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1、目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 课题背景11.2 课题研究的意义31.3 国内外太阳能光伏发展现状42 太阳能电池及蓄电池62.1 太阳能电池62.1.1 太阳能电池的结构及工作原理72.1.2 太阳能电池的分类72.1.3 太阳能电池的特性82.1.4 影响太阳能电池输出的因素92.2 蓄电池92.2.1 常见的蓄电池92.2.2 蓄电池的使用寿命112.2.3 影响蓄电池使用寿命的因素122.2.4 太阳能 LED 路灯系统中蓄电池的选择123 LED固态光源143.1 LED光源的特点143.2 LED 发光原理及其特性153.3 LED 光源的发展优势及工作受影响因素18
2、3.3.1 LED 光源的发展优势183.3.2 影响 LED 光源工作的因素194 总体方案设计及充电方式214.1 总体方案设计214.2 常用充电方法225 基于ATmega8单片机主控制器的硬件部分265.1 ATmega8 单片机特性和功能265.2 太阳能LED路灯控制器硬件部分275.2.1 电源模块275.2.2 充电电路285.2.3 放电电路295.2.4 光照采样电路305.2.5 外部时钟电路305.2.6 充电保护电路316 太阳能 LED 路灯控制系统的软件设计326.1 总体软件流程326.1.1 软件总体设计思路326.1.2 软件总体设计流程图336.2 白天
3、处理子程序336.2.1 白天处理子程序设计思路336.2.2 白天处理子程序框图346.3 夜晚处理子程序356.3.1 夜晚处理子程序设计思路356.3.2 夜晚处理子程序框图357 结束语36致谢37参考文献38附录391 绪论1.1 课题背景人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等化石能源。而占人类能源消费大部分的煤炭、石油等化石能源都是不可再生资源。据有关资料报导，依目前石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限大约为1180至1510亿吨。以上世纪九十年代世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量估计可维持到2050年左右；天然气储备估计在1318000至1529000兆立方米，年
4、开采量维持在2300兆立方米左右，将在六十年左右内枯竭；铀的年开采量为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计，铀也将于本世纪30年代中期宣告枯竭。煤的储量约为5600亿吨，上世纪九十年代煤炭年开采量约为33亿吨，可以供应169年；随着社会日益发展，能源的需求量不断增长，使得全球范围内的能源危机也日益突出。人类在开发利用能源的漫长历史中，以石油、煤炭和天然气等化石能源为主的时期，仅是一个不太长的阶段。化石能源终将枯竭而被新的能源所取代。因此，节约能源和开发可再生能源已经成为当务之急。在可再生能源中，水能已经得到了较为广泛的应用。但水能资源终究是有限的；相比之下，太阳能和风能则是取之不尽、
5、用之不竭。研究和实践表明，太阳直接辐射到地球的能源丰富，分布广泛，可以再生，不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。另一方面，化石能源造成的环境污染问题也成为人们关注的焦点。所谓环境污染，是指生态系统中有害物质进入后对生态系统所造成干扰和损害和对人类以及其他生物的生存和发展会产生不利影响的现象。化石能源的大规格使用已经引起“温室效应”，致使全球变暖。化石能源的燃烧，会产生氮的氧化物及硫的氧化物等污染气体，并且会通过煤渣和烟尘等形式放出大量放射性物质和有化学毒性的重金属等。这些污染不但危害人类和其他生物的健康，同时还腐蚀建筑、植物等，造成人民物质财富损失；工业废水和生活污水的排放，使人体生活质
6、量恶化，同时危及水生生物的生存，使水体失去原有的生态功能和使用价值，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之外，二氧化碳的排放问题也成为了当前等待应对的问题。2005年2月16日，京都议定书正式生效，这意味着签约国家2008至2012年期间的二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、硫的氧化物等温室气体的排放要在1990年的基础上平均减少5.2%。随着这一强制性减排目标付诸实施，二氧化碳减排也是中国政府关注的焦点之一。中国二氧化碳排放中，大部分是由化石能源燃烧而产生。更进一步，随着人类的使用，化石能源趋于减少，其价格将会越用越高，这将会严重制约生产的发展和人民生活水平的提高。相比石油、煤炭等化石能源，太阳能不会
