光伏电能在城市路灯照明中的应用设计

太原理工大学

硕士学位论文

光伏电能在城市路灯照明中的应用设计

姓名：霍永涛

申请学位级别：硕士

专业：检测技术与自动化装置

指导教师：马福昌

20100501

光伏电能在城市路灯照明中的应用设计

摘 要

21世纪以来，随着世界能源危机的加剧，太阳能作为地球上最普遍最清洁的能源，以其取之不尽、用之不竭、无污染等优点，受到人类的重视。在人类生活中，太阳能光伏的应用非常的广泛，其应用的基本形式可分为两大类：独立发电和并网发电。随着光伏技术的发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在城市建设中对城市照明等方面也大力的推广了太阳能光伏的应用。目前，国内太阳能光伏技术在城市亮化照明中的应用业已呈现出快速发展的势头。城市道路、学校、公园、住宅小区等场所的路灯、指示牌、草坪灯等都逐渐采用太阳能光伏照明技术，使城市公共照明更加环保、节能、方便、安全。

本课题积极响应国家节能减排、发展低碳型经济的号召，以实际应用为目的，从太阳能电池的光伏特性出发，围绕太阳能光伏发电技术和LED照明技术，设计了满足山西太原市道路照明使用的太阳能LED路灯照明系统。系统由太阳能电池、蓄电池、控制器、LED灯源及其恒流驱动电路等部分组成，通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到蓄电池中,由蓄电池为整个系统提供电能。

本课题分析研究了太阳能电池功率的选取原则以及与蓄电池容量的匹配方法，对太阳能电池功率和蓄电池容量等参数进行了计算，解决了太阳能LED路灯系统由于控制器对蓄电池保护不充分经常使蓄电池处于过放电或者过充电而造成蓄电池寿命短和系统可靠性不高的问题，同时对路灯光源LED的驱动问题也进行了分析研究。因而研究重点集中在：

首先，太阳能路灯控制器的硬件优化设计。选用ATmega128单片机作为控制器主控芯片，通过主控芯片来控制蓄电池充放电，设计了基于ATmega128单片机具有自适应功能的太阳能路灯控制器，使蓄电池不会发生过充电和过放电现象，延长了蓄电池的使用寿命，提高了太阳能LED路灯系统的运行可靠性。在蓄电池充电部分设计出了快充和慢充两个不同的阶段，从而能更好的保护蓄电池。同时，对太阳能控制器的软件部分进行程序编写和调试。

其次，就负载LED的电气特性、功率选取、组合方式等问题进行分析研究，重点对LED驱动电路硬件进行了优化设计，最终在选用PAM公司PAM2842驱动芯片的基础上，进行LED驱动电路的设计搭建，实现其应用功能。PAM2842选择输入电压24V，驱动由10个3W白光LED串联所组成的路灯光源，通过设计对其进行恒流700mA输入，保证了路灯工作的稳定性，同时还具有过压保护，通过设计将电压限制在37.2V，若某单个LED短路时不至于其他LED电压过高而全部烧坏，保证了路灯的使用安全。在以上的研究基础上完成太阳能LED路灯照明系统的设计。

最后，针对太原市万柏林区路灯的铺设和成本比较进行了案例分析。 关键词：光伏发电，太阳能控制器，蓄电池，白光LED光源，LED驱动电路，LED路灯

THE DESIGN OF PHOTOVOLTAIC ENERGY IN CITY

STREET LIGHTING

ABSTRACT

In the 21st century,with the intensification of the world energy crisis, solar energy is considered as the most common and clean energy. It is focused on by human with its inexhaustible and unpollution advantages. In the human life, the solar PV has very extensive use, the basic form of which can be divided into two categories: independent power generation and combined to the grid. With the development of photovoltaic technology and the need of world sustainable development, the developed countries have also started to promote photovoltaic combined to the grid in the city, mainly to build the PV system of household rooftop and the MW-level large-scale combined to the grid system. At the same time, the application of solar PV in the construction of urban lighting has also been greatly promoted. At present, the domestic solar photovoltaic technology in the city lighting has shown rapid development momentum,such as street lights, signs, lawn lamp of roads, schools, parks, residential quarters and other places, making the city more environmentally, energy saving, convenient and safe in the public lighting.

