超级电容器太阳能草坪灯的设计与实现
毕业设计(论文)：太阳能草坪灯的设计[管理资料]
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2009届本科毕业论文（设计）
论文题目：太阳能草坪灯的设计
学生姓名：
所在院系：机 电 学 院
所学专业：应用电子技术教育
指导老师：
完成时间：2009年5月25日
摘要
太阳能作为可再生能源的一种，指太阳能的直接转化和利用，通过转换装置把太阳辐射能转换成热能，再利用热能进行发电。本设计是对目前草坪灯存在的抗干扰性低，不能自动化控制，且寿命短等缺陷进行改进与创新。
经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在草坪灯中使用将会增加不必要的成本。灯箱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，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，来实现根据天气状况自动控制灯箱电源的目的。经过综合考虑，决定采用光控和定时控制相结合的控制方式。
（2）技术水平较低。我国太阳电他的效率较低，平均在14-16％；组件封装水平低，工程现场证明，部分产品大约3-5年就出现发黄、起泡、焊线脱落、效率下降等问题，近几年产品质量有提高，但同国外仍有一定差距。
（3）专用原材料国产化程度不高。专用材料如银浆、封装玻璃、EVA等尚未完全实现国产化。国家曾将提高商业化电池效率和材料国产化列入“八五”计划，并取得一定成果，但性能有待进一步改进，各厂家部分材料仍然采用进口品。
我国太阳能光伏发电技术产业化及市场发展经过近20年的努力，已经奠定良好的基础。目前有4个单晶硅电池及组件生产厂和2个非晶硅电池生产厂。但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，主要表现在以下几个方面：
光伏电子线路分析与设计6.4 太阳能升压草坪灯电路分析与设计
一、教案头本次课标题：太阳能升压草坪灯电路制作授课班级光伏上课时间4课时上课地点理工南211教学目标能力（技能）目标知识目标能分析超级电容器特性；能计算超级电容器容量；能在光伏发电系统应用超级电容器；单体电池的串联特性；单体电池的并联特性；单体电池串并联输出特性；能力训练任务及案例【案例引导】测试电路如下图6.13示，当LED1点亮时，测量LED1两端的电压。
并用示波器测量A、B、C、D四点的波形图。
L1100µHQ6R61kΩQ2C3300pFLED1D2VCC1.5VR12kΩC110µFABCDA点波形图B点波形图C点波形图D点波形图图6.13 太阳能升压草坪灯电路(multisim)调试电路，发现提供1.5V的电源电压，可以驱动3V LED工作。
【项目任务】制作太阳能草坪灯升压电路，电源电压1.5V，负载LED电压3V。
【预习练习】1. 升压草坪灯电路中作为光感器件可以用光敏电阻或太阳能电池。
2. 太阳能草坪灯电路升压原理是BOOST电路。
【信息单】太阳能草坪灯具有安全、节能、环保、安装方便等特点。
它主要利用太阳能电池的能源为草坪灯供电。
当白天太阳光照射在太阳能电池上时，太阳能电池将光能转变为电能并通过控制电路将电能存储在蓄电池中。
天黑后，蓄电池中的电能通过控制电路为草坪灯的LED光源供电第二天早晨天亮时，蓄电池停止为光源供电，草坪灯熄灭，太阳能电池继续为蓄电池充电，周而复始、循环工作。
太阳能草坪灯主要由太阳能电池组件、自动控制电路、超高亮LED 灯(光源)、免维护可充电蓄电池及灯具外壳等构成太阳能草坪灯的控制电路就是通过外界光线的强弱让草坪灯按上述方式进行工作。
下面就介绍几款常用控制电路的构成和简要工作原理。
6.4.1以光敏电阻为光感器件的升压电路一、电路结构图6.14是早期的一款太阳能草坪灯控制电路。
是通过光敏电阻来检测光线的强弱。
当有太阳光时，太阳能电池产生的电能通过D 1为蓄电池DC 充电。
使用超级电容的太阳能灯
设计使用超级电容器储能的太阳能灯前言太阳能是一种绿色的能源，太阳能灯作为绿色照明的一种新的实现方式，有可能引领未来照明的变革。
而超级电容作为一种新型的储能元件，具有很多有优点，如：允许很大充电放电电流、寿命长、内阻小等。
在学习了模拟电路以后，我们设计了一种可以利用太阳能的照明灯，其主要系统组成有充电稳压电路、升压电路、控制电路、LED等。
