太阳能路灯照明系统毕业设计

1绪论 (4)

1.1我国太阳能的资源状况 (4)

1.2 国家政策 (5)

1.3 太阳能路灯与普通路灯的比较 (7)

1.4 太阳能路灯的发展前景 (8)

2设计思想 (9)

2.1 设计思路及原则 (9)

2.2 设计要求 (9)

3太阳能路灯照明系统介绍 (10)

3.1 太阳能路灯照明系统基本组成 (10)

3.2 太阳能路灯照明系统工作原理介绍 (10)

4 各部件的组成及工作原理 (12)

4.1 太阳能电池的组成及工作原理 (12)

4.1.1 太阳能电池的分类 (12)

4.1.2 硅太阳能电池工作原理与结构 (12)

4.1.3 太阳能电池组件 (15)

4.1.4 太阳能电池组件结构 (18)

4.2 蓄电池的结构及原理 (20)

4.2.1 铅酸蓄电池的结构及工作原理 (21)

4.3 控制器的基本工作原理 (21)

4.3.1 蓄电池充电 (22)

4.3.2 蓄电池给LED供电 (23)

4.4 LED光源 (24)

5 30W太阳能路灯系统设计 (25)

5.1 太阳能路灯系统设计所在地位置 (27)

5.4 太阳能电池组件的选择 (28)

5.4.1 太阳电池组件的基本要求 (28)

5.4.2 单晶硅太阳能电池组件的结构及技术参数 (29)

5.5 蓄电池的选型 (32)

5.5.1 阀控式密封免维护铅酸蓄电池 (32)

5.5.2 蓄电池结构 (33)

5.5.3 电池性能 (33)

5.6 系统硬件设计 (35)

5.6.1 电源电路 (35)

5.6.2 太阳能电池板组件 (35)

5.6.3 照明负载 (37)

5.6.4蓄电池和太阳能板的选用 (38)

5.6.5显示电路 (40)

5.6.6 过充、过放控制电路 (41)

5.6.7 DS1302的结构及工作原理 (42)

5.6.8 存储器AT24C02简介 (44)

5.7光源的设计及选择 (48)

5.7.1 使用LED作为照明的理由 (48)

5.7.2 所选用的LED路灯特点 (48)

5.7.3 产品参数 (49)

5.8 太阳能电池最佳倾角的设计 (50)

5.9 LED路灯工程设计 (51)

5.9.1 LED路灯道路照明设计 (51)

5.9.2 单臂灯的工程安装步骤 (52)

5.9.3 太阳能路灯的安装和施工 (53)

6 系统软件设计 (55)

结论 (58)

致谢 (59)

参考文献 (60)

附录1 总体电路图 (61)

1绪论

1.1我国太阳能的资源状况

全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展急需解决的问题。每年照明消耗电能约占全部电能消耗的12%～15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。我国各地区太阳能资源情况见表1-1。

随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求新的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。

太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。太阳能作为一种安全、环保新能源越来越受重视。同时，随着太阳能光伏发电技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。

表1-1 我国各地区太阳能资源情况

1.2 国家政策

中国光伏发电产业起步于20世纪70年代，经过30多年的努力，迎来了快速发展的新阶段。在“光明工程”和“送电到乡”等国家项目及世界光伏发电市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。到2007类型地区年日照时数/h