In order to respond positively to the call of national energy saving and emission reduction and developing low-carbon economy,for the purpose of its

practical application, from the starting of the photovoltaic properties of solar cells, arounding the solar photovoltaic technology and LED lighting technology, the solar LED lights systems is designed to meet the use of road lighting in Taiyuan city. The system consists of solar cells, batteries, controller, LED light source and constant current drive circuit and other components. The solar silicon photovoltaic panels convert solar energy into electrical energy stored in batteries, which provides power for the entire system.

The task analyzes the selected principles of solar cell power and the matching method of battery capacity,and calculates solar power and battery capacity, which solves the problem of the short battery life and low reliability of system,because the controller protects the battery inadequatly to make it often being over discharge or overcharge. At the same time,the drive of LED street light is analyzed. Therefore, the main works are as follows:

First of all, the hardware about the controller of solar street lamp is designed. ATmega128 MCU is selected as the master controller chip and the charge and discharge of battery is controlled by the master chip. Based on the ATmega128 MCU,the solar street lamp controller with adaptive function is designed. So the phenomenon of overcharge and overdischarge of the battery will not occur, which extends the battery life and increases the reliability of solar LED street light system. In the battery charging part, the design of the fast charge and slow charge at two different stages, can better protect the battery circuit. Meanwhile, software programming and debugging of solar controller are

done.

Secondly, it is studied about the LED's electrical characteristics, power selection,combination method and so on, focusing on the optimizing design of LED hardware driver circuit. Finally, on the basis of PAM2842 drive chip,LED drive circuit is designed to achieve their applications. Input voltage is selected as 24V by PAM2842, to drive street light which is composed of ten white LEDs with 3W by a series. Input constant current is 700mA to ensure the stability of the lights work,and there is overvoltage protection circuit, making voltage limited to 37.2V. If a single LED is short circuit, it can pretect all the other LED against burning because of the high voltage,to ensure the safe usage of street lamps. Therefore,based on the above research, the system of solar LED street lighting has been designed.

Finally,the comparisons of laying of street lamps and cost in Wanbailin District of Taiyuan City are analyzed as an example.

Keywords: photovoltatic electricity,Solar Controller,Battery,White LED light source,LED drive circuit,LED Street Lighting

独创性声明

本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作以及取得的研究成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包含其他人已经发表或者撰写过的研究成果；也不包含为获得太原理工大学或者其它教育机构的学位和证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本文的研究所做的任何贡献均已经在论文中做了明确的说明并表示了谢意。

本人签名： 日期：月日

关于论文使用授权的说明

本人完全了解太原理工大学有关保留和使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文物；学校可以公布论文的全部或者部分内容，可以允许采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文（保密的论文在解密后遵守此规定）。

本人签名： 日期：月日

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 课题研究的背景

进入21世纪的人类面临的三大主要问题是能源、环境和经济。能源和经济问题日益成为制约社会经济发展的瓶颈，人类当前所使用的矿物能源日趋耗尽，环境污染日益严重，在严峻的能源替代形势和人类生态环境逐渐恶化的双重压力下，开发新能源成为世界各国关注的焦点。开发可再生而且不污染环境的清洁能源的任务已经迫在眉睫。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭的可再生能源。从而太阳能光伏发电越来越受到人类青睐。如图1-1所示。

