太阳能警示灯-四灯爆闪灯

太阳能警示灯-四灯爆闪灯 专业(专科) 毕业设计() 目 太阳能警示灯-四灯 爆闪灯 姓 名 学 号 指 导 老 师 完 成 日 期 教 学 系 能源工程系 摘要 人类社会生活水平的不断提高，导致人类对能源的需求量也越来越大、能源紧缺的问题也越来越明显。而且随着世界各国石油、煤炭等化石燃料的匮乏，全国大部分地区为了对付缺电，实行了分地区分时段的拉闸限电措施。而交通灯作为重要的指挥工具，如果因为断电而不能正常工作，变会造成许多交通隐患。因此，对如何更好的利用可再生资源成了全球关注的焦点 本文主要介绍一种利用太阳能电池供电、用单片机程序控制的太阳能四灯爆闪灯。首先介绍了太阳能四灯爆闪灯的工作过程及原理，其次对构成太阳能四灯爆闪灯的太阳能光伏电池板、控制器、蓄电池、单片机等做了详细介绍，最后对系统的容量设计及配置选型两方面做了介绍。利用太阳能电池发出的电给太阳能四灯爆闪灯供电，并将多余的电能储存但蓄电池内，供太阳能四灯爆闪灯在夜晚或者阴雨天使用，保障太阳能四灯爆闪灯可以长时间的工作。 关键词 太阳能四灯爆闪灯 太阳能电池板 蓄电池 控制器 单片机 目 录 第1章 太阳能四灯爆闪灯的设计 ................................. 1 1.1设计要求 ....................................................... 11.2设计方案 ....................................................... 1 第2章 太阳能四灯爆闪灯 ........................................... 2 2.1太阳能四灯爆闪灯的作用 ......................................... 2 2.2太阳能四灯爆闪灯的组成 ......................................... 2 2.3太阳能四灯爆闪灯的工作原理 ..................................... 2 第3章 太阳能四灯爆闪灯的供电系统 ................................. 4 3.1太阳能电池组件 ................................................. 4 3.1.1电池组件的基本要求 ......................................... 4 3.1.2太阳能电池原理 ............................................. 5 3.1.3 太阳能电池的特性 ........................................... 6 3.1.4 太阳能电池的分类 ........................................... 8 3.2蓄电池 ......................................................... 8 3.2.1 蓄电池的分类 ............................................... 9 3.2.2 蓄电池的工作原理 .......................................... 12 3.2.3 铅酸蓄电池的型号识别 ...................................... 12 3.2.4 铅酸蓄电池的使用维护要点 .................................. 13 3.3 控制器 ........................................................ 14 3.3.1 光伏控制器的主要技术参数 .................................. 14 3.3.2 控制器接线 ................................................ 16 第4章 太阳能四灯爆闪灯的控制系统 ................................ 18 4.1 控制系统中的电子元器件 ........................................ 18 4.2 控制系统-单片机 ............................................... 