淺析綠色能源LED光伏照明系統(tǒng)

1.1國(guó)內(nèi)外光伏發(fā)電歷史及現(xiàn)狀年提出朝日七年計(jì)劃，計(jì)劃到2000年推廣16.2萬(wàn)套太陽(yáng)能光伏屋頂，已完成。1997年又宣布7萬(wàn)光伏屋頂計(jì)劃，到2010年將安裝7600MW太陽(yáng)電池。2000屋頂計(jì)劃，現(xiàn)在實(shí)際建成的屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)超過(guò)10萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂(每戶約3kW一5kW)計(jì)劃。并且1999中國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用始于70年代，但直到1982年以后方真正發(fā)展起來(lái)，在1983年至能力從1984年以前的年產(chǎn)200千瓦躍到1988年的4.5兆瓦。在應(yīng)用方面，目前太陽(yáng)電池主要用于通信系統(tǒng)和邊遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)，在1995年年銷售才約1.1兆瓦。在1995年西藏的無(wú)水力無(wú)電縣中，已建成2個(gè)功率分別為10千瓦和20千瓦的光伏電站。地完全統(tǒng)計(jì)，在這些地區(qū)已建成10～100kW光伏電站40多座，推廣家用光伏電源15萬(wàn)臺(tái)，總功率2004年9月，中國(guó)首座屋頂太陽(yáng)能發(fā)電站在北京竣工投產(chǎn)。這套太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)分別安裝在容量140千瓦，年發(fā)電量約15萬(wàn)千瓦時(shí)，能讓4萬(wàn)盞100瓦的路燈亮上一年。2005年初，甘肅《敦煌8兆瓦并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)預(yù)可行性報(bào)告》也通過(guò)有關(guān)部門組織的5兆瓦光伏發(fā)電系統(tǒng)。據(jù)有關(guān)方面人士介紹，資額為3.2247億元，其中申請(qǐng)國(guó)家補(bǔ)助1.6億元，建設(shè)投運(yùn)后年均發(fā)電量可達(dá)1280萬(wàn)千瓦時(shí)。甘在上海，根據(jù)上海有關(guān)部門制訂的《2005-2007年上海開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能行動(dòng)計(jì)劃》,到2007目前，四川也已向國(guó)家發(fā)改委申報(bào)項(xiàng)目，準(zhǔn)備在攀西地區(qū)建一個(gè)目前國(guó)內(nèi)最大的太陽(yáng)能發(fā)電站，裝機(jī)容量為2000千瓦。根據(jù)國(guó)家《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》,要大力推廣應(yīng)用小功率光伏系統(tǒng)，建立分散型和集中型兆瓦級(jí)聯(lián)網(wǎng)光伏示范性電站。到2010年，我國(guó)光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)500MVP。其中，300~350MVP裝機(jī)用于解決西部無(wú)電區(qū)通電問(wèn)題，其次為工業(yè)應(yīng)用，包括通訊、鐵路設(shè)備等，最后是提供照明部分。也就是說(shuō)，從今年到2010年這五六年時(shí)間，光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將是2004年底的7倍多，我國(guó)國(guó)內(nèi)光伏市場(chǎng)十分巨大。向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光熱能轉(zhuǎn):電子:空穴圖1太陽(yáng)電池的發(fā)電原理少要比普通火電站貴5～10倍.