明电源与芯片工作电源分开，将蓄电池的电源分路进行分别稳压处理，在使用微小功率继电器自动选择合适电压，小电压供给芯片工作，大电压供给灯具照明，避免了使用同样的大电压供给所产生的功耗的损失。同时在照明回路中，避免使用功耗较大的三极管做开关，而是使用可控硅。（3）设计有备用电源，在连续的极端恶劣天气下，蓄电池电量用完，得不到及时充电，可以自动开启后备电源，保证路灯正常工作。总结这个太阳能路灯智能控制系统的设计，对城市环保、照明节能、缓解常规能源紧张的情况有积极意义，整个系统运行均为自动控制，工作原理简单，安装方便，技术可靠，适用范围：一方面，在道路、景观照明以及今后可能推广的太阳能系统区域网内集中采供电应用等方面，其技术和市场很有发展前景。另一方面，在一些特定场合（海岛、景区山顶、偏远地点等）的应用优势明显，包括示范应用也有积极意义，所以研究很有意义。并详细说明了太阳能逆变器的优点，控制器的特性以及太阳能电池最大