19 总结 ............................................................ 22 致谢 ............................................................ 23 参考文献 ........................................................ 24 第1章 太阳能四灯爆闪灯的设计方案 1.1设计要求 1.通过太阳能电池板及其备用蓄电池对太阳能四灯爆闪灯供电; 2.用计算机辅助设计软件protel设计电路原理图，用proteus仿真软件对电路进行仿真; 3.以单片机为核心芯片，通过控制红蓝两色LED灯在公路特殊路段起到警示作用; 4.论文主要包括清晰地电路原理图、设计外观图、仿真图; 1.2设计方案 采用太阳能电池及备用蓄电池供电，确保太阳能四灯爆闪灯能在夜晚正常工作，并且可以在连续10个阴雨天里正常工作，采用单片机自动控制LED灯的闪烁频率，由一面来工作，提高灯的闪烁频率达到爆闪的效果。 1 第2章 太阳能四灯爆闪灯 2.1太阳能四灯爆闪灯的作用 太阳能四灯爆闪灯在工作生活中有以下的作用 1.公路养护作业面前放置，做到提醒司机谨慎驾驶。 2.在公路上存有交通安全隐患的危险路段安装提示司机或行人注意，有效的起到警示作用，避免交通事故和意外事故的发生。如公路交叉路口、弯道、桥梁、公路边村庄路口、学校门口、住宅小区、厂区大门口等危险路段。 如图2.1所示为太阳能四灯爆闪灯。 图2.1 太阳能四灯爆闪灯 2.2太阳能四灯爆闪灯的组成 1.采用密封组合灯组，每组由12个LED灯组成; 2.聚碳酸酯灯罩抗冲击、耐老化、透明度高; 3.闪光模式控制器，光控、过充、过放电保护。 2.3太阳能四灯爆闪灯的工作原理 由太阳能电池组件及蓄电池供电、控制器控制供电时间段，由单片机程序对太阳能四灯爆闪灯的闪烁进行控制，包括闪烁频率和闪烁的程度。 2 图2.2 太阳能四灯爆闪灯电路图 3 第3章 太阳能四灯爆闪灯的供电系统 在太阳能四灯爆闪灯的工作过程中，主要给灯具提供电能的有太阳能电池组件以及配套的蓄电池组。 3.1太阳能电池组件 太阳能电池组件也叫太阳能光伏组件，通常还简称为电池组件或光伏组件，英文名称为“Solar Module”或“PV Module”。电池组件是把多个单体的太阳电池片根据需要串、并联起来，并通过专用材料和专门生产工艺进行封装后的产品。目前易用的太阳能电池主要是晶体硅电池，分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等几种。 图3.1太阳能电池组件 3.1.1电池组件的基本要求 电池组件在应用中要满足以下要求: ?能够提供足够的机械强度，是电池组件能经受运输、安装和使用过程中，由于冲击、震动等而产生的应力，能经受冰雹的冲击力; ?具有良好的密封性，能够防风、防水，隔绝大气条件下对太阳电池片的腐蚀; ?具有良好的电绝缘性能; ?抗紫外线辐射能力强; ?工作电压和输出功率可以按不同的要求进行设计，可以提供多种接线方式，满足不同的电压、电流和功率输出的要求; ?因太阳电池片串、并联组合引起的效率损失小; ?太阳电池片间连接可靠; ?工作寿命长，要求电池组件在自然条件下能够使用20年以上; 4 ?在满足前述条件下，封装成本尽可能低。 3.1.2太阳能电池原理 (1)太阳能电池光伏效应:当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P,N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是:光子能量转换成电能的过程。如图3-2所示 图3.2 太阳能光伏发电原理 (2)太阳能电池的光电转换效率 投射到太阳能电池整个光照面的光能只有一小部分可变成电能，这是因为它受很多因素的影响。太阳光在外层空间的辐射基本是恒定的，但经过成分不同、厚度不同的大气层的吸收，其中包括含量大而且多变的水蒸气的选择性吸收，到达地面的太阳能光谱随时随地都在发生变化。一般情况下，到达地面的太阳光光谱为0.3,4µm。 实际上，太阳能电池的效率要比理论计算值低的多。因为太阳能电池在装换过程中有很多损失，其损失概括起来有以下几点。 ? 投射到电池表面的光，一部分被反射掉而没有进入电池，这种反射损失是一种相当大的损失。纯净的硅表面的反射率在0.4,1µm波长范围内约为30%，而其他材料的反射率也相当高。