太陽能捕蟲燈系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

1、 太陽能捕蟲燈系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化姓名： 學(xué)號：指導(dǎo)老師：摘 要隨著世界能源形勢的日益緊張以及社會的進(jìn)步和經(jīng)濟的發(fā)展，以及人們的生活水平的提高，對新能源和綠色農(nóng)業(yè)和有機農(nóng)產(chǎn)品的以及需求日益迫切，以生態(tài)防控為特色的病蟲害綜合治理體系日漸深入人心。太陽能捕蟲燈，作為一個太陽能為原料的物理蟲害防控手段，受到了人們的廣泛關(guān)注。太陽能捕蟲燈系統(tǒng)，在白天由太陽能電池板，吸收太陽的能量，轉(zhuǎn)化為太陽能，儲存在蓄電池中；夜晚時蓄電池對捕蟲燈供電，通過光來捕殺有害昆蟲。通過對太陽能捕蟲燈系統(tǒng)的設(shè)計實現(xiàn)和優(yōu)化，來實現(xiàn)最終的物理防止害蟲的綠色農(nóng)業(yè)。關(guān)鍵詞：太陽能；蓄電池；多源 LED；捕蟲燈；目 錄摘 要1一、緒論31.背

2、景與意義3二、太陽能捕蟲燈系統(tǒng)組成32.1設(shè)計原則32.2系統(tǒng)組成42.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖42.2.2太陽能捕蟲燈控制器42.2.3 太陽能電池52.2.4 鉛酸蓄電池62.2.5 LED捕蟲燈8三、太陽能捕蟲燈系統(tǒng)的實現(xiàn)83.1系統(tǒng)的核心處理93.2各模塊設(shè)計113.2.1充放電控制電路設(shè)計113.2.2硬件電路的保護(hù)功能設(shè)計113.2.3系統(tǒng)主程序113.2.4白天處理程序123.2.5夜間處理程序13四、總結(jié)14參考文獻(xiàn)15一、 緒論1.背景與意義 目前全球能源危機日益加劇，同時又面臨氣候變化的挑戰(zhàn)。在現(xiàn)今世界上存在不多的不可再生能源，例如天然氣、煤和石油等即將枯竭，為了能應(yīng)對這一現(xiàn)狀和能

3、源危機，世界上各個國家都在尋求可再生能源和新的能源，以取代所剩無幾的不可再生能源?？稍偕茉粗饕械?zé)崮?、水能、地?zé)崮?、太陽能等，其中太陽能是最重要的一種。太陽能發(fā)電具有核電、水電、火電所無法比擬的安全性、清潔性等優(yōu)點，此外，太陽能資源的充足性和廣泛性也備受人們的關(guān)注和重視1。新興的綠色能源太陽能可并展開了迅速的推廣應(yīng)用。目前太陽、永不枯竭等優(yōu)點，現(xiàn)今己得到大家的認(rèn)能光伏技術(shù)及產(chǎn)品開始在很多領(lǐng)域應(yīng)用，并進(jìn)入我們的生活。太陽能熱水器、太陽庭院燈、景觀燈和工藝燈等，都是太陽能能交通指示牌及太陽能路燈、草坪燈、光伏技術(shù)的應(yīng)用成果2。隨著生活質(zhì)量的提高， 人們對綠色有機農(nóng)產(chǎn)品的需求更加迫切，利用昆蟲的

4、趨光、色、味、性等特性選擇性引誘害蟲，再借助高壓電、水淹、熏殺等方式將其殺死，已成為技術(shù)最為成熟、發(fā)展最快的一種方法3。太陽能LED殺蟲燈已大量用于農(nóng)、林業(yè)害蟲的捕殺，在無公害農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用4-5。 但目前的捕蟲燈太陽能捕蟲燈系統(tǒng)不夠完善，且在太陽能利用率上還有很大的提升空間，所以在實現(xiàn)對害蟲的高效、選擇性誘殺的同時提高太陽能利用效率實現(xiàn)綠色環(huán)保也是至關(guān)重要的。二、 太陽能捕蟲燈系統(tǒng)組成2.1設(shè)計原則 (1) 從功能上來說，太陽能捕蟲燈系統(tǒng)主要是通過太陽能板，把光能轉(zhuǎn)換為電能，通過蓄電池儲存，然后對共LED捕蟲燈供電，夜晚利用害蟲的趨光性，從而實現(xiàn)對害蟲的捕殺。(2) 在滿足有效

