中国海洋大学

中国海洋大学 硕士学位论文 LED太阳能路灯的优化设计与实现 姓名:苗洪利 申请学位级别:硕士 专业:电子与通信 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 指导教师:李欣;刘卫东 20071201 LED太阳能路灯的优化设计与实现 摘 要 在光伏应用领域，太阳能照明具有重要的地位。半导体LED照明与太阳能的有机结 合，更具独特的优势和良好的应用前景。目前，太阳能照明难以大面积推广的瓶颈就是 由于成本价格太高。本课题在太阳能电池、蓄电池和LED负载三者间进行合理容量匹配 测算。旨在优化系统设计、降低运行成本、提高使用效益。 本文主要完成了如下工作: 1、从理论计算、当地气象资料和实测三个方面分析研究了青岛地区的气候资源，为太 阳能路灯的优化设计提供数据支持。 2、对太阳能电池、蓄电池和白光LED的工作原理及特性进行了分析研究。 3、在满足太阳能路灯照度标准的前提下，确定LED灯具的功率和结构;在保证一定自 给天数的条件下确定蓄电池的容量;根据路灯安装场地和本地的太阳辐射情况，确定合 理的太阳能电池输出容量。用实测法确定太阳能电池板的最佳倾角和方位角。 4、使用全自动充放电控制器，实现光控开、定时关，过充过放保护等功能。 5、利用自行开发的基于LabVIEW的太阳能路灯充放电监测系统对太阳电池的功率输出 进行全天跟踪测试。通过监测充电数据分析太阳能电池与蓄电池容量的匹配;通过监测 放电数据分析蓄电池与LED负载的匹配，从而确定三者的最佳容量匹配。 6、在太阳能电池板结构上增加了反光镜系统，提高充电能力20,以上。 LED太阳能路灯通 过近1年半的实地运行及监测，可得到结论:按本文参数设计的 LED太阳能路灯，运行状况良好、性能价格比高、性能稳定。具有良好的应用前景和推 广价值。 关键词:太阳能路灯，白光LEI)，蓄电池，优化设计，LabVIEW编程，充放电监测 i oat i of So I ar LED Street i Des i and Fabr mum on The gn Opt i I i ght ng system Lamp Abstract In the field of PV energy lighting technology applications，solar combination of the and solar status(The LED一1ighting an occupy important future in and has an unique advantage good application(Nowadays， energy of solar thesis cost block the 1ighting(This popularization energy the between solar and the calculation cell，batteries focus on capacitance and theout carry optimal design，cost decreasing improving LED，then performance( fol lows: contents of hi S are as The paper field the weather data and to 1 theoery，local test，we study According data for imal conclusion design( cl imate of can provide opt Qingdao，the and characteristic of solar studied that the was It 2operation theoery LED( and white cell，battery the of solar 3 the and structure of the was set，in purpose Iamp power batteries can for standard(In order street to make the provide power Iamp radiation into few take the installation and the solar account， days，we batteries(Then to field and set the tance of the according test， capaci the solar cell settled( were the and direction of obliquity and the role ofcontroller，We perform 4 auto a charge discharge Using functions( switch and other 1ight protect street of and of solar 5 a Iamp discharge Using monitoring system charge of solar cel the 1 was based on LabVIEW，the tracked(By studying power can iearn the of batteries and solar cel 1(By matching charge data，we conclude the best data and LED the operation data，we studying discharge tance(matching capaci was enhancedreflect mirror to the solar a 6cell，the power By adding twenty percent( conclusion have been field tested for street one LED year，the lamp wel ratio of LED street our is that iamp system performance l，the to cost is an future( good high，has capability words:solar design、 street light LED、batteries、optimal Key lamp、white of and LabVIEW charge discharge programming、monitoring 2 独创 声 明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人 也不包含未获得 已经发表或撰写过的研究成果， ((注!垫遗直基丝差墓挂剔直盟数:奎拦互窒2或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 ??签名搠撕期: 7弘岍 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射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部; ◎由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30。_40。地区，太阳能的分布情况与一般的太阳 能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增 加。 为了按照各地不同条件更好的利用太阳能，中国气象专家根据各地接收太阳总辐射量的 多少，将全国划分为如表1-1五类地区n1。 在五类地区中，一、二、三类地区，年日照时数大于2000小时，年辐射总量高于586 千焦,厘米2(140千卡,厘米2)，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占 全国总面积的2,3以上，具有利用太阳能的良好条件;四、五类地区，虽然太阳能资源条件 较差，但也不是均无利用价值，其中有的地方是有可能开发利用的。根据表卜l中国太阳能 资源的分布和特点，并和纬度相当的日本、美国的太阳能资源相比较，可以对中国的太阳能 资源作如下的评价:除四川盆地和与其毗邻的地区外，中国绝大多数地区的太阳能资源相当 LED太阳能路灯的优化设计与实现 丰富，和美国类似，比日本优越得多，特别是青藏高原中南部的太阳能资源尤为丰富，接近 世 界上最著名的撒哈拉大沙漠。总之，中国是太阳能资源丰富的国家，具有得天独厚的开发 利用 太阳能的优越资源条件。 表1-1中国太阳能资源划分 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3796，最近五年的年平均增长率为45,乜1。 1-2(1发展可再生能源的时代已经到来?1 传统的化石能源日益枯竭，并且利用过程中严重污 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 2 LED太阳能路灯的优化设计与实现 再生能源。 1(2(2世界光伏产业的新进展及应用特点?‘5儿61 1997年，美国提出“百万太阳能光伏屋顶" 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，预计2010年完成。同年，日本提出 “新阳光计划"，到2010年将生产43亿瓦光伏电池。同年，欧盟提出“百万光伏屋顶计划’’。 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“光伏 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。2005 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，比前一年增长了 53,;占世界安装量的57,;日本安装292MW，比前一年增长了14,，占世界安装量的20,; 美国安装102MW，占世界安装量的7,1欧洲其它地区安装88MW，占世界安装量的6,;世界 其它地区安装146MW，占世界安装量的10,。 1(2(3我国光伏产业发展现状口?81 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号卫 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，太 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农 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，国 家发改委启动了“送电到乡”项目，使得中国的光伏市场迅速发展起来，总装机容量从2001 年的23500kW迅速增长到2002年的45000kW，至2003年达到55000kW。