7、导致“温室效应”，也不会造成环境污染1。太阳能亦因此受到众多国家的重视，各国均竞相开发各种光电新技术和光电新型材料，以提升太阳能效率、扩大太阳能应用领域2。在众多太阳能应用方式中，除太阳能热效应利用外，太阳能光伏发电也是最为常见的方式之一。太阳能光伏发电是利用半导体器件的光生伏特效应，将太阳能转换成电能。当光线照射太阳能电池板表面时，一部分光子被半导体材料吸收，进而将光子的能量传递给施主原子，使其电子发生 自由电子，在P-N结两侧分别聚集空穴和电子从而形成了势垒3。当有外部电路接通时，在该势垒电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生相应的输出功率，此即为太阳能电池板的基本工作原理。目前，太阳能
8、电池种类众多，如果按制作材料分，主要有化合物半导体太阳能电池、硅太阳能电池、有机太阳能电池和湿式半导体太阳能电池等。其中，商用太阳能电池中使用最多的是硅太阳能电池，硅太阳能电池又分为单晶硅、多晶硅和非晶硅太阳能电池等。以上不同材料类型的太阳能电池板各有以下特性：非晶硅太阳能电池板成本低廉，但是转换效率也较低，且效率衰减较大；单晶硅太阳能电池转换效率高，稳定性好，但价格较高；多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率，性能价格比高。目前产业化的晶体硅太阳能电池板的光电转换效率约为百分之十四至百分之十八。太阳能光伏发电主要具有以下优缺点4：优点在于：(l)太阳能取之不尽，用之不竭。(2)太阳能不用燃料，
9、运行成本小。(3)太阳能发电系统建设周期短，一次投资长期受益。(4)太阳能光伏发电不会对环境造成污染，是理想的清洁能源。(5)太阳能光伏发电没有运动部件，可靠性高，维护简单。(6)太阳能分布广泛，可就近供电，不须长距离输送，减少了线路上的损耗。(7)太阳能电池工作时输出直流电。缺点在于：(l)太阳能光伏发电的成本还较高。(2)太阳辐射能量密度较低，转换效率不高，大规模使用时要占用很大面积。(3)太阳能光伏发电量受气候影响较大。同时太阳能光伏发电量受太阳辐射强度和温度影响很大，输出功率不稳定，不宜直接使用。太阳能光伏发电应用通常有两种形式：一种是并网发电，另一种是离网式发电。并网发电是将太阳能电
10、池输出的直流电能通过逆变器及控制器变换成与电网同值、同频、同相的同步交流电能，从而实现与电网的联接。这种方法适合于大规模光伏发电。离网式发电是将太阳能电池产生的直流电能通过蓄电池储存起来，在需要供电时由蓄电池向负载提供电能，这种方法适合于小规模光伏发电以及无电网地区的供电。本文主要讨论的是第二种实现方法，即山太阳能电池构成独立的离网式供电系统，为半导体照明提供能源。由于太阳能电池价格成本较高，故而应用太阳能电池供电的系统成本不低。1.2 课题研究的意义进入了二十一世纪，能源短缺和环境污染问题愈来愈严重，也越来越制约着人类的发展，大力发展可再生能源己成为二十一世纪全世界面临最严重的问题之一。据中
11、国资源节约与环境保护单位统计数据显示，中国照明用电量目前约占全社会用电量的12%。而据近来中国电力企业联合会披露的最新统计数据2008年我国全年全社会用电量为3.4万亿度，所以照明用电的年耗电约为4千亿度，相当于5个三峡水力发电工程投产后的发电能力(840亿度)。另一方面，是我国沿海地区，夏季用电高峰，不得不面临拉闸限电的状况，可以说，电力已成为限制当地经济发展的因素。因此道路照明节电，推广太阳能等绿色能源和LED照明，对我国经济发展乃至国计民生都具有重要意义，具有极大的社会价值，经济效益。对LED的特性进行分析，很容易知道LED的工作电流是单向导通的直流，工作电压也较低。若使用常规电网供电(
12、交流电通常为110V、220V、380V等)，必须将市电转变成低压直流电源才能使LED正常工作。这不仅增加了系统成本，同时又降低了能源的利用率。太阳电池能直接将太阳能转化为直流电能，并且可以通过改变太阳电池组件串、并联的方式实现获得所需电压5。这些特点与LED特性相匹配，是传统的市电供能所无法达到的。如果将太阳电池与LED相结合，则无需 AC/DC转换电路，将获得很高的能源利用率、较高的安全性能及可靠性。故而利用清洁的、取之不尽用之不竭的太阳能为能源，与功耗低、寿命长(长达10万小时)、光效高、反应速度快、环保的LED相结合，实现节能、环保、安全、高效的照明系统。从而实现太阳能电池与LED十分
13、完美的结合。同时，蓄电池智能控制策略保证太阳电池发电系统中蓄电池的合理利用，并应用蓄电池智能充电策略最大限度延长蓄电池寿命。太阳能LED照明系统产业化技术可结合城市科技、经济和城市建设、特别是能源与环境方面的发展规划，将LED照明与发展节能技术、可再生洁净能源利用和新型绿色照明灯具推广等统筹考虑。太阳能LED照明产业必将是一个大有发展前途的高新技术产业，不仅是经济的一个新的增长点，更将给社会和人类带来巨大的变革。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
14、明管理的现代化，使城市管理水平更上一层楼。1.3 国内外太阳能光伏发展现状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
15、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6。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
