太阳能交通警示灯毕业论文.doc

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1、 摘要 随着人口的增多和工业化的影响，全球能源消耗正以惊人的速度消耗。世界各国竞相实施了可持续发展的能源政策，其中利用太阳提供能量的光伏发电最受瞩目。目前光伏电池主要应用在独立光伏系统和光伏并网系统，消费类产品的应用实例如太阳能交通警示灯。迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染，使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题更是一个环境保护和能源替代的问题。本文描述模拟太阳能交通警示灯的工作原理，以一个单片机为主要器件构成电压调节电路，用来产生矩形波来控制LED的通断和闪动频率，使用光控电路和蓄电池来实现白天和晚上的LED灯的通和断，由于考虑环境因素对太阳能发电的不稳定性，需要使用一个LED驱动器使电

2、源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光，从而能够延长LED发光的寿命，从而达到正常工作的太阳能交通警示灯产品。本文描述模拟太阳能交通警示灯的工作原理，以一个单片机AT89C51为主要器件构成电压调节电路，用来产生矩形波来控制LED的通断和闪动频率，使用光控电路和蓄电池来实现白天和晚上的LED灯的通和断，由于考虑环境因素对太阳能发电的不稳定性，需要使用一个LED驱动器使电源供应转换为特定的电压电流以驱动LED发光，从而能够延长LED发光的寿命，从而达到正常工作的太阳能交通警示灯产品。关键词：太阳能交通警示灯 LED驱动 蓄电池 控制器 单片机 第1章 绪论1.1太阳能交通警示灯的作用和意义太

3、阳能作为未来的能源是一种非常理想的清洁能源，近年来由于人们对能源、环境问题的日益关注太阳能的应用与普及越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛。我国的太阳能资源丰富，为太阳能的利用创造了有利条件。能源危机迫使各国政府大力发展太阳能产业。随着人口的增多和工业化的影响，全球能源消耗正以惊人的速度消耗。从环保角度考虑，随着环境污染、生态破坏及资源枯竭的日趋严重近年来世界各国竞相实施了可持续发展的能源政策，其中利用太阳提供能量的光伏发电最受瞩目。光伏发电因其具有安全可靠无污染、无需消耗燃料、无需机械转动部件、故障率低、维护方便等独特优点正受到各国的普遍重视。各国政府将会大力发展太阳能产业。目前光伏电

4、池主要应用在独立光伏系统和光伏并网系统，消费类产品的应用实例如太阳能调通警示灯。迫于全球性日益严重的资源短缺和环境污染，使得光伏产业的发展不仅仅是一个经济问题更是一个环境保护和能源替代的问题。 随着现在技术与科技的不断提升,太阳能交通信号灯的使用越来越普遍,方便,新型的太阳能交通设施产品也层出不穷.最新的太阳能信号灯产品出现有:太阳能自动警示信号灯 ,抗风型太阳能交通信号灯,带有吸附面的太阳能信号灯, 道口栏木太阳能信号灯等等,功能有太阳能无线智能交通信号灯控制系统,太阳能无线遥控交通信号灯控制系统, 太阳能路口交通信号灯无线传输控制系统, 基于太阳能及风力供电的绿色无线控制交通信号灯系统。警

5、示灯一般用在维护道路安全，通常是用在警车工程车、消防车急救车防范管理车道路维修车牵引车紧急A/S车、机械设备等开发。一般情况下，警示灯是按车种和用处分为多样的长度，有灯罩组合的构造，需要时一边方向的灯罩可以组合复合颜色。此外，还可以根据光源形式的不同，分为：1.灯泡转灯；2.LED闪光；3.氙气灯管频闪，其中LED闪光形式的是灯泡转灯形式的升级版，成为了现在太阳能交通警示灯的潮流，使用寿命更长，更节能，更低热！1.2 太阳能交通警示灯的工作原理和过程太阳能交通灯系统工作原理和过程很简单，首先就是由动力源部分即太阳能电池板利用光生伏特效应原理在白天由电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放