一座1000MW的太陽(yáng)能熱電站需要投資20～25億美元，平均1kW2.2太陽(yáng)能電池的分類太陽(yáng)能電池板(圖2)單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%,這是所有種類的太陽(yáng)能電硅一般采用鋼化玻璃以及防水樹(shù)脂進(jìn)行封裝，因此其堅(jiān)固耐用，使達(dá)25年。率則要降低不少，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%左右(2004年7月1日日本夏普上市效率為14.8%的世界18%,而且，此類薄膜太陽(yáng)能電池到目前為止，未發(fā)現(xiàn)有光輻射引致性能衰退效應(yīng)(SWE),其光電轉(zhuǎn)化效率比商用的薄膜太陽(yáng)能電池板提高約50~75%,在薄膜太陽(yáng)能電池中屬于世界的最高水平2.3組件構(gòu)成及各部分功能其作用為保護(hù)發(fā)電主體(如電池片),透光其選用是有要求的，1.透光率必須高(一般91%以上);2.超白鋼化處理用來(lái)粘結(jié)固定鋼化玻璃和發(fā)電主體(如電池片),透明EVA材質(zhì)的優(yōu)劣直接影響到組件的壽高，在室外陽(yáng)光下發(fā)電比較適宜薄膜太陽(yáng)能電池，相對(duì)設(shè)備成作用，密封、絕緣、防水(一般都用TPT、TPE等材質(zhì)必須耐老化，大部分組件廠家都質(zhì)保2.3.6鋁合金身處過(guò)域士淚理泡太陽(yáng)能電池板(圖3)2.4太陽(yáng)能電池的安裝太陽(yáng)電池方陣的方位角是方陣的垂直面與正南方向的夾角(向東偏設(shè)定為負(fù)角度，向西偏設(shè)定為正角度)。一般情況下，方陣朝向正南(量是最大的。在偏離正南(北半球)30°度時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約10%～15%;在偏離正南(北半球)60°時(shí)，方陣的發(fā)電量將減少約20%～30%。但是，在晴朗的夏天，太陽(yáng)輻射能量的最大時(shí)網(wǎng)發(fā)電的場(chǎng)合，希望綜合考慮以上各方面的情況來(lái)選定方位角。方位角=(一天中負(fù)荷的峰值時(shí)刻(24小時(shí)制)-12)×15+(經(jīng)度-116)10月9日北京的太陽(yáng)電池方陣處于不同方位角時(shí)，日它因素。對(duì)于正南(方位角為0°度),傾斜角從水平(傾斜角為0°度)開(kāi)始逐漸向最佳的傾斜角10%～20%。針對(duì)這種情況，我們要對(duì)理論計(jì)算值進(jìn)行校正。通常，在方陣周圍有建筑物及山峰陽(yáng)高度(仰角)為A,在方位角為B時(shí)，假設(shè)陰影的倍率為R,則：R=L2/L1=ctgA×cosB下邊緣的高度為h2,則：方陣之間的距離a=(hl-h2)×R。當(dāng)緯度較高時(shí)，方陣之間的距離加3.1蓄電池的功能與基本特性蓄電池是獨(dú)立型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)不可缺少的儲(chǔ)能部件。其主要功能是當(dāng)日照量減少或夜間不發(fā)電時(shí)補(bǔ)充負(fù)載要求的功率。一般系統(tǒng)當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電功率急劇下降時(shí)，蓄電池起緩沖作用，保證電壓的穩(wěn)定。3.2鉛酸蓄電池的自放電與使用壽命放電深度即使用過(guò)程中放電到何程度開(kāi)始停止.100%深度指放出全部容量.鉛酸蓄電池壽命受放電深度影響很大.設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)就是深循環(huán)使用、淺循環(huán)使用還是浮充使用.若把淺循環(huán)使用的鉛酸蓄電池壽命隨溫度升高而延長(zhǎng).在10℃~35℃間，每升高1℃,大約增加5~6個(gè)循環(huán)，在35℃~45℃之間，每升高1℃可延長(zhǎng)壽命25個(gè)循環(huán)以上；高于50℃則因負(fù)極硫化容量損失而降低了壽電池壽命在一定溫度范圍內(nèi)隨溫度升高而增加，是因?yàn)槿萘侩S溫度升高而增加.