16、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
17、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
18、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7。2 太阳能电池及蓄电池2.1 太阳能电池2.1.1 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8。通常由硅材料制成，因此，太阳能电池又称为光伏电池。太阳能光伏电池正
19、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。在太阳能光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体。太阳能电
20、池单体实际上是一个 PN 结，PN 结在光照下会产生电动势，这种效应称为光生伏特效应。当 PN 结处于平衡状态时，PN 结处有一个耗尽层，耗尽层中存在着势垒电场，电场方向由 N 区指向 P 区。当 PN 结受到光照时，硅原子受光激发而产生电子空穴对，在势垒电场的作用下，空穴向 P 区移动，电子向 N 区移动，从而 P 区就有过剩的空穴，N 区就有过剩的电子，这样便在 PN 附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使 P 区带正电，N 区带负电，从而在 P 区与 N 区之间产生光生伏特效应。若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流
21、过，从而获得功率输出。由上可知，太阳能电池单体将光能转换成电能的工作原理可概括为以下四个过程9：(l) 太阳能电池单体吸收光子，在 PN 结两侧产生称为“光生载流子”的电子-空穴对，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电；(2) 太阳能电池单体 PN 结的光生载流子，通过扩散作用到达空间电荷区；(3) 到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到 N 区，空穴被分离到 P 区；(4) 被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在太阳能电池单体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能。实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并封装后形成的太
22、阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦。太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列，以满足负载功率要求。2.1.2 太阳能电池的分类目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅、磅化锡等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其优缺点。太阳能电池主要可以分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池两大类10。单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池，它
23、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
24、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。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。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
25、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
26、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。2.1.3 太阳能电池的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11：（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-
27、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()：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。（7）填充因子(FF)：最大功率点P max与开路电压(Voc) 及短路电流(Isc) 之比 （2-1）（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。2.