6、电控制器储存在蓄电池中，同时通过稳压器向交通灯提供电能以使其正常工作。当夜晚照度逐渐降低，太阳能电池板开路电压降低到所规定的值时，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。当过了一个黑夜，到白天时充放电控制器侦测到太阳能电池板的电压达到所规定的充电电压时就继续向蓄电池充电，从而完成循环。其次，当太阳能电池板和蓄电池完成电能的产生和储存之后，它们就会向交通灯部分供电。交通灯部分是由单片机 AT89C51所控制的，由发光二极管组成的 LED 灯等元器件组成的。在单片机 AT89C51中有写入的所控制灯闪烁的程序，它是交通灯控制系统的大脑。当加电之后，系统根据所编程序来执行命令，从而完成

7、对交通灯的闪烁控制。1.3 主要内容和设计要求本次设计方案选用以C51单片机为核心芯片，通过控制LED驱动芯片CAT4104来控制LED等的亮灭来实现警示灯的闪烁，电源采用太阳能及其备用电池来实现；设计过程中要求有太阳能电池板功率的计算和选用以及蓄电池的容量和恒流充放电控制盒状态显示。此次毕业设计的总体设计可分为三个大的模块，分别为：大功率LED的驱动、独立光伏发电系统、交通警示灯闪烁控制电路。在前后方向上各有两组发光单元，且都有LED的并串联组成，再有LED大功率驱动电路驱动大量的LED灯，构成整个系统的发光系统。再有太阳能电池板、蓄电池、光伏控制器构成的独立光伏发电系统作为整个系统的电源为

8、其供电。由单片机输出端的脉冲给CAT4104一个信号，来控制CAT4104出入端和输出端的通断来控制LED灯的闪烁。第2章 太阳能光伏发电系统的概述2.1 光伏发电系统的原理 太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。太阳能电池发电的原理简单来说是光生伏打效应。当太阳光（或其他光）照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子空穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流出，从而获得功率输出。这

9、样，阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。 太阳能电池将光能转换成电能的工作原理概括为如下3 个主要过程：太阳能电池吸收一定数量的光子后，半导体内产生电子空穴对，称为“光生载流子”，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电；电性相反的光生载流子被半导体p-n 结所产生的静电场分离开；光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通

10、过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。太阳能电能化学能电能光能。2.2太阳能光伏发电系统的组成光伏发电系统是利用光电效应原理将太阳能转换为电能的发电系统，通常由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等组成，如图1-1图1-1 太阳能光伏发电系统的组成太阳能电池组件的作用是将太阳能转化为电能，供给负载工作或给蓄电池组充电；控制器的作用是对蓄电池组的充放电进行保护；蓄电池组用于存储电能；逆

11、变器的作用是将直流电变换为交流电。在夜晚或阴雨天，太阳电池组件无法工作时，由蓄电池组供电给负载工作。可见，蓄电池组在光伏发电系统中起着相当重要的作用。2.2.1 太阳能光伏发电的优缺点 （1）太阳能光伏发电的优点 太阳能光伏发电过程简单，没有机械转动部件，不消耗燃料，不排放包括温室气体在内的任何物质，无噪声，无污染，太阳能资源分布广泛且取之不尽，用之不竭。因此，与风力发电和生物质能发电相比，光伏发电是一种最可持续发展理想特征的可再生能源的发电技术，其主要优点如下： 太阳能资源取之不尽用之不竭,照射到地球上的太阳能要比人类消前消耗的能量大6000倍,而且太阳能在地球上分布广泛,只要有光照的地方就

12、可以使用光伏发电系统,不受地域限制. 太阳能资源随处可得,可就地发电、供电，不必长距离输送，避免了长距离输送电线路的电能损失。 光伏发电是直接从光子到电子的转换，没有中间过程和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80%以上，技术开发潜力大。 光伏发电本身不用燃料，不排放包括温室气体和其他废气的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击，太阳能是真正绿色环保的可再生新能源。 光伏发电过程不需要冷却水，发电装置可安装在没有谁的荒漠、戈壁上。光伏发电还可以很方便的与建筑物结合，构成光伏建筑一体化发电系统，不需要单独占