该灯可以实现在光线较强时由太阳能电池供电对超级电容充电同时关闭LED，在光线较弱时由超级电容供电驱动并点亮LED。
该设备具有一定的实用价值，同时适合实验。
第一章 设计任务本设计主要是利用太阳能电池在光强时对超级电容进行充电，同时控制电路控制关闭LED 灯。
在光线较暗时控制电路开启LED 灯。
第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成整个系统由六个部分组成：太阳能电池、充电稳压电路、超级电容、升压电路、控制电路、LED ，其工作原理框图如下：首先由充电稳压电路控制太阳能电池给超级电容充电，然后超级电容连接升压电路进行升压给后续电路供电。
控制电路通过比较太阳能电池电压与超级电容电压，太阳能电池电压与设定的基准电压来决定是否开启LED ，以此来实现自动控制。
第三章 电路设计3.1元器件介绍3.1.1 升压芯片 BL8530BL8530 系列是 PFM 控制的开关型DC/DC 升压稳压芯片。
0.8V 的启动电压、高达200mA 的负载驱动能力（当 Vin=1.8V ，V out=3.3V 时），极低的静态功耗（ Iq<5.5uA ）使得BL8530 非常适合于做此实验的升压芯片。
升压电路控制电路 LED太阳能电池 充电稳压电路超级电容3.1.2 集成运放LM324此实验中利用LM324作为集成运放的较大差模电压增益来作为电压比较器。
LM324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
一种基于超级电容的太阳能装饰灯的设计与实现
太阳能装饰灯是一种用太阳电池为电源的装 饰灯 ,无需安装其他电源 ,主动发光 ,能够根据环 境光线的强弱自动控制灯的开关 ,具有安装方便 、 不用布线 、工作稳定可靠 、免维护 、环保无污染 、使 用寿命长等特点 ,可广泛应用于城市道路 、小区道 路 、工业园区 、绿化带 、广场 、步行街 、健身休闲广 场等场所或建筑物表面的照明及亮化装饰 。
ESR (DC ) 只有 20mΩ , 直径 18mm , 高 为 40mm。
电容的连接采用两两串联然后再并联的方式 。超
级电容器为同时充放电 。
超级电容器充电时间计算如下 :
C ×dv = I ×t
( 2. 1)
式中 : C为电容器额定容量 , F; dv为电容器工作
电压变化 , V; I为电容器充电电流 , A; t为电容器
本文中 ,我们选用超级电容作为储能元件 。
超级电容具有体积小 、容量大的特点 ,在很小的体
积下可达到法拉级的电容量 ,功率比及能量比高 ;
无须特别的充电电路和控制放电电路 ,充电迅速 ,
免维护 ;电压记忆特性好 ;与蓄电池相比过充 、过
放都不对其寿命构成负面影响 ,可靠性高 、使用寿
命长并且低温特性好 ,反复充放电可达数十万次 ;
图 3 光控开关电路
当光线变暗时 ,太阳电池电压降低 ,当降低到一定 程度时 , Q1 截止 , 74HC14的 1脚为高电平 , 74HC14 的 4脚同样为高电平 ,Q2 导通 , LED发光 。
当光线变亮时 ,太阳电池电压升高 ,当升高到 一定程度时 , Q1 导通 , 74HC14 的 1 脚为低电平 , 74HC14 的 4 脚 同 样 为 低 电 平 , Q2 截 止 , LED 关断 。
太阳能草坪灯的设计
目录引言 (2)1.太阳能介绍 (3)1.1太阳能的基本知识 (4)1.2 太阳能光伏发电系统实物图 (5)1.3太阳能光伏系统的分类 (5)2. LED太阳能草坪灯的发展现状 (6)2.1LED太阳能草坪灯简介 (6)2.2 LED太阳能草坪灯的结构组成 (7)2.2.1 LED太阳能草坪灯电源 (7)2.2.2 LED太阳能草坪灯的光源 (8)3. LED太阳能草坪灯的设计 (9)3.1独立太阳能供电系统的组成 (9)3.2 充放电控制器的设计 (11)3.3 太阳能草坪灯的电路设计： (13)结论 (15)参考文献 (16)致谢 (17)引言太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等都来自太阳能，太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量，这就是太阳能。
太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。
太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。