年总辐射总量/

（kcal/cm 2

·a ）

西藏西部、新疆东南部、

青海西部、甘肃西部

2800～3300 160～200 2

西藏东南部、新疆南部、

青海东部、宁夏南部、甘

肃中部、内蒙古、山西

北部、河北西北部

3000～3200 140～160 3

新疆北部、甘肃东南部、

山西南部、山西北部、

河北东南部、山东、河南、

吉林、辽宁、云南、广东

南部、福建南部、江苏北

部、安徽北部

2200～3000 120～140 4

湖南、广西、江西、浙江、

湖北、福建北部、广西北

部、山西南部、江苏南部、

安徽南部、黑龙江

1400～2200 100～120

年年底，全国光伏发电系统的累计装机容量达到10万千瓦，2008年太阳能电池的产量达到了200万千瓦。

2008下半年以来，金融风暴危及到中国，光伏发电企业深受影响：订单减少，多晶硅的价格下降。这次金融危机的影响是深远的，但太阳能以其独特的优势，决定了它的发展趋势并没有也不可能改变。此次金融危机，对正处于行业洗牌阶段的太阳能产业来说，并不一定是件坏事，反而对促进产业的快速升级具有现实意义。另外中央实行的一些措施都着眼于拉动内需、拉动农村经济发展、拉动中小企业发展，对太阳能热利用行业发展非常有益。

在金融危机形势下，2009年3月中国出台了“太阳能屋顶计划”，2009 年7 月21日财政部、科技部、国家能源局联合宣布在我国正式启动“金太阳”示范工程。这些政策将推动国内太阳能发电市场的发展，在我国政府强有力的政策引导下如表1-2，光伏发电产业不仅让国内企业看到了机遇，而且已经吸引了世界的目光。

中国科学院党组已正式批准启动实施太阳能行动计划，该计划以2050年前后太阳能作为重要能源为远景目标，并确定了2015年分布式利用、2025年替代利用、2035年规模利用三个阶段目标，太阳能产业在中国市场发展前景广阔。

表1-2 相关政策

无论是现在还是将来，太阳能都拥有广阔的市场前景。潜力无限的太阳能是一种清洁、高效而且可持续的可再生能源。

1.3 太阳能路灯与普通路灯的比较

普通照明路灯安装复杂：普通路灯工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就需要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。太阳能路灯安装简便：太阳能路灯安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。

普通路灯电费高昂：普通路灯工作中需要支付固定高昂的电费，并且需要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能路灯具免电费：太阳能路灯是一次性投入，无任何维护成本，

文件编号

内容职能部门/时

间

国发［2006］

28号

国务院关于加强节能工作的决定 2006-8-6 国发［2008］

23号

国务院关于进一步加强节油节电工作的通知国务院 2008-8-1 财建［2009］

213号

关于开展“节能产品惠民工程”的通知，高效节能产品推广财政补助资金管理暂行办法

财务部国家发

改委 2009-5-18 新税法

财政部税务总局关于节能减税收

政策财务部税务总局

长期受益。

普通路灯存在安全隐患：普通路灯在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面都会带来诸多安全隐患。太阳能路灯没有安全隐患：太阳能路灯是超低压产品，运行安全可靠。太阳能路灯的其它优势：绿色环保。

综上对比所述，太阳能路灯具有安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等特性。

1.4 太阳能路灯的发展前景

目前，太阳能LED照明的最初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。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。

2设计思想

2.1 设计思路及原则

设计思路：太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。

首先是根据用电负载（LED光源）的用电量，确定太阳能组件的功率，然后确定蓄电池的容量，再进行电气设计、光源设计和设备选型，最后进行系统的结构设计，设计中要确保太阳能LED路灯运行的稳定性和可靠性。

设计的原则：对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题：（1）从功能上,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升工厂形象。

（2）在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。

（3）另外还要结合当地的光资源情况。

2.2 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。

3太阳能路灯照明系统介绍

3.1 太阳能路灯照明系统基本组成

照明系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED光源、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆等几部分构成；太阳能电池板的光效达到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）与成本控制，实现很高的性价比。

3.2 太阳能路灯照明系统工作原理介绍

系统工作原理如图3-1所示，利用光生伏打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天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并有短路保护、反接保护等。

图3-1系统原理图

蓄电

池太阳

电池太

阳能路

灯控制

器

1 30W

4 各部件的组成及工作原理

4.1 太阳能电池的组成及工作原理

4.1.1 太阳能电池的分类

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式(以下表示为a-)两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化锌(Zn3P2 )等。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶的太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。

4.1.2 硅太阳能电池工作原理与结构

太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图4-1。

图4-1

图4-1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当含硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图4-2所示。

图4-2

图4-2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。而实心的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的空心的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（Positive）型半导体。