13、地，可节省宝贵的土地资源。 光伏发电无机械转动部件，操作维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳电池组件就能发电，加之自动控制的广泛使用，基本上可实现无人值守，维护成本低。 光伏发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达25到30年。 太阳电池组件结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。（2）太阳能光伏发电的缺点 能量密度低。尽管太阳投向地球的能量总和极其巨大，但由于地球表面积也很大，而且地球表面大部分被海洋覆盖，真正能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围辐射能量的10%左右，致使在

14、陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量较少。 占地面积大。太阳能能量密度低，这就使得光伏发电系统占地面积会很大，每10kw光伏发电功率占地约需100，平均每平方米面积发电功率为100w。随着光伏建筑一体化发电技术的成熟与发展，越来越多的光伏发电系统可以利用建筑物、建筑物的屋顶和立面，以逐步改善光伏发电系统占地面积大的不足。 转换效率低。光伏发电的最基本单元是太阳电池组件。光伏发电的转换效率指的是光能转换成电能的比率。目前晶体硅光伏发电的转换效率最高为17%左右，非晶硅光伏电池最高不超过10%。由于光电转换效率太低，光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。因此，太阳电池的转换效率低是阻碍光伏发

15、电大面积推广的瓶颈之一。 间歇性工作。在地球表面，光伏发电系统只能在白天发电，晚上则不能发电，这和人们的用电方式和用电习惯不符。 受自然条件喝气候环境因素影响大。太阳能光伏发电的能源直接来源于太阳光的照射，而地球表面上的太阳光照射受自然条件和气候的影响很大，一年四季、昼夜交替、地理纬度和海拔高度等自然条件以及阴晴、雨雪、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。另外，环境因素的影响也很大，特别是空气中的颗粒物降落在太阳电池组件表面，也会阻挡部分阳光的照射，是电池组件转换效率降低，发电量减少。 地域依赖性强。不同的地理位置和气候，使各地区的日照资源相差很大。光伏发电系统只有在太阳能资源丰富的

16、地区应用效果才好。 系统成本高。由于太阳能光伏发电的效率较低，到目前为止光伏发电的成本任然是其他常规发电方式的几倍，这是制约其广泛应用的主要因素。 晶体硅电池的制造过程高污染、高耗能。晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子，从沙子一步步变成硅，期间要经过多道化学和物理处理，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。2.2.2太阳能光伏发电的应用 太阳电池及光伏发电系统已经逐步应用到工业、农业、科技、国防及人们生活的方方面面，预计到21世纪中叶，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在可再生能源结构中占有一定比例。太阳能光伏发电的具体应用主要有以下几个方

17、面。(1)通信领域的应用：包括太阳能无人值守微波中继站，光缆通信系统及维护站，移动通信基站，广播、通信、无线寻呼电源系统，卫星通信和卫星电视接收系统，载波电话光伏系统，小型通信机，部队通信系统，士兵GPS供电等。（如图2-2所示）图2-2太阳能微波中继站（2）公路、铁路、航运交通领域的应用：如铁路和公路信号系统，铁路信号灯，交通警示灯，标志灯，信号灯，公路太阳能路灯，太阳能道钉灯、高空障碍灯，高速公路监控系统，高速公路、铁路无线电话亭，无人值守道班供电，航标灯灯塔和航标灯电源等，（如图2-3所示）。 图2-3太阳能灯具的应用 图2-3太阳能灯具的应用（3）石油、海洋、气象领域的应用：石油管道阴

18、极保护和水库闸门阴极保护的太阳能电源系统，石油钻井平台生活及应急电源，海洋监测设备，气象和水文观测设备、观测站电源系统等。 （4）农村和边远无电地区的应用：在高原、海岛、牧区、边防哨所等农村和边远无电地区应用太阳能光伏户用系统等。 （5）太阳能光伏照明方面的应用：太阳能光伏照明包括太阳能路灯、庭院灯、草坪灯，太阳能景观照明，太阳能路标标牌、信号指示、广告灯箱照明等，还有家庭照明灯具（如图2-3所示）及手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、节能灯、手电等。 （6）大型光伏发电系统的应用：大型光伏发电系统是100kw-50mw的地面独立或并网光伏电站、风光互补电路、各种大型停车场充电站等。2.3太阳能光

