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1、太阳能光伏照明系统的设计与实现摘要： 本文在探讨光伏发电原理和LED发光特性的基础上，设计制作了一套太阳能光伏发电跟踪系统，并进行了测试分析，提高了光电转换效率，并以此为电源，设计出可实用的太阳能光伏照明系统，该系统不仅能作为太阳能路灯和台灯使用，而且使用方便，具有光控等功能，该系统能用于家庭和实验室等需要照明的地方，节能减排效果明显，具有很好的应用前景。关键词： 光伏发电 跟踪系统 LED照明系统 节能减排Design and production of solar photovoltaic lighting systemAbstract: In this paper, on the bas
2、is of a comprehensive study of photovoltaic power generation principle and LED light-emitting properties.We designed a set of solar photovoltaic tracking system, which were tested and analyzed to improve the photoelectric conversion efficiency, and as a power source, we designed a useful solar photo
3、voltaic lighting system. The system can not only use the solar lights and lamps, and easy to use, with light control and other functions. It can be used for home and laboratory where the need for lighting, energy saving effect is obvious, with good prospects.Key Words: Photovoltaic power generation,
4、 Tracking System, LED lighting system, Energy saving目录一、引言31.1国内外研究现状及发展趋势31.2课题研究的目的与意义5 1.3该课题的研究内容6二、太阳能跟踪系统62.1跟踪运行流程72.2跟踪系统电路原理82.3实验数据及处理9三、LED发光的特性103.1 LED的发光原理103.2 LED的光源特点123.3 LED的电特性123.4 LED的驱动方式13四、太阳能LED照明系统134.1系统示意图134.2系统硬件电路图144.3 电路元件的参数144.4 光控电路184.5 恒流驱动电路19五、致谢19参考文献20附录21一
5、、引言1.1国内外研究现状及发展趋势1.1.1太阳能产业国外发展状况国际上，光伏发电发展迅猛。1973年，美国制定了政府级阳光发电计划；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了23.4；1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，美国计划到2010年安装100O3000姗太阳电池。日本不甘落后，1997年补贴“屋顶光伏计划”的经费高达9200万美元，安装目标是7600Mw。在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，19952005年间，全球太阳能电池产量增长了l7倍。我们预计，2
6、010年全球太阳能电池的年产量有望较2005年的年产量增长6.3倍，整个行业的销售收入有望增长3.5倍。而在太阳能产业遥遥领先的德国，于2003年修汀的再生能源法中强调： 电力公司以保证价格收购再生能源，使德国2005年太阳能等可再生能源产业获得34亿欧元的补助。德国的“百万屋顶计划”使许多家庭不仅利用太阳能解决了自家的能源使用，而且这些家庭还成为小型“私人电站”，源源不断地向电网公司输送电力，获得一笔可观的收人。1.1.2太阳能产业国内发展状况我国太阳能资源非常丰富，开发利用的潜力非常大。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔，可以应用于并网发电、与建材结合、解决边远地区用电困难问题等。我国
7、政府对太阳能发电产业也给予了充分的扶持，先后出台了一系列法律、政策，有力的支持了产业的发展。在19952003年间，我国合计在太阳能发电方面的资金投入22亿元人民币，对太阳能新能源起着积极的推动作用。2005年后，我国太阳能发电产业又有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、浙江中意、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。随着太阳能光电效应的发展，在照明系统方面，太阳能草坪灯、庭院灯、台灯、城市光彩工程灯等众多品种大量出现在了日常生活中，是太阳能光源的主要应用方向，在提高人们生活水平的同时，又节约了大量能