同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（Negative）型半导体。实心的为磷原子核，小的为多余的电子，如图4.3所示。

图4-3

N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。如图4-4所示。

图4-4

当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P 型一侧带负电，N 型一侧带正电。这是由于P 型半导体多空穴，N 型半导体多自由电子，出现了浓度差。N 区的电子会扩散到P 区，P 区的空穴会扩散到N 区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。

当晶片受到光后，PN结中，N型半导体的空穴往P 区移动，而P 区中的电子往N 区移动，从而形成从N 区到P 区的电流。然后在PN 结形成电势差，这就形成了电源，如图4-5所示。

图4-5 P－N结

由于半导体不是电的良导体，电子在通过P－N结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖P－N结，如图4-5所示，以增加入射光的面积。

另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射,将光能转变为电能,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，使太阳能电池板的表面呈紫色，将反射损失减小到5％甚至更小。一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。

4.1.3 太阳能电池组件

一个太阳能电池只能产生大约0.5V 电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。

一个组件上，太阳能电池的标准数量是36 片（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V 的电压，正好能为一个额定电压为12V 的蓄电池进行有效充电。应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。

组件的电气特性: 主要是指电流－电压特性，也称为Ⅰ－Ⅴ曲线，如图4-6 所示。Ⅰ－Ⅴ曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Imo 与电压Vmo 在特定的太阳辐照度下的关系。

其中Isc: 短路电流Im: 最大工作电流

V: 电压V oc: 开路电压Vm: 最大工作电压

图4-6 太阳能电池的电流－电压特性曲线

太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：

光谱辐照度1000W/㎡；

光谱AM1.5；

电池温度25℃。

在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp 。在一定的条件下，一个串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载消耗其它被光照的太阳能电池组件所产生的能量。被遮

挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。这种效应能很严重地破坏太阳能电池。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。

当电池片在正常工作时，旁路二极管反向截止，对电路不产生任何作用；若与旁路二极管并联的电池片的存在一个非正常工作的电池片时，整个线路电流将由最小电流电池片决定，而电流大小由电池片遮蔽面积决定，当反偏电压高于电池片最小电压时，旁路二极管导通，此时，非正常工作电池片被短路。

太阳能电池在使用时要注意极性，旁路二极管的正极与太阳能电池组件的负极相连，旁路二极管的正极与太阳能电池组件的负极相连。太阳能电池的连接盒是一个很重要的元件，它保护太阳能电池与外界的交界面及各组内部连接的导线件和其他的系统元件。连接盒包含一个接线盒和1只或2只旁路二极管。这样，对旁路二极管的性能要求就尤为重要了。由于大多数二极管安装在接线盒内，盒内受有限的散热空间及接线盒结构和材料的限制，要求二极管的热性能一定要好，热斑发生时，组件电流基本上都流经旁路二极管，有电流流过就会有热产生，同时，由于接线盒内的二极管发热也对接线盒提出了要求：接线盒要具备好的耐热和好的散热特性。

出于对二极管的热性能考虑，对于二极管的选择，主要参数要遵循一下几点：

（1）热阻系数小越小越好；

（2）正向压降越小越好；

（3）正向耐电流越大越好；

（4）反向电流越小越好；

（5）温度特性曲线要好；

阻塞（防反二极管）：置于组件或电池板和蓄电池之间的正极性线路上，夜间或阴天时防止蓄电池电流回流到太阳能电池组件。

4.1.4 太阳能电池组件结构

（1）钢化玻璃

低铁钢化玻璃（又称白玻璃），厚度3.2毫米，在太阳电池光谱响应的波长范围内（320-1100NM）透光率达90%以上，对于大于1200NM的红外光有较高的反射率。此玻璃同时耐紫外光线的辐照，透光率不下降。钢化性能符合国标GB9963-88或者封装后的组件抗冲击性能达到国标GB9535-88地面用硅太阳能电池环境试验方法中规定的性能指标。

