太阳能LED照明系统的设计最终方案.doc
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1、I目录中文摘要ABSTRACT第一章 引言1.1选题的背景和意义.11.2国内外光伏发电发展现状.1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点.1.2.2我国光伏产业发展现状.1.3光伏电源具有以下优势.1.4新一代照明光源-白光LED.1.5论文的研究目的和意义.第二章 太阳能LED照明系统的总体设计.2.1太阳能LED照明系统的基本结构.2.2控制器的整体结构第三章 太阳能电池板3.1太阳能的工作原理和特性3.1.1太阳能电池的基本原理3.1.2太阳能电池的特性曲线3.2太阳能电池的最大功率跟踪3.2.1最大功率点跟踪原理3.3本系统采用的MPPT控制方式3.3.1功率比较法3.3.1.1功率
2、比较法原理3.3.1.2功率比较法的算法设计3.4本章小结第四章 主体电路的设计4.1整体电路设计4.1.1电源电路设计4.1.2 LED驱动电路4.2单片机的算法实现4.3 DC/DC变换器式.254.3本系统采用的MPPT控制方式.294.3.1功率比较法.294.3.2最大功率的模糊控制.324.4本章小结.33第五章太阳能LED照明系统光源优化的研究.345.1超高亮白光LED的原理和特性.345.1.1发光原理.345.1.2工作特性.345.2 LED照明系统光源亮度的提高方案.355.2.1光度量参数及其测量方法.355.2.2主要技术改进.365.2.3 LED的布板.375.
3、3 LED照明光源散热问题的研究.375.3.1半导体制冷的工作原理.385.3.2半导体制冷的散热效果.395.3.3半导体制冷的设计.405.4本章小结.40六章结束语.416.1本文所做的工作及得到的结论.41有待于进一步研究的问题.41考文献.43谢.46录.47学期间发表的学术论文和参加的科研情况.52第一章 引言1.1选题的背景和意义在世界能源短缺,环境污染日益严重的今天,充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能LED照明系统以其不用专人管理和控制,安装一次性投资无需日后电费开支,无需架设输电线路或挖沟铺设电缆,可以方便安装在广场、校园、公园、街道等多方面
4、的优点而越来越受重视。我国在1996年提出了“绿色照明工程”,主要就是为了解决与照明相关的能源供应和经济效益问题。绿色照明的科学定义为:绿色照明是指通过科学的照明设计采用效率高、寿命长、安全和性能稳定的照明电器产品(电光源、灯用电器附近、灯具、配线器材,以及调光控制和控光器件),改善提高人们工作、学习、生活的条件和质量,从而创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的照明。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划,并取得了显著效果。照明的质量和水平已成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一,成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。作为固体光源的LED发光二极
5、管,真正点燃了“绿色照明”的光辉,被认为是21世纪最有价值的新光源,将取代白炽灯和日光灯成为照明市场的主导,使照明技术面临一场新的革命,从而一定程度上改善人类的生产和生活方式。LED照明的应用前景在全世界掀起了高潮,被给予了厚望。目前照明消耗约占整个电力消耗的20%,大幅降低照明用电是节约能源的重要途径。开发和应用更高效,可靠,安全,使用寿命长的新型太阳能节能光源势在必行。一般的太阳能LED照明系统如下图1-1所示,其实质是一个小的独立光伏系统,主要由几大部分组成,即太阳能电池、蓄电池、控制器、LED光源。太阳能电池板蓄电池LED光源控制器图1-1 太阳能LED照明系统结构图太阳能路灯控制器主
6、要采用脉宽调制充电方式,具有过充、过放、短路保护和过充点的温度自动补偿功能。在独立太阳能发电系统中,为了降低成本、提高效率和可靠性,应该既保证光伏阵列处于最佳工作状态,又要使蓄电池正确充放电,同时还要最大限度地利用所发电能。但在目前的光伏系统中,这三者的实现存在矛盾,在设计充电控制时通常只顾及到一个方面,如何兼顾三者的关系,寻求最优充电控制策略,是一个设计难点。针对目前的太阳能照明路灯系统所存在的问题,本文通过对典型的照明控制器进行优化设计,将最大功率跟踪技术引入太阳能LED照明系统中,保证光伏阵列工作在最佳工作状态,以提高系统的工作效率。从而使整个路灯系统的可靠性得以提高。研究和开发光效更高