28、1.4 影响太阳能电池输出的因素日照强度和温度是影响电池输出的重要因素，随着日照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加；在日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小，具有负温度系数。此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能电池总有一个最大功率点，温度(或日照强度)不同，最大功率点位置也不同。2.2 蓄电池蓄电池是光伏系统的储能装置，太阳能电池产生的电能先以化学能的形式储存在电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。蓄电池可以反复使用，符合经济实用原则，这是最大优点，蓄电池具有电压
29、稳定、供电可靠、移动方便等优点，广泛用于各个部门和场所。蓄电池的特性直接影响光伏系统的工作效率、可靠性和价格。2.2.1 常见的蓄电池对于蓄电池的种类，就市场上主流产品而言，主要有四类：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池。铅酸蓄电池历史最悠久，至今已有 150 年的历史，其工艺、结构、生产、性能和应用都在不断发展，科学技术的发展给古老的铅酸蓄电池带来蓬勃生机。铅酸蓄电池放电工作电压较平稳，既可小电流放电，也可很大电流放电，工作温度范围宽，可在-4065范围中工作，铅酸蓄电池技术成熟、成本低廉，跟随负荷输出特性好，至今仍是蓄电池中重要产品，但铅酸蓄电池重量大，质量与能量比低，理论上
30、，铅酸蓄电池的质量与能量比为 240Wh/kg，实际只有 1050Wh/kg12。并且，铅酸蓄电池需要维护，充电时间慢。普通铅酸蓄电池由于使用寿命短，效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被淘汰。20 世纪70年代，发展了阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。镉镍电池采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质的碱性蓄电池。用聚酰胺非织布等材料作隔离层；用氢氧化钾水溶液作电解质溶液；电极经卷绕或叠合
31、组装在塑料或镀镍钢壳内。镉镍电池标称电压为 1.2V，具有使用温度范围宽、循环和贮存寿命长、能以较大电流放电等特点，但存在“记忆”效应，常因规律性的不正确使用造成电性能下降。大型袋式和开口式镉镍电池主要用于铁路机车、矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源。圆柱密封式镉镍电池主要用于电动工具、剃须器等便携式电器。小型扣式镉镍电池主要用于小电流、低倍率放电的无绳电话、电动玩具等。由于废弃镉镍电池对环境的污染，该系列的电池将逐渐被性能更好的金属氢化物镍电池所取代。氢镍电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金作负极活性物质，氢氧化钾水溶液作电解液，为绿色环保型电池。高容量型氢镍电池的比能量为 6
32、0100Wh/Kg，高功率型氢镍电池的比能量为 4050Wh/Kg。氢镍电池采取恒电流充电方式充电，根据电池对电流的接受能力可采用不同的电流对电池充电，充电过程中无需对电池单体的电压进行限制，同时，可以实现快速充电。氢镍电池由于采用高导电性电解液，电池内阻较小，可以适应大电流放电，因此它可分为低倍率、中倍率、高倍率电池。对于需要较大功率输出要求的场合比较适用。电池在高温时主要是充电方面的困难较大，氢镍电池在较高温时，副反应氧析出反应会加速，如果有较好的负极性能，在正极上析出的氧气可以在负极上还原，从而使电池内压得以消除。通过调整配方工艺，可以有效地提高电池在高温时的充电效率并可实现高温的快速充
33、电。氢镍电池在-20时可以用比较大的电流放电，足以满足动力输出的需要。目前，电动车上动力电池主要是采用氢镍电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，好的电池，每月在 2%以下（可恢复）。没有记忆效应。工作温度范围宽为-2060。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达
34、 100%，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。除以上四种常见蓄电池外，还出现了钒蓄电池和镁蓄电池。钒电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一，它具有特殊的电池结构，可深度大电流密度放电；充电迅速；比能量高；价格低廉；应用领域十分广阔：如可作为大厦、机场、程控交换站备用电源；可作为太阳能等清洁发电系统的配套储能装置；为潜艇、远洋轮船提供电力以及用于电网调峰等。我国攀枝花和承德