19、伏发电系统构成、工作原理与分类2.3.1太阳能光伏发电系统的构成太阳能光伏系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。2.4 光伏电池组件单体太阳电池不能直接做电源使用。作电源必须将若干单体电池串、并联连接和严密封装成组件。光伏组件（也叫太阳能电池板）是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。又称太阳电池组件( Solar Cell module)，是指具有封装及内部联结的，能单独提供直流电输出的，最小不可分割的光伏电池组合装置。光伏组件（俗称

20、太阳能电池板）由太阳能电池片（整片的两种规125*125mm、156*156mm、124*124mm等）或由激光切割机机或钢线切割机切割开的不同规格的太阳能电池组合在一起构成。由于单片太阳能电池片的电流和电压都很小，然后我们把他们先串联获得高电压，再并联获得高电流后，通过一个二极管（防止电流回输）然后输出。并且把他们封装在一个不锈钢、铝或其他非金属边框上，安装好上面的玻璃及背面的背板、充入氮气、密封。整体称为组件，也就是光伏组件或说是太阳电池组件。如图所示图1-2 太阳能光伏组件2.4.1组件制作流程组件制作流程 经电池片分选-单焊接-串焊接-拼接(就是将串焊好的电池片定位,拼接在一起)-中间

21、测试(中间测试分:红外线测试和外观检查)-层压-削边-层后外观-层后红外-装框(一般为铝边框)-装接线盒-清洗-测试(此环节也分红外线测试和外观检查.判定该组件的等级)-包装。(1)电池测试由于电池片制作条件的随机性，生产出来的电池性能不尽相同，所以为了有效的将性能一致或相近的电池组合在一起，所以应根据其性能参数进行分类；电池测试即通过测试电池的输出参数（电流和电压）的大小对其进行分类。以提高电池的利用率，做出质量合格的电池组件。(2)正面焊接将汇流带焊接到电池正面（负极）的主栅线上，汇流带为镀锡的铜带，我们使用的焊接机可以将焊带以多点的形式点焊在主栅线上。焊接用的热源为一个红外灯（利用红外线

22、的热效应）。焊带的长度约为电池边长的2倍。多出的焊带在背面焊接时与后面的电池片的背面电极相连。(3)背面串接背面焊接是将电池串接在一起形成一个组件串，我们目前采用的工艺是手动的，电池的定位主要靠一个膜具板，上面有放置电池片的凹槽，槽的大小和电池的大小相对应，槽的位置已经设计好，不同规格的组件使用不同的模板，操作者使用电烙铁和焊锡丝将“前面电池”的正面电极（负极）焊接到“后面电池”的背面电极（正极）上，这样依次串接在一起并在组件串的正负极焊接出引线。(4)层压敷设背面串接好且经过检验合格后，将组件串、玻璃和切割好的EVA 、玻璃纤维、背板按照一定的层次敷设好，准备层压。玻璃事先涂一层试剂（pri

23、mer）以增加玻璃和EVA的粘接强度。敷设时保证电池串与玻璃等材料的相对位置，调整好电池间的距离，为层压打好基础。（敷设层次：由下向上：钢化玻璃、EVA、电池片、EVA、玻璃纤维、背板）。(5)组件层压将敷设好的电池放入层压机内，通过抽真空将组件内的空气抽出，然后加热使EVA熔化将电池、玻璃和背板粘接在一起；最后冷却取出组件。层压工艺是组件生产的关键一步，层压温度层压时间根据EVA的性质决定。我们使用快速固化EVA时，层压循环时间约为25分钟。固化温度为150。(6)修边层压时EVA熔化后由于压力而向外延伸固化形成毛边，所以层压完毕应将其切除。(7)装框类似与给玻璃装一个镜框；给玻璃组件装铝框

24、，增加组件的强度，进一步的密封电池组件，延长电池的使用寿命。边框和玻璃组件的缝隙用硅酮树脂填充。各边框间用角键连接。(8)焊接接线盒在组件背面引线处焊接一个盒子，以利于电池与其他设备或电池间的连接。(9)高压测试高压测试是指在组件边框和电极引线间施加一定的电压，测试组件的耐压性和绝缘强度，以保证组件在恶劣的自然条件（雷击等）下不被损坏。(10)组件测试测试的目的是对电池的输出功率进行标定，测试其输出特性，确定组件的质量等级。目前主要就是模拟太阳光的测试Standard test condition（STC），一般一块电池板所需的测试时间在7-8秒左右。2.4.2光组件的主要参数硅太阳能电池的性