225022002150210020502000图1-1 能源对比图

Fig 1-1 Comparison of energy

太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，太阳能资源从根本上讲就是太阳的辐射能。在人类对未知世界的不断求索的过程中，我们开始发现太阳辐射能不仅具有含量巨大的特点，其总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，太阳能到达地面的能量高达80万kW/s，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达(5.6×1 012)kW h，相当于目前世界上能耗的40倍；而且，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性、充足性和长寿命以及免维护性等其它常规能源所不具备的优点，可谓是人类的生活宝库，是我们取之不尽的能量的源泉，因此光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源[1]。

太阳能光伏发电是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式。人类对光伏发电技术

的研究始于100多年前，1839年，法国物理学家 EdmondBeequerel发现了光伏效应。1954年美国Bell实验室Gpearson.D.ChaPin和C.Fuller合作发明了光电转换效率为6%的P-N结光伏电池(PVCell)，开创了光伏发电的新纪元。经过半个多世纪的发展，光伏技术不断完善，形成了不断发展的光伏技术产业，成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一[2]。

LED 是 Light Emitting Diode（发光二极管）的缩写，半导体发光二极管（LED）是新型的发光体，LED光源具有低电压驱动、节能、长寿命、安全、响应快、体积小、高亮度、低热量、色彩丰富、可视距离远、耐振动、符合环保要求等系列独特优点，LED光源比白炽灯节电87%、比荧光灯节电50%，而寿命比白炽灯长20-30倍、比荧光灯长10倍。其已经被广泛应用于指示灯、信号灯、仪表显示、车载光源等场合。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能4/5是伟大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，LED在照明工程中的运用也已非常普遍，过去10年来，LED在颜色种类、亮度和功率都发生了极大的变化。LED以其令人惊叹的应用在城市室内外照明中发挥着传统光源无可比拟的作用。LED寿命长达约10万小时，意味着每天工作十小时，可以有27年免维护的理论保障，低压运行，几乎可达到100％的光输出，调光时低到零输出，可以组合出成千上万种光色，而发光面积可以很小，能制作成１平方毫米。经过二次光学设计，照明灯具达到理想的光强分布。快速发展的LED技术将为照明设计与应用带来崭新的可能性，这是固体光源伟大的改革，被认为是节电降能耗的最佳实现途径，是下一代理想的照明器件[3]。

1.1.2 课题研究的意义

路灯是城市照明的重要组成部分，传统的路灯常采用高压钠灯，高压钠灯整体上光效低的缺点造成了能源的巨大浪费，因此，开发新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的路灯对城市照明节能具有十分重要的意义。

太阳能LED路灯照明系统就是通过太阳能硅光电池板将太阳能转换为电能存储到蓄电池中，由蓄电池为整个系统提供电能。太阳能LED路灯由太阳能电池、蓄电池、控制器、LED灯及其恒流驱动电路等部分组成，与常规高压钠灯路灯不同的是，太阳能LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、

显色指数高、不需要常规能源，适应了能源开发和环境保护的需求，不用连接公共电网，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，灵活方便等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。

随着城市建设的发展，城市照明建设越来越注重于城市的形象，道路照明和景观照明的要求和数量不断增加，因此国家各级政府和广大市民对城市的建设、道路照明和景观照明提出更高的要求，希望实现城市照明管理的现代化，使城市管理水平更上一层楼。

1.2 国内外太阳能光伏发展的现状与趋势

1.2.1 国外太阳能光伏发展现状 [4] [5] [6]

随着地球资源的日益贫乏，人们对利用太阳能发电的愿望越来越迫切。从二十世纪五十年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。

在世界各国尤其是美、日、德等西方发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，世界光伏工业近年来保持着年均30%以上的高速增长势头，是目前发展最快的产业之一。

