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1、LED太阳能光伏庭院灯,前言,人类发明太阳电池以后不久就应用在照明装置上。近年来，由于人们的环境保护意识的提高，在我国太阳能光伏照明装置得到了重视和推广应用，但同时也出现许多质量问题。尤其是照度和可靠性等质量问题困扰着我国太阳能光伏照明装置的发展。针对以上问题，我们对太阳能光伏照明装置的四大主要部件“太阳电池”、“光源”、“蓄电池”和“控制器”的可靠性对太阳能光伏照明装置的影响进行了比较系统的分析，并根据我们多年来对太阳电池应用技术研究的经验，提出了解决的方法。,太阳能路灯作为新型高科技节能产品替代传统路灯，可以实现路灯白天自身发电，晚上照明，路灯不耗能。具有环保节能，解决城市公共照明耗能大的
2、问题，节省电费开支，经济效益和社会效益明显。本文首先综述了太阳能电池和蓄电池及其充放电的发展动态、原理、性能、特点及其相关知识。然后以当今使用的庭院灯铅酸蓄电池的充放电为模型，设计了一套蓄电池充放电管理系统。本文对太阳能LED庭院灯系统的应用做了较深入探讨与介绍。关键词：太阳能电池，LED，铅酸蓄电池，充放电控制器,摘 要,太阳能庭院灯系统结构,2 太阳能庭院灯系统结构2.1 太阳能庭院灯的构造太阳能LED庭院灯的基本构造，如图1和图2所示。图1 太阳能庭院灯实物图 图2 太阳能庭院灯基本构造系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能
3、电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）。,太阳能庭院灯工作原理介绍,太阳能庭院灯的太阳能电池板利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能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
4、至10lux左右、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。蓄电池放电时间可以自行设定，也可以光控，充放电控制器的主要作用是保护蓄电池，并对路灯的开关进行控制,太阳能庭院灯的工作原理,系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能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到一定程度时，充放电控制器侦测到低于设定电压值后动作，蓄电池对灯头放电，开始照明。蓄电池放电到设定时间后，充放电控制器动作，切断路灯供电电路，使路灯熄灭蓄电池放电结束。图3即为太阳能庭院灯系统的基本原理框图。,图3 太
5、阳能庭院灯系统基本原理图,太阳能庭院灯灯具系统设计理念,太阳能庭院灯系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、太阳能充放电控制器（含太阳能庭院灯光控和时控）、控制箱、LED光源、太阳能专用免维护蓄电池组和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利。太阳能庭院灯控制箱箱体以不锈钢或者镀锌铁板喷塑为材质，美观耐用；蓄电池地埋箱放置免维护胶体蓄电池。本系统选用太阳能胶体酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。
6、,设计要求,泉州地区，负载输入电压9V功耗3W，每天工作时间为8小时，保证连续阴雨天数6天。光源设计为6V（LED）x1只。泉州属亚热带海洋性季风气候，年平均气温19.521，终年温暖湿润 泉州地区近年年均辐射量89Kcal/cm2，经简单计算泉州地区峰值日照时数约为5.01h，选用峰值输出功率55Wp，应该可以保证太阳能庭院灯系统在一年大多数情况下的正常运行。储能设备选型，采用一块4.5Ah的免维护胶体蓄电池，密封采用蓄电池专用防水抗旱地埋箱。太阳能庭院灯倾角设计 为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题
7、的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次太阳能庭院灯使用地区为北京地区，依据本次设计参考相关文献中的资料，选定太阳能电池组件支架倾角为45度。,太阳能庭院灯的抗风设计,在太阳能庭院灯系统中，结构上一个需要非常重 视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑
8、的是电池组件支架与灯杆的连接。在本套灯具系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。,太阳能庭院灯零部件选用,太阳能电池太阳能电池是利用硅等半导体的光伏效应通过p-n结构直接把太阳光转化为电能。由于太阳电池本身易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气中，光电转化效率会由于潮湿、灰尘、酸雨等影响而使性能下降，以至损坏失效。因此，太阳电池一般都必须通过胶封、层压等方式封装成平板式构造再投入使用。其中以层压封装的方法最为普遍，即将太阳电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、粘结性好的热熔性EVA胶膜包封，采用透明率高、耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的Tedlar复合薄膜（聚氟乙烯
9、复合膜）或玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺使EVA胶膜将电池片、正面盖板和背板黏合为一个整体，从而构成一个实用的太阳电池发电器件，一般称为太阳电池组件或组件，俗称太阳电池或电池板。常规硅太阳能电池（如图4），是一个p型硅材料制成的n+/p型结构常规太阳能电池的示意图。p层为基体，厚度为0.2-0.5mm。基体材料称为基区层，简称基区。p层上面是n层。它又称为顶区层，有时也称为发射区层，简称顶层。它是在同一块材料的表面层用高温掺杂扩散方法制得的，因而又称为扩散层。由于它通常是重掺杂的，故标记为n+。n+层的厚度为0.20.5m。扩散层处于电池的正面。所谓正面，就是光照的表面，所以也称为光照
10、面。p层和n层的交界面处是pn结。扩散层上有与它形成欧姆接触的上电极。它由母线和若干条栅线组成。栅线的宽度一般为0.2mm左右。栅线通过母线连接起来。母线宽度为0.5mm左右，视电池面积大小而定。集体下面有与它形成欧姆接触的下电极。上下电极均由金属材料制作，其功能是将由电池产生的电能引出。在电池的光照面有一层减反射膜，其功能是减少光的反射，使电池接受更多的光。常见的太阳能电池有：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。太阳能电池工作原理的基础，是半导体pn结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
