太阳能照明系统.docx

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太阳能照明系统

目录

摘要……………………………………………………………………

（1）

Abstract………………………………………………………………

（2）

第一章绪论……………………………………………………………（3）

1.1研究背景…………………………………………………………（3）

1.2国内外研究状况…………………………………………………（3）

1.2.1国外研究状况……………………………………………（3）

1.2.2国内研究状况……………………………………………（4）

1.3课题研究意义及内容……………………………………………（5）

1.3.1课题研究意义……………………………………………（5）

1.3.2课题研究内容……………………………………………（6）

第2章太阳能照明系统概述…………………………………………（7）

2.1太阳能照明系统组成……………………………………………（7）

2.2太阳能电池………………………………………………………（7）

2.2.1太阳能电池工作原理……………………………………（7）

2.2.2太阳能电池的分类………………………………………（7）

2.2.3太阳能电池的物理模型…………………………………（10）

2.3太阳能电池板的安装原则………………………………………（11）

第三章蓄电池………………………………………………………（12）

3.1蓄电池的功能与基本特性………………………………………（12）

3.1.1蓄电池的功能……………………………………………（12）

3.1.2蓄电池基本特性…………………………………………（12）

3.2蓄电池的自放电与使用寿命……………………………………（13）

3.3蓄电池主要参数…………………………………………………（13）

3.4蓄电池的充电特性………………………………………………（14）

3.4.1蓄电池的充电方式………………………………………（14）

3.4.2蓄电池的充电控制方法…………………………………（16）

第四章太阳能充电控制器及照明系统的设计……………………（18）

4.1太阳能电池充放电控制器的设计………………………………（18）

4.1.1充放电控制器中的DC/DC变换技术……………………（18）

4.1.2充放电控制器的基本原理………………………………（18）

4.2密封铅酸蓄电池线性充电控制器UC3906……………………（19）

4.2.1UC3906基本工作原理…………………………………（19）

4.2.2UC3906管脚排列及引脚功能…………………………（20）

4.2.3UC3906的主要参数……………………………………（20）

4.3太阳能照明系统…………………………………………………（23）

4.3.1传统太阳能照明系统……………………………………（23）

4.3.2太阳能LED照明系统……………………………………（23）

第五章全文总结……………………………………………………（26）

参考文献……………………………………………………………（27）

致谢…………………………………………………………………（28）

摘要

人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等多年储存在地下的石化能源，按照目前的开发力度，几十年或许一百多年后，地球所储存的这些能源就将枯竭。

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，水能已经得到了广泛的利用，但水能资源终究是有限的；相反，太阳能和风能则是取之不尽、用之不竭的。

并且，太阳能对地球的污染较小。

所以，怎样充分利用太阳能、风能以及怎样将传统的能源用太阳能、风能来替换是人类研究的永恒话题。

以绿色节能为特色的LED光源在建筑领域的应用飞速发展，随着其发光效率的不断提高，价格逐步下降，LED光源在照明方面的优势也显现出来。

在我国倡导以绿色环保为目标的“绿色照明”的大形势下，LED无疑顺应了未来照明的需求。

但是研究LED光源在照明设计中的应用，特别是LED在光伏照明系统中的应用，国内外目前还处在探索阶段。

人类利用太阳能早已经开始，人类利用LED作为光源也早已实现，但将太阳能与LED相结合用于照明的课题还刚刚开始，并且前景非常广阔；特别是光伏充发电系统中，太阳能充电器、LED的驱动器、太阳能并网等还有很多需要业界改进的地方。

本文就对LED光伏照明系统进行了分析和研究，介绍了太阳能结合LED光源在照明系统中的应用方案。

重点介绍了该系统中蓄电池的相关知识、太阳能充电器的设计，并给出了基于UC3906的太阳能充电器的实际电路。

本设计LED光伏照明系统中的电源采用双电源自动切换：

太阳能和市电，防止太阳能不足时而停电，当太阳能充足时，其电源自动切换至太阳能。

目的是使大部分照明所需的能源由太阳能代替市电来提供，使照明系统达到节能、环保的效果，真正实现“绿色照明”。

关键词：

LED，绿色照明，节能，光伏发电、充电控制器

Abstract

Theenergysourcethatusednowadaysmainlycomesfromcoalandoilwhichisfossilenergysourcestoredundergroundforthousandsofyears.Consideringthespeedofexplore,perhapsforseveraldecadesormorethan100years,theresourcewillbeexhausted.Therefore,savingenergysourceandthedevelopmentofreproducibleenergysourceareimperative.Hydropower,beingthereproducibleenergysource,hasbeenusedwidely,butitisalsolimited.Onthecontrary,solarandwindenergysourceisinexhaustible.Atthesametime,solarisclean,whichcauseslittlepollutiontotheearth.Sohowtomakeplentyuseofsolarandwindenergysourceandreplacethefossilenergyispeople’slongtermresearch.