2008 年，全球太阳能电池导入量达到了5.5GW以上，其中80%以上的新增导入量位于欧洲。代表性的国家就是德国和西班牙，这两国2008 年新增太阳能电池导入量分别达到2511MW、1500MW，占欧洲总量的84%。两大传统光伏大国的政策转变将给欧洲乃至全球光伏市场带来沉重的打击。但是，令人欣慰的是，新兴市场的快速崛起将填补传统光伏大国留下的空白。首先是意大利，随着该国政府近期推出极具吸引力的光伏补贴政策，以及光伏模块价格的不断下跌，使得众多投资者发现了商机，从而推动了意大利市场的迅速扩大。最新的消息是，中国的光伏厂商天合光能已经向意大利的ErgyCapital 提供了4.7MW的光伏发电设施，意大利极有可能在2010 年时成为全球第二大光伏市场。

市场调研公司iSuppli 最新预测显示，到2013年，捷克的太阳能系统装机容量可能达到500MW，而2008年时只有50MW，其间的复合年增长率达66.5%。从营业收入角度来看，2013年，该国光伏产业将从2008年时的3亿美元增长到17亿美元。而保加利亚到2013年的太阳能装机容量也将达到600MW，而2008年是1MW，复合年增

长率高达89%。另外，到2013年，希腊安装的光伏系统将达到1.2GW，而2008年只有40MW，其间的复合年增长率为88.5%。

中东将成全球光伏产业新大陆，纵观全球太阳能光伏产业的发展历程，先有日本的一家独大，再有欧洲的强势崛起，再到如今的中美等新兴市场极度被看好。而中东地区由于有丰富的油气资源，在发展光伏方面似乎并不被看好。但如今，随着全球新一轮新能源投资热潮的兴起，中东地区的阿拉伯富翁们不仅看到了寻找替代能源的重要性，同时也看到了光伏产业所蕴藏的巨大商机。正是这种转变将促使中东成为全球光伏产业的新大陆。其实不仅是观念在转变，阿拉伯人已经将理论付诸到了实践之上。2009年5月底，阿联酋阿布扎布马斯达城的中东首个10兆瓦太阳能公园已经与阿布扎比的电网连接到了一起，并利用太阳能电来结束该城内的零废物、零碳量的剩余工程期的建设。

北非是未来太阳能争夺主战场，北非沙漠的太阳能资源非常丰富。根据欧盟委员会能源研究所提供的数据，只要能够利用撒哈拉沙漠和非洲中东部沙漠的太阳能的0.3%，就足以满足整个欧洲的能源需求。这一地区也会成为未来太阳能争夺战的焦点。虽然目前全球光伏产业的发展受到多种因素的制约，但是2009年以来，全球各国的相关政策已经给予光伏产业极大的信心。相信经过一段时期的快速发展，国内市场饱和之后，有实力的企业走出国门，到海外圈地或许会成为一种常态。

专家预测光伏发电将在二十一世纪前半期超过核电成为最重要的基础能源之一。

1.2.2 国内太阳能光伏发展现状

我国太阳能资源丰富，年日照数在2200小时以上的地区占国土面积的2/3以上。据统计，全国目前还有6000万人口需要解决电视、通讯、照明及生产用电问题。加上目前能源紧张已经逐步影响到人们日常生活的方方面面，太阳能将以其它能源无可比拟的优势在实际应用领域取得举足轻重的地位，其市场前景十分广阔。但相比于蓬勃发展的世界光伏工业，中国光伏工业还处于起步阶段。光伏产量和安装容量仅占世界的1%左右。在国家实施西部大开发战略和国内绿色环保工业开始升温的背景下，近几年中国光伏应用工业保持了较快的增长速度。随着太阳能电池各种新型材料的不断开发及成功问世，且太阳能电池成本逐年下降，所以太阳能光电的应用也将日趋广泛，它的发展已经逐渐成为一种必然趋势。加之，党和政府都十分关心新能源的发展，要求全社会从节能环保的角度上加大对新能源的认识，鼓励和支持大力开发利用新能源。国家相关部委、