11、在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是半导体中，光能转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。可将半导体太阳能电池的发电过程概括成以下四点：首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子（光生载流子）电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在他们被分离之前不会复合消失。这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p-n结内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在一边，在p-n结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。在太阳
12、能电池p-n结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能。总所周知，物质的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负电。电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道绕着原子核旋转。硅原子的外层中有四个电子。每个原子的外壳电子都有固定的位置，并接受原子核的约束。他们在外来能量的激发下，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来的地方留出一个空位，即空穴。由于电子带负电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是单晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够
13、俘获电子的硼、铝、镓等杂质元素，它就成了空穴型半导体，简称p型半导体。如果在硅晶体半导体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，它就成了电子型半导体，简称n型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成pn结，并在结的两边形成内建电场，又称势垒电场。当太阳光照射pn结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，并在势垒电场的作用下，电子被驱向p型区，从而使n区有过剩的电子，p区有过剩的空穴；于是就在pn结的附近形成了与势垒电场相反的光生电场。这就是p-n结接触型硅太阳能电池发电的基本原理（如图5）。若把数个太阳能单体串联或并联起来封装成为太阳能电池组件，在太
14、阳光的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。,铅酸蓄电池,用铅和二氧化铅分别作为负极和正极的活性物质（参与化学反应的物质），以浓度为27%37%的硫酸水溶液作为电解液的电池，称为铅酸蓄电池（亦称铅蓄电池）。由于铅酸蓄电池具有运行温度适中和放电电流大，可以根据电解液比重的变化检查电池的荷电状态，储存性能好及成本较低等优点，目前在蓄电池生产和使用中仍保持着领先地位。铅酸蓄电池不仅具有化学能和电能转换效率较高、使用简单、维修方便、原材料丰富、能够大规模生产、循环寿命较长、端电压高，容量大的特点，而且还具备防酸、隔爆、消氢、耐腐蚀的性能。同时随着新工艺、新技术的采用，铅酸蓄电池的使用寿命仍在不断提高
15、。,光源的选择,LED是一种固体光源，半导体中的载流子在两端加上正向电压下发生复合，放出能量引起光子发射。作为一种新的光源，近年很多研究机构对LED的不断开发，使发光效率得到很大提高。我国已研发并生产出光效达到150m/W的白色LED，已接近白炽灯的水平。和白炽灯的相比较，LED在性能上具有很多优点。LED光源为平面型或多层电路板叠加的立体型，通过一个或三个定位螺丝固定在灯头内，然后用玻璃罩密封。LED灯的打开是由控制器的定时输出与光孔输出共同决定的，灯的关闭是由控制器的定时输出与蓄电池容量控制输出决定，即：定时时间到，且天气暗，光控由输出时亮灯；定时关时间到或者蓄电池容量低于设定容量低于设定
16、容量时关灯。灯头由12个超高亮度发光二极管串并联组成，该灯蓄电池充满电后，每天使用10h，可连续三个阴雨天使用，适合于主次干道、公园、绿化广场以及住宅小区使用。目前多数太阳能庭院灯选用LED作为光源，LED寿命长，可以达到100000小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能庭院灯上。特别是LED技术已经实现了其关键性突破，并且其特性在过去5年中有很大地提高。同时性能价格比也有较大地提高。另外，LED由低压直流供电，其光源控制成本低，调节明暗，频繁开关都是可能的，并且不会对LED的性能产生不良影响。控制颜色，改变光的分布，产生动态幻景都是可能的，所以它特别适合在太阳能庭院灯、太阳能路灯和装饰灯
17、上应用。有许多其固有的特性，使用时如果不注意就会造成不良后果。随着对LED研究的进一步深入，其太阳能电池光效将进一步得到提高，而其成本将一步下降，在不久的将来LED取代白炽灯甚至荧光灯而发展成21世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势。相信在不久的将来LED太阳能庭院灯必将大量地替代传统路灯，成为今后节能环保领域力推的新产品。目前，太阳能LED照明的初期投资问题仍然是困扰我们使用的一个主要问题。但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了
18、日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。,采购实物照片,铅酸蓄电池,LED光源,太阳能电池,电路分析,由于本方案采用单片机来完成对系统的控制，对单片机等芯片的供电电源质量要求比较严格，因为蓄电池的端电压会随着充放电的深度而变化，所以不能直接从蓄电池端电压进行采取为芯片供电，所以要设计一个为芯片供电的电路。三端集成稳压器具有工作稳定、电路简单等优点，普遍让人们选用。电源直接从蓄电池取电，经过7805 稳压后，所用的芯片提供5 V 的工作电压，其电路如图所示。,充电控制电路过充控制，就是在蓄电池的端电压达到一定值时，处于过充状态时
19、断开充电电路，以免影响蓄电池的寿命。充电控制电路由图14所示，在电路中D1是为了防止蓄电池对太阳能电池反向充电，防止反充电功能，一般来说，就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二极管应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。保护太阳能电池和蓄电池不被损坏。发光管为充电指示。充电控制原理为：由单片机的输出口PWM经过放大控制场效应管IRF630，根据单片机采集的电压对场效应管IRF630进行脉冲宽度调制，来控制充电电流，为蓄电池合理的进行充电控制。,放电控制电路过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。其原理和充电控制原理以样，由单片机的输出口PWM经过放大控制场效应管IRF630，根据单片机采集的电压对场效应管IRF630进行脉冲宽度调制，为蓄电池放电进行控制。,单片机电路,白天黑夜控制电路,系统的软件设计,系统的软件设计主要包括蓄电池电压的检测、充电控制、放电控制、定时器、12C5A60S2驱动等共同组成。,制板与检测,完成太阳能庭院灯充放电控制器电路实物照片,检测电路是否正常,成品图,太阳能庭院灯充放电控制器电路原理图,太阳能庭院灯充放电控制器电路PCB,