为减少损失，在制造太阳能电池时会在纯净的硅表面镀一薄层氧化硅以减少反射，这些膜在光谱范围内是透明的。 ? 光线进入电池后能量大于“禁带”宽度的光子被太阳能电池吸收，产生电子—空穴对，但还有一部分剩余能量在短时间内以热的形式传给了半导体晶格，也造成了损失;能量小于“禁带”宽度的光子不能产生空穴对，而在太阳能电池中损失掉。对于硅太阳能电池，该损失占入射太阳能总能量的53%。 5 ? 光激发产生的少数载流子中有一部分以扩散方式流到PN结，它是对电流输出有贡献的一部分，而另一部分则远离结位置并在电池表面和内部复合掉了。太阳能电池的开路电压小于PN结接触电势差，这项损失为电压因素损失。 ? 太阳能电池的最大功率与开路电压和短路电流乘积之比通常用FE(或CF)表示: FE=IV/IV mmscoc 式中，IV是太阳能电池的极限输出功率;IV是太阳能电池的最大输出功scocmm 率。 太阳能电池在开路和短路时的损失称为开路损失和短路损失。 ? 太阳能电池的串联电阻、接触电阻和薄膜层电阻也造成损失。 3.1.3 太阳能电池的特性 (1)太阳能电池的光电特性 当光照到太阳能电池上时，在电池负载电阻R上和电池内部，分别流过电流IR和IJ。其中，IJ为通过PN结的正向电流。当光照恒定时，光电流IP=IR+IJ也恒定。光电流在太阳能电池内、外的流动，可用等效电路表示，光电池端的电压VJ应与电阻上的电压VR相等，光电池的电流IJ随VJ的变化呈指数关系: qVJ/AkTI=Ip〔e-1〕 J -10式中，q为电子电荷，取值1.6×10C;T为绝对温度，单位为K;k为玻尔兹曼 -23-4常数，取值1.380×10J/K或0.86×10eV/K;A为太阳能电池的有效面积，单位为2mm。 负载电阻R上的电流和电压关系为 V=IR jR 从上式可得出负载电阻上的电流和电压之间的关系为R=V/I，负载电阻上的j 电压降和结电压相等，负载电阻R上得到的电功率为IV。太阳能电池要获得高的j 转换效率就必须在一定的太阳辐射下输出尽可能大的功率IV。 j (2)太阳能电池的光谱特性 太阳能电池的光谱特性是指太阳能电池在太阳光辐射能量相同时，其光生电流随辐射光波长变化的关系。在太阳能电池中，只有那些能量大于其材料“禁带”宽度的光子才能在被吸收时在光伏材料中产生电子—空穴对，而那些能量小于“禁带”宽度的光子即使被吸收也不能产生电子—空穴对。光伏材料对光的吸收存在一个截止波长。理论分析表明，对太阳光而言，能得到最佳工作性能的光伏材料应有1.5eV的“禁带”宽度,当“禁带”宽度增加时，被光伏材料吸收的总太阳能就会越来越多。 6 每种太阳能电池对太阳光都有自己的光谱曲线，它表明太阳能电池对不同波长光的灵敏度(光电转换能力)。表3-1给出了不同光伏材料的截止波长和太阳能吸收效率。当太阳光照到太阳能电池上时，某一波长的光和太阳能电池相对于该波长波的光谱灵敏度，决定该波长波的光生电流值，而太阳能电池总的光生电流值是各个波长光的光生电流值得总和。 表3.1 光伏材料特性 材料 禁带宽度/eV 截止波长/µm 太阳能吸收效率/% 硅 1.1 1.1 76 砷化镓 1.35 0.9 65 磷化铟 1.25 0.97 69 碲化镉 1.45 0.84 61 硒 1.5 0.81 58 (3)太阳能电池的I—V特性 太阳能电池组件的电气特性主要是指I—V输出特性，也称伏安特性曲线，如图3-3所示。 图3-3太阳能电池I-V特性曲线 太阳能电池的I—V特性与二极管的特性相似，一般称为I—V曲线特性。在太阳能I—V曲线中，短路电流(Isc)、开路电压(Voc)及最大功率(Pmpp)是太阳能电池的主要技术参数。 (4)太阳能电池的主要技术参数 ?光电转换效率ŋ。光电转换效率是评估太阳能电池性能的重要指标，太阳能电池的光电转换效率是指太阳能电池将接收到的光能转换成电能你的比率，即 ŋ=P/E×100% 0 7 式中，ŋ为光电转换效率;P为输出功率;E为太阳能电池板被照射的太阳能量。 0 太阳能电池组件的光电转换效率是决定太阳能电池是否具有使用价值的重要因素。晶体硅类太阳能电池的理论光电转换效率极限为29%，而现在的太阳能电池的光电转换效率为17%,19%，因此，太阳能电池在技术上还有很大的发展空间。 ?单体太阳能电池的输出电压V为0.4,0.6V，哟偶材料物理特性决定。 填充因子FF是评估太阳光电池带负载能力的重要指标，而 ? FF=(Im×Vm)/(Isc×Voc) 式中，Im为短路电流;Vm为开路电压;Isc为最佳工作电流;Voc为最佳工作电压。 太阳能电池的功率输出能力与其面积大小密切相关，面积越大，在相同的光照条件下输出功率也越大。