2003"-'2005年，受 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(2(4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。目前已有数 千套光伏系统的运行经 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，噪音几乎 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意 增容。 (5)标准化程度较高，可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。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 1(3新一代照明光源一白光LED 1(3(1 LED在照明领域的发展及现状归H151 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 (Lightnig Doide，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Emttinig 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。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20cd以上，光效达50-70 lm,W;色温可 在5000K-IOOOOK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n盯。 1(3(2 LED灯与直流荧光灯的比较n刀 目前市场上普遍使用的直流荧光灯用于太阳能照明系 统，与传统交流荧光灯、高压钠灯 等相比具有了一定的优势。但经与直流LED灯对比测试，我们仍可看到LED灯更具优势。下 面是部分性能的测试比较，见表I-2。 4 LED太阳能路灯的优化设计与实现 表i-2两种灯具的性能参数 特性 直流荧光灯具 直流LED灯具 5W 2 (7W 额定功率 额定 12V 12V 光电压 ?45 ?50 效(1m,W) 光 250 150 平通量(Ira)3000 lO万 开均寿命(h)5000 15000 启动关次数(次) 13 瞬时 稳定时间(s) 低温 好 性能 较差 频闪 效应 明显 不明显 环 境污染 有 无 对比结果: (1)白光LED灯具光效要比直流荧光灯略高。但LED的光效提高的空间仍很大，预计2010 年一2015年可达150—2001m,W。 (2)通过模拟实际使用条件下的照度对两种灯进行对比，2(7w的LED直流灯具与5w直流 荧光灯在单一方向上照度相当，实际照明效果相差不大。但LED灯具的耗电功率要比直流荧 r 光灯低的多，节能效果显著。 (3)LED灯具的使用寿命是直流荧光灯的20倍以上，开关次数是直流荧光灯的3倍以上。 1(3(3 LED灯用于光伏照明的独特优势 (1)太阳能电池是将太阳能转化为电能的半导体器件PN结，而LED是一种将电能转化为可 见光的半导体器件PN结，因此作为集成了太阳能光伏发电和LED光源的照明系统，从PN 结发电，再到PN结发光是新一代能源和新一代光源的完美结合。两者同为直流工作状态， 具有电压低并能互相匹配的特点。使得两者结合不需要变频器和逆变器等将直流变交流的过 程，因此大大提高了整个照明系统的效率，降低了功耗和系统成本。 (2)LED光源同蓄电池的匹配还可以做到功率的自适应。在太阳辐射不足的几个月，由于 蓄电池的充电不足，使蓄电池放电时端电压也较低，使负载工作电流较小，功率也小，这样 系统能够工作较长的时间。反之在太阳辐射比较充足的时候，负载工作电流较大，功率也大， 照度会更高‘18m引。 (3)LED特别适合使用在太阳能路灯照明。因为LED具有较强的发光方向性，而路灯照明 无需光源全立体角(4石)发光。只要将灯杆下相应面积的地面照亮即可。全立体角发光的 光源用在路灯实质是一种能量的浪费。因此LED灯的效率要更高。 5 LED太阳能路灯的优化设计与实现 1(4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、设计和实施以确定最佳匹配 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ， 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。 1(5论文的主要研究内容 1(5(1论文的工作基础 本论文选题来源于正在进行之中的山东省重点攻关项目“半导体照明工程关键技术研 究与开发’’(2005GGll07001)。该项目主要在高效YAG荧光粉的研制、高亮度白光LED的 封装技术和LED照明灯具的应用开发等方面开展工作。目前，荧光粉的配方及烧制技术已获 国家发明专利授权。已开发近10种LED照明灯具，其中8项获实用新型专利授权，2项获 国家发明专利授权。 1(5(2论文的结构及主要研究内容 第一章绪论部分介绍了我国太阳能资源分布情况及当前国 内外光伏应用现状。重点突出 了白光LED在光伏照明领域应用的独特优势。 第二章和第三章分别分析了太阳能电池和蓄电池的主要特性。为系统优化设计与实现打 下基础。 第四章对白光LED的特性进行了较深入细致地研究。对光度参数和稳定性的测试数据进 行了分析，并得到了有益的结果。 第五章开发了基于LabVIEW太阳能充放电监测系统，并将其应用于LED太阳能路灯的参 数监测。 6 LED太阳能路灯的优化设计与实现 第六章系统优化设计是全文的重点内容。从要满足国家标准的路灯照度出发，依次对组 成 系统的各个部件进行优化设计。最后对系统运行结果进行了分析 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 。 第七章进行了全文总结，同时对系统不完善和仍需进一步研发之处进行了论述。 1(5(3论文的主要创新之处 (1)太阳能电池的输出不是一个常量。因受季节、地域、气候等因 素影响，采用理论计算 确定的设计参数会有较大误差。采用实测法会更加合理、准确。通过开发LabVIEW虚拟仪器 对太阳能电池的输出实时跟踪监测，为合理地确定太阳能电池的放置方位及与蓄电池、LED 负载 的容量匹配提供保证。 (2)对适用于太阳能路灯的白光LED参数进行合理选择，并对LED组成的灯 具结构进行优 化设计，旨在使系统运行效率更高，更节能、更稳定。 (3)通过增加太阳能电池 板辅助反光镜，增强充电能力20,以上，降低了系统成本。 7 LED太阳能路灯的优化设计与实现 第二章 太阳能电池的特性与应用 2(1 太阳能电池的结构及工作原理 太阳能电池通常由半导体硅材料制成。其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能， 是光伏阵列中光电转换的最小单元。由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电 源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组 件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。 髓慢 唾屡 图2—1硅太阳电池结构 图2(1是一种N+伊型硅太阳电池，它的基体材料为P型单晶硅，厚度在0(4mm以下。 上表面层为N型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一个P(N结。在上表面上加有栅 状金属电极，可提高转换效率:另外，在受光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的 天蓝色氧化 以上。 硅薄膜，用以减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到90, 太阳电池的工作原理为:当太阳光照射P(N结时，在半导体内的电子由于获得了光能 而释放电子，相应地便产生了电子(空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区， 空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴;于是就在P(N结的附 近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P 型区带正电、N型区带负电;于是就使得N区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏 打电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是太阳能电池发电的基本原理。 8 LED太阳能路灯的优化设计与实现 (?代表电子;O代表空穴;光子能量^y) 图2—2晶体硅太阳电池原理不恿图 2(2太阳能电池的分类啪?射1 一个太阳能电池最重要的部分是半导体材料层，即用来产生电流的部分。目前，有许多 材料可以用来做太阳能电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全 世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅、碲化镉 等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等 多个因素来看，每种光伏材料各有其优缺点。 1单晶硅太阳能电池 硅系列太阳能电池中，单晶硅太阳能光伏电池转换效率最高，目前实验室 实现的转换效 率达到24(7,。技术最成熟(一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术)，使用 寿命也最长【221。但是，由于受单晶硅太阳能光伏电池材料价格及相应的繁琐的电池工艺的 影响，使得单晶硅成本价格居高不下，并且要想大幅度降低其成本是非常困难的。 2非晶硅薄膜太阳能电池 由于非晶硅薄膜太阳能光伏电池资源丰富、制造过程简单并且成本 低，便于大规模生产， 普遍受到人们的重视并得到迅速发展，但是与晶体硅太阳能光伏电池相比光电转换效率较 低，最高为13,;稳定性较差【231。 3多晶硅薄膜太阳能电池 通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350,450,,tm的高质量硅片上制成 的。为了节省材料， 人们采用化学气相沉积法制备多晶硅薄膜电池，通常先用低压化学气相沉积在衬底上沉积一 层较薄的非晶硅层，再将这层非晶硅层退火，得到较大的晶粒，然后再在这层籽晶上沉积厚 9 LED太阳能路灯的优化设计与实现 的多晶硅薄膜。因此，再结晶技术无疑是很重要的一个环节，另外还采用了几乎所有制备单 晶硅太阳能电池的技术，这样制得的太阳能电池转换效率明显提高，多晶硅电池的实验室最 高效率达到20(3,。