太阳向宇宙空间发射的辐射功率位3。
8×10^23kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。
到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×10^13kW。
20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。
化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。
从资源、环境、社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。
在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。
一般认为太阳能是源自氦核的聚合反应。
太阳幅射能穿越大气层，因受到吸收、散射及反射的作用，故能够直接到达地表的太阳幅射能仅存三分之一，又其中70％是照射在海洋上，于是仅剩下约 1.5×1017千瓦．小时，数值约为美国1978年所消费能6000倍。
太阳能草坪灯的设计方案
太阳能草坪灯的设计方案
随着经济的发展和社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻
找新能源已成为当前人类面临的迫切课题。
由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性，太阳能被认为
是二十一世纪最重要的能源。
太阳能的存储是太阳能产品发展的关键，目前
主要采用各种电池，但是电池的充电时间长、寿命短以及不环保一直是太阳
能产品发展的瓶颈，而超级电容器作为一种充电快、寿命长、绿色环保型储
能元件，它给太阳能产品的发展带来了新的活力。
本文详细介绍了一种超级
电容器太阳能草坪灯的设计及实现方法。
该草坪灯很好的结合了太阳能和超
级电容器的优势，它无需安装其他电源，就可以主动发光，还能够根据环境
光线的强弱自动控制灯的开关，而且安装方便、不用布线、工作稳定可靠、
免维护、环保无污染、使用寿命长，可广泛应用于广场绿地、小区草坪等场所。
1 设计选择
1.1光源的选择
由于LED技术目前已经实现了关键性突破，同时性能价格比也有较大地提高。
现在的LED寿命已可达到100 000h以上，而且工作电压低，非常适合应用于太阳能草坪灯上。
另外，LED由低压直流供电，其光源控制成本低，
可以调节明暗，并可频繁开关，而且不会对LED的性能产生不良影响。
因此，从可靠性、性价比、色温和发光效率等几个方面综合考虑，设计时可选择额
定电压为3.3 V、工作电流为6 mA的超亮LED作为光源。
由于草坪灯不但要有装饰作用，还要有一定的照明功能，故可选择8个LED使用。
1.2太阳能电池的选择。
基于LED 和超级电容的智能小区太阳能路灯设计
基于LED 和超级电容的智能小区太阳能路灯智能小区不只是高科技的应用，更注重节能和环保，本太阳能路灯照明系统在一般太阳能路灯的基础上进一步进行了优化，采用了led 光源和超级电容，充电效率更高，元件寿命更长，比一般太阳能路灯更加节能和环保。
本太阳能路灯系统主要由光伏电池极板、储能电池、超级电容器、照明灯具和控制器等几个部分构成。
1 照明灯具及控制方式的设计照明灯具及控制方式的设计 1.1 1.1 照明灯具的设计照明灯具的设计照明灯具的设计 传统的照明灯具效率低，如白炽灯、卤钨灯等，不适合智能建筑节能理念，各种照明光源的性能比较如表1 所示。
白光超高亮度的LED 灯具，光效为45 lm/W，虽然不高，但是发出的光线都在可见光范围内，适合用于照明光源。
LED 灯具寿命长，可达100 000 h 以上，可以有效减少灯具垃圾。
另外，LED 由低压直流电源供电，更加安全，而且适合频繁开、关。
因此太阳能照明系统选择了12 V、10 W 的白光超亮大功率LED 灯具，其光效可以达450 lm/W，相当于50 W 的白炽灯，可以达到良好的照明效果。
1.2 1.2 照明灯具的控制方式照明灯具的控制方式照明灯具的控制方式 太阳能照明灯具的开、关控制方式主要有两种： 定时控制和光照控制。
定时控制是设定每天的开、关灯时间后由系统自动控制，但是随着季节的变化需要不断调整设定时间，否则就会出现天黑不亮灯，天亮不熄灯的情况，造成能源浪费。