太阳能呢电池的优劣主要由开路电压和短路电流这两项指标来衡量。 3.1.4 太阳能电池的分类 制作太阳能电池主要以半导体材料为基础，其工作原理是利用光电材料吸收光能后发生的光电转换效应。根据材料不同，太阳能电池分类如图3-4所示。 图3.4 太阳能电池的分类 3.2蓄电池 在太阳能光伏发电系统中，常用的储能电池及器件有铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂离子蓄电池和磷酸铁锂蓄电池、镍氢蓄电池及超级电容器等，他们分别应用与太阳能光伏发电的不同场合或产品中。由于性能及成本的原因，目前应用最多、最广泛的还是铅酸蓄电池。 太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求:?自放电率低;?使用寿命长; 8 ?深放电能力强;?少维护或面维护;?充电效率高;?工作温度范围宽;?价格低廉。 3.2.1 蓄电池的分类 (1)蓄电池的分类 就目前市场上的主流产品而言，有四类蓄电池:铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、镍氢蓄电池、镉镍蓄电池。蓄电池能够反复运用，符合经济实用原则，这是最大优点;蓄电池还具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点。因此蓄电池广泛的应用与发电厂、变电站、通信系统、电动汽车、航空航天等领域。下图为太阳能蓄电池图 图3.5太阳能蓄电池 蓄电池的性能参数很多，主要有四个指标: ?工作电压，蓄电池放电曲线上的平台电压。 ?蓄电池容量，常用安时(A.h)或毫安时(mA.h)表示。 ?工作温区，蓄电池正常放电的温度范围。 ?循环寿命，蓄电池正常工作的充放电次数。 普通蓄电池由于具有使用寿命短、效率低、维护复杂所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被淘汰。VRLA蓄电池(阀控密封式铅酸蓄电池)整体才用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气涨、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、能量高、成本低、寿命长(十年)、容量大(是普通铅酸蓄电池的两倍)、不漏液、安全、不污染、可回收、使用方便，正常运行时无需对点解进行盒调酸加水。VRLA蓄电池已被广泛应用到店里、邮电通信、船舶交通、应急照明等许多领域。VRLA蓄电池的基本结构如图3-6所示。它由正负极板、隔板、电解液、安全阀、气塞、外壳等部分组成。 9 图3.6 蓄电池的基本结构 2)蓄电池技术指标 (1)蓄电池的容量 蓄电池在一定的放电条件下所能给出的电量称为蓄电池的容量，常用C表示。然而，蓄电池作为电源，由于其端电压是一个变值，选用安培小时(A.h)表示蓄电池的电源特性，更为准确。蓄电池容量的定义为 tQ,,idt 0 理论上，t可以趋于无穷，但实际上，当蓄电池放电低于终止电压时，蓄电池就无法为负载提供正常工作的电压，这可能孙桓蓄电池，故对t值有限制。 所谓终止电压指蓄电池低于这一规定的电压时，蓄电池就无法为负载提供正常工作的电压。换言之，蓄电池在低于总之电压的情况下继续放电使用，可能会造成蓄电池永久性损坏。 在蓄电池行业中，一小时或分钟表示蓄电池可持续放电时间，常见的有:C24、C、C、C、C、C等标称容量值。蓄电池容量可分为理论容量、额定容量、实际2010831 容量。 ?理论容量是吧活性物质的质量按法拉第定律计算而得到的最高理论值。 ?实际容量是指蓄电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，其值小于理论容量。 ?额定容量也称标称容量、保证容量，按国家或有关部门颁发的，保证蓄电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。固定型蓄电池一般采用10小时率所放出的容量为蓄电池的额定容量，并用来标定蓄电池的型号。例如，额定容量为6A.h的蓄电池，C=6A.h;额定容量为24A.h的蓄电池，C=24A.h。 (2)蓄电池的电压 ?开路电压。蓄电池在开路状态下的端电压称为开路电压。蓄电池的开路电压等于蓄电池在外电路断路时(即没有电路通过两极时)蓄电池的正极电位与负极电位之差。蓄电池的开路电压用V表示，即 k 10 V=E-Ekzf 式中，E为蓄电池正极电位;E为蓄电池负极电位。 