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少。无效率衰退问题，并且 还有可能在廉价衬底材料上制备，其成本价格远低于单晶硅电池，而效率又高于非晶硅薄膜 电池，因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能光伏电池市场上占据主导地位。 2(3太阳能电池的基本特性 2(3(1太阳能电池数学模型【当光照恒定时，由于光生电流24】 Iph不随光伏电池的工作状态而变 化，因此在等效电路中 可以看作是一个恒流源【矧。光伏电池的两端接入负载R后，光生电流流过负载，从而在负 载的两端建立起端电压v。负载端电压反作用于光伏电池的P(N结上，产生一股与光生电 流方向相反的电流Id。此外，由于太阳能光伏电池板前后表面的电极以及材料本身所带有的 电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联损耗，故引入串联电阻Rs。 串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低。在实际的太阳能电池中，一般串联 电阻都比较小，大都在10(3欧至几欧之间(矧。另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边 缘和金属电极在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负 载的光生电流短路掉，因此引入一个并联电阻Rsh来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻 比较大，一般在IK欧以上。太阳能电池的等效电路如图2-3所示。 z融 图2(3太阳能电池等效电路 其输出电流、电压间关系为: 川一口H掣]-1)一半 卜流过负载的电流 10 LED太阳能路灯的优化设计与实现 I。Il一与日照强度成正比例的光生电流 Id一流过二极管的电流 ISh一太阳能 电池的漏电流 I旷反向饱和电流(一般而言，其数量级为10?) 1049C)q一电子电荷(1(6x l卜玻耳兹曼常数(1(38× 10’23J,l() 1L绝对温度(--t+273K) A_(PN结理想因子 Rsh_一 太阳电池并联电阻 Rr太阳 电池串联电阻 2(3(2太阳能电池的I—V特性曲线‘硼 太阳电池的特性曲线可以表示为图2-4所示。它表明在某一确定的日照强度和温度下， 太阳电池的输出电流和输出电压之间的关系，简称I(V特性。从图2(4可以看出，该伏安特 性曲线具有非线性，不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源，其输出电流 在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。 图2-4太阳电池的I?V特性曲线 太阳电池的额定功率是在以下条件下定义的:当日照S=1000w,m2，太阳电池温度T=25 ?，大气质量AM=I(5时，太阳电池输出的最大功率便定义为它的额定功率，它对应于图中 的M点。太阳电池额定功率的单位是“峰瓦"，记以“WP”。曲线上的M点表示在相应日 照强度下太阳电池输出最大功率的位置，称“最大功率点(MPP)’’。 假定负载为纯电阻负载，和特性曲线相交于M点，则根据公式RL=VM,IM，可以画出负 载线为一条直线，其斜率由负载的阻值决定。根据图中所示特性曲线，定义如下几个主要参 LED太阳能路灯的优化设计与实现 数: circuit 短路电流Isc(short current):当V--O时，对应的最大电流值; circuit 开路电压Voc(open voltage):当I=0时，对应的最大电压值; 工作点(working point)(负载线与伏安特性曲线的交点。 从图2(4可知，特性曲线上任意一点均为太阳电池的工作点。每一点都对应着负载电阻 从 太阳电池处获得的功率，即图中矩形OIMMVM所围成的面积。当调节负载电阻的阻值RL 时，总可 以找到一点M，对应的IM?VM为最大，此时，称M点为最佳功率点，也称为最 大功率点。为 MPP)。这一点所对应的负载RM为最佳负载电阻，PM功率为最大输出功率。 定义填充因子FF=PM ,Voc?Isc(PM=IM'VM);FF是衡量太阳电池好坏的重要指标，越大越好。 2(3(3影响太阳能电池输出的因素 日照强度和温度是影响电池输出的重要 因素，如图2(5、图2-6所示。 乏? 幺 ? ? l “O ? L吣-; 乱 霸 Ut'D 100 图2-5一定温度不同日照 图2-6一定日照不同温度 由以上两图可知，温度相同时，随着日照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎 不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加;在日照强度相同时，随着温度的升高，太阳 能 光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小，具有负温度系数。此 外， 无论在任何温度和日照强度下，太阳能电池总有一个最大功率点，温度(或日照强度)不 同，最 大功率点位置也不同。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 蓄电池的特性与应用 第三章 3(1 蓄电池的作用及工作原理瞳小船1 当今国内外在光伏系统中主要使用的蓄电池有: 1开口铅酸蓄电池(Vent LeadAcid Battery) Lead Acid 2阀控铅酸蓄电池(Valve Regulation Battery“RLA) 3镍钙、镍氢、镉镍等碱性电池(Nickel-Calcium，Nickel_Hydrogen Battery) 在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池使用过程中存在水的易挥发、易泄漏、比容量低等 缺点。而镍钙、镍氢电池容量虽大，但价格昂贵。阀控铅酸蓄电池(VRLA)由于其容量大、 价格低、自放电率低、结构紧凑、不存在镉镍电池的“记忆效应一、寿命长、基本免维护等 优越 的特性。对于无人值守的独立光伏系统，特别适合使用。本文讨论的主要是VRLA蓄电池 性。 在独立光伏系统中蓄电池起着至关重要的作用:白天储能，夜晚它是负载的唯--fig源。 在系统的初期投资中它一般占到1，仁1,2。蓄电池又是整个光伏系统中较薄弱的环节，是整 个系统长期运行中最易更换的部件。主要由于蓄电池达不到其预定的理想使用寿命，而提前 失效。这些问题的解决除了对蓄电池本身进行性能提高外，对蓄电池的运行管理，诸如充放 电控 ’制、与太阳电池和负载的合理匹配等方面都有重要关系。 铅酸蓄电池是电能和化学能相互转换的装置。正极板上的活性物质为二氧化铅，负极板 上的活性物质为绒状铅。铅酸蓄电池放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸，逐渐变成 硫酸铅。放电过程是负极进行氧化、正极进行还原的过程。当两个极板上大部分活性物质都 变成了同样的硫酸铅后，蓄电池的电压下降直至不能再放电。蓄电池放完电后，应该随时对 它充电，使之恢复成为原来的正极上二氧化铅和负极上的绒状铅。充电过程是负极进行还原、 正极进行氧化的过程。这是铅酸蓄电池的“双极硫酸盐化理论’’。总的化学反应过程是可逆 的，用方程式表示如下【271: Pb02(iE极)+2H2S04(电解液)+Pb(负极)?PbS04(JE极)+2H20(电解液)+PbS04(负极) 正向是放电过程;逆向是充电过程。 3(2铅酸蓄电池的电特性汹儿删 3(2(1铅酸蓄电池的充放电曲线 铅酸蓄电池常用的充电方式有浮充充电、限流恒压充电、递 增电压充电。在研究充电曲 13 LED太阳能路灯的优化设计与实现 线时，一般是按照限流恒压的形式。充电电压保持不变，随着蓄电池电压的升高，电流逐渐 减 小;其放电曲线是在一定的时率下进行，一般取电池的标称小时率。 O 0 时闻 时间 b充电曲线a放电曲线 图3-1铅酸畜电池的放充电曲线 放电过程分析:如图3(1(a)曲线OABCD，放电之前，活性物质微孔中的硫酸浓度与 极板外 主体溶液浓度相同，电池的开路电压与此浓度相对应。放电一开始，活性物质表面处 (包括孔 内表面)的硫酸被消耗，硫酸浓度立即下降，而硫酸主体溶液向电极表面的扩散是 缓慢的，不能 立即补偿所消耗的硫酸，故活性物质表面处的硫酸浓度继续下降。而决定电极 电动势大小的是活性物 质表面处的硫酸浓度，结果导致电池端电压明显下降(OA段)。随 着活性物质表面处的硫酸浓度 继续下降，与主体溶液之间的浓度差加大，促进了硫酸向电极 表面的扩散过程。于是活性物质 表面和微孔内的硫酸大部分可由扩散的硫酸予以补充，所以 活性物质表面处的硫酸浓度变化缓 慢，电池端电压比较稳定。但是，由于硫酸被消耗，整体 的硫酸浓度下降，又由于放电过程中 活性物质的消耗，其作用面积不断减少，真实电流密度 不断增加，超电势不断增加，故放电电 压随时间还是缓慢的下降(AB段)。随着放电继续 进行，正、负极活性物质逐渐转变成为硫酸 铅，并向活性物质深处扩展。硫酸铅的生成使活 性物质的孔隙率降低，加剧了硫酸向微孔内部 扩散的困难，硫酸铅的导电性不良，电池的内 阻增加，这些原因最后导致放电曲线在BC段后， 电池端电压急剧下降，C点即是所规定的 放电终止电压。 由放电曲线可知，基本由三部分组成;?放电开始短时间内电压快速下降;?电压缓慢 下 降;?端电压在极短的时间内迅速降低。第二部分的时间越长，平均电压就越高，其电压 特性 也就越好。 14 LED太阳能路灯的优化设计与实现 充电过程分析:如图3(1(b)曲线OABCD，充电开始时，由于硫酸铅转换为二氧化铅和 绒状铅，有硫酸生成，因而活性物质表面硫酸浓度迅速增大，电池端电压急剧上升(OA段)。 当达到A点时，由于扩散作用，活性物质表面及微孔内的硫酸浓度不再急剧上升，电池端 电压的上升较为缓慢(AB段)。这样活性物质逐渐从硫酸铅转换为二氧化铅和铅。活性物 质孔隙也逐渐扩大，孔隙率增加。随着充电的进行，逐渐接近电化学反应的终点。当极板上 所存硫酸铅不多，通过硫酸铅的溶解提供电化学氧化和还原所需要Pb2+极度缺乏时，反应 的极化增加，在正极上的副反应，即析氧过程大约在输入电量70,时优先发生，反应方程 为2H20+4e=4H++02，充电曲线上端电压明显增加(BC段)。当充入电量达90,以后，负 极上的副反应，即析氢过程发生。这时电池的端电压接近满度，两极上有大量的气体析出， 进行水的电解过程，端电压又达到一个新的稳定值(CD段)，其数值取决于氧和氢的超电 势。此后如继续充电，端电压不再升高，只是无谓地消耗电能进行水的电解。如果在D点 停止充电，端电压迅速降低(DE段)。 3(2(2蓄电池容量及影响因素口13 蓄电池的容量就是指蓄电池的蓄电能力。