河北大学2015届本科生学年论文（课程设计）
太阳能LED路灯的设计
摘 要
近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、水），环境容量（亦是资源）有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大的制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。从某种意义上讲，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。在当今世界，能源的发展，能源和环境，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。近年来，我国GDP每年以10%的速度发展，能源消耗急骤增加，环境、生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已难以为继，实际上已造成当前十分严重的、不可逆转的后果，大自然的惩罚已经不断地凸现出来，并还要继续加重。在这样的严峻形势下，节能成为了社会生活的主题。
本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用光敏电阻实现光电控制。傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。
关键词：太阳能电池；LED；控制器；蓄电池充放电控制；时控、光控电路；
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Design of solar LED street lamp
Abstract
In recent years, energy and related environment has become the most concerned hot for countries around the world, countries are starting from their own national conditions to solve the problem of energy and environment. For our country, per capita energy due to shortage of resources (especially oil, gas, water), environmental capacity (also the resources) Co., western ecological fragile, this problem is particularly serious, it will greatly restrict the sustainable development of our country as well as the descendants of the Chinese people million Dai interest rate leave space. In a sense, the use of the development of human society cannot do without energy and advanced energy technologies. In today's world, energy development, energy and environment, it is the common concern of the whole world, the whole human problem, but also an important problem in the social economic development. In recent years, China's GDP to 10% annual rate of development, energy consumption increased rapidly, and the deteriorating ecological environment. This kind of natural predatory model of development for the disorder, has been difficult, in fact has caused a serious and irreversible consequences, nature of the punishment has been emerging, and will continue to aggravate. In such a grim situation, energy saving has become the theme of social life.
This paper describes the design of solar street lamp controller with time control and light control combination, realization of photoelectric control the use of photo sensitive resistance. In the evening when the light is dim street lamp controller automatically switch on the power, the night pedestrian less according to set time extinguishes streetlights, morning and then automatically switch on the power light lamps, the dawn after the automatic shutdown.
Key words: Solar cell; LED; controller; battery charge and discharge control; time control, optical control circuit
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目 录
1 引言 .................................................................................................... 1 1.1 太阳能路灯工作原理的介绍 ............................................................. 1 2 方案的论证 ............................................................................................... 2
2.1 设计要求 .................................................................................................. 2 2.2 方案的选择 .............................................................................................. 2 3 系统总体框图 ......................................................... 错误！未定义书签。
4 系统硬件 ................................................................................................... 4 4.1 太阳能电池板 .................................................................................... 4
4.2 太阳能电池的基本特性 .......................................................................... 4 4.3 蓄电池 ...................................................................................................... 4 5 太阳能路灯系统设计 ................................................................................. 5 5.1 设计要求 .................................................................................................. 5 5.2 设计原理........................................................................................... 5