7、、更节能、更能适合太阳能灯具发展的LED新型发光源就显得势在必行。新型LED发光源的开发与利用,可以提高光源亮度,降低功率消耗,提高发光效率,降低整体太阳能灯具的功率匹配,从而降低太阳能灯具成本,使其性价比提高,在节能环保和太阳能灯具的市场普及方面具有重大的现实意义。1.2国内外光伏发电发展现状1839年法国学者贝克勒尔发现光伏效应,1954年美国贝尔实验室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳电池。在可再生能源中,太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一。最近10年太阳电池产量年平均增长率为37%,最近五年的年平均增长率为45%。发展可再生能源的时代己经到来传统的化石能源日益枯竭,并且利
8、用过程中严重污染环境制约了世界经济的可持续发展。能源的需求有增无减,能源资源已成为重要的战略物资。而太阳能是最有发展前景的可再生能源。1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点。1997年,美国提出“百万太阳能光伏屋顶”计划,预计2010年完成。同年,日本“新阳光计划”,到2010年将生产43亿瓦光伏电池。同年,欧盟提出“百万光伏屋顶计1999年,德国实施“十万光伏屋顶计划”,并实行低息贷款。近年发达国家还制定了“研发路线图”。在光伏应用和安装方面,德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场。年全球安装太阳电池组件1460MW,比前一年增长了34%。德国安装837MW,比前一年增53%;占世
9、界安装量的57%;日本安装292MW,比前一年增长了14%,占世界安装量的2美国安装102MW,占世界安装量的7%;欧洲其它地区安装88MW,占世界安装量的6%;其它地区安装146姗,占世界安装量的10%。1.2.2我国光伏产业发展现状1958年,我国开始研究太阳电池。1971年,首次将光伏电池成功应用于东方红2星。1973年,开始太阳电池地面应用。从上世纪70年代初到80年代末,由于成本高,阳电池在地面的应用非常有限。90年代以后,随着成本的降低,太阳电池向工业领域和村电气化应用方向发展。市场稳步扩大,国家和地方政府开始制订光伏计划。2002年,家发改委启动了“送电到乡”项目,使得中国的光伏
10、市场迅速发展起来,总装机容量从2年的23500kw迅速增长到2002年的45000kw,至2003年达到55000kw。20032005年,德国巨大的市场需求影响,国内光伏企业产能迅速扩展,产量迅速增长。1.3光伏电源具有以下优势(1)可靠。光伏电源很少用到运动部件,工作可靠。目前己有数千套光伏系统的运行验,晶体硅的寿命可达20年以上。(2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体,液体和气体有害废弃物,噪音几没有,无环境污染和公害问题。(3)安装维护简单,运行成本低,适合无人值守等优点。(4)兼容性好,光伏发电可以与其他能源配合使用,也可以根据需要而使光伏系统任增容。(5)标准化程度较高,可
11、由组件的串并联满足不同用电的需要,通用性强。(6)太阳能无处不有,应用范围广。1.4新一代照明光源一白光LED近年来,全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出,人们迫切希望应用节能环保的新技术。而半导体照明正是具有这种魅力的新技术。所谓半导体照明,是以半导体发光二极管(Lightning Emitting Diode,LED)作为光源的照明。应用半导体pN结发光原理制成LED问世于20世纪60年代初。在早期,由于LED光色、发光效能、光通量、光功率和价格等方面的限制,主要应用于指示、显示领域,如电子电气、热工仪表、自动化系统、通信设置、宇航空间开发、家用电气、交通运输工具中作为指示灯、告示牌、警
12、戒灯以及信息广告、显示牌等。90年代以来,随着氮化稼为代表的第三代半导体的兴起,以及白色LED的成功研制,使LED照明成为可能。白光LED被认为是21世纪最有价值的新光源,白光LED照明取代传统照明而成为人类照明的主要方式,将是大势所趋。“绿色照明”是九十年代初国际上对节约电能、保护环境的照明系统的形象性说法。许多发达国家和部分发展中国家先后制订了“绿色照明工程”计划,并取得了显著效果。照明的质量和水平己成为人类社会现代化程度的一个重要标志之一,成为人类社会可持续发展的一项重要的措施。作为固体光源的白光LED,真正点燃了“绿色照明”的光辉。白光LED照明的应用在全世界掀起了高潮,被寄予了厚望。
13、美国能源部预测,到2010年将会有55%的白炽灯和荧光灯被半导体灯替代,每年可节电350亿美元。而我国科技部有关领导提出:我们要以2008年北京奥运会和2010年上海世博会为契机,推动半导体灯在城市景观照明的应用。科技部“国家半导体照明工程”计划2007年半导体照明逐步取代白炽灯,2012年后取代荧光灯。目前,白光LED在发光强度方面,轴向已达到ZOcd以上,光效达50一70lm/W;色温可在5000K一10000K之间任意选择;显色指数在80以上。完全能符合普通照明之需要。1.5论文的研究目的和意义在光伏应用领域,太阳能照明占有重要的地位和份额,而LED太阳能路灯是一个具体而有价值的应用。太