25、能参数主要有：短路电流、开路电压、峰值电流、峰值电压、峰值功率、填充因子和转换效率等。短路电流()：当将太阳能电池的正负极短路、使u=0时，此时的电流就是电池片的短路电流，短路电流的单位是安培(A)，短路电流随着光强的变化而变化。开路电压()：当将太阳能电池的正负极不接负载、使i=0时，此时太阳能电池正负极间的电压就是开路电压，开路电压的单位是伏特(V)。单片太阳能电池的开路电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.50.7v。峰值电流()：峰值电流也叫最大工作电流或最佳工作电流。峰值电流是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电流，峰值电流的单位是安培(a)。峰值电压()：峰值电压也叫最大工作电

26、压或最佳工作电压。峰值电压是指太阳能电池片输出最大功率时的工作电压，峰值电压的单位是v。峰值电压不随电池片面积的增减而变化，一般为0.450.5v，典型值为0.48v。峰值功率()：峰值功率也叫最大输出功率或最佳输出功率。峰值功率是指阳能电池片正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积：。峰值功率的单位是w(瓦)。太阳能电池的峰值功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和电池片的工作温度，因此太阳能电池的测量要在标准条件下进行，测量标准为欧洲委员会的101号标准，其条件是：辐照度lkw、光谱aml.5、测试温度25。 填充因子(ff)：填充因子也叫曲线因子，是指太阳能电池的最

27、大输出功率与开路电压和短路电流乘积的比值。计算公式为。填充因子是评价太阳能电池输出特性好坏的一个重要参数，它的值越高，表明太阳能电池输出特性越趋于矩形，电池的光电转换效率越高。串、并联电阻对填充因子有较大影响，太阳能电池的串联电阻越小，并联电阻越大，填充因子的系数越大。填充因子的系数一般在0.50.8之间，也可以用百分数表示。转换效率()：转换效率是指太阳能电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的太阳能量功率的比值。即： （3.1）其中。第3章 太阳能光伏控制器3.1控制器的基本工作原理 太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即单日照强度改变时，其开路电压不会有大大的改变，但所产生的最大电流

28、会有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随之改变。然而当光强度一定时，太阳能电池输出的电流一定，可以认为是恒流源。在几个组成部分中，控制器的作用是对系统运行状态进行数据采集和监控，控制整个系统充放电回路的状态，保证供电系统能在长期无人值守的情况下可靠地运行，配以输入、输出、显示、控制等外围电路，组成一个实用控制系统。如图所示图2-1 控制器3.2 控制器的功能 控制器需对太阳能光伏发电系统的运行情况和环境状况进行检测，包括光强、温度、充电电流、蓄电池电压和蓄电池温度等，并最终完成控制器具有的控制和保护功能。如过充和过放保护、负载过流及短路保护、过压保护、防反充功能、太阳能电池反接保护、蓄

29、电池反接保护、蓄电池开路保护等。 太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充电控制器对蓄电池充电，同时供给负载用电。充放电控制器的功能有两个，一是对蓄电池的充放电保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是储能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电；二是提供稳定的直流电压源给逆变器或直流负载使用。控制器应具有的主要功能有：（1）高压（HVD）断开和恢复功能；（2）欠压（LVG）告警断开和恢复功能；（3）防止蓄电池过充电和过放电；（4）防止电池板或光伏方阵、蓄电池极性接反；（5）防止负载、控制器、逆变器和其他设备内部短路；（6）具有防雷击引起的击穿保护；（7）具有温度补偿的功能；（8）显