35、等地都具有丰富的钛资源。镁电池以镁为负极，某些金属或非金属氧化物为正极的原电池。现有品种中，有与普通锌锰干电池相似的随时可以放电的镁锰干电池；还有干燥状态下可长期储存，临用时加水使之活化而可随即使用的储备型电池。镁储备型电池的结构根据所需电压及电流的大小有所不同。镁电池主要供军事通信、气象测侯仪、海难救生设备、高空雷达仪等。太阳能路灯控制器一项主要的功能是控制太阳电池向蓄电池充电，控制蓄电池向负载供电，控制整个路灯系统的正常、可靠运行。蓄电池的性能和充放电的方式有很大的关系，为了寻求最佳方案，因此，在设计控制器之前必须做的一项工作是对蓄电池原理，以及充放电过程作一个分析研究。主要以铅酸蓄电池为
36、例来说明蓄电池的原理。铅酸蓄电池是一种利用化学反应，把化学能转变为低压直流电能的电化学电源设备。它既可以储存电能又可释放电能。2.2.2 蓄电池的使用寿命蓄电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到要求时，蓄电池使用失效，这时是电池的使用寿命终止。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期，使用期限是指蓄电池可供使用的时间，使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数，蓄电池每经过一次全充电和全放电叫做一个周期或一个循环，蓄电池的寿命有效期包括所经受的循环寿命或使用期限。早期的VRLA蓄电池，其放电循环寿命只有 5075 次，很少的产品超过 250 次放电循环。现在，随着新的设计和充电原则的采用，V
37、RLA蓄电池的循环寿命已经超过 300次，特殊的设计已经超过 800 次循环寿命。对于VRLA蓄电池的使用寿命，许多厂家都保证小型VRLA蓄电池 3 年以上，中型 5 年以上，大型的 10 年以上。各个厂家所标注的寿命一般很长，如华达蓄电池和美国的GNB蓄电池为 20 年，日本的GS为 15 年等，其它大容量VRLA蓄电池一般也称其寿命可达到 10至20 年，但实际使用时，寿命仅为 78年或更短13。2.2.3 影响蓄电池使用寿命的因素铅酸蓄电池的失效是许多因素综合的结果，既决定于极板的内在因素，诸如活性物质的组成、晶型、孔隙率、极板尺寸、板栅材料和结构等，也取决于一系列的外在因素，如温度、频
38、率、放电深度、平均充电状态和充电方法等。在此主要来说明影响蓄电池寿命的外在因素，因为有些外部因素可以避免来延长蓄电池的使用寿命。放电深度对蓄电池寿命有较大的影响。蓄电池的循环寿命与蓄电池的放电深度有着密切的关系，阀控密封式铅酸蓄电池在放电深度（DOD）为 20%时，循环寿命大于 1500次；当放电深度为 50%时，则循环寿命将降到 500 次左右，而当放电深度为 80%时，循环寿命将只有大约 200 次。由此可以看出放电深度在 20%以下时的循环寿命分别是放电深度在 50%时的循环寿命 3 倍以上，是放电深度在 80%时的循环寿命 5 倍以上。控制蓄电池尽量工作在浅放电状态，将有利于延长蓄电池
39、的使用寿命。过充电会缩短蓄电池的寿命。过充电时有大量气体析出，气泡会损耗极板的外部，可以加速极板上活性材料的腐蚀，减少蓄电池的寿命；在过充期间过量产生的热量会加速自然的腐蚀过程，在蓄电池中，支撑活性材料栅极的腐蚀是一种不断进行的过程，也许最终会决定蓄电池的使用寿命。温度对蓄电池的寿命有重要的影响，这一点对光伏系统的设计者很重要，蓄电池寿命的主要不利因素是它在高温下工作。总体说，较高的工作温度加速正栅极的腐蚀，导致放气现象加剧电解液损失，从而缩短蓄电池寿命。通常较低的工作温度，会增加电池寿命，然而它的容量会大大降低，尤其是铅酸电池。从前面可知，蓄电池的使用寿命除了它本身内在的因素影响外，还受到温
40、度、放电深度 DOD、过充电程度等的影响，因此，为了延长蓄电池的使用寿命，节约系统的成本，在光伏系统中，应使蓄电池在浅放电、不过充过放电以及适合的温度下工作。2.2.4 太阳能 LED 路灯系统中蓄电池的选择应该说国内外大多数太阳能电池厂家的产品已相当成熟，尤其是单晶硅太阳电池，这些产品的光电转换效率、成本和销售价格以及使用寿命，一般都能满足光伏系统设计的需要。而正确地选用作为储能装置的蓄电池，对于光伏系统的设计则非常关键。因为蓄电池在光伏系统应用中很难达到预期寿命。在几种可作为光伏系统选择配套对象的蓄电池体系中，锂离子蓄电池价格太高，且单体大容量技术并未完全成熟，并存在一些安全性问题；镍氢电
41、池和镍镉电池价格较高，并有一定的记忆效应，不利于容量恢复；而铅酸蓄电池价格低、单体电压高、性能稳定、使用温度范围宽，应成为光伏系统配套蓄电池的首选。铅酸蓄电池家族中的阀控密封式（VRLA）蓄电池更为适合光伏照明系统使用，其特点如下14。（1）固定电解液，增进氧气从正极向负极的扩散。超细玻璃纤维隔板具有将电解液吸附的功能，即使蓄电池倾倒，电解液也不会溢出。由于采用特殊结构设计，控制气体的产生，所以正常使用时，蓄电池内部不产生氢气，只产生少量氧气，且产生的氧气可以在蓄电池内部自行复合，由电解液吸收。（2）具有内部密封的结构和自动开关的安全阀。蓄电池在内部压力下工作，以促进氧气化合。蓄电池内部压力达