8、源。1.1.3太阳能跟踪系统的发展状况太阳能跟踪系统是保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。 由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。目前世界上通用的太阳能跟踪系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的的
9、数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。河北某太阳能光伏发电企业独家研发出了具有世界领先水平、成本低廉、简单易用、不用计算各地太阳位置数据、无软件、可在移动设备上随时随地准确跟踪太阳的智能太阳能跟踪系统。该太阳能跟踪系统是国内首家完全不用电脑软件的太阳空间定位跟踪仪，具有国际领先水平，能够不受地域和外部条件的限制，可以在-50至70环境温度范围内正常使用；跟踪精度可以达到0.001，最大限度的提高太阳跟踪精度，完美实现适时跟踪，最大限度提高太阳光能利用率。该太阳能跟踪系统可以广泛的使用于各类设
10、备的需要使用太阳跟踪的地方，该太阳能跟踪系统价格实惠、性能稳定、结构合理、跟踪准确、方便易用。把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，该太阳能跟踪系统都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳！该太阳能跟踪控制技术属于具有我国自主知识产权的国家发明专利产品，发明专利申请号：2.8 ，现已大批量投产。1.1.4国外LED电路发展现状半导体照明技术的开发研究引起了全球研究机构和企业的重视。国外共有近200家公司参与GaN器件、材料和设备的开发，近300所大学和研究所参与GaN的研发。目前，功率型白光L
11、ED光视效能（发光效率）已经达到100 lm/W，研究水平达到160 lm/W。经过技术发展和市场竞争，世界主要LED厂商已经形成各自的技术特色。日本日亚化学处于全球技术领先水平，垄断高端白色、蓝、绿色LED的市场，丰田合成在白光LED及车灯照明技术开发据国际前端；美国Cree的碳化硅衬底生长GaN外延片国际领先，传统照明巨头Philips绝对控股的美国Lumileds功率型白光LED国际领先；传统照明巨头Osram欧司朗控股的德国欧司朗光电半导体功率型LED封装和车用LED灯具开发国际领先。1.1.5国内LED电路发展现状国内的外延片生长技术主要源于美国、基本上是进口美国的有机金属化学气相沉
12、淀（MOCVD）装备，这些装备在美国就不是一流的装备，在整个LED产业外延片的生长、芯片、芯片封装3个环节中，外延片生长投资要占到70%，外延片成本要占到封装成成品的70%，同时外延片生长技术的人才全世界都缺乏，简单的说，外延片的水平决定了整个LED产业水平，国内近几年也陆续引进了50多台MOCVD装备，均处理大生产工艺摸索阶段，一旦工艺成熟，则会上10倍地增大装备数量形成规模生产，市场需求巨大。国家“863”计划和信息产业发展基金及时支持了国产外延设备如液相外延炉和MOCVD设备的研发（中科院半导体所、中电科技集团公司第四十八所），通过整机消化吸收，关键技术再创新等措施，填补了国内空白，使长
13、期制约我国LED产业发展的装备瓶颈得以突破。随着国家照明工程的起步，国内LED芯片设备的巨大需求再次引起了国外半导体设备生产商的积极响应，他们日益重视中国这个巨大的市场，但是，这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备高昂的价格，相对制约了国内企业的规模化、产业化发展，也消耗了国家大量宝贵的外汇。同样也挤占了国内设备生产商的发展空间。1.2课题研究的目的与意义随着地球资源的日益贫乏,基础能源的投资成本日益攀高,各种安全和污染隐患无处不在 太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受到重视，目前太阳能应用技术已取得较大突破,尤其太阳能光伏技术发展,给太阳能在公共照明中的应用带来了极为
14、广阔的前景。随着近十年来LDE技术取得了突飞猛进的发展。LED以固有的特点，如省电、寿命长、耐震动，响应速度快、冷光源和低功耗可直流驱动等特点，广泛应用于指示灯、信号灯、显示屏和景观照明等领域，在我们的日常生活中处处可见，如电话机、仪表板照明、汽车防雾灯和交通信号灯等。太阳能电源是直流电，而传统灯泡需要交流供电。这样，传统的光伏照明系统需要逆变器将直流逆变为交流，这种方法普遍存在着交流逆变不可靠、低温启动难、灯管寿命短、功耗高以及系统造价高等缺点。而LED需要直流驱动，于是，LED光伏照明系统，相比于传统的照明系统少了一个复杂而性能又未必可靠的逆变器环节。正是基于上述优点，使得LED逐渐取代传
