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目录
1 目录 1
2 系统的总体设计 2
系统组成 2
太阳能电池的基本结构及其特性 3
太阳能电池的基本原理和特性 3
太阳能电池的电特性 4
蓄电池特性 5
3 MPPT控制算法 8
扰动法实现MPPT原理 9
MPPT控制流程 11
4 Buck型充电器的建模分析 12
5 蓄电池控制策略 14
铅酸蓄电池放电控制方法 14
铅酸蓄电池放电控制方法 16
6 太阳能照明系统控制器的硬件实现 17
系统功能简介及其工作原理 17
系统配置及功能设计 18
系统配置 18
充放电预订参数 18
蓄电池的充电电流大小限制 18
BUCK 电路参数计算 19
电源电路模块设计 19
蓄电池电压检测硬件电路设计 20
太阳能电池板电压检测电路设计 21
系统的总体设计
系统组成
太阳能LED路灯系统由太阳能电池组、蓄电池组(通常为铅酸蓄电池)、控制器、LED照明灯组成。太阳能路灯系统实质上是一个小的独立光伏系统。
在进行太阳能电池和蓄电池的组合优化设计时,要选择好系统各部分容量,从成本、效率和可靠性等几个方面进行综合考虑。虽然太阳能电池的价格随着光伏产业的迅速发展呈现逐步下降的趋势,然而在整个系统中它仍是最昂贵的部分。整个系统的成本直接受它的容量影响。
相比较之下,蓄电池价格较为低廉,所以我们设计时可以选取容量相对较大的蓄电池,从而尽可能对太阳能电池发出的功率充分利用。同时,在与照明负载配合时,还应该考虑连续阴天的情况,设计时对系统容量要留出一定裕度。
在整个系统中起到提供照明和控制所需电能作用的是作为太阳能照明系统的输入的太阳能电池。其作用是:当白天时,光照条件较好,将所接收的光能转换为电能,然后再通过充电电路对蓄电池充电;当天黑后,关照条件较差,太阳能电池就停止工作,输出端处于开路。
整个系统中的储能环节是由蓄电池实现的。其作用是:白天时,转换太阳能电池输出的电能为化学能并对之进行储存,到夜间再转换回电能输出到照明负载,全天中一直由蓄电池供给智能控制器的电源。智能控制系统是以单片机为核心辅以逻辑控制电路来实现系统中太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT),蓄电池容量预测和蓄电池充电精确控制,以满足太阳能照明系统在不同工作状态下的稳定运行与准确切换的要求,从而提高太阳能照明系统效率,确保系统运行稳定,并延长蓄电池的寿命。
太阳能电池的基本结构及其特性
太阳能路灯系统中,太阳能电池是铅酸蓄电池充电电能的唯一来源,掌握太阳能电池的原理和特性,对于更好的利用太阳能电池所发电力,提高铅酸蓄电池的充电效率,具有重要的意义。
太阳能电池的基本原理和特性
伏电池的理论基础是光生伏特效应原理,其最小单元是能把光能转换为电能的光伏电池单体,每一个单体都具有正负电极,制作材料是高纯度的 N 型或 P 型单晶硅棒。一个光伏电池单体的发电电压约为 ,正常工作电流为 25mA 左右,远远不能满足实际太阳能路灯系统充电电源需要。在实际充电电源使用中,首先需将光伏电池单体通过串联并联连接在一起,最后经过必要的封装,以使其具有防风、防尘、防潮的能力,即形成光伏电池组件。通常来说,一个标准的光伏电池组件由 36 个光伏单体组成,其额定发电电压约为 18V 左右。单个标准光伏组件可以单独使用,正好可满足 12V 的蓄电池供电(本论文实验室所用的太阳能电池板额定电压 18V,经过实测,在太阳光辐射强度好的情况下,其发电电压可在 20V 以上)。实际投入使用的光伏电池可由若干光伏组件经过串联(获得高电压),再经过并联(获得高电流),最后排列安装在支架上,构成光伏阵列。
图 2-1为光伏电池单体、组件及方阵的关系图。
一般来说,光伏阵列的结构和光伏组件的串并联标准数量是可以定制的,可由用户的需求而定,独立的光伏发电系统的电压等级是根据用户使用的光伏储能部件(一般是蓄电池)来定,一般为蓄电池电压的整数倍,市场上常见的光伏阵列与常用蓄电池的电压等级一致,如 12、24、36、48、110、220 等(12V 太阳能路灯的太阳能电池即为单个标准光伏组件,24V 系统使用的太阳能电池为多个光伏组件串并接而成)。
太阳能电池的电特性
光伏电池产生的电流称为光生电流,光生电流的值与太阳能电池的面积和太阳光的辐射强度成正比,1cm²的太阳能电池的光生电流值约为 15~30mA。光生电流的值随环境温度的变化影响比较小,温度每下降 1℃,光生电流减小 78uA。光生电压的开路值与太阳能电池的面积无关,与太阳光的辐射强度成正比,光生电