zf ?工作电压。指蓄电池接通负荷后在放电过程中显示的电压，又称负荷(载)电压或放电电压。常用V表示，即 V=V-I(R+R) k0j 式中，I为蓄电池放电电压;R为蓄电池的欧姆电阻;R为蓄电池的极化电阻。 0j ?初始电压。蓄电池放电初始时的工作电压称为初始电压。 ?充电电压。充电电压是指蓄电池在充电时，外电源加在蓄电池两端的电压。 ?浮充电压。蓄电池的浮充电压为充电器对蓄电池进行浮充电时设定的电压值。蓄电池要求充电器应有精确而稳定的浮充电压值，浮充电压值高以为着储存能量大，质量差的蓄电池浮充电压值一般较小，人为的提高浮充电压值对蓄电池有害而无益。 ?终止电压。蓄电池放电终止电压是蓄电池放电时电压下降到不能再继续放电的最低工作电压，一般规定固定型蓄电池10小时率放电时，单体蓄电池放电的终止电压为1.8V(相对于单体2V蓄电池)。 (3)蓄电池充放电曲线 蓄电池电压随充电时间变化的曲线称充电曲线;蓄电池电压随放电时间变化的曲线称放电曲线。 (4)放电时率与放电倍率 ?放电时率。蓄电池的放电时率是以放点时间长短来表示蓄电池放电的速率，即蓄电池在规定的放电时间内，以规定的电流放出的电量。 ?放电倍率。放电倍率是放电电流为蓄电池额定容量的一个倍数。 (5)能量和比能量 ?能量。蓄电池的能量是指在一定的放电制度下，蓄电池所能给出的电能，通常用W表示，其单位为瓦时(W.h)。蓄电池的能量分为理论能量和实际能量，理论能量可用理论容量和电动势的乘积表示，而蓄电池的实际能量为一定放电条件下的实际容量与平均工作电压的乘积 。 ?比能量。蓄电池的比能量是的单位体积或单位重量的蓄电池所给出的能量，分别称为体积比能量或重量比能量,单位用W.h/L和W.h/kg。 (6)功率和比功率 ?功率。蓄电池的功率是指蓄电池在一定的放电制度下，在单位时间内所给出能量的大小，常用P表示，单位为瓦(W)。蓄电池的功率分为理论功率和实际功率，理论功率为一定放电条件下的放电电流和电动势的乘积，而蓄电池的实际 11 功率为一定放电条件下的放电电流和平均工作电压的乘积。 ?比功率。蓄电池的比功率是指单位体积或单位质量的蓄电池输出的功率，分别称为体积比功率(W/L)或质量比功率(W/kg)。比功率是蓄电池重要的性能技术指标，蓄电池的比功率大，表示它承受大电流放电的能力强。 3.2.2 蓄电池的工作原理 这里主要介绍应用最广泛的铅酸蓄电池的工作原理，它正常充、放电的化学反应式为 PbO+2HSO+Pb=2PbSO+2HO 22442 以上正常充、放电化学方程式为理想化的原理方程式，似乎只要不受到机械损伤，一块铅酸蓄电池可以无休止的使用下去，完成充、放电过程。 在充电时，正极由硫酸铅(PbSO)转化为二氧化铅(PbO)后将电能转化42为化学能储存在正极板中;负极由硫酸铅(PbSO)转化为海绵状铅后，将电能4 转化为化学能储存在负极板中。 在放电时，正极由二氧化铅(PbO)变成硫酸铅(PbSO)，将化学能转化24 成电能向负载供电，负极由海绵状铅变成硫酸铅(PbSO)，将化学能转化成电4 能向负载供电。 3.2.3 铅酸蓄电池的型号识别 根据部颁标准JB 2599—1993的有关规定，铅酸蓄电池的名称由单体蓄电池的格数、型号、额定容量、电池功能和形状等组成。通常分为三段表示。第1段为数字，表示单体电池的串联数。每个单体蓄电池的标称电压为2V，当单体蓄电池串联数为1时，第1段可省略，6V、12V蓄电池分别用3和6表示。第2段为2,4个汉语拼音字母，表示蓄电池的类型、功能和用途等。第3 段表示电池的额定容量。蓄电池常用汉语拼音字母的含义如表3.2所示。 表3.2 蓄电池常用汉语拼音字母含义 第1个字母 含义 第2、3、4个字母 含义 Q 启动用 A 干荷电式 G 固定用 F 防酸式 12 D 电瓶用 FM 阀控式密封 N 内燃机车 W 无需维护 T 铁路客车 J 胶体 M 摩托车用 D 带液式 KS 矿灯酸性 J 激活式 JC 舰船用 Q 气密式 B 航标用 H 湿荷式 TK 坦克用 B 半密闭式 S 闪光灯 Y 液密式 3.2.4 铅酸蓄电池的使用维护要点 蓄电池的安装使用 (1)蓄电池在安装前应检查外观有无破裂、漏酸。检查接线端子极柱是否有弯曲和损坏。 (2)用铜刷轻轻处理电池端子，是端子的接线部位露出金属光泽，并用软布擦拭电池表面的铅屑和灰尘。 (3)在电池连接过程中，请戴好防护手套。 (4)蓄电池在多只并联使用时，按电池标识正、负极性依次排列，且连接电要拧紧，以防产生火花和接触不良。 (5)电池柜或架要放在实现确定的位置，注意电池柜与电池柜、墙壁及其他设备之间要留有50,70cm的维修距离，并注意地板的承重能力是否满足要求。 (6)电池间的安装距离通常为10,15cm，以便对流冷却。 (7)蓄电池应放在远离热源和容易产生火花的地方，不能在电池系统附近吸烟或使用明火。 (8)将蓄电池和外部设备连接之前，要使设备处于关断状态，并且再次检查蓄电池的连接极性是否正确，然后再将蓄电池的正极连接设备的正极端，蓄电池的负极连接设备的负极端，并紧固好连接线。 (9)蓄电池或电池组需要并联使用，一般不能超过4只(组)并联。 (10)不要单独增加电池组中某几个单体蓄电池的负载，否则将造成单体电池间容量的不平衡。 (11)蓄电池间连接电缆应尽可能短，不能仅考虑容量输出来选择电缆的大小规格，电缆的选择还因考虑不能产生过大的电压降。 (12)特别提示:不同容量、不同厂家或不同新旧程度的蓄电池严禁连接在一起使用。 13 (13)不准拆开或重新装配蓄电池，也不能拆卸电池排泄阀或向电池中加入任何物质。 (14)如遇火灾不能用二氧化碳灭火器，可用干粉灭火器和1211灭火器。 (15)条件许可的较大型光伏发电场(站)，蓄电池室最好配备空调和净化通风设备，使环境温度维持在20,25? 。 3.3 控制器 在太阳能电池与蓄电池给太阳能四灯爆闪灯供电的过程中，还需要一个重要的连接枢纽——控制器。控制器是太阳能光伏发电系统的核心部件之一。在小型光伏发电系统中，控制器主要用来保护蓄电池。在大中型系统中，控制器起着平衡光伏系统能量、保护蓄电池及整个系统正常工作和显示系统工作状态等重要作用。控制器可以单独使用，也可以和逆变器等合为一体。常见的蓄电池如图4.1所示。 图4.1 常见的光伏控制器 光伏控制器应具有以下功能:?防止蓄电池过充电或过放电，延长蓄电池寿命;?防止电池板或光伏方阵、蓄电池极性反接;?防止负载、控制器、逆变器和其他设备内部短路;?具有防雷击引起的击穿保护;?具有温度补偿的功能;?显示光伏发电系统的各种状态，包括蓄电池(组)电压、负载状态、光伏方阵工作状态、辅助电源状态、环境温度状态、故障报警等。 3.3.1 光伏控制器的主要技术参数 (1)系统电压 系统电压也叫额定工作电压，是指光伏发电系统的直流工作电压，电压一般为12V和24V，中、大功率控制器也有48V、110V、220V等。 14 (2)最大充电电流 最大充电电流是指太阳电池组件或方阵输出的最大电流，根据功率大小分为5A、6A、8A、10A、12A、15A、20A、30A、40A、50A、70A、100A、150A、200A、300A等多种规格。有些厂家用太阳电池组件最大功率来表示这一内容，间接地体现了最大充电电流这一技术参数。 (3)太阳电池方阵输入路数 小功率光伏控制器一般都是单路输入，而大功率光伏控制器都是由太阳电池方阵多路输入，一般大功率光伏控制器可输入6路，最多的课输入12路、18路。 (4)电路自身损耗 控制器的电路自身损耗也是其主要技术参数之一，也叫空载损耗(静态电流)或最大自消耗电流。为了降低控制器的损耗，提高光伏电源的转换效率，控制器的电路自身损耗要尽可能低。控制器的最大自身损耗不得超过其额定充电电流的1%或0.4W。根据电路不同自身损耗一般为5~20mA。 (5)蓄电池的过充电保护电压(HVD) 蓄电池的过充电保护电压也叫充满断开或过电压关断电压，一般根据需要及蓄电池类型的不同，设定在14.1~14.5V(12V系统)、28.2~29V(24V系统)和56.4~58v(48V系统)之间，典型值分别为14.4V、28.8V和57.6V。蓄电池过充电保护的关断恢复电压(HVR)一般设定在13.1~13.4V(12V系统)、26.2~26.8V(24V 系统)和52.4~53.6V(48V系统)之间，典型值分别为13.2V、26.4V和52.8V。 (6)蓄电池的过放电保护电压(LVD) 蓄电池的过放电保护电压也叫欠电压断开或欠电压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在 (7)蓄电池的充电浮充电压 蓄电池的充电浮充电压一般为13.7V(12V系统)、27.4V(24V系统)和54.8V(48V系统)。 (8)温度补偿 控制器一般都具有温度补偿功能，以适应不同的环境工作温度，为蓄电池设置更为合理的充电电压。控制器的温度补偿系数应满足蓄电池的技术要求，其温度补偿值一般为-20~-40mV/?。 (9)工作环境温度 控制器的使用或工作环境温度范围随厂家不同一般在-20~+50?之间。 (10)其他保护功能 ?控制器输入、输出短路保护功能。