通常以充足电后 的蓄电池，放电至端电压到终 止电压时，:电池所放出的总电量。单位是安?时，用符号Ah表示。当蓄电池以恒定电流放电 时，它的容量(Ah)等于放电电流(I)与其持续时间(t)的乘积。 牟 “。 Q=I t 如果放电电流不是常量，那么蓄电池的输出容量为不同的放电电流与其持续时间乘积之 和。 蓄电池容量有理论容量、实际容量和额定容量之分: 理论容量是根据活性物质的质量按法 拉第定律计算而得到的最高值。 实际容量是指蓄电池在一定条件下能输出的电量，它低于 理论容量。 额定容量(C)常指在温度20—25"C时，充满其容量，并搁置24小时后，以 10(20)小 时放电率或0(1C(O(05C)电流数值的电流放电至其终止电压所输出的容量。它是国家或行 业颁布的标准，保证在一定条件下，应该放出的最低的容量值。 一般而言，铅酸蓄电池的容量不是一个定值，它受活性物质的量、放电率、环境温度等 因素的影响。比较重要的因素 有:( (1)放电率 放电率是表示蓄电池放电电流大小与该电池额定容量的相对比例关系，通常以电池的额 LED太阳能路灯的优化设计与实现 定容量与将全部容量放完所需时间之比表达。如某蓄电池额定容量以C代表，如用10小时 将全部容量放完，则放电率表示为C,10(或O(1C)。铅蓄电池容量随着放电率增大而降低。 放电倍率越高，放电电流密度越大，电流在电极上分布越不均匀。电流优先分布在离主体电 解液最近的表面上，从而在电极的最外表面优先生成硫酸铅。硫酸铅的体积比二氧化铅和铅 大，于是放电产物硫酸铅堵塞多孔电极的孔口，电解液则不能充分供应电极内部反应的需要， 电极内部物质得不到充分利用，因而高倍率放电时容量降低。 (2)温度 像大多数化学反应温度的升高将加速反应速度一样，蓄电池内部的电解液在高温 (在允 许温度范围内)时，运动速度增加，获得的动能增加，因而其渗透力增大，电解液电阻减小， 扩散程度增大。可以渗透原来不能到达的活性物质深部，使参与反应的物质相对增多，同时 电化学反应增强，这些均会使蓄电池的容量增大。相反，当电解液温度降低时，会使蓄电池 的容量减小。 (3)终止电压 由电池放电曲线可知，电池放电至放电终止电压后，电压急剧下降。如果继续放电，实 际上能获得的容量很少，意义不大，相反会对电池的使用寿命有不良影响。所以必须在这一 适当的电压值截止放电。一般放电终止电压与放电电流有关外，还与极板种类和电池类型有 关。大电流放电时规定较低的终止电压，反之，小电流放电时规定较高的终止电压。用大电 流放电时，由于生成的硫酸铅较少，即使放电到电压相当低时，极板也不会有损害。但是， 用小电流放电时硫酸铅明显增加。由于活性物质膨胀产生应力，会造成极板弯曲或活性物质 脱落，从而影响电池寿命，所以其放电终止电压应取较高值。 3(3蓄电池的充电控制方法口21 在实际光伏照明系统的充电器中，为实现设定的充电模式，必须对充电过程进行控制。 充电控制主要包括充电程度判断，从放电状态到充电状态的自动转换，充电各阶段模式的自 动转换及停充控制等方面。掌握正确的控制方法，有利于提高蓄电池充电效率和使用寿命。 3(3(1充电过程的阶段划分 充电过程一般分为主充、均充和浮充三个阶段，有时在充电末期 还有以微小充电电流长 时间持续充电的涓流充电。主充一般是快速充电，如两阶段充电、变流间歇式充电和脉冲式 充电都是现阶段常见的主充模式。 铅酸蓄电池组深度放电后，串联中的单体蓄电池的电压和容量都可能出现不平衡现象。 16 LED太阳能路灯的优化设计与实现 为了消除这种不平衡现象而进行的充电叫做均衡充电，简称均充。 为保护蓄电池不过充，在蓄 电池快速充电至80,一90,容量后，一般转为浮充(恒压充 电)模式，以适应充电后期蓄电池可接受充电电流的减小。当浮充电压值与蓄电池端电压相 等时会自动停充。 为防止可能出现的蓄电池充电不足，在此之后还可加上涓流充电，使已基本充足电的蓄 电池极板内部较多的活性物质参加化学反应，其充电比较彻底。 3(3(2充电程度判断 在对蓄电池进行充电时，必须随时对蓄电池的充电程度进行判断，以便控 制充电电流的 大小。判断充电程度的主要方法有: (1)检测端电压的变化率 一般来说，在充电初始阶段，蓄电池端电压的变化率很小;在充电的中间阶段，蓄电池 端电压的变化率很大;在充电末期，端电压的变化率极小。因此，通过观测单位时间内端电 压的变化情况，就可判断蓄电池所处的充电阶段。 (2)检测实际容量值 ( 将检测的实际容量值与其额定容量值进行比较，即可判断其充电程度。 (3)检测端电压 当蓄电池端电压与其额定值相差较大时，说明处于充电初期;当两者差值很小时，说明 充电过程已接近结束。 3(3(3停充控制 当蓄电池充足电后，必须适时地切断充电电流，否则蓄电池将出现大量析气、 失水和温 升等过充反应，危及蓄电池的使用寿命。因此，必须随时监测蓄电池的充电状况，保证蓄电 池充足电而又不过充电。主要的停充控制方法有: (1)定时控制 采用恒流充电法时，蓄电池所需充电时间可根据蓄电池容量和充电电流的大小很 容易确 定。因此只要预先设定好充电时间，一旦时间到了，即可停充或降为涓流充电。 (2)蓄电池温度控制 正常充电时，蓄电池的温度变化并不明显。但当蓄电池过充时，其内部气体压力将迅速 增大，负极板上氧化反应使内部发热，温度迅速上升。因此，观察蓄电池温度的变化，即可 判断蓄电池是否己经充满。 17 LED太阳能路灯的优化设计与实现 (3)蓄电池端电压负增量控制 一般而言，当蓄电池充足电后，其端电压将呈现下降趋势。据 此，可将蓄电池电压出现 负增长的时刻作为停充时刻。 3(4蓄电池的寿命及其影响因素 铅酸蓄电池在使用初期，随着使用时间的增加，其放电容量也增加，逐渐达到最大值。 随着充放电次数的增加，放电容量在逐渐减少。最后再对它进行充电，而容量却不能恢复到 规定的程度，表明蓄电池的使用寿命己经终结。由于铅酸蓄电池在不同使用场合，对它们的 终结使用要求各不相同。并且对它们的寿命的衡量方法也不同。一般有两种衡量方法:对循 环充放电使用场合，常用到达其终结使用容量的循环使用次数来计量;对备用使用的场合， 常用到达其终结使用容量前的年限来计算。 预测蓄电池的使用寿命很难，因为有许多因素对它产生着较大影响。诸如活性物质的组 成、晶型、孔化率、极板尺寸、板栅材料和结构等内在因素。也有对蓄电池寿命产生负面影 响的外在因素:放电深度、过充电量、充电电流和电压、环境温度等。为提高对蓄电池的管 理，下面对外在因素的影响加以讨论。 3(4(1放电深度(DOD)对寿命的影响 所谓放电深度(DOD)是指从蓄电池取出的容量占该电池额 定容量的比值大小。放电深 度对寿命的影响主要表现在:放电深度越大，相对使用寿命越短。因为蓄电池正极板上活性 物质Pb02相互结合不并不是很牢，放电时生成的PbS04体积又比Pb02大，使放电后的活性 物质体积加大，充电又生成体积小的Pb02，这样反复的收缩和膨胀，就使Pb02粒子之间的 相互结合逐渐松弛，易于脱落，从而使容量降低。如果放电深度加大，则参与反应的活性物 质越多，从而使活性物质的收缩和膨胀程度增大，对结合力破坏加大，活性物质脱落也就严 重，使蓄电池寿命缩短。因此对同一负载来说，使用更大容量的蓄电池比小的容量蓄电池有 更长的寿命。 3(4(2过充电程度的影响 当蓄电池过充时，蓄电池的极板、分离栅等部件必须承受着由于电 解的氧化而造成的损 坏，特别在浮充或涓流充电时。过充量是决定蓄电池寿命的一个至关重要因素。[331134] 如果定义过充电系数为: X—Q过,c 式中Q一过充电量 则蓄电池放电深度与过充系数对循环寿命的影响有如图3(2所示关系。对比图中曲线1与3 18 LED太阳能路灯的优化设计与实现 可知，再相同的放电深度50,情况下，不过充时的蓄电池的循环使用寿命是过充10,时的 近1 倍，控制蓄电池的过充将可大大提高其使用寿命【35】。 钙0 l { { "O 馘 '? 箩鲜 (,×?({,(t"0 次 |?4,,“r“‘, 教 _ 射 O ??? 一,0K?(??? 3辫IjnO 0 20 40 60 80 100 放电源度‘,)i生充系羹堑; l—(O，2一O(076，3—奄(图107 3(2放电深度与过充系数对循环寿命的影响 10 使 5K 雁 一?-t?? -??l I卜 , 寿 ‘、《(I仆 2o、L命 ‘,《,l仆年 1 、k0( 5 50 60 温度(?) 图3-3环境温度与使用寿命的关系 3(4(3温度的影响 温度的升高虽然使蓄电池的输出容量增大，但它加速了蓄电池电极的腐 蚀，提高了蓄电 池的出气量，使电解液损失【蚓。特别在充电期间，酸浓度大，电极的腐蚀造成活性物质的 脱 落【371，使蓄电池的寿命降低。在低温充电时引起气体析出造成内部压力增大和电解液减 少，也缩短了蓄电池寿命【矧。图3(3给出了VRLA蓄电池使用寿命与周围环境温度之间的 关系 【391。 19 LED太阳能路灯的优化设计与实现 3(4(4充放电电流的影响 (1)充电电流 当以超出蓄电池能接受能力的电流充电时，有大量的气体析出。这些气体将对极板上的 活性物质产生冲击，从而造成活性物质的脱落。同时可能在蓄电池内无法实现气体再结合。 从而使蓄电池内部压力增大、气体溢出、电解液减少、蓄电池干枯。 (2)放电电流 随着放电电流的增大，蓄电池的寿命降低。这是由于在大的电流和高硫酸浓度 下，均促 使正极Pb02松散脱落。 3(4(5电压的影响 (1)过高充电电压 过高的充电电压会使充电电流过大，将使蓄电池产生较大热量，随着蓄电池电解液温度 的增高，一方面使蓄电池能接受充电电流也变得越大，另一方面导致其内阻减小，这样充电 电流进一步加大，使蓄电池产生的热量进一步增多。热量的增加使蓄电池电解液温度进一步 升高，这样形成了充电电流和温度相互促进。从而将形成“热失控"，使蓄电池变形、开裂 而失效，可能在几小时内损坏整个电池。 ((2)过低充电电压 而过低的充电电压将使蓄电池不能得到足够的充电，造成“欠充”。经常工作在“欠充” 情况下，蓄电池内部容易形成酸分层化，使极板底部腐蚀化。特别是容量较大、体积较大的 固定蓄电池，经常以小充电倍率充电时更容易产生。更重要的是使蓄电池的容量难以得到恢 复，在相同的负载下，其放电深度加大。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 第四章 白光lED的应用研究 4(1 白光LED的发光原理‘删‘411 半导体发光二极管(LED)是一个在热平衡状态下形成的PN结。扩散和漂移运动相等 时，内建电场稳定，此时N区有很多迁移率很高的电子，P区有较多的迁移率较低的空穴。 由于PN结阻挡层的限制，在常态下，二者不能发生自然复合，当PN结加正向电压时，外 加电场将削弱内建电场，使空间电荷区变窄，结区势垒降低，载流子的扩散运动加强。由于 电子迁移率总是远大于空穴的迁移率，因此电子由N区扩散到P区是载流子扩散运动的主 体。由半导体的能带理论可知，当导带中的电子与价带中的空穴复合时，电子由高能级跃迁 到低能级，电子将多余的能量以发射光子的形式释放出来，产生电致发光现象。