如果放電容量3.3蓄電池主要參數(shù)蓄電池每單格的標(biāo)稱電壓為2伏，實(shí)際電壓隨充放電的情況而變化。充電結(jié)束時(shí)，電壓為2.5-2.7伏，以后慢慢地降至2.05伏左右的穩(wěn)定狀態(tài)。如用蓄電池做電源，開(kāi)始放電時(shí)電壓很快降至2伏左右，以后緩慢下降，保持在1.9-2.0伏之間。當(dāng)放電接近結(jié)束時(shí)，電壓很快降到1.7伏；當(dāng)電壓低于1.7伏時(shí)，便不應(yīng)再放電，否則要損壞極板。停止使用后，蓄電池電壓自己能回升到1.98伏。鉛酸蓄電池的容量是指電池蓄電的能力，通常以充足電后的蓄電池放電至端電壓到達(dá)規(guī)定放電終了電壓時(shí)電池所放出的總電量來(lái)表示。在放電電流為定值時(shí)，電池的容量用放電電流和時(shí)間的乘積來(lái)表示，單位是安培小時(shí)，簡(jiǎn)稱安時(shí)。蓄電池的“標(biāo)稱容量”是在蓄電池出廠時(shí)規(guī)定的該蓄電池在一定的放電電流及一定的電解液溫度下單格電池的電壓降到規(guī)定值時(shí)所能提供的電量。蓄電池的放電電流常用放電時(shí)間的長(zhǎng)短來(lái)表示(即放電速度),稱為“放電率”,如30、20、10小時(shí)率等。其中以20小時(shí)率為正常放電率。所謂20小時(shí)放電率，表示用一定的電流放電，20小時(shí)可以放出的額定容量。通常額定容量用字母"C"表示。因而C20表示20小時(shí)放電率，C30表示30小時(shí)放電率。3.4蓄電池的充電方式漸上升，電流卻幾乎成為直線衰減。有時(shí)使用兩個(gè)電阻值，約在2.4V時(shí)，從低電阻轉(zhuǎn)換到高電4.太陽(yáng)能充放電控制器設(shè)計(jì)4.1蓄電池充電特性鉛酸蓄電池的充電特性是由其最大接受充電能力來(lái)體現(xiàn)，是在保證蓄電池析氣率較低、溫升較低時(shí)所能承受的最大充電電流。其充電特性曲線方程式為：在實(shí)際的電池充電管理過(guò)程中，要使蓄電池的充電過(guò)程完全吻合該充電特性曲線存在較大困難。因此本著提高充電效率、保障蓄電池使用壽命、實(shí)現(xiàn)合理有效充電的原則，參考充電特性曲線，采用智能控制芯片UC3909實(shí)現(xiàn)對(duì)膠體密封鉛酸蓄電池分段充放電控制管理。4.2基于UC3909控制器的四階段充電目前獨(dú)立型太陽(yáng)能照明系統(tǒng)中蓄電池充電控制器一般采用的是三階段充電方式，即先恒流充電、再恒壓充電、后浮充充電。但由于某些應(yīng)用場(chǎng)合的蓄電池會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)度放電的情況，如果接進(jìn)入較大電流充電的恒流充電階段，容易造成熱失控，易損壞蓄電池。所以在最開(kāi)始的時(shí)候應(yīng)該采用小電流IT充電的涓流充電模式，等蓄電池的端電壓達(dá)到設(shè)定的充電使能電壓UT時(shí)，再進(jìn)行恒流充電。UC3909芯片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個(gè)階段合理充電，如圖4所示。充電電流充電電流、電壓/A.狀態(tài)1:涓流充電。恒壓充電U恒壓充電恒流充電電壓曲線涓流浮充U消流充電額定電U消流充電電流曲線充電時(shí)間/1UC3909的四階段充電曲線(圖4)當(dāng)蓄電池電壓低于充電使能電壓UT,充電器提供很小的涓流IT進(jìn)行充電，IT一般約為0.01C(C為蓄電池容量)狀態(tài)2:恒流充電。當(dāng)蓄電池的電壓達(dá)到充電使能電壓UT時(shí)，充電器提供一個(gè)大電流IBULK對(duì)蓄電池進(jìn)行恒流充電，這一階段是充電的主要階段，蓄電池端電壓上升很快，直至電壓上升到過(guò)壓充電電壓UOC時(shí)進(jìn)狀態(tài)3:恒壓充電。選擇-3.5~-5mV/。