42、到一定程度时，安全阀自动打开排气；而当气压降到规定限度以下时，安全阀自动关闭。（3）改进的板栅材料。阀控蓄电池的正极板采用高纯度铅锑合金制成，负极用高纯度铅钙合金支撑，板极之间不再采用普通隔板，而是用超细玻璃纤维做为隔膜，电解液全部吸附在隔膜和极板中，不再有游离的电解液，这样的结构可以提高气体释放的过电位，减少电腐蚀的程度。（4）坚硬的外壳。由于阀控蓄电池的外壳要承受一定的内部压力，外壳采用高强度防爆材料制成，外壳更加坚固耐用。（5）不需加水、补酸。阀控蓄电池的阀控密封结构和内部氧循环机制使得其电解液损失小，在使用期间不需要加水、补酸。（6）安装占用空间小，可分层安装在电池架上。（7）对环境污
43、染小。运行期间酸雾和可燃气体逸出少。在阴极吸收过程中，由于产生的水在密封情况下不能溢出，因此 VRLA 蓄电池可以免除加水维护，着也是将 VRLA 蓄电池称为“免维护”蓄电池的由来。基于以上特点，在太阳能照明系统中，一般选用阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池。需要说明的是，免维护的含义并不是任何维护都不做，为了提高蓄电池的寿命，除了免除补充水之外，其它方面检测、维护也是必须的。3 LED固态光源随着白光 LED 光效的提高和成本的降低，LED 作为一种新型的绿色光源产品，被公认为将成为二十一世纪的新型照明光源。3.1 LED光源的特点虽然目前白光 LED 仍处于发展阶段，但与现行照明光源比较，L
44、ED 照明有很多优点。这正是 LED 适合做照明灯具的原因。(1) 光效高白炽灯、卤钨灯的光效为 1224Lm/W，荧光灯的光效为 5070Lm/W，钠灯的光效为 90140Lm/W，大部分的耗电变成热量损耗。LED的光效经改良后可达到50200Lm/W。LED光源色温 45006500K，显色指数 85 以上，颜色更接近于自然光，与高压钠灯相比，人眼感到相同亮度时所需的光强度低许多，因此，在道路照明中采用98W的LED路灯，其照明效果相当于 250W的高压钠灯。目前，世界各国均加紧提高LED光效的研究，在不远的将来其发光效率将有更大的提高。(2) 使用寿命长LED 的使用寿命可以长达 10
45、万小时，传统的光源在这方面无法与之相比。普通白炽灯的寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过一万小时，高压钠灯寿命也不超过二万小时。使用 LED 作为光源，可大大降低灯具更换维修的人工费用。(3) 安全环保现在广泛应用的荧光灯、汞灯等光源中含有危害人体的汞，这些光源的生产过程和废弃的灯管都会造成对环境的污染；LED 为全固态发光体，耐震、耐冲击不易破碎、无热辐射，且不含汞、钠元素等可能危害健康的物质。因其寿命长，淘汰灯具少，产生的废弃物少，是一种“清洁”的光源。(4) 响应时间短气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，需要几十秒至几十分的时间，这是由气体放电光源本身的特性决定的，因为多数
46、气体放电灯的工作物质在常温下是液体或固体，启动后需要一个加热气化的过程，才能达到稳定的工作状态。白炽灯是热辐射光源，给人的感觉是一点就亮，实际上白炽灯启动后也有约零点几秒的上升时间，而 LED 的响应时间只有几十纳秒，因此在一些需要快速响应或高速运动的场合，应用 LED 作为光源是很合适的。(5) 发光体接近点光源LED 的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光源，这样能给灯具设计带来许多方便。白炽灯的发光体是灯丝，有一定的长度，荧光灯的尺寸更大，这些照明光源都不能看成点光源，在灯具设计时首先要建立一个光源辐射模型，处理起来有一定的难度。而点光源的光源辐射模型是最简单的，这
47、有利于 LED 灯具的设计。(6) 可以做成薄型灯具传统的照明光源向空间的几乎每一个方向发光，在设计照明灯具时，为了提高光线的利用效率，通常用曲面反射器来收集光线，使之向所需要的方向照射。由于反射器距光源有一定的距离，反射器的曲面又有一定的曲率，因此整个灯具就有一定的厚度。LED管芯很小，加之 LED 发光的方向性很强，很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折，而不需要使用反射器，这样设计的灯具厚度较小，可以做成薄型灯具。(7) 亮度调节方便由于 LED 的工作电流范围较大，其光输出和工作电流成正比，因此，可以用改变电流的方法来调光。另外，由于 LED 相应时间仅为几十纳秒，还可以采用
48、脉宽调制的方法调光，通过调节占空比和工作频率，能够有效调节 LED 发光强度。相比于传统光源，LED还有色温范围广(300010000K)、体积小、无红外线和紫外线辐射、直流驱动和使用安全等优点。3.2 LED 发光原理及其特性LED 光源其实是一个 PN 结的二极管。它由管芯即发光半导体材料和导线支架组成，管芯周围由环氧树脂封装，以保护管芯。在热平衡下，半导体 PN 结 N 区的电子扩散到 P 区，P 区的空穴扩散到 N 区，这种互扩散运动的少数载流子聚集在 PN 结的两侧，形成势垒，势垒产生的电场将阻止互扩散运动的继续进行。当 PN 结上施加正向电压时，其势垒降低，注入少数载流子，N 区电子注入 P 区，而 P 区空穴注入 N 区。注入的少数载流子将和该区原有的多数载流子复合发光。复合发光根据能带结构，带间的复合可分为