5、的捕蟲的基礎(chǔ)上，整個太陽能捕蟲燈系統(tǒng)的能效能夠得到提高，降低對其他能源的功耗，減少污染，從而達(dá)到環(huán)保和節(jié)能的目的。 (3) 根據(jù)當(dāng)?shù)氐年幱晏烨闆r，光源情況，蓄電池效率情況，電池板受溫度影響及受灰塵覆蓋等實際情況進(jìn)行實時的綜合考慮。2.2系統(tǒng)組成 2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖太陽能捕蟲燈系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器、蓄電池、LED捕蟲燈等幾部分組成。如圖 2.1 所示?？刂破魈柲茈姵匕逍铍姵豅ED捕蟲燈圖 2.1 太陽能捕蟲燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(1) 太陽能電池板：其作用是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，把光的能量轉(zhuǎn)變成電能。 (2) 控制器：是太陽能路燈系統(tǒng)最關(guān)鍵的部件，完成太陽能電池功率的輸出，蓄電池的充放電，整個系

6、統(tǒng)的能量管理。 (3) 蓄電池：儲存電能，為LED捕蟲燈供電。 (4) 負(fù)載：LED捕蟲燈。 下面對各個組件進(jìn)行詳細(xì)分析和介紹。2.2.2太陽能捕蟲燈控制器一般情況下，從太陽能極板輸出的電壓是不穩(wěn)定的，不能將其直接應(yīng)用于LED 負(fù)載。常規(guī)的做法是將太陽能轉(zhuǎn)變的電能存儲到蓄電池中，在需要時，通過適當(dāng)?shù)淖儞Q供給 LED 負(fù)載。在這個過程中，控制器起著樞紐作用，其性能的好壞會直接影響整個照明系統(tǒng)的使用效果6?？刂破魇翘柲芄夥彰飨到y(tǒng)的核心部件之一，對保護(hù)蓄電池以及整個光伏系統(tǒng)的正常工作，整個系統(tǒng)的能量平衡管理，系統(tǒng)工作狀態(tài)的顯示等起著非常重要的作用。 如圖 2.2 太陽能捕蟲燈系統(tǒng)工作示意圖，太陽

7、能捕蟲燈利用太陽能電池板發(fā)電，蓄電池存儲電能，控制器控制蓄電池的充放電來工作的。控制器的工作是通過光控和時控相互配合來進(jìn)行的。在白天的時候，太陽能電池板接受陽光的照射，利用光伏效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，通過控制器對蓄電池進(jìn)行充電；在夜晚的時候，光線的強度逐漸減弱，太陽能電池的工作電流和工作電壓迅速下降，當(dāng)太陽能電池的工作電壓小于控制器設(shè)定電壓時，控制器控制蓄電池進(jìn)行放電，啟動負(fù)載LED捕蟲燈點亮7。當(dāng)環(huán)境光線過強或者設(shè)定的時間已經(jīng)到達(dá)時，控制器控制蓄電池放電停止，自動關(guān)閉負(fù)載，此時太陽電池充電開始，由此不斷循環(huán)。圖 2.2 太陽能捕蟲燈系統(tǒng)工作示意圖本設(shè)計控制器實現(xiàn)的功能主要有兩種，即基本功能和智

8、能創(chuàng)新功能，基本功能主要實現(xiàn)蓄電池的充放電，防止蓄電池過充電，過放電，延長蓄電池壽命；防止控制器、負(fù)載和其他設(shè)備內(nèi)部短路；防止雷擊引起的擊穿保護(hù)等，實現(xiàn)太陽能捕蟲燈系統(tǒng)最基本的保護(hù)。智能創(chuàng)新功能是采用PWM數(shù)字調(diào)光技術(shù)，實現(xiàn)4時段調(diào)光，3段式智能充電；內(nèi)置高性能恒流源，LED 軟啟動，開路保護(hù)，短路保護(hù)，精準(zhǔn)電流控制，瞬間故障保護(hù)，低電流紋波，高可靠性，保證整個太陽能捕蟲燈系統(tǒng)時刻處于高效的運行狀態(tài)。2.2.3 太陽能電池整個太陽能捕蟲燈系統(tǒng)價值最高的部分就是太陽能電池組件，太陽能電池是一種能量轉(zhuǎn)換的光電組件，它在經(jīng)由太陽光照射后，可以把光的能量轉(zhuǎn)換成電能，存儲在蓄電池中。太陽能電池的分類：