光照控制是系统通过检测光照度来开、关照明灯具，如光照度低于10 lx 时开灯，高于10 lx 时熄灯，这样既能满足用户的需要，又能节约电能，符合智能建筑的理念。
所以系统照明灯具的开、关采用光照控制方式。
光照控制方式的工作时间和本地的纬度及当天的太阳赤纬角有关，而且日出前半小时和日落前半小时，天空的余光足够照明，可以不开路灯，这样每天可以少开灯1 h。
智能小区位于东纬116. 84°、北纬38. 31°的位置，本地区光照控制路灯在冬至时工作时间最长为12 h，夏至时工作时间最短为9h。
超容光伏庭院灯及配电方案
平均寿命2.5年
阴雨天无法充电
传统蓄电池太阳能庭院灯的缺陷
极端天气效率低下
传统蓄电池太阳能庭院灯的缺陷
（0 ℃左右使用效率只有平时的20%，更加寒冷的环境根本无法使用）
污染环境
铅、硫酸、钴、锰等重金属
目前太阳能庭院灯所采用的蓄电池主要由铅、硫酸 、钴、锰等组成，大量重金属的随意排放对土壤、 水源造成不可逆的严重污染，破坏了生态环境，是 影响人类健康的罪魁祸首。
高效光伏板
设计寿命大于25年 采用光电转换效率高的A级产品 安全可靠
超级电容器储能盒组件
防水防裂防盗防腐，设计寿命12-15年 简易置顶安装
光，改变世界，点亮绿色未来 超级电容光伏庭院灯
上影厂及徐光启 公园原有照明情 况资料
序号 配置参数
1
射树灯
2
投光灯
3
色温
4
工作时间
5
日耗
上影厂 250w*25 卤素白光 金卤灯白光 4h 25000wh
供电改造方案 灯具30瓦配光 曲线2米射树
光，改变世界，点亮绿色未来 超级电容光伏庭院灯
供电改造方案 灯具30瓦配光 曲线2米射树
光，改变世界，点亮绿色未来 超级电容光伏庭院灯
供电改造方案 灯具30瓦配光 曲线10米射树
光，改变世界，点亮绿色未来 超级电容光伏庭院灯
供电改造方 案灯具30瓦 配光曲线10 米射树
环保电池无污染，符合国家 政策。
阴雨天照常充电
超级电容器充电电压低至2.7伏， 内阻低，ESR ≤0.2 mΩ，可吸收 弱电流
-45℃~65 ℃
超级电容光伏庭院灯耐温幅 度较宽，适用性极强
阴雨天 下雪天 高温天
365天全天候，寿命十年
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超级电容器太阳能草坪灯的设计与实现
作者：苏全振， 蔡丹， 李文生
作者单位：锦州凯美能源有限公司,辽宁,锦州,121000
刊名：
电子元器件应用
英文刊名：ELECTRONIC COMPONENT & DEVICE APPLICATIONS
年，卷(期)：2008，10(11)
引用次数：0次
1.四川火狐电子有限公司新型太阳能灯具储能方法 2006(4)
2.周强.王金全.杨波超级电容器:性能优越的储能器件[期刊论文]-电气技术 2006(6)
3.陈永真电容器及其应用 2005
4.一种基于超级电容的太阳能道钉灯的设计[期刊论文]-应用能源技术 2005(5)
1.期刊论文杨子龙.王环.彭燕昌.许洪华.YANG Zi-long.WANG Huan.PENG Yan-chang.XU Hong-hua基于超级电容器储能的太阳能路灯系统设计-可再生能源2009,27(2)
介绍了以超级电容器为储能装置的一种新型的太阳能路灯系统.研究了超级电容器的性能,设计了一套超级电容器的选取原则.专用充放电控制器以太阳能电池最大功率方式对超级电容器充电,且放电过程采用宽范嗣电压工作方式,提高了对储能装置的利用率.
2.会议论文杨子龙.王环.彭燕昌.许洪华基于超级电容器储能的太阳能路灯系统设计2008
以超级电容器为储能装置设计了一种新型的太阳能路灯系统。
对超级电容器的性能进行了研究设计了一套超级电容器的选取原则。
充放电控制器按照最大功率方式将太阳能产生的电能转换为电容器形态的电能,增加了太阳电池板利用的效率。
放电过程采用宽范围电压工作方式提高了对储能装置的利用率。
这种太阳能路灯系统对提高可再生能源的利用率,提高节能减排效果具有现实意义。
3.期刊论文石新春.张玉平.陈雷.SHI Xinchun.ZHANG Yuping.CHEN Lei一种基于超级电容器储能的光伏控制器的实现-现代电子技术2008,31(21)
近年来,由于能源和环境问题,太阳能的利用得到了快速的发展.超级电容器也是近几年来发展起来的一种专门用于储能的特殊电容器,相对于普通蓄电池和电容器,有其独特的优势.基于超级电容器设计,此控制器运用单片机软件实现了最大功率跟踪控制,并具有防反充,防过充以及防止过放的功能.实验结果证明控制器达到了最大功率跟踪的功能.