30、示光伏发电系统的各种工作状态，包括蓄电池（组）电压、负载状态、光伏方阵工作状态、辅助电源状态、环境温度状态、故障报警等。3.3太阳能警示灯光伏控制器的设计根据上文可知光伏系统的系统电压为12V，而充电电流为0.67A，负载电流为0.24A，所以太阳能控制器选12V，5A 第4章 太阳能光伏储能电池4.1铅酸蓄电池铅酸水电池又称为铅酸蓄电池，它的电极是由铅和铅的氧化物构成，电解液是硫酸的水溶液。主要优点是电压稳定、价格便宜；缺点是比能低(即每公斤蓄电池存储的电能)、使用寿命短和日常维护频繁。老式普通蓄电池一般寿命在2年左右，而且需定期检查电解液的高度并添加蒸馏水。不过随着科技的发展，普通蓄电池的

31、寿命变得更长而且维护也更简单了。铅酸蓄电池最明显的特征是其顶部有6个可拧开的塑料密封盖，上面还有通气孔。这些密封盖是用来加注、检查电解液和排放气体之用。按照理论上说，铅酸蓄电池需要在每次保养时检查电解液的高度，如果有缺少需添加蒸馏水。但随着蓄电池制造技术的升级，铅酸蓄电池发展为铅酸免维护蓄电池，铅酸蓄电池使用中无需添加电解液或蒸馏水。主要上利用充电达到水分解循环。铅酸水电池大多应用在三轮车，而免维护铅酸蓄电池应用范围更广，包括不间断电源、电动车。铅酸蓄电池根据应用需要分为恒流放电（如 不间断电源）和瞬间放电（如 汽车启动电池）。4.2 蓄电池的作用 蓄电池的作用主要是存储太阳电池发出的电能，并

32、可随时向负载供电。太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：自放电率低，使用寿命长，充电效率高，深放电能力强，工作温度范围宽，少维护或免维护以及价格低廉。目前为光伏系统配套使用的主要是免维护铅酸电池，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器等。当有大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成电池组。4.3 铅酸蓄电池的工作原理4.3.1 铅酸蓄电池电动势的产生：1铅酸蓄电池充电后，正极板是二氧化铅（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化铅与水生成可离解的不稳定物质氢氧化铅（），氢氧根离子在溶液中，铅离子（）留在正极板上，故正极板上缺少电子。2.铅酸蓄电池充电后

33、，负极板是铅（），与电解液中的硫酸（）发生反应，变成铅离子（），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子（2e）。 可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。4.3.2 铅酸蓄电池放电过程的电化反应：1.铅酸蓄电池放电时，在蓄电池的电位差作用下，负极板上的电子经负载进入正极板形成电流I ，同时在电池内部进行化学反应。2.负极板上每个铅原子放出两个电子后，生成的铅离子（）与电解液中的硫酸根离子（）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（）。3.正极板的铅离子（）得到来自负极的两个电子（2e）后，变成二价

34、铅离子（）与电解液中的硫酸根离子（）反应，在极板上生成难溶的硫酸铅（）。正极板水解出的氧离子（）与电解液中的氢离子（）反应，生成稳定物质水.4.电解液中存在的硫酸根离子和氢离子在电力场的作用下分别移向电池的正负极，在电池内部形成电流，整个回路形成，蓄电池向外持续放电。5.放电时浓度不断下降，正负极上的硫酸铅（）增加，电池内阻增大（硫酸铅不导电），电解液浓度下降，电池电动势降低。6.化学反应式为： 4.3.3 铅酸蓄电池充电过程的电化反应1.充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。2. 在正极板上，在外

35、界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（ ）和硫酸根负离子()由于外电源不断从正极吸取电子，则正极板附近游离的二价铅离子（）不断放出两个电子来补充，变成四价铅离子（ ），并与水继续反应，最终在正极极板上生成二氧化铅（ ）。3.在负极板上，在外界电流的作用下，硫酸铅被离解为二价铅离子（ ）和硫酸根负离子（），由于负极不断从外电源获得电子，则负极板附近游离的二价铅离子（ ）被中和为铅（），并以绒状铅附在负极板上。4.电解液中，正极不断产生游离的氢离子（ ）和硫酸根离子（），负极不断产生硫酸根离子（），在电场的作用下，氢离子向负极移动，硫酸根离子向正极移动，形成电流。5.充电后期，在外电流的作用下