各地政府还制订了扶持新能源生产开发企业的相关措施，以加快新能源应用的发展，这就给我们行业带来了空前的发展契机。

在我国，太阳能光电应用产品主要是太阳能室外（装饰）照明（灯具）、家用发电系统（户用电源）、交通警示标志、通信后备电源及电站等。根据目前太阳能光电行业的发展现状，按区域特性可分为三大版块——珠江三角版块、长江三角版块和华北版块。珠江三角版块的光电企业以其独特的技术研发能力、系统的原材料采购、及时的行业资信及便捷的物流平台等优势将光电应用产品定位于太阳能实用照明。长江三角版块的光电企业的主要以加工出口太阳能（工艺装饰）、塑料（树脂石材）、草坪灯为主，以低廉的价格占据行业出口的相当一部分份额，这类企业主要集中在江浙一带。华北版块的光电企业主要以太阳能组件为主，其产品应用到国家光伏工程及部分组件出口。除此三大版块之外，未涉及到的部分地区还有着其它零星的光电企业，他们以外贴牌加工模式来运作。由此可见，太阳能光电应用产品的生产企业在我国已经初具规模，其社会化市场分工已经逐步形成，为把太阳能应用到实际照明中奠定了坚实的基础。

2009年3月中国出台了“太阳能屋顶计划”，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。2009年国家出台的政策将推动国内太阳能发电市场发展，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。

中国科学院党组已正式批准启动实施太阳能行动计划，该计划以2050年前后太阳能作为重要能源为远景目标，并确定了2015年分布式利用、2025年替代利用、2035年规模利用三个阶段目标，太阳能产业在中国市场发展前景广阔。

中国《可再生能源法》的颁布和实施，为太阳能利用产业的发展提供了政策保障；京都议定书的签定，环保政策的出台和对国际的承诺，给太阳能利用产业带来机遇；西部大开发，为太阳能利用产业提供巨大的国内市场；原油价格的上涨，中国能源战略的调整，使得政府加大对可再生能源发展的支持力度，所有这些都为中国太阳能利用产业的发展带来极大的机会。

展望2010年，随着全球对可再生、清洁和安全能源需求的日益提升，我国太阳能电池产业将会在产业链结构上出现局部调整，政策支持为太阳能产业发展带来机遇。伴随我国《可再生能源法》的颁布实施，未来几年我国光伏产业规模将迅速扩大，我国的太阳能产业逐渐走向成熟。国家4万亿元的投资中，节能环保和新能源行业将扮演重要

角色，这些投资将有力带动太阳能总体产业的快速发展。

1.3 LED路灯的优点

我国的LED路灯企业认为，随着2008年国际经济危机的爆发，2009年市场的原材料价格的降低，这也使得在LED路灯壳体制造和配件的成本有所下降。同时，随着研发技术的发展，市场上将推出更高效、更廉价的LED发光芯片，这将很大程度降低LED路灯的生产成本。价格的降低，加之政府的支持、业内的推广和大众的认可，LED路灯势必出现庞大的发展前景，对我国企业而言，未来几年将会是LED路灯走上黄金发展期的开端。

LED路灯的优点：

1、LED路灯本身的特性——光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率。

2、LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照效率，以达到节能目的。

3、LED的光源效率目前已达100lm/W，而且还有很大的发展空间，理论值达350lm/W。而高压钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效LED路灯比高压钠灯强。

4、LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有30左右，而LED路灯显色指数达到80以上，从视觉心理角度考虑，要达到同等亮度，LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上。

5、LED路灯的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，而高压钠灯光衰大，一年左右已经下降30%以上，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低。

6、LED是低压器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所（例如：路灯照明、厂矿照明、汽车照明、民用照明等）