4.期刊论文闫晓金.潘艳太阳能LED路灯的绿色储能系统-电气应用2009,28(23)
为了推进太阳能路灯的绿色储能系统发展,在比较了传统蓄电池储能主要特点的基础上,推出了一种新型超级电容器型电池的绿色储能系统,并给出了由其组成的蓄电路灯系统结构及超级电容器应用电路.控制电路经济可靠,并且对超级电容器具有过充过放保护.LED驱动电路采用价格低廉的电压/电流变换电路,解决了使用昂贵的LED专用驱动器这一问题.
5.期刊论文苏波.李艳秋.于红云.尚永红.Su Bo.Li Yanqiu.Yu Hongyun.Shang Yonghong基于无线传感器节点的能量管理系统-太阳能学报2009,30(8)
研制了光伏-温差混合能源与无线传感器节点集成的能量管理系统.该能量管理系统采用了低功耗的能量策略和智能化的控制方法,并运用了超低压升压技术实现了能量的充分利用.通过实验得到了超级电容器和锂离子电池的充电曲线,并研究了能量管理系统的效率.实验表明能量管理系统在4d内可将锂离子电池充满,充满后的锂离子电池可在无光照的情况下保证无线传感器节点连续工作7d.
6.期刊论文王然.苗小丽.WANG Ran.MIAO Xiao-li大功率超级电容器的发展与应用-电池工业2008,13(3)
简要介绍了超级电容器的原理、特点和发展状况;概述了目前大功率超级电容器在电动汽车、太阳能系统等领域的应用;并简要介绍了大功率超级电容器在军事领域、工业领域以及在城市公交车领域的应用与发展.
7.会议论文曹帆.曹冠英.张云翠.邹念育基于超级电容器切换充电的太阳能LED点阵显示器的设计2009
设计了一种新型太阳能LED点阵显示器的电路方案．使用太阳能电池、超级电容器、DC／DC升压稳压器组成的电路作为电源驱动LED点阵显示器，采用单片机控制两个超级电容器切换充电，实现了太阳能LED点阵显示器24小时不问断工作的功能，表明了绿色能源在LED显示方面的应用潜力．
8.期刊论文王斌.施正荣.朱拓.孟昭渊超级电容器-蓄电池应用于独立光伏系统的储能设计-能源工程2007(5)
建立了混合储能系统的数学模型,对模型系统进行了稳定性分析,从应用角度出发,设计了一套超级电容器-蓄电池混合储能装置应用在独立光伏系统,使用PSPICE软件仿真分析了系统的运行特性,结果表明系统在光伏输入功率大幅波动以及负载突变时具有很好的稳定性,可为超级电容器应用于可再生能源发电和电能质量改善等领域提供较好的参考.
9.学位论文王培波光伏发电系统电压稳定控制技术的研究2008
由于太阳能资源的利用具有随机性的特点，使得光伏发电系统电压稳定性较差。
本文以超级电容器作为储能本体，设计了双向PWM控制的DC/AC/DC变换器，并对其中的各部分建立了相应的数学模型，针对光伏发电系统直流母线电压不同的运行状态，对变换器电路进行了控制策略设计。
通过控制能量在超级电容器与直流母线之间的相互传递，直流母线电压的稳定性可以得到有效控制。
通过Marlab/Simulink仿真研究，验证了设计电路的正确性和控制策略的有效性。
本文所设计的超级电容器储能系统对光伏发电系统的电压稳定性的提高可以起到良好的控制作用。
10.期刊论文桂长清.GUI Chang-qing风能和太阳能发电系统中的储能电池-电池工业2008,13(1)
根据风能和太阳能发电系统的特殊性及其对储能装置的要求,比较了密封铅蓄电池、镍镉电池、镍金属氢化物电池、锂离子电池的长处和短处;介绍了正在开发研制的钠硫电池,氧化还原电池和超级电容器;同时还列出了胶体密封铅蓄电池的应用实例.显而易见,胶体密封铅蓄电池是风能和太阳能发电系统的最合适的储能装置.钠硫电池、氧化还原电池和超级电容器有待进一步开发研究.
本文链接：/Periodical_dzyqjyy200811011.aspx
下载时间：2010年4月15日。