15、统光源应用于光伏照明系统，彻底地解决了传统的光伏照明系统存在的交流逆变不可靠、低温启动难和灯管寿命短等缺点。纵览国内外的种种太阳能电池，大多数是采用非跟踪式接收装置，这种方式下提高光-电转换效率的研究方向主要有提高采光面积，研发蓄电池新型材料及智能充放电和控制灯具关、开等。但是，随着阳光的移动电池板与阳光投射倾角不同，所以非跟踪式太阳能接收装置每个时段获得的太阳能是不等的，因此光-电转换太阳能的总效率低。在此基础上，人们开始研究如“向日葵”跟随太阳旋转的光伏电池，让太阳能电池板始终以最大的发电功率跟随着太阳旋转，即实现太阳能最大功率点跟踪。这样太阳能的转换效率将大大提高。1.3该课题的研究内容
16、该课题的研究内容有三大部分：第一部分是太阳能跟踪系统，包括设计太阳能跟踪系统的电路原理，测试跟踪系统与非跟踪系统的发电功率，然后测试数据并画图比较得出跟踪系统的优点。第二部分是LED发光的特性，包括LED的光电特性与驱动方式。第三部分是太阳能LED照明系统，包括设计太阳能路灯、台灯两用系统的电路图，焊接并调试所设计的电路，最终实现可供使用的太阳能路灯、台灯系统。二、太阳能跟踪系统跟踪系统可以使太阳能电池尽量对准太阳，使太阳垂直照射到太阳电池板上，使太阳能电池板在当前环境下保持能够达到的最大发电功率，从而提高总体发电量，进而降低输出电能的成本。 图2.1 太阳能光伏跟踪示意图2.1跟踪运行流程
17、图2.2 太阳能跟踪流程图太阳能跟踪系统主要由信号采集部分和信号分析部分及云台构成，信号采集部分将此时太阳能电池板东西方向的光照强度收集，然后交于信号分析部分分析，若板与太阳光不垂直则使电机转动，直至太阳光垂直照射到板上时停止。1）信号采集部分信号采集部分由不透光挡板及分布在挡板两侧的两块微型光电池构成，其作用是用来实时采集挡板两侧光强。2） 信号分析部分信号分析部分是用来，并判断太阳与太阳能电池板的位置关系，并控制云台转动，直至太阳能电池板与阳光垂直，使太阳能电池板在同样的光照下达到最大发电量。3）云台云台具有转动功能，用来搭载太阳能电池板及信号采集部分。2.2跟踪系统电路原理 图2.3 跟
18、踪原理图原理如上图2.3，图中电路上下对称，采用了运算放大器，微型光电池，继电器这些元件来完成功能。当太阳光在挡板左侧时B2光照小于B1，因此电位低于B1，运放A1正相输入电压小于反相输入电压输出电位低，而运放A2正相输入电压大于反相输入电压输出电位高；调节R3,R4使A3,A4反相输入电压为3V（大于低点位且小于高电位），因此运放A3正相输入电压小于反相输入电压输出电位低，而运放A4正相输入电压大于反相输入电压输出电位高。此时三极管VT1基极电位为负输出点位低，VT1处于截止状态，继电器K1无电流通过，开关K1断开；VT2处于饱和状态，电流通过继电器K2闭合，控制电机向一个方向转动，太阳能电
19、池板向左转动。 同理，当太阳光在挡板右侧时B1有光照强，电位高于B2，K2断开，K1闭合控制电机向另一方向转动，电池板向右转动。当太阳能电池板转动使挡板平行于阳光时，B1,B2所收光照强度相同，运放A1,A2输出电压为0，A3,A4正输入电压小于反相输入电压输出点位低，此时VT1,VT2都处于截止状态，继电器K1,K2都没电流通过，开光都断开，电机停止转动，此时太阳能电池板正对太阳，有效吸收面积达到最大。实现了太阳能跟踪的目的。2.3实验数据及处理表1 跟踪系统发电量对比时间固定板发电功率/W跟踪板发电功率/W8:000.840.948:304.417.439:008.4311.649:301
20、2.2215.2710:0014.5616.710:3015.9116.8911:0016.9917.2211:3017.3317.4512:0017.4517.5412:3017.5617.5313:0017.2117.4313:3016.4317.3714:0016.7317.4714:3015.3217.3415:0014.7616.8215:3013.6116.2516:0010.2914.9316:308.6712.7917:002.646.6417:300.11.4518:0000蓝曲线表示固定板发电功率 紫曲线表示跟踪板发电功率图2.4 发电量比较图从图示可看出在早晚时段上跟踪式