控制器的输入、输出电路都要具有短路保护短路，提供短路保护功能。 ?防反充保护功能。控制器要具有防止蓄电池向太阳电池反向充电的保护功 15 能。 ?极性反接保护功能。太阳电池组件或蓄电池接入控制器，当极性接反时，控制器要具有保护电路的功能。 ?防雷击保护功能。控制器输入端应具有防雷击的保护功能，避雷器的类型和额定值应能确保吸收预期的冲击能量。 ?耐冲击电压和冲击电流保护。在控制器的太阳电池输入端施加1.25倍的标称电压持续1h，控制器不应该损坏。使控制器充电回路电流达到标称电流的1.25倍并持续1h，控制器也不应该损坏。 3.3.2 控制器接线 EPDC型双路输出控制器面板如图5-1所示。在对控制器接线时应使用多股铜芯绝缘导线。先确定导线长度，在保证安装位置的情况下，尽可能减小连线长度，以减少电能损耗。应按照4A/mm2的电流密度选择铜导线截面积。 接线时先连接控制器端的蓄电池接线端子，再接蓄电池端，接线时注意正、负极不要反接。如果连接正确，控制器面板上的蓄电池指示灯应亮，可通过按键对控制器进行检查。否则，需检查接线是否正确。如果发生反接，不会烧熔断器及损坏控制器任何部件。因熔断器只作为控制器本身内部电路短路的最终保护。 连接太阳能电池导线时，先连接控制器端的太阳能电池接线端子，再接太阳能电池端，接线时注意正、负极不要接反，如果有阳光，控制器面板上的充电指示灯应亮。否则，需检查接线是否正确。最后将负载的连线接入控制器上的负载输出端，接线时注意正、负极不要反接。 当系统连接正常且有阳光照射到太阳能电池上时，控制器面板上的充电绿色指示灯为长亮，表示系统充电电路正常;当充电绿色指示灯出现快速闪烁时，说 控制方式，如果发生过放保护动作，明系统过电压。蓄电池充电过程中使用了PWM 再恢复充电时，控制器先要提升充电电压到设定值，并保持10min，而后降到直冲电压，保持30min，以激活蓄电池，避免蓄电池硫化结晶，最后降到浮充电压，并保持浮充电压。如果没有发生过放，将不会进入提升充电电压方式，以防蓄电池失水。这些自动控制过程将使蓄电池达到最佳充电效果并保证或延长其使用寿命。 蓄电池电压在正常范围时，状态指示灯为绿色常亮;充满后状态指示灯为绿色慢闪;当蓄电池电压降低到欠压时状态指示灯变为橙黄色;当蓄电池电压继续降低到过放电压时，状态指示灯变为红色，此时控制器将自动关闭输出。当蓄电池电压恢复到正常工作范围内时，将自动使能输出开关电路导通，状态指示灯变为绿色。 16 当负载接通时，控制器面板上的负载指示灯常亮。如果负载电流超过了控制器1.25倍的额定电流60s时，或负载电流超过了控制器1.5倍的额定电流5s时，指示灯为绿色慢闪，表示过载，控制器将关闭输出。当负载或负载侧出现短路故障时，控制器将立即关闭输出，负载指示灯快闪。出现上述现象时，应当仔细检查负载连接情况，断开有故障的负载后，按一次按键，30s后恢复正常工作，或等到第二天可以正常工作。 17 第4章 太阳能四灯爆闪灯的控制系统 太阳能四灯爆闪灯主要通过由单片机、电阻、电容等器件构成的电路来控制的，其中单片机是主要的控制器件，它控制了太阳能四灯爆闪灯的闪烁。 4.1 控制系统中的电子元器件 在控制系统内主要有电阻、电容、晶闸管等组成 (1)电容 电容(Capacitance)亦称作“电容量”，是指在给定电位差下的电荷储藏量，记为C，国际单位是法拉(F)。一般来说，电荷在电场中会受力而移动，当导体之间有了介质，则阻碍了电荷移动而使得电荷累积在导体上，造成电荷的累积储存，储存的电荷量则称为电容。 电容是指容纳电场的能力。任何静电场都是由许多个电容组成，有静电场就有电容，电容是用静电场描述的。一般认为:孤立导体与无穷远处构成电容，导体接地等效于接到无穷远处，并与大地连接成整体。 一个电容器，如果带1库的电量时两级间的电势差是1伏，这个电容器的电容就是1法拉，即:C=Q/U 。但电容的大小不是由Q(带电量)或U(电压)决定的，即电容的决定式为:C=εS/4πkd 。其中，ε是一个常数，S为电容极板的正对面积，d为电容极板的距离，k则是静电力常量。常见的平行板电容器，电容为C=εS/d(ε为极板间介质的介电常数，S为极板面积，d为极板间的距离)。 图5.1 电容图 (2)电阻 电阻(Resistance，通常用“R”表示)，是一个物理量，在物理学中表示导体对电流阻碍作用的大小。电阻元件的电阻值大小一般与温度，材料，长度，还有横截面积有关，衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数，其定义为温度每升高1?时电阻值发生变化的百分数。 