14、阳能与半导体LED照明的有机结合,能有效发挥二者的优势。在该照明系统中,包括硬件和软件两方面,从硬件上来说,要配备性能可靠、价格合理的光伏配套部件,如太阳能电池、蓄电池、控制器及灯具等。在软件方面,则要对光伏系统进行优化设计,包括确定合适的太阳能电池输出功率和蓄电池的容量、负载的大小、控制方式等。这项工作十分重要,如果设计不当.即使光伏配套部件再好,结果要么光伏系统不能正常运行,要么就是容量过大,造成很大浪费。所以,从一定意义上来讲,光伏系统设计要比光伏器件更加重要。目前,光伏照明难以大面积推广的瓶颈不在于技术问题,而在于成本价格问题。本课题拟在太阳能电池、蓄电池和LED负载三者间进行合理测算
15、、设计和实施以确定最佳匹配方案,优化系统设计,旨在保证同样照明要求的前提下降低运行成本,提高性能价格比。第二章 太阳能LED照明系统的总体设计2.1太阳能LED照明系统的基本结构太阳能LED照明优化系统主要由以下部分组成,即太阳能电池、控制器、蓄电池、DC/DC、驱动电路、LED光源,如图2-1所示。太阳能电池板蓄电池LED光源控制器驱动电路DC/DC图 2-1 太阳能照明系统结构框图太阳能LED照明系统在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量,并将其转化为电能存储起来,在晚上点亮LED用于照明,是现代化绿色环保节能产品。具有智能控制系统,全天候供电无需管理人员。在系统设计时考虑连雨天气,把平
16、时多余的电能储存到蓄电池内,确保用于阴雨天有足够的电能使用。系统各个组成部分的主要功能如下:(1)太阳能电池阵列由许多太阳能电池组件串、并联而成,其合成的容量可以是数百峰瓦(WP),也可达数个兆峰瓦(WP)甚至更大,组件可由单晶硅、多晶硅、非晶硅或其它类型的太阳能电池组成。一般来说,光伏阵列由于多为半导体器件构成,其特性(伏安特性)具有强烈的非线性。(2)DC/DC(直流-直流变换器)环节DC/DC环节是本系统的关键组成部分,它是将固定的直流电压变换成可变的直流电压,也称为直流斩波。在该环节中,由于太阳能电池阵列具有强烈的非线性特性,通过控制开关闭合跟断开的时间(即PWM脉冲宽度调制),就可以
17、控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间,以保持输出电压不变,这就实现了稳压的目的。(3)驱动电路驱动电路对输出的控制信号进行放大,产生满足功率器件正常工作要求的驱动电压。(4)蓄电池组蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成,其容量的选择应与太阳能电池阵列的容量相匹配。该部分的主要作用是储存太阳能阵列所产生的电能,以备不时之需。而且由于蓄电 节。(5)控制器太阳能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。如果用户使用的是直流负载
18、,通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因,太阳能电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。为保证太阳能电池阵列在任何日照和环境温度下始终以相应的最大功率输出,引入了太阳能电池最大功率点跟踪(MPPT-Maximum Power Point Tracking)控制策略。在芯片内部写上由程序所构成的控制软件,配合外围的相关电路完成主要控制功能。(6)LED光源应保证亮度高,亮度辐射范围大且均匀,所使用的超高亮LED数量少。在太阳能照明灯具中,发光体所使用的LED数量从一个到上千个不等,一定数量的LED组合成一个发光体时,其排列和组合是一个非常重要的问题。即不同的排列和组合对
19、整体的亮度都有影响。在LED排列组合上依据光学原理及数学模型,最有效的发挥超高亮LED的发光效率,并使得单位面积LED灯的数量少以降低成本。2.2控制器的整体结构在太阳能LED照明系统中,太阳能充放电控制器是整个照明系统中的核心部件,它的性能在一定程度上决定了整个照明系统的性能好坏。目前,市场上有各种各样的太阳能LED照明系统,典型的太阳能充放电控制器结构框图如图2-2所示:输出驱动模块微处理器电源和复位模块太阳能电池电压采样模块蓄电池电压采样模块温度采样模块电阻分压网络显示模块时钟电路模块图2-2 控制器的结构框图该控制器为脉宽调制型控制器,即太阳能电池对蓄电池充电采用脉宽调制方式,具有如下
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