36、，溶液中还会发生水的电解反应。6.化学反应式为：4.4 光伏发电系统用VRLA蓄电池特点4.4.1、光伏发电系统用蓄电池的工作方式蓄电池的工作方式可分为循环使用和浮充使用两种。经常处于频繁的充放电工作状态，即循环使用；经常处于充电状态则为浮充使用，能弥补蓄电池因自放电而造成的容量损失。光伏发电系统用VRLA蓄电池属于循环使用方式。4.4.2、光伏系统用蓄电池充放电特性光伏发电系统用蓄电池充放电特性一般有4点：（1）白天充电，晚上以及阴、雨天放电；（2）充电倍率低，平均充电电流一般为0.010.02C，很少达到0.10.2C；（3）放电电流小，放电倍率通常为0.0040.05C；（4）一次充电时

37、间较短，即使长的时候仅为约10h。光伏系统很少能完全、快速地给蓄电池充满电，蓄电池往往会处于欠充电状态。4.4.3、阀控式铅酸蓄电池结构（1）采用多元优质板栅合金，提高气体释放的过电位。即普通蓄电池板栅合金在2.30V/单体（25）以上时释放气体。采用优质多元合金后，在2.35V/单体（25）以上时释放气体，从而相对减少了气体释放量。 （2）让负极有多余的容量，即比正极多出10%的容量。充电后期正极释放的氧气与负极接触，发生反应，重新生成水，即 O2+2Pb2PbO+2H2SO4H2O+2PbSO4，使负极由于氧气的作用处于欠充电状态，因而不产生氢气。这种正极的氧气被负极铅吸收，再进一步化合成

38、水的过程，即所谓阴极吸收。 （3）为了让正极释放的氧气尽快流通到负极，必须采用和普通铅酸蓄电池所采用的微孔橡胶隔板不同的新型超细玻璃纤维隔板。其孔率由橡胶隔板的50%提高到90%以上，从而使氧气易于流通到负极，再化合成水。另外，超细玻璃纤维隔板具有将硫酸电解液吸附的功能，因此即使电池倾倒，也无电解液溢出。 （4）采用密封式阀控滤酸结构，使酸雾不能逸出，达到安全、保护环境的目的。 在上述阴极吸收过程中，由于产生的水在密封情况下不能溢出，因此阀控式密封铅酸蓄电池可免除补加水维护，这也是阀控式密封铅酸蓄电池称为免维电池的由来。但是，免维的含义并不是任何维护都不做，恰恰相反，为了提高阀控式密封铅酸蓄电

39、池的使用寿命，有许多维护工作等着我们去做，正确的使用方法只有在做中才能探索出来。4.5 蓄电池容量 电池容量是指电池储存电量的数量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。电池的容量可以分为额定容量（标称容量）、实际容量。 （1）额定容量 额定容量是电池规定在在25环境温度下，以10小时率电流放电，应该放出最低限度的电量(Ah)。 a、放电率。放电率是针对蓄电池放电电流大小，分为时间率和电流率。放电时间率指在一定放电条件下，放电至放电终了电压的时间长短。依据IEC标准，放电时间率有20，10，5，3，1，0.5小时率及分钟率，分别表示为：20Hr，10Hr，5H

40、r，3Hr，2Hr，1Hr，0.5Hr 等。 b、放电终止电压。铅蓄电池以一定的放电率在25环境温度下放电至能再反复充电使用的最低电压称为放电终了电压。大多数固定型电池规定以10Hr放电时（25）终止电压为1.8V/只。通常，为使电池安全运行，小于10Hr的小电流放电，终止电压取值稍高，大于10Hr的大电流放电，终止电压取值稍低。在通信电源系统中，蓄电池放电的终止电压，由通信设备对基础电压要求而定。 放电电流率是为了比较标称容量不同的蓄电池放电电流大小而设的，通常以10小时率电流为标准，用I10表示，3小时率及1小时率放电电流则分别以I3、I1表示。 c、额定容量。固定铅酸蓄电池规定在25环境