7、每个单元LED芯片体积很小，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。

8、寿命长：能使用5万小时以上。

9、光效高：采用≥100lm以上的芯片，相对于传统高压钠灯能节能75%以上。

10、安装简便：无需加埋电缆无需整流器等，直接将路灯灯头安装于灯杆接上或者将光源嵌套于灯具中。

11、散热控制出色：夏天温度控制在45度左右，并采用被动散热方式。

12、质量可靠：电路电源全部采用高质量元器件，每颗LED都有单独过流保护，无需担心损坏。

13、光色均匀：不加透镜，不以提高亮度而牺牲均匀光色，从而保证无光圈光色均匀。

综合上述原理，大功率LED路灯的节能效果显著，代替高压钠灯可节电60%以上。维护成本低，相对于传统路灯，LED路灯维护成本极低，理论分析，不到2年即可收回全部投入成本[7]。

太阳能大功率LED路灯顾名思义是功率大于30瓦以上，采用LED半导体光源，运用太阳能光伏发电系统为供电电源的路灯。目前LED路灯的标准一般是路面照度均匀度（uniformity of road surfaceilluminance)的平均照度0.48。光斑比值1：2，符合道路照度。实际1/2中心光斑达到25LUX，1/4中心光强达到 15LUX，16米远的最低光强4LUX，重叠光强约6LUX。目前LED路灯中的透镜材料为改良光学材料，透过率≥93％，耐温-38－+90度，抗UV紫外线、黄化率30000小时无变化等特点。对深度的调光，且颜色和其他特性不会因调光而变化[8]，以我国照明用电每年在3000亿度以上来算，用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，节省的照明用电约1000亿度，相当于一个总投资超过2000亿三峡工程全年的发电量。因为LED路灯具有节能省电的特点，所以，它在道路照明中有着非常好的应用前景。

1.4 课题主要内容

本课题的主要内容包括对太阳能LED路灯照明系统的各组成部分：太阳能电池板、蓄电池、控制器、LED驱动和LED光源进行分析研究。选用AVR公司的ATmega128单片机对控制器进行设计，在充电部分主要分析了蓄电池过充的现象，并设计了相应的电路来阻止这种情况的发生，同时根据蓄电池电量的大小设计了快充和慢充两个不同的间断，从而能更好的保护蓄电池，合理的降低整个电路的功耗。在放电部分分析了过放的现象，设计了相应的电路来避免这种现象的产生。根据硬件电路设计了相应的PWM波形来控制蓄电池充放电，从而有效节省了能量，延长了蓄电池的使用寿命。

在LED驱动方面，选择大功率LED专用驱动芯片PAM2842，它能够以12V或24V的输入电源电压驱动10颗串联的3W LED。最高输出电压可达40V，最大输出电流可达1.75A，总输出功率不大于30W。本课题选择24V输入，可以达到更大的效率，同时我们可以通过调整电流采样电阻RS，将输出的电流稳定在700mA，已达到LED的最佳工作状态。PAM2842有三种工作频率，500kHz、1MHz、1.6MHz，为降低开关损耗，我们通过主控芯片ATmega128，将频率设定在500KHZ。芯片内部具有过压保护电路，假如有一颗LED短路，这时候，由于有恒流环控制，所以芯片会自动降低其输出电压，而保持流过LED的电流不变，因此不影响其它LED的工作，同时就LED芯片的电气特性、功率选取、组合方式等问题进行分析研究。在以上工作的基础上完成太阳能LED路灯照明系统的设计，同时，针对太原市万柏林区路灯的铺设方案和成本比较进行分析。

1.5 论文章节安排

本论文分为七个章节来阐述，具体分布如下：

第一章 阐述了开展本课题研究的背景和意义，以及国内外太阳能光伏发展现状、大功率LED路灯的优点和本课题的主要内容。

第二章 对太阳能光伏电池和铅酸蓄电池进行了介绍为后面的进一步研究作理论基础，包含了太阳能电池的结构及工作原理，太阳能电池的分类，太阳能电池的电气特性和最大功率点跟踪原理。铅酸蓄电池基本工作原理，铅酸蓄电池电气特征，影响铅酸蓄电池工作的因素，铅酸蓄电池研究发展方向，蓄电池剩余容量（SOC）控制的原理。