21、太阳能电池板比固定式太阳能电池板在很大程度上提高了太阳能发电的效率。而在中午时段太阳能电池板和固定式太阳能电池板相对太阳位置基本一样，所以输出功率基本一致。通过数据采集，计算输出功率提高23.3%。三、LED发光的特性3.1 LED的发光原理 LED是由III-V族化合物，如GaAs、GaP、GaAsP等半导体制成的，其核心是PN结。因此，它具有一般PN结的伏安特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压作用下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子的一部分与多数载流子复合而发光，如图3.1所示显示对应的拉丁字符的拼音图3.1
22、 LED发光原理示意图假设发光时在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心(这个中心介于导带、价带中间附近)捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子的效率越高。由于复合是在少子扩散区内发生的，所以光仅在靠近PN结面数微米以内产生。理论和实践证明，发光的波长或频率取决于选用的半导体材料的能隙Eg，Eg的单位为电子伏(eV)。Eg=hVq=hc(q) （1）=h C(qEg)=1240Eg(nm) （2）式中：v为电子运动速度；h为普
23、朗克常数；q为载流子所带电荷：c为光速；为发光波长。若能产生可见光(波长范围为380780nm)，则半导体材料的Eg应为163326eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红光、黄光、绿光及蓝光LED，其中蓝光LED的成本很高，应用不普遍。PN结的端电压构成一定的势垒；当加正向偏置电压时势垒下降，P区和N区的多数载流子向对方扩散。由于电子迁移率比空穴迁移率大得多，所以，出现大量电子向P区扩散，构成对P区少数载流子的注入。这些电子与价带上的空穴复合，复合时得到的能量以光能的形式释放出去，这就是PN结发光的原理。3.2 LED的光源特点(1)电压：LED使用低压电源，供电电压在6-24V
24、之间，根据产品不同而异，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。(2)效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。(3)适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境。(4)稳定性：10万小时，光衰为初始的50%。(5)响应时间：其白炽灯的响应时间为毫秒级，LED灯的响应时间为纳秒级。(6)对环境污染：无有害金属汞。(7)颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料的能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色。(8)价格：L
25、ED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300500只二极管构成。3.3 LED的电特性LED是一个由半导体无机材料构成的单极性PN结二极管，它是半导体PN结二极管中的一种，其电压-电流之间的关系称为伏安特性。由图3.2可知，LED电特性参数包括正向电流、正向电压、反向电流和反向电压，LED必须在合适的电流电压驱动下才能正常工作。通过LED电特性的测试可以获得LED的最大允许正向电压、正向电流及反向电压、电流，此外也可以测定LED的最佳工作电功率。图3.2 LED伏安特性曲线3.4 LED的驱动方式LED一般是恒压或者恒流驱动，由图
26、3.2 LED的伏安特性曲线我们可以看出，LED的电压随着电流的变化特别大，而电流随着电压的变化相对小。所以LED的驱动方式应该选择恒流驱动，保证电流不变化，这样LED电路的稳定性相对高。四、太阳能LED照明系统4.1 系统示意图图4.1 太阳能LED照明系统方框图如图4.1，K1闭合时，系统是太阳能LED路灯系统，其中光控开光可以实现控制LED灯白天不亮，晚上自动亮。K2闭合时，系统为太阳能LED台灯系统，开光K2可以控制LED灯的导通与断开。4.2 系统硬件电路图图4.2 电路原理图如图4.2，整个电路分为两个部分，路灯电路和台灯电路。路灯电路中，开光K1控制光控电路的导通与断开，而光控电
27、路控制恒流驱动电路的导通与断开。台灯电路中，开光K2直接控制恒流驱动电路的导通与断开。4.3 电路元件的参数元件参数元件参数太阳能板12V 3W可变电阻R5010K电池12V 1.2Ah电阻R6240开关K1 K2高精度电阻R70500可变电阻R101M继电器3V5V光敏电阻R2暗电阻20K二极管DIN4007可变电阻R301M电容C10.1F可变电阻R401M电解电容C21FLED灯12V 120mA充放电控制器参数：型号指标TYK-10A额定电压12V放电电流10A充电电流8A充电保护电压14.4V0.1V浮充电压13.2V13.6V恢复充电电压13.0V0.1V过放保护电压10.7V0.