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，也就是杂质能级 或者缺陷)捕获，尔后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。也就是说这 些不发光的载流子将可能被杂质能级(或缺陷)所捕获，最后以发热的形式消耗掉。嘭 PN结发出的光子是非定向的，即向各个方向发射有相同的几率。PN结半导体材料相对 于空气有较高的折射率，因此半导体内部发出的光子只有极少数能逸出半导体材料与空气的 界面，大多数被反射回到半导体内部，最终被吸收。我们定义逸出效率为逸出发光二极管的 光子数与PN结产生的光子数之比。为了提高逸出效率，可以选择不同的封装材料、封装几 何形状。这样，从晶片透出的光子首先进入封装透镜，然后再逸出，因为封装材料的折射率 在半导体材料和空气折射率之间，因此光子逸出率大大提高，同时，封装透镜还起到保护半 导体晶片和控制输出光的分布。 半导体材料的发光机理决定了单一LED芯片不可能发出连续光谱的白光，必须以其它 的方式合成白光。目前实现白光LED的技术可分为三种:一是用InGaN蓝色LED激发钇 铝石(YAG)荧光粉或其它荧光粉;二是利用三基色(RGB)，将红、绿、蓝三种高亮度LED混 和成白光;三是用紫外光LED激发三基色荧光粉或其它荧光粉，产生多色光混合成白光。 中国海洋大学光学光电子实验室采用第一种方法自行封装白光LED。在高亮度波长为460nm 的蓝色芯片上涂敷YAG荧光粉，使产生的540nm的黄绿光与芯片漏射的蓝光混光而产生白 光。我们具有YAG粉自主知识产权的专利生产技术。实验室具备完整的自光LED生产线。 如图4(1为典型的白光LED封装结构。 21 LED太阳能路灯的优化设计与实现 图4—1自色LED结构不意图 利用PR650光度计测得白光LED的光谱【43】见图4(2(a)，其光谱分布在全色光谱带中， 呈现连续谱，蓝光与黄光的比例可由荧光粉的浓度调节，从而形成不同色温、色调的白光。 图4(2(b)是荧光节能灯的光谱，其光谱中某些波长强度较大，某些波长强度很小，类似线状 谱。而且红光成份的强度较弱，导致荧光灯呈冷白色;图4(2(c)是白炽灯光谱，光谱中橙红光 成份较强，导致白炽灯呈暖白色。 , ‘,、, , , —j Whv^’m—h，nm、 Whv—M计h，nfn、 WhvPl，n计(((rnm、 (a)白光LED荧光灯 (b) (c)白炽灯 图4—2三种光源的光谱 4(2 白光LED光源的特点及优势??1 与传统光源相比，白光LED除了不含汞而环保、直流工作而无频闪、低温启动性能好 等优点外，还特别具有如下优势。 1寿命长 LED的使用寿命可以长达十万小时，传统的光源在这方面无法与之相比。一般来讲，普 通白炽灯的寿命约为一千小时，荧光灯、金属卤化物灯的寿命不超过一万小时。高压钠灯是 有电极的放电灯中寿命较长的，为二万多小时。射频或微波激发的无极放电灯放电管的寿命 虽然可达到六万小时，但整灯的寿命要受制于激励电路中的电子元器件和微波振荡管的寿 命。因此，在一些维护和换灯困难的场合，使用LED作为光源，可大大降低人工费用。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 2启动时间短 气体放电光源从启动至光辐射稳定输出，需要几十秒至几十分的时间。这是由气体放电 光源本身的特性决定的，因为多数气体放电灯的工作物质在常温下是液体或固体，启动后需 要一个加热气化的过程，才能达到稳定的工作状态。白炽灯是热辐射光源，给人的感觉是一 点就亮，实际上白炽灯启动后也有约零点几秒的上升时间。而LED的响应时间只有几十纳 秒。因此在一些需要快速响应或高速运动的场合，应用LED作为光源是很合适的。( 3结构牢固 LED是用环氧封装的半导体发光的固体光源。其结构中不包含玻璃、灯丝等易损坏的 部件，是一种实心的全固体结构。因此能够经受得住震动、冲击而不致引起损坏。LED的 这一特性使它可以应用于使用条件较为苛刻和恶劣的场合。 4功耗低、光效高 LED的能耗较小，是一种节能光源。目前白光LED的光效已经达到50(1001m, W，与荧 光节能灯相当，超过了普通白炽灯的水平。由于LED的光谱几乎全部集中于可见光频段， 效率可以达到80—90,。光谱中几乎没有紫外线和红外线，故热量极小，光线质量高，光 色纯。 白光LED技术发展很快，有人预计到2010年至2015年，随着关键技术的突破，白光 LED的光效有可能达到150---2001m,W，大大超过了现在所有照明光源的光效，在照明方面 有着诱人的应用前景。 5发光体接近点光源 LED的发光体芯片尺寸很小，在进行灯具设计时基本上可以把它看作点光 源。这样能 给灯具设计带来许多方便。白炽灯的发光体是灯丝，有一定的长度。荧光灯管的尺寸更大， 这些照明光源都不能看成点光源。在灯具设计时首先要建立一个光源辐射模型，处理起来有 一定的难度。而点光源的光源辐射模型是最简单的，这有利于LED的灯具设计。 6可以做成薄型灯具 传统的照明光源向空间几乎每一个方向发光。在设计照明灯具时，为了提高光线的利用 效率，通常要用曲面反射器来收集光线，使之向所需要的方向照射。由于反射器距离光源有 一定 的距离，反射器的曲面又有一定的曲率，因此整个灯具就有一定的厚度和体积。而LED 发光的方向性很强，很多情况下只需用透镜将其发出的光线进行准直、偏折，而不需要使用 反射器。这样设计的灯具厚度较小，可以做成薄型美观的灯具，尤其适合于没有太多灯具安 LED太阳能路灯的优化设计与实现 装空间的场合应用。 4(3 LED光度参数‘枷‘删 除了特殊用途的光源(如红外光源和紫外光源)外，大量的光源均作为照明使用，而照 明的效果最终是以人眼来评定的。因此，照明光源的光学特性必须用如下基于人眼视觉的光 度参数来描述。 1光通量(Luminous flux) 根据辐射对标准光度观察者的作用导出的光度量。对于明视觉有: ?=k础刊协式中:d巾。似),dA一辐射通量的光谱分布;y@)?光谱光 (视)效率 Km?辐射的光谱(视)效能的最大值，单位为流明每瓦特(1m侧)。在单色辐射 时，明视觉条件下的Km值为6831m,W(丸一555nm时)。 该量的符号为西，单位为流明(1m)，llm=lcA?lsr。 2发光强度(Luminous intensity) 发光体在给定方向上的发光强度是该发光体在该方向立体角 元dQ内传输的光通量d垂 除以该立体角元所得之商，即单位立体角的光通量，其公式为: J—de,dQ 该量的单位为坎德拉(cd)，led=llm,sr。 单位投影3亮度(Luminance) 面积上的发光强度， 工-,i西,(dA。cosO?do) 式中:dm一由给定点的束元传输的并包含给定方向的立体角dQ内传播的光通量; 拟一包括给定点的射束截面积; p一射束截面法线与射束方向间的夹角。 该量的单位为坎德拉每平方米(cA,m2) 4照度(illuminance) 表面上一点的照度是入射在包含该点的面元上的光通量d?除以该面元面积幽所得之 LED太阳能路灯的优化设计与实现 商，即 E=d垂,dA lx=1 Im,m2该量的单位为勒克斯(1x)，1 a 5光源的发光效能(Luminous of source)efficacy 光源发出的光通量除以光源电功率所得之商，简称光源的光效。单位为流明每瓦特 (1删)。 6色温度(Colour temperature) 当某一种光源(热辐射光源)的色品与某一温度下的完全辐射 体(黑体)的色品完全相 同时，完全辐射体(黑体)的温度称为色温度，简称色温。单位为开(K)。 index) 7显色指数(Colour rendering 显色指数为对象在某光源照射下显示的颜色与其在参照光源照射下显示的颜色两者的 相对差异。用Ra表示，无单位。 (Colour coordinate) 8色坐标 色坐标也叫色品坐标或色度坐标。在CIE色度系统中，色坐标是三刺激各值与他们之 和的比。在XYZ色品系统中，由三刺激值X、Y、Z可算出色品坐标×、Y、Z。x=X,(X+Y+Z)， y=Y,(X+Y+Z)，z=Z,(X+Y+刁。XYZ表示任何一种特定颜色所具有的三种理论原色刺激的量。 X表示红原色刺激的量、Y表示绿原色刺激的量，而Z表示蓝原色刺激的量。因为三者总和， 为1，只有两个量是独立的，故一般采用x，y表示。在二维色品图中表示一个点。描述颜色: 品质的综合指标称为色品，色品用三个属性来描述，即色调、亮度和饱和度。如图4(3所示。 图4-3色品图 4(4太阳能路灯的LED参数确定 4(4(1单只LED光度参数的选择 采用我国台湾生产的高亮度460nm蓝光芯片，在其上涂敷自制 荧光粉(YAG)。按照一 25 LED太阳能路灯的优化设计与实现 定的封装工艺通过调配荧光粉的浓度，可封装不同色调的白光LED。现选择三种典型色调 白光 LED，其光度参数见表4-1所示，其光谱如图4(4所示。 表4-1三种类型白光LED参数 类型 光通量(1m,20mA) 光效(1m,w),20mA 轴向光强(mcd)色温(K) 色坐标(x，y) 1 3(09 48(28 3811 70800(279，O(290 2 2553 24(08 1(54 30500(312，0(259 3 3169 3635 2(45 38(30 0(397，0(385 注:测试条件在20mA电流; ，^ j 一 、-， h们 口 。 口 wavelength(nm) 图4(4三种类型白光LED光谱 1(偏蓝 2一偏红 3(偏黄 从表4(1和图4(4可得到结论:由于在室外路灯照明使用，对显色要求不是很高，但要 求有高的亮度和高的光效。偏蓝白的1号LED更适合用于路灯照明。 4(4(2光强、光效与工作电流的关系 选定1号LED，用PR650测其光强和光通量随其工作电流的增加而变化关系，如表 4(2 所示，变化曲线如图4(5、图4-6。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 表4(2有关光度参数与工作电流的关系 工作电压 光强 光通量 光效 毒汾电流譬(mAr, (V) (mcd) (1m) (1m侧) 5 3(0 1421 1(09 72(67 3(0 1(84 10205861(332831 15 3( 12(47 53(12 3(09 2038113(2 48(2825 4479 3(3 3(59 43(52 4(32 3051663( 442(35 35 3(5 5848 4(85 39(6040 3(6 6448 5(34 37(08 3(7 5(95 35(74 45689950 3( 87561 6(31 33(21 J一 弓 点 邑 量 、-暖 较呆 紫 々 电流fm鼬 图4(5光强一电流曲线 图4-6光效一电流曲线 从表4(2和图4(5、图4-6可以看出:随着电流增大，光强呈线性增大，而光效却呈非线 性下降。也就是说，虽然工作电流愈大，光强愈大，但光效并不是愈高，主要是当电流增大 时，热耗在急剧增大。综合光效和光强，同时还要考虑LED长时间工作，温度升高而对其 寿命 的影响因素，一般选取15(20mA的工作电流为安全电流。 