电阻的主要物理特征是变电能为热能，也可说它是一个耗能元件，电流经过它就产生内能。电阻在电路中通常起分压、分流的作用。对信号来说，交流与直流信号都可以通过电阻。 18 图5.2 简单的电阻图片 (3)晶闸管 晶闸管(Thyristor)是晶体闸流管的简称，又可称做可控硅整流器，以前被简称为可控硅;1957年美国通用电器公司开发出世界上第一款晶闸管产品，并于1958年将其商业化;晶闸管是PNPN四层半导体结构，它有三个极:阳极，阴极和门极; 晶闸管具有硅整流器件的特性，能在高电压、大电流条件下工作，且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中。 晶闸管导通条件为:加正向电压且门极有触发电流;其派生器件有:快速晶闸管，双向晶闸管，逆导晶闸管，光控晶闸管等。它是一种大功率开关型半导体器件，在电路中用文字符号为“V”、“VT”表示(旧标准中用字母“SCR”表示)。 晶闸管(Thyristor)是一种开关元件，能在高电压、大电流条件下工作，并且其工作过程可以控制、被广泛应用于可控整流、交流调压、无触点电子开关、逆变及变频等电子电路中，是典型的小电流控制大电流的设备。 4.2 控制系统-单片机 在太阳能四灯爆闪灯的控制中，单片机具有相当重要的作用，它对太阳能四灯爆闪灯的控制主要是对灯具的闪烁控制。 在太阳能四灯爆闪灯的控制中，我们主要采用的是AT89C51单片机。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。该单片机有四十个引脚，如图5.3。 19 图5.3单片机AT89C51 表5.1给出了单片机四十个引脚分别具有的功能 表5.1AT89C51单片机引脚功能 引脚名称 引脚功能 P0.0,P0.7 P0口8位双向端口线 P1.0,P1.7 P1口8位双向端口线 P2.0,P2.7 P2口8位双向端口线 P3.0,P3.7 P3口8位双向端口线 ALE 地址锁存控制信号 PSEN 外部程序存储器读选通信号 EA 访问程序存储控制信号 RST 复位信号 XTAL1和XTAL2 外接晶体引线端 VCC +5V电源 VSS 地线 20 AT89C51单片机的主要特性:(1)与MCS-51 兼容 ;(2)4K字节可编程闪烁存储器 ;(3)寿命:1000写/擦循环;(4)数据保留时间:10年;(5)全静态工作:0Hz-24Hz;(6)三级程序存储器锁定;(7)128*8位内部RAM;(8)32可编程I/O线;(9)两个16位定时器/计数器;(10)5个中断源 ;(11)可编程串行通道;(12)低功耗的闲置和掉电模式;(13)片内振荡器和时钟电路。 21 总结 本系统采用单片机AT89C51为中心器件来设计太阳能四灯爆闪灯的控制系统，实现了红、蓝两色LED灯的爆闪及闪烁时间。系统设计简便、实用性强、操作简单。同时系统采用了太阳能电池供电，不仅环保节能，还省去了铺设电缆的麻烦。本系统的不足之处，不能架设在太阳辐射不充足的地区。硬件控制电路简单，可减低生产成本，采用单片机提高系统的可靠性和稳定性，调试维护方便。对道路安全具有举足轻重的作用。 22 致谢 经过几个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在毕业设计期间一直得到XXX老师的悉心指导和关怀，特别是在课题设计过程中，对论文的技术问题，导师花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的知道和多方面的帮助，是我在各方面都有了很大的进步。在此向XXX老师表示衷心的感谢～同时还要感谢和我一起作毕业设计的同学，是他们给了我无私的帮助，让我更好的完成了论文。 23 参考文献 [1]周志敏，纪爱华.太阳能光伏发电系统设计与应用实例[M].北京:电子工业出版社，2010 [2]李忠实.太阳能光伏发电系统的设计与施工[M].北京:人民邮电出版社，2012 [3]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2009.9 [4]王静霞.单片机应用技术(C语言版)[M].北京:电子工业出版社,2009 [5]邹益民.单片机C语言教程[M].北京:中国石化出版社,2009 [6]张靖武.单片机系统的protues设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007 [7]张友桥.电子产品组装与检验[M].北京:高等教育出版社,2008 24