9、如圖 2.3，太陽能電池的種類繁多，若根據(jù)材料的種類來區(qū)分，可分為單晶硅(Single Crystal Silicon)、多晶硅(Polycrystal Silicon)、非晶硅(Amorphous Silicon，a-Si)、-V 族包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、磷化鎵銦(InGaP)、-族包括碲化鎘(CdTe)、硒化銦銅(CuInSe2)等8。圖 2.3 太陽能電池根據(jù)所使用的材料種類的分類2.2.4 鉛酸蓄電池蓄電池是二次電池，并且是可逆的，經(jīng)過放電，蓄電池電壓下降，到一定程度后，經(jīng)過充電又能復(fù)原需用的電池。蓄電池在整個LED 太陽能路燈系統(tǒng)中起著非常重要的作用。在太陽光充足

10、的情況下，蓄電池經(jīng)由路燈控制器存儲電能；在太陽光不充足的情況下，蓄電池放電給 LED 負(fù)載供電9。(1) 鉛酸蓄電池組成及工作原理鉛酸蓄電池由電池槽體、硫酸電解液、隔板、正負(fù)極板等主要部件組成。各種鉛酸蓄電池根據(jù)其用途的不同，各有不同的要求，從而在結(jié)構(gòu)上也有差異。對于閥控密封型還有安全閥，接線端子。在充放電過程中，閥控式密封鉛酸蓄電池的化學(xué)反應(yīng)如下：正極性物質(zhì) 電解液 負(fù)極活物質(zhì) 正極活物質(zhì) 電解液 負(fù)極活物質(zhì)放電時，負(fù)極板的海綿狀鉛，正極板的二氧化鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛，同時電解液中的硫酸濃度降低。充電時，通過氧化還原反應(yīng)硫酸鉛分別恢復(fù)成海綿狀鉛和二氧化鉛，同時電解液中的硫酸濃度增

11、大。在充電末期電池充滿電后，繼續(xù)充入的電量將導(dǎo)致電解液中水的分解，為防止因過充電導(dǎo)致水分解而引起電解液的減少，要實現(xiàn)電池的密封設(shè)計。電池的密封設(shè)計的關(guān)鍵解決問題是實現(xiàn)充電過程產(chǎn)生的氧氣能夠迅速與負(fù)極板上充電狀態(tài)下的活物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)變成水，并且基本沒有水分的損失10。(2) 蓄電池的放電特性蓄電池的放電特性曲線如圖 2.4 所示。圖 2.4 蓄電池放電曲線從圖中可以看出，放電初始階段，蓄電池的端電壓顯著降低，如圖中的 O-A段。隨著放電時間的增加，放電電壓也開始趨于緩慢，如圖中的 A-B 段。隨著放電過程的進(jìn)行，隨著蓄電池容量的降低，蓄電池的端電壓放電快速下降，放電終止電壓即圖中的 C 點。圖中持

12、續(xù)時間比較長的是 AB 曲線，蓄電池端電壓的平均電壓越高，蓄電池的電壓性能也就越好11。(3) 蓄電池的充電特性蓄電池的充電是將電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，在這個過程中會產(chǎn)生熱量。其次，充電產(chǎn)生的充電電流也會有一定的熱量散發(fā)出去。蓄電池的充電特性曲線如圖 2.5所示。圖 2.5 蓄電池充電曲線蓄電池充電初期，蓄電池端電壓迅速升高，如圖中 O-A 段。然后蓄電池的端電壓開始變得平穩(wěn)，如圖中的 A-B 段。隨著蓄電池容量的增加，蓄電池端電壓也升高，當(dāng)充電容量達(dá)到 90%的時候，蓄電池端電壓急劇升高，即圖中的B-C,C-D 段，這時應(yīng)以小電流進(jìn)行充電，避免大電流充電造成蓄電池?fù)p壞，停止對蓄電池充電如圖中 D

13、點12。2.2.5 LED捕蟲燈 LED 燈具有高光效，高節(jié)能，光色多，安全性高，設(shè)計形狀的多樣性，壽命長，快速響應(yīng)，燈具結(jié)構(gòu)合理，利環(huán)保，高新尖，運行成本低等優(yōu)點。與太陽能結(jié)合是“最佳組合”。新型光源LED以其固有的特性，由于其光色純的特點，可以針對不同的昆蟲使用不同的光譜，使我們可以準(zhǔn)確地鎖定目標(biāo)害蟲，最大限度的殺滅害蟲，保護(hù)益蟲 。同時，由于其有高亮度，遠(yuǎn)射程及低功耗的特點，使我們可以在節(jié)能的前提下，誘捕更大范圍的害蟲。其工作壽命長的特點，也使我們無需頻繁地更換光源，降低了成本 。在害蟲的防治領(lǐng)域?qū)⒌玫綇V泛的應(yīng)用 。如圖 2.6是多源LED捕蟲燈具裝置：如圖 2.6 多源LED捕蟲燈具三

