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
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM923.4
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-12
• 第一章 绪论12-22
• 1.1 课题研究的背景和意义12-14
• 1.1.1 课题研究的背景12-13
• 1.1.2 课题研究的意义13-14
• 1.2 国内外太阳能光伏发展的现状与趋势14-17
• 1.2.1 国外太阳能光伏发展现状14-15
• 1.2.2 国内太阳能光伏发展现状15-17
• 1.3 LED 路灯的优点17-18
• 1.4 课题主要内容18-19
• 1.5 论文章节安排19-22
• 第二章 太阳能光伏电池和铅酸蓄电池的特性及原理22-38
• 2.1 太阳能电池的结构及工作原理22-23
• 2.2 太阳能电池的分类23-25
• 2.2.1 单晶硅太阳能电池23
• 2.2.2 多晶硅太阳能电池23-24
• 2.2.3 非晶硅薄膜太阳能电池24
• 2.2.4 太阳能电池的发展种类24-25
• 2.3 太阳能电池的电气特性和最大功率点跟踪原理25-29
• 2.3.1 太阳能电池的电气特性25-26
• 2.3.2 太阳能电池的最大功率点跟踪原理26-29
• 2.4 铅酸蓄电池的特性及原理29
• 2.5 铅酸蓄电池充放电电气特征29-30
• 2.6 影响铅酸蓄电池工作的因素及发展方向30-34
• 2.6.1 结构因素对铅酸蓄电池容量的影响30-31
• 2.6.2 内在因素对铅酸蓄电池性能的影响31
• 2.6.3 外界因素对铅酸蓄电池性能的影响31-33
• 2.6.4 铅酸蓄电池研究发展方向33-34
• 2.7 蓄电池剩余容量（SOC）控制的原理34-38
• 2.7.1 蓄电池剩余容量(SOC)的数学模型34-38
• 第三章 白光LED 光源的研究分析38-46
• 3.1 LED 光源的发光机理38-39
• 3.1.1 LED 发光二极管的发光机理38-39
• 3.2 LED 光源的分类39-40
• 3.2.1 按发光管发光颜色分类39-40
• 3.2.2 按发光管出光面特征分类40
• 3.2.3 按发光二极管的结构分类40
• 3.2.4 按发光强度和工作电流分类40
• 3.3 白光LED 光源的基本原理40-42
• 3.4 LED 光源的基本术语42
• 3.5 LED 光源的发展优势及工作受影响因素42-46
• 3.5.1 LED 光源的发展优势42-43
• 3.5.2 影响LED 光源工作的因素43-46
• 第四章 太阳能LED 路灯照明系统的设计方案46-58
• 4.1 太阳能电池组件方阵47-51
• 4.2 蓄电池容量的计算51-52
• 4.3 太阳能控制器52
• 4.4 DC/DC 变换器52-55
• 4.5 LED 芯片选取及组合方式55-58
• 第五章 太阳能LED 路灯照明系统的硬件设计58-76
• 5.1 基于ATmega128 单片机的太阳能控制器硬件设计总体方案58
• 5.2 基于ATmega128 单片机主控板的硬件设计58-63
• 5.2.1 ATmega128 单片机介绍59-60
• 5.2.2 单片机管脚说明60-62
• 5.2.3 复位电路设计62-63
• 5.3 电源模块63-64
• 5.4 蓄电池与太阳能板电压采集电路设计64-68
• 5.4.1 蓄电池电压采集电路设计64-67
• 5.4.2 太阳能电池电压采集电路设计67-68
• 5.5 蓄电池充电控制电路68
• 5.6 蓄电池放电过程控制电路68-76
• 5.6.1 24V 电压输出模块68-71
• 5.6.2 白光LED 驱动模块71-72
• 5.6.3 LED 驱动芯片PAM2842 外围元器件参数计算72-76
• 第六章 太阳能LED 路灯照明系统的软件设计76-86
• 6.1 调试工具 ICC-AVR76-77
• 6.1.1 ImageCraft 的ICCAVR 介绍76
• 6.1.2 ICC-AVR 的IDE 环境76-77
• 6.2 总体软件流程图77-78
• 6.2.1 软件总体设计思路77-78
• 6.2.2 整体程序框图78
• 6.3 白天处理子程序78-82
• 6.3.1 白天处理子程序设计思路78-79
• 6.3.2 白天处理子程序框图79
• 6.3.3 白天处理子程序79-82
• 6.4 夜晚处理子程序82-86
• 6.4.1 夜晚处理子程序设计思路82-83
• 6.4.2 夜晚处理子程序框图83
• 6.4.3 夜晚处理子程序83-86
• 第七章 太原市万柏林区路灯的铺设方案和成本比较86-90
• 课题工作总结及前景展望90-92
• 参考文献92-96
• 附录96-98
• 致谢98-99
• 攻读硕士学位期间发表的论文和科技成果99

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