圖5所示為基于UC3909太陽(yáng)能蓄電池充電器電路框圖，光伏陣列經(jīng)過(guò)電壓電流采樣再經(jīng)模數(shù)光伏陣列電壓電流采樣鉛酸超級(jí)電容組采樣系統(tǒng)框圖(圖5)4.3.1UC3909充電器主要參數(shù)設(shè)計(jì)基于UC3909的充放電電路如圖6所示。采樣采樣超級(jí)電容組光伏陣列卓電壓電流采樣閥控鉛酸蓄電池柵極驅(qū)動(dòng)單片機(jī)基于UC3909的充放電電路(圖6)根據(jù)UC3909內(nèi)部集成電路及光伏陣列、超級(jí)電容參數(shù)并結(jié)合閥控鉛酸蓄電池的容量及額定電壓等參數(shù)對(duì)電路各個(gè)部分進(jìn)行合理計(jì)算設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)使用賽特公司生產(chǎn)的12V,65Ah膠體密封鉛酸蓄電池，根據(jù)廠家提供的蓄電池充電參數(shù)，浮充電壓UF取13.8V,充電使能電壓UT取10.8V;過(guò)壓充電電壓UOC14.7V;涓流充電電流ITC取0.26A;恒流充電電流IBULK取系統(tǒng)最大充電電流6.5A;過(guò)充終止電流IOCT取1A.根據(jù)以上廠家所提供的蓄電池參數(shù)，參照UC3909芯片資料及相關(guān)參考文獻(xiàn)，計(jì)算UC3909外Ut=UREF(Rs1+Rs2+式中，UREF為UC3909內(nèi)部基準(zhǔn)電壓2.3V.代入相關(guān)值計(jì)算得(RS1、RS2、RS3、RS4分別另外，可以根據(jù)流入U(xiǎn)C3909內(nèi)部電流誤差放大器反向輸出端CA的固定控制電流ITRCK、涓流充電電流IT、恒流充電電流IBULK及過(guò)充終止電流IOCT計(jì)算得出RG1、RG2,ROVC1和ROVC2,其基本計(jì)算公式如下：ROVC1和ROVC2滿足以下關(guān)系式：RovCI=1.852IacrRsRoVC2(最終ROVC1和ROVC2分別選取為1kQ,10kΩ。4.3.2鉛酸蓄電池的溫度補(bǔ)償光伏系統(tǒng)中的鉛酸蓄電池一般與太陽(yáng)能板一起安裝在戶外，而周圍溫度的變化對(duì)鉛酸蓄電池的性能有重大影響，有研究表明，鉛酸蓄電池的浮充電流對(duì)溫度極為敏感，溫度每變化10℃,浮充電流成倍增長(zhǎng)，對(duì)于本設(shè)計(jì)中用到的蓄電池，根據(jù)廠家提供的參數(shù)，同一浮充電流下，其溫度系數(shù)為-3.9mV/℃,也就是說(shuō)如果要防止浮充電流增加，當(dāng)溫度升高1時(shí)，其浮充電壓應(yīng)該降低3.9mV;同理，當(dāng)溫度降低1時(shí)，其浮充電壓應(yīng)該升高3.9mV才能保持浮充電流不變。鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償電路(圖7)UC3909內(nèi)部集成了具有鉛酸蓄電池溫度補(bǔ)償功能的電路如圖7所示，A1為電流/電壓轉(zhuǎn)換元件，其輸入端分別接10kΩ普通電阻及10kΩ熱敏電阻。A2與外接四個(gè)20kΩ2電阻組成差動(dòng)運(yùn)算放大電路。RTHM一般貼附在鉛酸蓄電池的表面殼體用于檢測(cè)其溫度，當(dāng)鉛酸蓄電池內(nèi)部溫度變化時(shí)，通過(guò)熱敏電阻RTHM的反饋使UC3909的基準(zhǔn)電壓2.3V也隨溫度按-3.9mV/℃的溫度系數(shù)變化。從而確保鉛酸蓄電池在浮充狀態(tài)下準(zhǔn)確工作于安全的浮充電壓，保護(hù)了鉛酸蓄電池。本設(shè)計(jì)采用升降壓模式，如圖5所示，超級(jí)電容器組接DC/DC轉(zhuǎn)換電路的輸入端，設(shè)定輸入范圍為4.5~20V,輸出電壓范圍為10.8~14.7VQ1由單片機(jī)輸出PWM信號(hào)控制，Q2由UC3909的5腳經(jīng)MOS管驅(qū)動(dòng)電路控制，5腳輸出PWM頻率由UC3909的18腳所接電阻RSET及19管DC/DC轉(zhuǎn)換電路(圖8)盡量小，本電路中取55m。1)超級(jí)電容具有使用壽命長(zhǎng)，充放電限制少，功率密度大，充電電池比能量