14、、 太陽能捕蟲燈系統(tǒng)的實現(xiàn)根據(jù)同地區(qū)的緯度、輻照量、溫度、最長陰雨天數(shù)等環(huán)境因素的不同，可選擇不同的太陽能組件。本設(shè)計選擇多晶硅太陽能組件 120Wp，根據(jù)負(fù)載情況，選擇蓄電池容量 12V，100Ah。捕蟲部分我們采用LED 景觀捕蟲燈裝置。3.1系統(tǒng)的核心處理綜合太陽能捕蟲燈系統(tǒng)的成本以及實現(xiàn)的功能等多方面因數(shù)考慮，本設(shè)計選擇單片機作為整個系統(tǒng)的核心處理部分，通過無線數(shù)傳模塊 KYL-610 實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，利用單片機的強大控制功能，將其應(yīng)用于太陽能捕蟲燈系統(tǒng)控制器中，能有效提高充放電功能，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的性能。圖 3.1 控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計采用 Silicon Lab 公司單片機

15、 C8051F410 為控制核心，外圍電路主要由電源與復(fù)位電路、溫度采樣、時鐘電路模塊、無線通訊模塊、輸出驅(qū)動控制、鍵盤顯示模塊、太陽能電池板電壓采集模塊、蓄電池電壓電流采集模塊組成。太陽能捕蟲燈控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 3.1 所示。其中各模塊作用如下： (1) 電源與復(fù)位電路模塊： 提供系統(tǒng)+3.3V 和12V 的電壓。 (2) 太陽能電池板電壓采集模塊：完成太陽能電池板電壓的監(jiān)測。 (3) 蓄電池電壓電流采集模塊：完成蓄電池電壓、電流的監(jiān)測。 (4) 鍵盤顯示模塊：完成LED功率顯示功能，確定系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。 (5) 溫度采樣模塊：完成蓄電池溫度監(jiān)測并對充電實行自動的溫度補償功能。 (6

16、) 輸出驅(qū)動模塊：為功率 MOSFET 提供驅(qū)動以及保護(hù)功能。 (7) 實時時鐘模塊：根據(jù)春、夏、秋、冬四個季節(jié)的變化，太陽能捕蟲燈控制器自動調(diào)整 LED 燈的工作時間的長短。 (8) 無線通訊模塊：采用高靈敏度設(shè)計、低發(fā)射功率，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。圖3.2為太陽能電源模塊結(jié)構(gòu)示意框圖。太陽能電源模塊中太陽能光伏電池、充放電控制單元和蓄電池依次相連，太陽能光伏電池與電壓電流檢測單元一相連，蓄電池與電壓電流檢測單元二相連，單片機與 LED 光源模塊之間設(shè)有光強檢測單元，通過對蓄電池的電壓、電流檢測，實現(xiàn)充放電控制，達(dá)到蓄電池的最佳充電效果。圖 3.2 太陽能電源模塊結(jié)構(gòu)示意框圖圖 3.3 為恒流源

17、模塊結(jié)構(gòu)示意框圖。DC/DC 恒流源模塊中 DC/DC 變換器分別與濾波單元、調(diào)光模塊、欠壓過壓過流保護(hù)單元相連，電源經(jīng)濾波單元濾波后通過 DC/DC 變換器實現(xiàn)滿足 LED 捕蟲燈模塊需求的恒流輸出；通過對 LED捕蟲燈模塊的電壓和電流的檢測，實現(xiàn)過壓、欠壓、過流保護(hù)；感應(yīng)模塊上的光強檢測單元通過檢測光源的光強反饋給單片機，單片機則通過調(diào)光模塊實現(xiàn)調(diào)光控制，以達(dá)到預(yù)訂的最佳光照效果，從而使捕蟲效果最佳，同時保證 LED 路燈的安全和正常工作13。圖 3.3 DC/DC 恒流源模塊結(jié)構(gòu)示意框圖3.2各模塊設(shè)計3.2.1充放電控制電路設(shè)計蓄電池的充、放電控制采用 PWM 充電方式，PWM 信號由