第三章 对白光LED光源进行研究分析。包括了LED发光二极管的发光机理，LED光源的分类，白光LED光源的基本原理，LED光源的基本术语，LED光源的发展优势及工作受影响因素。

第四章 在第二、三章的基础上具体介绍太阳能LED路灯照明系统的设计方案，重点介绍了系统的各组成部分。包括太阳能电池板的功率计算、蓄电池的容量计算、太阳能控制器介绍、DC/DC变换器介绍以及LED芯片选取和组合方式。

第五章 具体对太阳能LED路灯照明系统的硬件设计进行分析研究，重点介绍了在基于ATmega128单片机的基础上对太阳能控制器的硬件进行设计，给出了总体设计框图再针对各具体模块做出详细设计。同时，在基于PAM2842驱动芯片的基础上对LED

驱动电路的硬件进行了设计。

第六章 对太阳能LED路灯照明系统的软件部分进行设计，进行相关程序的编写调试。

第七章 针对太原市万柏林区路灯的铺设方案和成本比较进行分析。

最后，对本课题设计进行总结和展望。

第二章 太阳能光伏电池和铅酸蓄电池的特性及原理

2.1 太阳能电池的结构及工作原理

太阳能电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光生伏打效应（简称光伏效应），太阳能电池就是产生光生伏打效应（简称光伏效应）的半导体器件。通常由硅材料制成，因此，太阳能电池又称为光伏电池[9]。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的装置，1954年世界第一块实用化太阳能电池在美国贝尔实验室问世，并首先应用于空间技术。当时太阳能电池的转换效率为8%。1973年世界爆发石油危机，从此之后，人们普遍对于太阳能电池关注，近十几年来，随着世界能源短缺和环境污染等问题日趋严重，太阳能电池的清洁性、安全性、长寿命，免维护以及资源可再生性等优点更加显现。由于单个太阳能电池功率极小，所以在实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。

硅太阳能电池的结构及工作原理：硅太阳能电池的外形及基本结构如图2-1。基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。上表面为N+型区，构成一个PN＋结。顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。

太阳能电池各区对不同波长光的敏感型是不同的。靠近顶区的光生电流对短波长的紫光（或紫外光）敏感，约占总光源电流的5－10%（随N＋区厚度而变），PN＋结空间电荷的光生电流对可见光敏感，约占5%左右。电池基体区域产生的光生电流对红外光敏感，占80－90%，是光生电流的主要组成部分。

结

图 2-1太阳能电池的结构工作原理

Fig. 2-1 The principle of structure of solar cell working

2.2 太阳能电池的分类

2.2.1 单晶硅太阳能电池

单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池，它的结构和生产工艺已基本定型，产品已广泛用于实际中。这种太阳能电池以高纯的单晶硅为原料，纯度要求99.999%。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，技术也最为成熟但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。单晶硅太阳能电池的单体片制成后，经过检验，就可以按所需要的规格组装成太阳能电池组件，在实际应用中通过串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，为负载所用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年。

2.2.2 多晶硅太阳能电池

目前太阳能电池使用的多晶硅材料，大多是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料融合浇铸而成，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体后通过切片加工成方形太阳能电池片，提高了材料利用率和方便组装。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的制作工艺差不多，其光电转换率约12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

2.2.3 非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，工艺过程大大简化，成本低重量轻,转换效率较高，便于大规模生产，非常吸引人。

非晶硅太阳能电池的结构各有不同，其中有一种较好的结构叫Pi-N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。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。它的主要优点是在弱光条件也能发电，有极大的潜力。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了它的实际应用。现在日本生产的非晶硅串联太阳能电池可达2.4伏，且不够稳定，如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2.2.4 太阳能电池的发展种类