28、1V过放保护恢复电压12.3V0.1V过压切断16.5V过压恢复15.0VLM358的参数：LM358是档次非常高的双运算放大电路，稳定性极高，价格便宜,此芯片由二个独立的高增益运算放大器构成，该电路可在3v到32v的电源电压范围内单电源工作，也可在双电源条件下独立工作，并具有内部频率补偿，该电路在家用电器上和工业自动化及光电 机一体化等领域中有非常广泛的应用。LM358里面包括有两个高增益、独立的、内部频率补偿的双运放，适用于电压范围很宽的单电源，而且也适用于双电源工作方式，它的应用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运放的地方使用。图4.3 LM358引脚图及封装
29、LM358的特点：. 内部频率补偿. 低输入偏流. 低输入失调电压和失调电流. 共模输入电压范围宽，包括接地. 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围. 直流电压增益高(约100dB). 单位增益频带宽(约1MHz). 电源电压范围宽：单电源(330V). 双电源(1.5 一15V). 低功耗电流，适合于电池供电. 输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)LM317的参数：LM317 的输出电压范围是 1.2V 至 37V，负载电流最大为 1.5A。它的使用非常简单，仅需两个外接电阻来设置输出电压。此外它的线性调整率和负载调整率也比标准的固定稳压器好。LM317 内置有过载保护、安全区保护等多种
30、保护电路。通常 LM317 不需要外接电容，除非输入滤波电容到 LM317 输入端的连线超过 6 英寸（约 15 厘米）。使用输出电容能改变瞬态响应。调整端使用滤波电容能得到比标准三端稳压器高的多的纹波抑制比。LM317 能够有许多特殊的用法。比如把调整端悬浮到一个较高的电压上，可以用来调节高达数百伏的电压，只要输入输出压差不超过 LM317 的极限就行。当然还要避免输出端短路。还可以把调整端接到一个可编程电压上，实现可编程的电源输出。图4.4 LM317引脚图图4.5 LM317标准应用图当稳压器离电源滤波器有一定距离时C1是必需的，C2对稳定性而言是不必要的，但可以改进V 输出的瞬态响应。
31、V 输出=1.25V（1+R2/R1）。所以调节R2的大小便可以改变输出电压的大小。LM317特性简介：.可调整输出电压低到 1.2V。.保证 1.5A 输出电流。.典型线性调整率 0.01%。.典型负载调整率 0.1%。.80dB 纹波抑制比。.输出短路保护。.过流、过热保护。.调整管安全工作区保护。.标准三端晶体管封装。 .电压范围 LM117/LM317 1.25V 至 37V 连续可调。4.4 光控电路图4.3 光控电路光控电路属于路灯系统，路灯开光K1导通时，光控电路启动。设定合理的R1、R3、R4的电阻值。白天时，光敏电阻R2电阻小，通过电阻R1、R2和R3、R4分压，使得LM35
32、8的正向端电压低于反向端电压，所以LM358输出端电压为0。这样，继电器无电流通过，继电器开光断开。故恒流驱动电路不导通，这样LED灯不亮。夜晚时，光敏电阻R2电阻大，通过电阻R1、R2和R3、R4分压，使得LM358的正向端电压高于反向端电压，所以LM358输出端电压为10.0V。通过稳压芯片LM317，使得继电器两端的电压为3.5V。这样，继电器有电流通过，继电器开关导通。故VCC +12V加到了恒流驱动电路上，这样恒流驱动LED灯，LED灯亮。4.5 恒流驱动电路图4.4 恒流驱动电路如图4.4，LM317芯片内部2脚与3脚之间有一个恒压1.25V。设定高精度电阻R7的电阻值便可以得到所
33、需要的恒定的电流值。这样就可以恒流驱动LED灯。参考文献：1 梁明理，邓仁清 电子线路（第四版） 高等教育出版社 2001. 2 周林基 太阳能光伏照明系统概述 南京中电熊猫有限公司 2010.3 熊德敏 两种公路照明用太阳能接收装置的经济性分析 浙江建设职业技术学院 2010.4 陈辉等 太阳能照明系统综述 江南大学通信与控制工程学院 2008.5 吴国楚 太阳能照明系统应用分析 青海新能源(集团)有限公司 2010.6 北京照明学会，城市夜景照明技术指南M中国电力出版社20047 余孟尝数字电子技术简明教程M高等教育出版社，2000，38 王晓明，郭伟玲，高国等LED新一代照明光源J现代显
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