18、單片機 C8051F410的可編程 16 位計數(shù)器/定時器陣列 PCA 模塊產(chǎn)生。PWM 信號根據(jù)系統(tǒng)電壓、電流、溫度等檢測結(jié)果，由軟件控制 PWM 信號的占空比，進(jìn)而達(dá)到充、放電的精確控制。3.2.2硬件電路的保護(hù)功能設(shè)計(1) 安全的雷電保護(hù)當(dāng)雨天出現(xiàn)雷電時，太陽能電池板兩端的電壓隨著外部光強的增大而上升。非常有可能超出其本身的額定電壓而造成太陽能電池板的損壞。在太陽能電池板兩端并聯(lián) TVS，以防止雷擊，保護(hù)各個組件的安全。(2) 蓄電池反充電保護(hù)當(dāng)太陽能電池板電壓小于蓄電池的電壓時，電路中會出現(xiàn)蓄電池對太也能電池板反向充電的情況，一定要避免這一情況的發(fā)生。本設(shè)計的 LED 太陽能照明控制

19、系統(tǒng)采用肖特基二極管 MBR1045 串聯(lián)在充電回路中進(jìn)行反充電保護(hù)。(3) 蓄電池反接保護(hù)設(shè)計當(dāng)指示燈點亮?xí)r，表示蓄電池正常工作，當(dāng)指示燈熄滅時，蓄電池沒有連接，當(dāng)指示燈快閃，蓄電池過放。本設(shè)計電路中采用二極管和保險絲一起對蓄電池進(jìn)行反接保護(hù)。(4) LED開路保護(hù) 采用的 LT3755 芯片具有 LED 開路保護(hù)功能。3.2.3系統(tǒng)主程序太陽能捕蟲燈控制器軟件部分的設(shè)計是：對太陽能電池板和蓄電池進(jìn)行電壓檢測進(jìn)行判斷，如果滿足放電條件，控制器就對蓄電池進(jìn)行放電控制，點亮LED 負(fù)載，并有相應(yīng)的保護(hù)措施，防止過放，如果滿足充電條件，控制器對蓄電池進(jìn)行充電控制，并有相應(yīng)的保護(hù)措施，防止過充，否則

20、，就返回，繼續(xù)對太陽能電池板和蓄電池進(jìn)行電壓檢測。圖 3.4 為系統(tǒng)主程序流程圖。圖 3.4 主程序流程圖3.2.4白天處理程序白天處理程序首先采樣太陽能電池板電壓，判斷是否滿足充電光照條件，然后采樣蓄電池電壓，判斷是否需要充電。根據(jù)蓄電池電壓的不同，調(diào)整 PWM 脈沖的占空比，采用不同的充電策略。若蓄電池電壓大于等于 14.7V，則進(jìn)行浮充充電；若蓄電池電壓小于等于 13.0V，則進(jìn)行快充充電；若蓄電池電壓在 13.0V與 14.7V 之間，則進(jìn)行 PWM 充電；否則，就返回重新判斷。圖為 3.5 充電子程序流程圖。圖 3.5 充電子程序流程圖3.2.5夜間處理程序夜間處理程序首先采樣太陽能

21、電池板電壓，判斷是否滿足充電光照條件，然后采樣蓄電池電壓，判斷是否需要放電。若蓄電池電壓大于等于 10.8V，則就進(jìn)入過放保護(hù)，并返回。若蓄電池電壓小于 10.8V，則進(jìn)行放電。LED 點亮有四種方式，分別為 LED 全功率點亮，LED 四分之三功率點亮，LED 半功率點亮以及LED 四分之一功率點亮。圖 3.6為放電子程序流程圖。3.6放電子程序流程圖四、 總結(jié)在對太陽能捕蟲燈系統(tǒng)深入研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款太陽能捕蟲燈控制器。研究的太陽能捕蟲燈控制器是以 C8051F410 單片機為核心，實現(xiàn)對蓄電池和太陽能電池的檢測以及對蓄電池的充、放電控制。太陽能捕蟲燈控制器對輸出 LED 光源進(jìn)行了恒流控制，電路簡單，功耗低，便于維護(hù)。通過太陽能電池與捕蟲LED相結(jié)合，在實現(xiàn)對害蟲的高效、選擇性誘殺的同時，也保護(hù)了環(huán)境。真正實現(xiàn)了綠色無污染。參考文獻(xiàn)1黃鴻年.LED 在綠色照明工程中的光伏應(yīng)用J.民營科技,2009(3):18.2毛興武,毛涵月,王佳寧,祝大衛(wèi).LED 照明驅(qū)動電源與燈具設(shè)計M.北京：人民郵電出版社，2001(5):317-318.3梁富浩.太陽能殺蟲裝置的研究