多元化合物太阳能电池：多元化合物太阳能电池指不是用单一元素半导体材料制成的太阳能电池。现在各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产。主要有硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜铟硒太阳能电池几种。

聚合物多层修饰电极型太阳能电池：由于有机材料柔性好、制作容易、材料来源广泛、成本低等优势、从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。但由于有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命、电池效率都不能和硅电池相比，能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

纳米晶化学太阳能电池：纳米晶TiO2太阳能电池的优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。其光电效率稳定在10%以上，制作成本仅为硅系太阳能电池的1/5~1/10，寿命能达到20年以上。但由于此类电池的研究和开发也刚刚起步，所以还有待于进一步的研究探索。

2.3 太阳能电池的电气特性和最大功率点跟踪原理

2.3.1 太阳能电池的电气特性

太阳能电池的电气特性为研究、质量保证和生产所需。对于不同的行业来说测量精度和参数的重要性会有不同，以下是太阳能电池一些在任何测试环境都必须测量的重要参数：

（1）开路电压(VOC)

没有电流时的电池电压

（2）短路电流(ISC)

负载电阻为零时从电池流出的电流

（3）电池最大功率输出(Pmax)

电池产生最大功率时的电压和电流点，通常把I-V 曲线上的Pmax 点作为最大功率点

（4）Pmax 的电压(Vmax)

电池在Pmax 的电压电平

（5）Pmax的电流(Imax)

电池在Pmax 的电流电平

（6）太阳能的电池的转换效率(η)[10]

太阳能电池接到电路时转换(从吸收光的电能) 和收集功率的百分比。是评估太阳电池好坏的重要因素。计算方法是用标准条件(STC) 和太阳能电池表面积(Ac，单位是m2)

下的最大功率点Pmax 除以输入光辐照度(E，单位是Wm2)

η=Pm （2-1） E×Ac

目前：实验室：η≈24%，产业化：η≈15%

（7）填充因子(FF)[10]

最大功率点Pmax与开路电压(Voc) 及短路电流(Isc) 之比

FF=Pmη×AC×E= （2-2）VOC×ISCVOC×ISC

（8） 电池的二极管特性

（9） 电池的串联电阻

（10） 电池的旁路电阻

太阳能电池板通常定义为封装和连接在一起的一个以上的电池。太阳能电池板有不同的电压和电流范围，但功率产生能力一般为50W至300W。太阳能电池和电池板有许多相同的参数，如VOC, ISC, Pmax和I V曲线。图2-2是太阳能电池的I-V曲线。

图2-2 太阳能电池I V曲线

Fig .2-2The curve solar cell I-V

2.3.2 太阳能电池的最大功率点跟踪原理

在太阳能光伏发电系统中，我们通常要求太阳电池的输出功率始终最大，即系统要能跟踪太阳电池输出的最大功率点。因此，在太阳能系统设计中，充电控制器必须对太阳能面板的输出电压或电流进行扰动及控制，使得实际的太阳能面板工作点正好和太阳能电池的最大功率点重合，此时，太阳能电池以最大功率输出，这就是所谓的太阳电池的最大功率点跟踪，Maximum Power Point Tracking，简称 MPPT[11]。太阳能电池的最大功率点跟踪控制是为充分利用太阳能，使太阳能电池始终输出最大电功率的控制，光伏系统常用的最大功率点跟踪方法有：功率数字模型法、登山法、滞环比较法、扰动观察法、电导增量法等。这些方法都是根据太阳电池的特性曲线上最大功率点的特点来搜索最大功率点对应的电压，这些方法各有优缺点，可以根据不同的系统要求选用不同的控制方法。在此只对其中三个方法做出介绍。

功率数字模型法：是建立功率对占空比的数字模型,当日射量和温度有变化时要重新求得数字模型的参数,通过改变占空比达到最大功率点。因为是用4次方程定义功率对占空比的特性曲线,所以有一定的近似程度。

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