参考文献 ..................................................................................................... 6
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1 引言
面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。与传统的照明工具相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后。随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命[6]。 太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。
1.1 太阳能路灯的工作原理
利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、长沙光合太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。
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2 方案论证
2.1 设计要求
（1）电池板功率的计算和选用；
（2）蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示； （3）连续阴雨天三天路灯仍能照明；
（4）光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上24点熄灭，早上5点路灯点亮，早上光
线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）； （5）系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。
2.2 方案选择
太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路。使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作。采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型，机械钟表型以石英钟为主，走时精准，但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形，从而导致停机现象。路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。本控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能路灯的设计。
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设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时
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3 系统总体框图
太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。系统总体方框图如图1所示。由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮LED灯用于路灯照明。
图3-1 总体电路方框图
根据各部分电路的功能不同，整体电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、照明负载和时间显示电路。系统总体方框图如图1所示。由太阳能电池板通过7805稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。
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4 系统硬件设计
4.1 太阳能电池板
太阳能电池的最大功率Pmax=开路电压×短路电流，这是它们的理想功率，而平时大家衡量太阳能电池的是额定功率Pm。实际中额定功率是小于最大功率的，主要是由于太阳能电池的输出效率u只有70%左右。在使用中由于受光强度的不同，所以不同时刻的功率也是不同的，根据实验数据它的实际平均功率P=0.7Pm。如果太阳能电池要直接带动负载，并且要使负载长期稳定的工作，则负载的额定功率为Pr=0.7Pm。就是说太阳能电池的功率要是负载功率的1.43倍。在选择太阳能电池的功率时,应合理选择负载的耗电功率,这样才能使发电功率与耗电功率处于一种平衡状态。
4.2 太阳能电池的基本特性
太阳能电池的基本特性有太阳能电池的极性、太阳电池的性能参数、太阳能电池的伏安特性三个基本特性。具体解释如下：
1、太阳能电池的极性 硅太阳能电池的一般制成P+/N型结构或N+/P型结构，P+和N+,表示太阳能电池正面光照层半导体材料的导电类型；N和P，表示太阳能电池背面衬底半导体材料的导电类型。太阳能电池的电性能与制造电池所用半导体材料的特性有关。
2、太阳电池的性能参数太阳电池的性能参数由开路电压、短路电流、最大输出功率、填充因子、转换效率等组成。这些参数是衡量太阳能电池性能好坏的标志。
3 太阳能电池的伏安特性P-N结太阳能电池包含一个形成于表面的浅P-N结、一个条状及指状的正面欧姆接触、一个涵盖整个背部表面的背面欧姆接触以及一层在正面的抗反射层。当电池暴露于太阳光谱时,能量小于禁带宽度Eg的光子对电池输出并无贡献。能量大于禁带宽度Eg的光子才会对电池输出贡献能量Eg,大于Eg的能量则会以热的形式消耗掉。因此,在太阳能电池的设计和制造过程中,必须考虑这部分热量对电池稳定性、寿命等的影响。
4.3 蓄电池
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
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5 太阳能路灯系统设计
5.1 设计要求
一个设计得好的太阳能路灯系统，其设计标准为： 1、能稳定、可靠的给计划负载（灯源）供电；
2、根据使用地的地理位置、辐射条件选择好方阵的最佳倾角，以使太阳能电池板获得最佳的辐射度，并在一年中有时间上的均匀性； 3、太阳能电池方阵和蓄电池的选配是优化经济的； 4、系统的整体设计安全可靠。 5、尽延长提高蓄电池寿命。
5.2 设计原理
太阳能路灯系统的设计包括两个方面：容量设计和硬件设计。
太阳能路灯系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的容量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。
太阳能路灯系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型，支架设计，电缆的选择，控制系统的设计、防雷设计、照明和照度设计等。在进行系统设计的时候需要综合考虑系统的软件和硬件两个方面。
在进行太阳能路灯系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：太阳能路灯系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料等。太阳能路灯系统软件设计的内容包括负载用电量的估算，太阳电池组件数量和蓄电池容量的计算以及太阳电池组件安装最佳倾角的计算。因为太阳电池组件数量和蓄电池容量是光伏系统软件设计的关键部分，所以本节将着重讲述计算与选择太阳电池太阳电池组件和蓄电池的方法。
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参考文献
[1] 刘树民.太阳能光伏发电系统的设计与施工[J].科学出版社,2006:122-124. [2] 张正华.有机太阳电池与塑料太阳电池[J].化学工业出版社,2006: 78-81. [3] 许日滔.车用LED头灯组研发介绍[J].台湾车辆研测资讯,2005:56-63. [4] 平远.新型太阳能照明灯[J].发明与创新,2005(1): 223-230.
[5] 刘宏,张晓晶.高亮度白光LED直流照明灯的研究[J].节能与环保,2005(5)67-68.
[6] 项红升,李明,王志华等.LED在绿色节能照明中的应用进展[J].可再生能源,2004(5): 256-258 [7] 冯昌,徐进明.超高亮度LED在太阳能城市灯光系统中的应用[J].2003年(16):233-235.
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