LED,whichisgreen,isfastapplyinginconstructionarea.Withitspricegoingdownandluminousefficacygoingup,LEDshowsitsadvantageinillumination.Government’scalls“GreenLighting”,andLEDmeetsthedemand.TheresearchofapplyingLEDinillumination,especiallyinphotovoltaicilluminationisstillonexplorationhomeandbroad.

Humanstartedusingsolarlongago.UsingLEDasilluminanthasbeenrealizedformanyyears.ButtheintegrateresearchofsolarandLEDisjuststarted,whichhasbrightenfuture.Inthephotovoltaicilluminationsystem,solarcharger,LEDdriverandsolarconnectiontogridneedimproving.

Inthispaper,thephotovoltaicilluminationandtheapplicationofsolarandLEDinilluminationsystemisanalyzedandintroduced.Relatedknowledgeofaccumulatorandthedesignofsolarchargerareintroducedasthekeypoint.TherealcircuitofsolarchargerisdesignedbasedonUC3906.Theaimistousesolartosupplythelightsofthecity,whichenabletheilluminationsystemsavingenergyandprotectingenvironmentandrealizing“GreenLighting”.

KEYWORDS:

LED;GreenLighting;EnergyConservation;PhotovoltaicGeneration;ChargeController

第一章绪论

1.1研究背景

随着社会生产的日益发展，人类对电的需求每年以很大幅度增加，进而对能源的需求也迅速增长。

现在人们常用的能源有煤炭，石油，原子能等。

占人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。

据有关资料显示：

根据对石油储量的综合估算，可支配的化石能源的极限大约为1180-1510亿吨，以1995年世界石油的年开采量33.2亿吨计算，石油储量大约在2050左右年宣告枯竭；天然气储备估计在131800-152900兆立方米，年开采量维持在2300兆立方米，将在57-65年内枯竭;煤的储量约为5600亿吨，1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年；铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期；核聚变到2050年还没有实现的希望。

不仅如此，由于大量使用化石能源，全世界每年产生约1亿吨温室效应气体，已经造成极为严重的大气污染，同时使得地球表面气温逐年升高；燃煤也会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质，这都严重污染了人类的生存环境。

面对严峻的现实，许多国家为此纷纷采取措施：

积极提高能源效率、改善能源结构、探索新能源和可再生能源的利用，以期达到经济、社会的可持续发展的目的。

这其中，开发新能源和可再生能源以替代日益枯竭的化石能源就成为了决定未来人类社会、经济发展的最具影响力的因素之一，而在所有的可再生能源中，太阳能作为一种绿色能源，以其独特的优势正在全世界范围内得到越来越广泛程度上的重视，成为世界各国争相发展的新能源对象。

1.2国内外研究状况

1.2.1国外研究状况

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，其转换效率为4.5%，几个月后提高到6%，从此光伏技术的研究与应用进入了新的历史阶段。

太阳能光伏发电产业自20世纪80年代以来持续高速发展，每年以30%～40%的速度递增。

光伏发电技术的应用在当今世界，特别是在非洲、南美、澳洲及亚洲等各国，普遍受到重视。

20世纪90年代以前，太阳能光伏发电主要应用在边远的农村无电地区以及远距离通讯、光伏水泵等产业领域。

为了鼓励太阳能的开发和利用，各国政府分别积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展。

其中，以美日德等发达国家为主：

（1）1996年，在美国能源部的支持下，美国政府开始了一项“光伏建筑物计划”，投资20亿美元，1997年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划”，2002年，美国的光伏电池生产总量达到112.9MW，计划到2010年要求发电成本降到7.7美分/千瓦时。

（2）日本政府一早在1974年就公布了“阳光计划”，1993年又提出“新阳光计划”，旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。

日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳能在内的可再生绿色能源研究与应用地法规，极大地推动了日本光伏工业地发展与应用。

2002年，日本的光伏电池生产总量已达到254.5MW，并且以世界最快的增长速度48.6%增长，计划到2010年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。

（3）德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。

1990年，德国政府率先推出“1000太阳能屋顶计划”，1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司承认的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划，1993年德国政府进一步提出了10万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等。

1999年1月起开始实施“十万太阳能屋顶计划”。

德国政府颁布的“可再生能源法”于2000年4月1日正式生效。

此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。

从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域，并且光伏集中发电、光伏建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。