。4(4(3发射角的确定 目前LED发出光束的角度用半宽度角来表示，即光强降到峰值光强一半时的光束角?。 市 面上生产的通用型LED其发射角较小，在5"-10。左右，虽轴向亮度较强，但照射出的光 斑太 小。使得多只LED排列时射出的光不均匀。如果在面光源前端加柔光玻璃，会使光强 大大衰 减。我们采取的做法是将发射角增大到600一900，见图4(7。在阵列面光源前只加透 明保护玻 璃，通过多只LED合理间距的排列，使接收面被照射光达到均匀。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 ^ 弓 昌 o 2 × V蹑 呆 {;;加 m?????的??加加0一 角度(。) 图4(7光强(角度曲线图 4(5稳定性检验 4(5(1单只LED光强衰减 在室温以直流20mA驱动，使白光LED连续点亮3600小时(150天)。记录LED的光 强，见表4(3。前期每天记录一次，后期每三天一次。测试仪器用美国Photo Research公司 生产的PR650光谱光度,色度计。 表4-3实测单只LED光强变化值 O400 1000 1500 2000 2500 时间(h) 3600 光强(mcd) 3709 29082410 17051419 1190937 21(60 35(05 54(03 61(74 67(92 74(74 衰减(,)O 从实测数据分析:光强的衰减在前期更为明显，衰减的主要原因和机理有待于进一步研 究，这也是国内外学者共同关注的热点问题。 4(5(2荧光节能灯与LED灯稳定性比较 在室温下，选取1只新购置的家用节能灯(7W)和1只用14 粒LED组合的球型灯具 (2w)，连续点亮42天，每72小时测试一次固定距离照射面的照度。结果如表44。 表4(4节能灯和LED灯光衰比较 72O时间(h) 144 216 288 360 432 504 576 648 720 792 8“ 936 1008 48 44 照度(Ix) 节能 42 40 39 39 38 37 35 35 33 33 32 30 30 78 75 73 71 70 67 66 65 63 59 57 55 54 52 52 注:LED 轴向40crn处，用PR650光谱光度,色度计测定。 从表4(4的测试结果看，无论是节能灯还是LED灯，光强 的衰减前期比后期要快得多。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 两灯在连续点亮1008小时(42天)后，节能灯衰减了37(5,，而LED灯衰减了33(3,;LED 灯比节能灯略好一些。同时与表4(3所列单只LED测试结果基本吻合。 4(5(3室外太阳能LED路灯光照衰减 路灯由相距60cm的两块面光源构成，每块面光源由36只小 功率自光LED组成。设定 路灯每天晚工作6小时。在单块光源法线方向140cm处，测试其光照如表4(5所示。 表4(5面光源光照衰减 360 实际工作时间(h)3060 0(新建时) 80 65 40 衰光照(Ix) O 18(75 减(,) 50(00 两块面光源平均距地268cm，倾角60。照向地面。在垂直于光源平面的方向上，在光照 射的地面上距灯杆30cm处开始测量光照，距离每增加30cm，测一次，光照分布如表4(6。 表4-6路灯光照分布及衰减 距 离 3060 90 120 150 180210240 270 330 420 360 390450 480 510 540 300 (cm) 新建时 11 11 68101210109976555332 717个月 5 6 8 8 8 7 7 6 6 5 5 4 4 3 2 2 l 从表4—5和表4—6实测结果看:每天工作6小时后的间歇式使用后，光强衰减要比持续 工作慢一些，在室内连续点亮1500小时，光衰就达到了约50,，而间断式点亮3000余小 时，才衰减 、到约50,。 4(5(4单只LED的色度变化 色坐标的变化也是初期较快，后期稳定。表4—7列出了在第0、 400、1000、3600小时 测得的白光LED的色坐标数据。 ‘表4-7白光LED色坐标变化 0 400 1000 时间(h) 3600 0(277，0(285 0(273，0(278 0(268，0(271 0(255，0(249色坐标(x，y) 从测试结果看，色坐标x、Y都有不同程度的降低，色温在增大，向蓝色方向偏移。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 第五章基于LabVI EW太阳能路灯充放电监测系统 5(1 设计原理‘473 ‘删 利用调理电路对光电池的输出电流和蓄电池的放电电流及蓄电池的充放电工作电压进 行一定频率的数据采样，由USB数据采集模块将采集数据送入计算机。在LabVIEW软件 平台上进行实时显示和统计分析。原理框图见图5(1。 图5(1系统原理框图 5(2数据采集硬件配置 5(2(1调理电路 蓄电池输出信号是一种浮动信号。采用差分测量方式会最大限度地减小对被 测电路的影 响，同时也会减4,N量误差。在本调理电路中，采用高精度低漂移的集成运算放大器ICL7650 制作的差动放大器将串入充放电线路的精密小电阻之上的差动信号作为电流检测信号。将并 入蓄电池的大电阻分压器获得的小信号作为电压信号。为消除干扰，用两个等值电阻分别接 于差动放大器的两输入端与信号地之间。将两个差动放大器的输出信号送入USB采集模块 的两个输入通道以完成信号调理及采集。调理电路见图5(2、图5(3。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 Vs b 图5-2电流信号调理 图5-3电压信号调理 5(2(2数据采集模块 本系统采用加拿大HYTEK公司生产的USB接口数据采集 模块，型号为 iUSBDAQ(U120816。它虽不是高端采集卡，但对于采集直流信号，特别是采样频率不是很 高 时，已足够达到要求。USB接口可方便地用于热插拔及即插即用。连接笔记本电脑可实 现现场数 据监测。 5(2(3模块配置及驱动 在所用计算机上执行HYTEK公司提供的设备驱动程序iUSBDAQ— Driver(exe，即可激活 采集模块。再将该公司提供的iUSBDAQ AI，I!Vis(LLb专用VI函数库拷贝到安装 LabVIEW7(1目录的VI子目录下的User子目录，即可在Block Panel编辑 Diagramt和Front Controls。 Functions和User 环境中调用User 5(3软件开发mm3 LabVIEW是美国国家仪器(NI)公司开发的广泛应用于仪器控制、自动化测试、数据 分析处 理等领域图形化编程语言，是优秀的开发虚拟仪器软件。在自动化测控领域得到越来 越广泛的 应用。开发本系统采用的是LabVIEW7(1版本。 31 LED太阳能路灯的优化改计与实现 5(3(1程序流程图(见图5(4) 图5-4程序流程图 5(3(2面板设计 嬲_翟蟹簪掰鬻弱缀劳曙甥嘲翳驴 —攀r_— 罂 赫i;n 豢艄?瓣 i， i ?z， i羹 墨遍一 滋涵溺震潮 瀚 “ ‘’3“1 }叠 ,:灞 ’?15* ，渤糖帮辫一一,——w l戮?粼 冒 i F 引i l i 弱:i LED太阳能路灯的优化设计与实现 在图5(5所示的面板图中，设置两个开关以选择是监测电流、电压还是同时监测。分 别显示电流实时采集曲线和电压实时采集曲线，并配以数字显示。在采集周期设置窗口，以 秒为单位设置采样周期。“开始采集"按钮同时具有暂停功能。全部采集结束后，选择“退 出并回放"按钮，在回放波形窗将显示采集电流波形，并计算其曲线下面积值作为电流充放 电的安时数(能量值)。在面板的右下方同时显示带有日期、时间信息的全部数据列表，并 显示电流、电压最大最小值。 5(3(3程序结构描述 总体采用两帧组成的平铺顺序结构(Flat Sequence)，第一帧完成的是数据采集及显示、 存储;第二帧完成数据计算、回放及显示运算结果。图5(6给出的是第一帧图形化程序。 图5(6第一帧图形化程序框图 该帧采用定时循环结构(Timed Loop)，在进入循环结构之前，利用 File VI建立要存储的数据文件((txt)的路径及文件名，并调用 Open,Create,Replace iUSBDAQ_OpenDevice函数打开采集设备。当选择开始采集分支结构时，将打开采集设备 的两个输入通道轮流采集数据，得到二维数组。通过Delete 分别通过两FromArray函数分离该数组，并 个分支结构做为电流、电压选择开关，经数值标度变换送至波形Chart。将Format To Date,Time Fractional String的日期时间信息输出和两数组通过Number String转化成的字 File 符串输出，由Concatenate VI送入指定的磁盘数据文件中，以备 分Dtrings合并，经Write 析、调用。 当选择“暂停采集”或“退出采集"按钮时，无论采集周期设置的是多少，都应迅速退 出循环。为此，采用判断循环次数和采集次数的算法。 采集次数=循环次数,采集周期 以整除的结果为采集次数，并以余数为零 做为一次采集结束的判断条件。利用两个分支 33 LED太阳能路灯的优化设计与实现 结构可累计多次间断的采集次数，直到选择退出定时循环。由于设定的定时循环周期为1 秒，无论是否在采集状态，循环始终以1秒的周期运行。当按下“退出采集”按钮时，最多 等待时间为1秒即退出，而不是等待用户设定的一个采样周期。 采集数据结束，退出第一帧结构之前，通过Close File VI关闭文件，并通过 Release Device关闭设备。 iUSBDAQ 图5(7给出的是第二帧图形化程序。 i卧}矿扩芒墨篓悯』 鳓产:蓦 萨l卿茜粤 l霄一网谰 一抽， ;5”嘎3600000?刮 图5—7第二帧图形化程序框图 该帧首先由Read Characters From FileVI函数读出磁盘数据文件中的数据。由于读出的 是 To From 字符串，要经Spreadsheet String Arrary函数将其转为三维数组，再经两个Delete Waveform生成波形，由ChartArray将三维分离为三个一维数组。将电流信息数据送入Build 显示。同时将该组数据经Numeric Integration(vi求积分，得曲线下面积值，在输出能量窗显 示充放电的安时数。 在回放电流曲线的同时，在屏幕的String窗列表显示每一次的采样数据。电 流和电压信 max&min找出最大值和最小值并显示。息数组再经Reshape Array和Array LED太阳能路灯的优化设计与实现 第六章太阳能路灯优化设计 6(1 LED光源设计 6(1( 1LED类型的选择 选择自行封装的色温为7080K、光效为48(281m,W,20mA、发射角为60。(70。、直径为5mm 小功率白光LED(单只功率为0(064W)作为灯具设计的基本单元。