（2）EV A

EV A是一种热融胶粘剂，厚度在0.4毫米-0.6毫米之间，表面平整，厚度均匀，内含交联剂。常温下无黏性且具有抗黏性，经过一定调价热压便发生熔融粘接与交联固化，并且变的完全透明。固化后的EV A能承受大气变化且具有弹性，它将电池片“上盖下垫”，将其包封，并和上层保护材料-玻璃，下层保护材料背板（TPT，BBF等），利用真空层压技术合为一体。另一方面，它和玻璃粘和后能提高玻璃的透光率，起着增透的作用，并对太阳能电池板的输出有增益作用。

暴露在空气中的EV A 易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EV A本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EV A胶连度不达标，EV A与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EV A提早老化，影响组件寿命。

（3）太阳能电池片

太阳能电池片是光电转换的最小单元，尺寸一般为125*125或

156*156。太阳能电池片的工作电压约为0.5V，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池片进行串并联封装后，就成为太阳能电池板，其功率一般为几瓦到几十瓦，一百瓦到两百瓦以上，可以单独作为电源使用。作为重要工序，丝网印刷的质量(厚度，宽度，膜厚一致性)影响电池片的技术指标。

丝网印刷工序：

背面银电极印刷(背银)：在电池片的正极面(P区)用银、铝浆料印刷两条电极导线(宽约3-4mm)作为电池片的电极。

正面银印刷(正银)：在电池片的正面(喷涂减反射膜的面)同事用银浆料印刷一排间隔均匀的闪现和两条电极，在工艺上要求栅线间距约3mm，宽度约0.10-0.12mm：

（4）背板

背板就是电池板背面的保护材料，一般有TPT，BBF，DNP等等。这些保护材料具有良好的抗环境侵蚀能力，绝缘能力并且可以和EV A 良好粘接。太阳电池的背面覆盖物-氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对电池板的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可以降低电池板的工作温度，也有利于电池板的效率。当然，氟塑料膜具有太阳电池封装所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。

TPT: PVF-PET-PVF

TPE: PVF-PET-EV A

KPK: PVDF-PET-PVDF

BBF: PVDF-PET-Le / PET-PET-PET / THV-PET-EV A

FFC: FFC-PET-FFC

GBE: PVDF-PET-EV A

PET: 确保背板绝缘且坚固

除了PET背板，其它的都含有氟聚合膜。

PVF：聚氟乙烯，商品名为Tedlar，Tedlar是美国DuPont公司专利技术，按其生产工艺可分为Tedlar OR膜和Tedlar SP膜。

PVDF：聚偏二氟乙烯，PVDF不容易单独成膜，在加工中一般需要加入增塑剂，如PMMA等，但影响了其耐候性和化学性，因此法国Arkema 公司挤出吹塑法，在PVDF两面覆盖纯的PVDF保护膜，三层厚分别为5um/20um/5um，形成了独特的三层膜结构的PVDF膜，是Arkema公司的独家专利技术，具有较好的耐候性、耐UV性、阴湿性和阻燃性，耐玷污性好，高光泽保持等。

LE/LE-FILM: 与EV A相似的热熔胶黏剂。

（5）接线盒

接线盒一般由ABS制成，并加有防老化和抗紫外线辐射剂，能确保电池版纳在室外使用25年以上不出现老化破裂现象。接线柱由外镀镍层的高导电解铜制成，可以确保电气导通及电气连接的可靠。接线盒用硅胶粘接在背板表面。

（6）铝合金边框

边框采用硬制铝合金制成，表面氧化层厚度大于10微米，可以保证在室外环境长达25年以上的使用，不会被腐蚀，牢固耐用。

4.2 蓄电池的结构及原理

由于太阳能电池板发电系统的输入能量极不稳定，再加上路灯的使用是在晚上，所以需要配置蓄电池系统才能工作。蓄电池也是整个太阳能路灯系统的关键部位，它是整个太阳能系统的储备能源设备，白天时太阳电池给蓄电池充电，晚上，系统和负载所用电全部由蓄电池来提供，其次，阴雨天的供电也要靠蓄电池来完成。在独立光伏发电系统中，由于PV阵列产生的电能不能总是在电能产生的同时加以使用。由于需求