1.2.2国内研究状况

我国的光伏电池技术是从60年代发展空间用太阳能电池开发起步的，地面用光伏电池的生产是从1970年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在80年代中期建立起来。

80年代中期，我国光伏电池/组件总生产能力达到4.5MW，光伏产业初步形成。

经过十年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。

至90年代初中期，我国光伏产业己处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。

“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在深圳和北京分别建成了17KW和7KW的光伏发电屋顶系统。

从市场份额上，光伏发电在2000年前的主要应用领域是：

通讯行业占40%-50%，农村电气化行业（主要包括户用光伏系统和乡村级光伏发电）占40%左右，其它领域占10%左右。

为了推动光伏技术及其产业发展，2003年10月，国家发展改革委员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到2005年全国光伏发电系统总装机容量达到300MW。

至2003年底，我国光伏产业总的生产能力达到38MW，太阳能电池/组件的实际生产量达到13MW。

在市场方面，截至2003年底我国光伏系统累计装机容量达到45MW。

2004年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳能光伏电站，电站总容量达1兆瓦，年发电能力约为100万千瓦时；2008年北京奥运会，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术；2005年2月28日第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的《中华人民共和国可再生能源法》自2006年1月1日起正式施行，国家通过法律鼓励可再生能源利用。

在我国，光伏发电产业的发展前景是辉煌的。

一方面，我国现在还有很多人生活在无电、缺电的西部边远地区，解决这些地区的用电问题，很大程度上依赖于太阳能及其它新能源的大规模应用；另一方面，在东部沿海经济比较发达的地区，利用太阳能发电作为补充或替代能源又将会给我国光伏产业的发展提供一个新的发展空间。

1.3课题研究意义及内容

1.3.1课题研究意义

我国人口众多、住宅数多，照明用电量十分可观。

然而白炽灯（能耗高但光效低）使用比率依然很高，特别是在某些城镇150W以上的大功率白炽灯泡使用率达23.4%以上，电力浪费十分严重。

另一方面，我国仍有许多地区存在无电和缺电的现象，比如部队的边防哨所、邮电通讯中继站、公路及铁路的信号站、地质勘探和野外考察工作站、农牧区、海岛驻军、内陆湖泊渔民、地处野外高山的微波站、航标灯、电视差转台站、气象站、森林中的燎望烽火台、石油天然气输油管道、近海滩涂养殖业及沿海岛屿等。

据统计，目前我国仍有大约4000万人生活在无电地区。

在贵州，这种情况更加严重。

由于常年的经济落后和交通不便利，很多贵州的偏远山区生活条件艰苦、信息滞后、通信设施落后、连最基本的家庭照明用电都很难以得到保证。

因此解决他们的用电问题对稳固地方经济建设、增进国家稳定等具有重要的意义。

目前对于偏远山区，有采用电网送电和当地柴油或汽油机组发电。

然而由于地理位置原因，架线送电路程遥远、线路成本高，而且山区电网的线路维护费用也很高、难以承受。

如果靠当地柴油或汽油机组发电的话，由于燃料费用本身就高，再加上地处偏远，燃料运输费用高，而且难以保障持续供电。

因此，柴油或汽油机组发电只能作为紧急的电源使用。

要切实解决这些地区的用电问题，必须利用当地的可再生能源。

而太阳能是资源量最大、分布最普遍的可再生清洁能源，太阳能光伏发电可直接将太阳光转换成电能，具有良好的经济优越性。

1.3.2课题研究内容

本文的主要内容是太阳能发电的基本常识及太阳能电池的分类、太阳能电池的特点、太阳能电池的安装；

LED的发光机理及其特性、LED的优点；再将太阳能与LED结合组成LED光伏照明系统。

本方案中LED光伏照明系统中的电源采用双电源自动切换：

太阳能和市电，防止太阳能不足时而停电，当太阳能充足时，其电源自动切换至太阳能。

本文重点介绍该系统的蓄电池的功能、特性、自放电、使用寿命、主要参数；太阳能充电控制器的设计；密封铅酸蓄电池线性充电控制器UC3906的基本工作原理、管脚排列、引脚功能、主要参数。

第2章太阳能照明系统概述

2.1太阳能照明系统组成

太阳能照明系统利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能，再用照明。

基本的太阳能照明系统一般是由太阳能电池、控制器、蓄电池和灯具构成[1]。

如果交流负载，系统还必须配备逆变器。

太阳能照明系统框图

（1）太阳能电池板太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的能量来源部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。

（2）控制器控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

（3）逆变器逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给交流负载使用。

（4）蓄电池蓄电池的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，系统还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。