目前市场使用的中功率 (O(5W)、大功率(1w)不被选择的理由是:大、中功率尽管单只比小功率LED要亮，但 由于工作在较大的电流，发热是一个严重的问题【511。虽然做了一些散热技术处理，但仍无 法解决高热给芯片带来的伤害。直接带来的是光效低(只有20(301rrdw)、寿命短、稳定性 差、价格高。失去了LED节能、长寿的优势。大中功率LED有待技术上不断改进，目前较 适合在空间受限的小体积灯具中使用。而小功率LED在芯片生产技术、封装技术等都比较 成熟。多只LED组合，完全能达到一只大中功率的光强。由于小功率LED效率高，在达到 相当于单只1W大功率LED的光通量下无需15只小功率LED，只要7(8只即可。成本要低 的多，稳定性、可维护性都要增强。路灯在空间上不受限制，排列组合更加灵活。 6(1( 2 LED灯具结构设计 一盏太阳能LED路灯共需要对称的两块LED面光源。每一块需36只由5mm 的高亮度 大角度白光LED(图6-1)。经测试，以LED间隔2cm为阵列排布的光源发光更均匀，无光 斑间隙，同时可使照射面积更大。将36只LED焊接在12cm×12cm的印刷电路板(MCPCB) 上，并进行密封防水处理。为美观装饰，同时使灯架底部有一定的亮度，在支架管头处安装 了两个球灯(见图6(2)，每个灯需要6只LED，整个系统共需要84只LED。 图6-2 球灯示意图 图6—1面光源示意图 6(1(3灯架结构 由于该灯属于非主干路庭院路灯类型，设计高度为350cm。在水平方向，两个 平面光源 35 LED太阳能路灯的优化设计与实现 相距60cm，在垂直方向，两光源上下交错，其目的在于增加整体地面照射面积。太阳能电 池的倾角和方位角可任意调节。 B_ 图6(3幻架结构 (6(1(4功率及照度的确定 单只LED工作电压3(0-_3(2V，采用12V蓄电池，因此负载连接方式为3个LED串为 一组，共28组并联。电路干路串接限流电阻以控制每一路电流。 选择流过单只LED的电流16mA，每盏路灯的总电功率为5(4W。在12V的直流电压下， 总电流为450mA。 照射到地面的中心最大照度为12 b【。按照GJJ45(1991《城市道路照明设计标准》中规 定:快速公路平均照度20 lx;主干公路15 lx;次干公路:8 lx;支路5 lx。我们的照度 设计符合次干公路的标准。 6(1(5负载驱动方式 负载分为均衡型负载和季节型负载【52】。所谓均衡型是指无论是什么季 节每天工作固定时 间。我们采取的就是该种类型。负载通过控制器与蓄电池连接，每晚太阳光线暗到一定程度， LED太阳能路灯的优化设计与实现 采取自动光控开灯。开启后工作固定时间关闭(光控开、时控关方式)。而季节型负载在一 年各个时段耗电是不一样的。采用光控开、光控关的控制方式，夏季夜短、冬季夜长，自然 冬季的耗电要大。 LED的驱动分为恒流和恒压两种【53】。对于用于交流转直流供电或要求光照较为稳定的 场合，一般采取恒流供电。太阳能路灯采取恒压式供电较好。一方面，对于亮度的变化，没 有十分严格的要求;更重要的是，无论是均衡型负载还是季节型负载，冬天的太阳辐射量少， 充电量不足，使得蓄电池的端电压比夏季时低。特别对于季节型负载充电少耗电大的矛盾十 分明显。我们采用的是由集成运放构成的电压比较器作为控制电路的恒压式驱动方式，可适 当缓解这一矛盾。LED的特性决定，工作电压降低，可使负载的耗电量也随之降低，当然 这是以损失亮度为代价的。这也是LED太阳能路灯的自适应现象【54】【551。 6(2蓄电池容量的确定 确定蓄电池的容量，首先要了解接入系统的负载每天需要的电量;其次根据气候条件蓄 电池需要存储多少天的电量。测算时要注意电池容量会受到诸多因素影响，包括:放电深度、 放电率、温度、控制器效率、老化和反复充电特性等。并不是容量愈大愈好，过大的电池容 量一方面增大系统成本，同时，如果太阳能电池输出功率不足，蓄电池经常处于欠充满状态， 将会导致电池硫酸化增加，容量降低，寿命缩短。 ， 选用免维护铅酸阈控式蓄电池，容量的确定方法如下【鸺】【56】: 蓄电池容量 =(自给天数×日平均负载),最大放电深度。 设计路灯每日工作6小时，工作电流为450mA。 由此可得出每日耗电2(7Ah。设计自给 天数为3天;能保证连续3(5个阴天仍能维持系统工作。取蓄电池的放电深度为50,。 自给天 数是指在深度阴、雨、雾天中，几乎没有对畜电池的充电能力时，维持工作的天 数。依据此天数算出的容量为为:(2(7Ah×3天),0(5=16(2Ah。选取12V 17Ah蓄电池即 可。 太阳能电池每天充电能力要大于2(7Ah，才能维持系统正常工作。也就是说，只有每天 略有节余，才能保证蓄电池的容量始终维持饱满状态。事实上，尽管出现连续3天阴天，也 很少出现充电能力为零的情况。一般阴天日充电虽达不到日放电2(7Ah的水平，仍会有不同 程度的补充。由此在第4天和第5天仍然有维持负载工作的极大可能。 6(3控制器的合理选用 无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的 LED太阳能路灯的优化设计与实现 使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电。另外，由于太 阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电 池充电的控制要复杂些。图6(4所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理【鸫1。在该电路 原理图中，由太阳电池组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。 这里的开关K1、K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分，开关 K1、K2是广义上的开关，它包括各种开关元件，如各种电子开关、机械式开关等。电子开 关可采用小功率三极管、达林顿管、功率场效应管(MOSFET)、固态继电器、晶闸管(IGBT、 GTO)等;机械式开关可采用继电器、交直流接触器等，根据不同的系统要求选用不同的开 关元件或电器。 控制器主要有四种类型旧:旁路控制器、串联控制器、多阶控制器和脉冲控制器。我们 选用第一种，即旁路控制器。该控制器主要用于小型光伏系统。当蓄电池充满时，通过旁路 使蓄电池防止过充电。旁路控制器的电路系统监控蓄电池电压，当达到标志着蓄电池充满的 预置电平时，过充电流将被功率晶体管旁路到电阻器，将多余的功率转变为热。同时进行放 电时电压监测，达到规定放电深度电压时，切断蓄电池与负载的连接。该控制器可进行多种 编程选择。通过比较太阳能电池板的开路电压来识别是白天还是黑夜，可自行设定光控的开 启点、任意设定开启后的工作时间。控制器在动作之前都需要几分钟的延迟，这个功能可以 避免因为闪电或短暂的阴天而造成的错误操作。 图6—4充放电控制器的基本原理 6(4太阳能电池功率的确定 6(4(1太阳辐射的理论计算【镐】【58众所周知，地球每天绕着通过它本身南极和北极的“地】【591160] 轴’’自西向东地自转一周，每转 一周(3600)为一昼夜，一昼夜又分为24小时，所以地球每小时自转150。 地球除了自转外，还 绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道(黄道)上运行，称为“公转”， 其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面(黄道面)的法线倾斜角成23。27’的 LED太阳能路灯的优化设计与实现 夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极。因此，地球处于运 行轨道的不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。图6-5 表示地球绕太阳运行的四个典型季节日的行程图。 图6-5 地球绕太阳运行 假设观察者位于地球北半球中纬度地区(如青岛地区)，我们可以对太阳在天球上的周 年视运动情况做如下描述。 春分日(3月21日)，太阳从赤道以南到达赤道，赤纬角6=0，北半球春季开始，太阳 出于正东而落于正西，白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于90。一由(由为观察者当地 的地理纬度)。春分过后，太阳的升落点逐日移向北方，白昼时间增长，正午时太阳的高度 逐日增加。 夏至日(6月22日)，太阳正午高度达到最大值90。一由+23。27’，白昼最长，这时， 地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落 又趋向正东和正西。 秋分日(9月23日)，太阳又从赤道以北到达赤道(太阳的赤纬6=O)，地球北半球秋季 开始，太阳又出于正东落于正西，白昼和黑夜等长。秋分过后，太阳的升落点逐日移向南方， 黑夜时间增长，正午时太阳的高度逐日降低。 冬至日(12月22日)，太阳正午高度达到最小值90。一巾一23。27’，黑夜最长，这时 地球北半球冬季开始。冬至过后，太阳正午高度逐日升高，同时白昼增长，直到春分日(3 月21日) (太阳从赤道以南到达赤道。 在进行光伏系统工程设计时，必不可少地要用到如下一些天文参数。 (1)太阳赤纬角6 太阳光线与地球赤道面的夹角就是太阳的赤纬角，以6表示。在一年当中，太阳赤纬角 一直都在变化(见图6—6)，但不超过?23。27’的范围。夏天最大变化到夏至日的+23。27 ’，冬天最小变化到冬至日的一23。27 7。太阳赤纬角随季节变化，按照库珀(Cooper)方程: 39 LED太阳能路灯的优化设计与实现 6--23(45 X sin[360×(284+n),365] 式中n为一年中从1月1日算起的日期序号，如在一年当中，春分n=81，则6=0。 30 20 10 0 -i0 -20 -30 图6-6太阳赤纬角的变化 (2)太阳时角(I) 定义为:在正午时(I)=O;从正午为起点，向早晚增大，每隔一小时增加 15。;上午为 正;下午为负。如:上午8:00，(()=15。×(12-8)=+60。((3)太阳高度角h 太阳光线与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示。 计算太阳高度角的表达式为: 6 Sinh=sin由sin 6+COS由COS COS(_) 其中:由表示地理纬度，6表示太阳赤纬角，?表示太阳时角。 正午时(I)=0，COS(()=I，上式可化简为 Sinh-----sin巾sin 6+COS巾COS 6"--COS(巾一6) 所以 因为，COS(由一6)---sin[90一(巾一6)]， Sinh=sin[90?(巾一6)] 正午时，若太阳在天顶以南，即巾>6，取 Sinh--sin[90一(m一6)] 从而有: h=[90-(由一6)] (4)太阳方位角Y 太阳光线在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用Y表示。 