41、下，以10小时率电流放电至终了电压所能达到的额定容量。10小时率额定容量用C10表示。10小时率的电流值为C10/10 其它小时率下容量表示方法为：3小时率容量(Ah)用C3表示， 在25环境温度下实测容量(Ah)是放电电流与放电时间(h)的乘积，阀控铅酸固定型电池C3和I3值应该为C3=0.75 C10(Ah) I3=2.5 I10(h) 1小时定容量(Ah)用C1表示，实测C1和I1值应为C1=0.55 C10(Ah) I1=5.5 I10(h) (2)实际容量 实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为Ah。电池内阻 电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻

42、，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。电池的内阻不是常数，在充放电过程中 随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度和温度都在不断地改变。欧姆电阻遵守欧姆定律；极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度的对数增大而线性增大。 4.6太阳能电池功率的计算太阳能警示灯的容量计算一般可以按照独立光伏发电系统的设计方法进行，所以我们采用这个计算公式： （3-2）在公式中，太阳能电池组件功率、用电器功率的单位都是瓦（W）；用电时间和当地峰值日照时数的单位都是小时（h）。 损耗系数主要有线路损耗

43、、控制器接入损耗、太阳能电池板玻璃表面脏污及安装倾角不能兼顾冬季和夏季等因素，可根据需要在1.62之间选取。由上文知道每个发光单元的功率为：红光： 8.8*0.06=0.528（W）蓝光： 10.2*0.08=0.816(W)故 用电器功率为0.528*2+0.816*2=2.688（W）考虑到警示灯是亮0.2s灭0.2s，所以亮的时间和灭的时间是相等的。故 用电时间=24/2=12（h）根据查表可知武威为4.4小时。损耗系数我们取1.6将上述数据带入公式3.111.7295W所以选取太阳能电池组件为12W，而光伏发电系统的系统电压为12V，故蓄电池标称的电压也为12V，而电池组件的电压应该大

44、于蓄电池标称电压的20%到30%，所以电池组件的工作电压要大于14.4V。由于考虑到太阳能电池的富余量，所以我们选取工作电压为18V的太阳能电池组件。根据计算，太阳能警示灯的光伏发电系统所用的电池组件的规格如下表所示表 电池组件的规格如下表所示型号DZRC-P156-12W-18V功率(W)12W最大工作电流(A)0.67A最大工作电压(V)18V短路电流(A)0.75A开路电压(V)21.5V 第5章 太阳能交通信号灯双面两闪灯的系统配置5.1单片机AT89C51AT89C51是一种高效微控制器，它是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的

45、Flash只读程序存储器(FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory) 和1288位的随机存取数据存储器(RAM)，该器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，它与MCS-51系统产品兼容，AT89C51单片机功能强大，具有8Kb中央处理器（CPU）和4KbFlash程序存储器，性价比高，可应用于很多要求高性价比的场合，灵活地应用于各个控制领域9。5.1.1 AT89C51的主要性能l 内含4Kb可重编程的FPEROM；l 与MCS-51产品指令系统完全兼容；l 1288位的内部RAM；l 4个8位(32根)双向可位

46、寻址的I/O端口；l 2个16位的计数/定时器；l 全双工方式的串行通道(UART)；l 6个中断源；l 5个向量二级中断结构；l 最高时钟振荡频率可达12MHz；l 指令集中64条为单周期指令，支持6种寻址方式，共111条指令；l 低功耗空闲和掉电方式；l 片内振荡器和时钟电路。5.1.2 AT89C51的引脚功能 AT89C51为双列直插（DIP）式封装的51单片机芯片，有40条引脚，其引脚示意及功能分类如图3.2所示。图 AT89C51单片机引脚图各引脚功能说明如下： （1）主电源引脚 Vcc（40脚）：接+5（120）V电源正端； Vss（20脚）：接地。 （2）I/O引脚P0口（39

47、32脚）：P0.0P0.7统称为P0口。P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,分时复用为低8位地址总线和双向数据总线。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器时，这组端口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当Flash进行校验时，P0口输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口（18脚）：P1.0P1.7统称为P1口，可作为准双向I/O口使用。P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。P1口被外部下拉为低电平时，输出电流，是因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在Flash编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口（2128脚）：P2.0P2.7统称为P2口，一般作为准双向I/O使