（5）灯具作为太阳能照明系统的负载，理想的灯具既要高效照明，又要尽可能的降低功率损耗。

2.2太阳能电池

2.2.1太阳能电池工作原理

太阳能电池主要由半导体硅制成。

半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，在半导体上照射光后，由于其吸收光能会激发出电子和空穴（正电荷），从而半导体中有电流流过，这可称为“光发电效应”或简称“光伏效应”。

下面就硅晶体做成的半导体加以说明。

众所周知，掺有磷杂质的硅含有多余电子，称为N型半导体；掺有硼杂质的硅含有多余正电荷，称为P型半导体。

若将两者结合，称为PN结，这就是半导体器件的最基本结构。

太阳能电池同样是利用了PN结的光伏效应。

在PN结中，P型半导体的电子受到拉力，N型半导体的正电荷受到拉力，在结合处形成正负抵消的区域，形成阻挡层。

此时，如有光照射，则激发电子自由运动流向N型半导体；正电荷则集结于P型半导体，从而产生了电位势。

如果外接灯泡（负荷），就有电流流动。

光生电的工作原理如图2-1所示。

图2-1太阳能发电原理图

2.2.2太阳能电池的分类

（1）按不同材料分类[2]

太阳能电池的制造方法各异，但按材料来分类最为重要，其分类如下所示

从太阳能电池的发展史看，最早的太阳能电池是利用硅二极管光电变换原理制成的。

故长期以来，太阳能电池的生产均利用二极管或晶体管的硅片进行。

众所周知，单晶硅的生产通常常用的方法是把高纯度的金属硅熔化，然后用拉伸法拉出单晶硅棒再切割为硅片。

其缺点是单晶硅结晶生长时间非常长，制造成本高。

随后，又发展为多晶硅采用“熔铸法”和“印带法”工艺使生产率提高，生产成本大大降低。

（2）按构造分类

这种分类的本质是按形体（厚度）进行分类，如下所示：

这种分类大体可分为块（片）状和薄膜状两大类。

块（片）状以单晶硅和多晶硅为代表，即以块状结晶材料用机械加工的方法制成板（片）材。

而薄膜状是以玻璃或金属作基板，让晶体材料黏附其上并起化学反应形成一个晶体薄膜。

非晶化合物则以砷化镓等为代表。

此外，还有另一些分类方法，如以PN结的层数进行太阳能电池的分类等。

2.2.3太阳能电池的物理模型

当光照恒定时，由于光生电流IL不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效电路中可以看作是一个恒流源。

光伏电池的两端接入负载R后，光生电流流过负载，从而在负载的两端建立起端电压V。

负载端电压反作用于光伏电池的PN结上，产生一股与光生电流方向相反的电流Io。

此外，由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻RS。

串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。

在实际的太阳能光伏电池中，一般串联电阻都比较小，大都在10-3欧至几欧之间。

另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻Rsh来等效。

相对于串联电阻来说，并联电阻比较大，一般在1千欧以上。

太阳能电池的等效电路如图2-2所示。

图2-2太阳能电池等效电路图

由图可以看出：

（2-1）

其中IL为PN结电流，Io为流过二极管的电流，Ish为太阳能电池的漏电流。

（2-2）

Ir方向饱和电流（一般而言，其数量级为10-4A）：

q-电子电荷（1.6*10一19C）；K-玻尔兹曼常数（1.38*10一23）J/K）；T-绝对温度（T=t+273k）；A-PN结理想因子；Rsh太阳能电池并联电阻；Rs-太阳能电池串联电阻。

此外，

（2-3）

所以综合上述公式可得：

（2-4）

2.3太阳能电池板的安装原则[3][4]

（1）安装方向

安装太阳能电池板时，在北半球电池板面原则上应朝南略偏西，南半球应朝北略偏西，这是因为午后阳光较强,即使上午有雾，午后即可消散，下午也可以较好地接收太阳光。

当然,实际安装时，还需针对不同地区的具体情况而定。

（2）安装角度

地理纬度不同，则太阳能电池板面与地面夹角亦有所不同，通常高纬度地区夹角大一些，低纬度地区夹角小一些（如武汉地区夹角一般为35°），这样才能最大限度地利用太阳光。

（3）占地面积

使用太阳能电池板必须预留安装面积，现阶段电池板因技术原因还不可能做得很小，因而占地面积较大。

以武汉为例，目前每100Wp（峰值功率）电池板占地面积约为1.2m2，如果排成阵列，后排必须留有足够位置避开前排的阴影,则占地面积约为2.2m2。

（4）基本要求

无论上述何种太阳能光伏应用系统,电池板安装都必须避开所有阴影，使阳光不被遮挡，其支架强度必须能够抵抗当地最大风力及最