COS 6),(coshcos由) Y=(sinhsin巾一sin (5)日出、日落时角(I)( ?o=_+arccos(-tan由tan 6) 正表示日出、负表示日落。 (6)日照时间N N:arccos(-tan巾tan 6)×2,15 LED太阳能路灯的优化设计与实现 从以上有关天文量可以看出，由于太阳赤纬角一年内时刻在变化，使得太阳高度角、方 位 角和日照时间都随之变化。我们根据有关公式计算出每月21日的赤纬角，结合青岛地区 的地理 纬度巾=36(1。，给出太阳高度角、日照时间。之所以选择每月21日，它基本反映了 一个月的 平均水平，作为月平均值的参考值，见表6一l。表中同时给出了没有大气时地表 水平面上青岛 地区太阳辐射月平均理论值。 表6-1 青岛地区每月21日有关天文参数理论值 7 68月份 1 2 3 4 5 9 10 11 12 赤 一O( 1 11(6 20(O 23(4 12(4 20(6-20(1 —10(9 1(0 -10(4 -19(7 —23(4 纬角6(。)77(3 33(8 43(O 53(8 65(5 73(9 74(5 66(3 54(9 43(5 34(2 30(5 高度角h(。) 14(46 9(93 lO(92 12(OO 13 (15 14(05 14(12 13。23 12(10 lO (97 9(98 9(54 日照时间N(h) 55(98 63(82 90(56 106(10 122(13 122(78 124 (1 113(67 93 (39 76(03 57(02 51(34 太阳辐射 月平均KJ,cm2 青岛地区年太阳辐射总量理论值为1076(92 KJ,cm2。 6(4(2青岛地区气象资料【61 】【62】 ’ 青岛的地理位置为:东经119。30’(121000’;北纬35035’(37。09’; 从青岛1951年以来的气象资料得N-市区年平均气温12(7?;最高气温38(9"C;最低 气温 一16(9?。8月份最热，平均气温25(3?，1月份最冷，平均气温-0(5"C。日最高气 温高于 30"C的天数，平均为11(4天;低于一5"C的天数，平均为22天。年浓雾平均51(3天; 轻雾平均 108(2天。 各月平均日照时数和月均太阳辐射量数据如表6-2所示。 表6-2青岛地区月均日照时数及月均太阳辐射量统计 1 3 5 7 46月份 2 8 9 10 11 12 臼 215(7 220(4 189(7 180(1 243(2 221(2 219(3 226(7 188 (2 187(1 224(5 181(4照数(h)61 59 58 56 56 52 4l 百分率(,) 53 59 65 6l 62 太 26(49 28(82 38 (1l 49(65 56(58 58(4l 阳辐射月均 55(18 47(70 52(59 36(09 28(79 23(59 值(KJ,cm2) 全年太阳辐射总量为502 KJ,cm2，年平均日照时数为:2497(5小时，日照百分率达57,。 6(4(3太阳能电池输出功率的确定 (1)倾斜面上太阳辐射的计算 气象资料提供的太阳辐射都 是水平面接收到的值，设计时要将该值转为倾斜面上的值， 其理论计算公式为【鸺】: 41 LED太阳能路灯的优化设计与实现 I Ht Hk+H矗+Hn 巩,讽陲Rb+0(5(1一钟?忙础CO? 式中t Hb和Hd分别为水平面上直接和散射辐射量;Ho为大气层外水平面上太阳辐射 且 里。 基本计算步骤如下: ?确定所需的倾角s和系统所在地的纬度由。 ?找到按月平均的水平面上的太阳能辐射资料H。’ ?确定每个月中有代表性的一天的水平面上日落时间角hs和倾斜面上的日落时间角hs’，这 两个几何参量只和纬度和日期有关。 ?确定地球外的水平面上的太阳辐射，也就是大气层外的太阳辐射Ho，该参量取决于地球 绕太阳运行的轨道。 ?计算倾斜面与水平面上直接辐射量之比Rb。 ?计算直接太阳辐射量Hbt。 ?计算天空散射辐射量Hdt。 ?确定地物表面反射率P，计算地面反射辐射量Hrt。 ?将直接太阳辐射量Hbt、天空散射辐射量Hdt和地面反射辐射量Hrt相加得到太阳辐射总 量Ht。 (2)实测法确定斜面与水平面辐射之比 上述理论计算过程相当繁琐，为此我们运用实测 法，选择了青岛的连续3个晴天，用 PR650从不同的方位对太阳辐射强度进行全天间隔30分钟的跟踪测试，并将3天的测试结 果取平均值。以确定斜射面辐射与水平面辐射之比。见表6(3。 42 LED太阳能路灯的优化设计与实现 表6(3青岛地区太阳辐射强度变化(2006年5月2、3、4日、晴天) 单位:W,m2 方位 方位1 方位2 方位3 方位4 方位5 正南 偏东45。 偏西45。 正南 倾垂直向上时间 角45。 倾角45。 倾角45。 倾角90。 倾角0。 78 8:30 290 434 284 112 144 9:00 408 453 352 349 9:30 499 210 381339。435 10:00 468 472 269 409 396 10:30 509 525 317 460 355 11:00 508 451 432 471 383 11:30 518 467 448 497 371 12:00 511’454 500 493327 13:00 463 293 464 456 347 13:30 424 254 498 418 251 14:00 424 223494 380231 14:30 330 119485360150 15:00 290 80 446 300 139 15:30 193 67 361 248 91 16:00 128 60 31018667 16:30 68 48 204 115 49 17:00 49 42 126 86 40 24 17:30 19 34 30 19 18:00 16 14 18 17 12 平均 318(74 方261(79307(26312(79 212(00 位1基本是我们放置太阳能电池板的方位，方位4是提供气象资料的水平测试方位， -‘? 也就是说表6(2青岛地区月均太阳辐射值就是该方位获得。由此可得，水平面与斜面的太阳V 辐射比为:312(79,318(74=98(13,。 (3)用峰值小时数法估算太阳能电池的输出功率 一般设计太阳能电池输出都是采用当地年均太阳辐射量【631【641，这样做不符合系统优化设 计 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 。我们根据气象部门提供的青岛地区的逐月气象资料，以月为单位进行设计。 我们使用峰值小时数的方法【65】【删估算太阳能电池的输出功率。太阳能电池的输出功率是 在标准状态下标定的。但在实际使用中，日照条件以及太阳能电池的环境条件是不可能与标 准状态完全相同。因此有必要找出一种可以利用太阳能电池额定输出和气象数据来估算实际 情况下太阳能电池输出功率的方法，峰值小时法是将实际的倾斜面上的太阳辐射转换成等同 的利用标准太阳辐射1000W,m2照射的小时数。如果先确定了每天至少输出的安时数，又知 道了峰值小时数，就可以确定电池的输出工作电流，用此电流再乘以电池输出的额定工作电 压即可得到输出功率值。 43 LED太阳能路灯的优化设计与实现 以青岛地区1月份为例:已知路灯的日耗电量为2(7Ah，计算步骤如下: X ?太阳月辐射为26(99KJ,cm2,月J=26(99×103 104j,m2=26(99×107 w(s,m2=7(5× 104w(h,m2 ?将其转为日均辐射则为:7(5X 104,31 W(h,m2=2(42X 103 W(h,m2 由此可得:青岛地区1月份平均峰值日照时数为2(42小时。 ?所需要太阳能电池的输出电流为:1(05X2(7,但(42×0(85)=1(38A 1(05为太阳能电池系统综合损失系数;0(85为蓄电池充电效率。 W。?太阳能电池的最低输出功率为:17(5V×1(38A=24(15 17(5V为太阳能电池组件的输出工作电压。 ( 按此方法分别计 算出全年各月的峰值日照时数和输出功率见表6(4。 表6_4青岛地区 各月斜面太阳辐射及所需太阳能电池输出功率 月份 1 2 7 345689斜面10 11 12 太阳辐射月均 26(99 29(37 38(84 50(60 57(66 59(52 56(23 48(6l 53(59 36(78 29(34 24(04 值(K(1,cm2) 2(42 2(9l 3(48 4(68 5(34 5(51 5(04 4(50 4(96 3(30 峰值日照时数 2(72 2(15(h) 太阳能电池输 24(15 20(06 16(77 12(47 10(93 lO(59 11(58 12(97 11(77 17(69 21(46 27(15出功率(W) 如果以太阳最低辐射的12月为设计月，要使蓄电池每日充电至少2(7Ah，则太阳能电池 的 输出功率则要27W，这样其它月份都能保证。如果选择辐射最强的6月份为设计月，则 选择太阳能电池容量为llW，这是不可取的，因为别的月份都无法保证。我们确定16W的 输出额?。 定功率。这样1月、2月、3月、10月、11月、12月份共6个月存在风险。我们通 过合理确定电池 板的方位及增加反光镜等措施来弥补自身功率输出的不足。 6(4(4用跟踪实测法确定太阳能电池板方位 由于太阳赤纬角一年内连续不断的变化，使太阳 的高度角和方位角都在不断变化。从表 6(3不同的方位的结果可以看出相差较大。只有让电池板的方位不断跟随太阳的位置变化才 能 得到理想化的最大太阳辐射输出。但这几乎无法做到。一般的确定原则是: (1)倾角的确定 倾角=90"-高度角，而高度角如何选择呢?理论上应该选择青岛地区太阳辐射最弱的12 月份 的高度角，即30(5口，对应的倾角为600。 (2)方位角的确定 采用时区正午法，中午12点太阳所处的方位就是正南，只有电池板处在正南 方位才能 LED太阳能路灯的优化设计与实现 接收最大的太阳辐射【明。 然而，以上都是理论上倾角和方位，只有在空旷无遮挡的场地才适 用。我们安装的路灯 很难找到这样的场地，一般都会在一天中某些时段有楼宇和树木的光线遮挡。因此，结合具 体 场地，并不能完全采用以上理论值。 我们采用LabVIEW语言编程开发蓄电池充放电监测系统，通过实时监测蓄电池的充电 容量来 跟踪太阳能电池板的功率输出。以实测法确定最佳倾角和方位角。具体做法:固定某 一倾角和 方位角，选择11(12月份某3个晴天连续实测，取平均值。再换新的倾角和方位角 重复测试，进 行对比，以选择最佳倾角和方位角。 经实测确定太阳能电池板的倾角为50。;方位角为正南偏东20。。 6(5辅助反光镜的运用 反光镜 板 图卯带有反光镜的太阳能电池板结构 在太阳能电池板的两侧各安装一块与电池板平面成45。角的平面反光镜(见图6-7)， 能明 显提高太阳光线的收集能力，提高电池板的功率输出。这在一定程度上弥补了由于额定 功率输 出不足而给6个低辐射月带来的风险。运用LabVIEW监测系统实施监测，由于每天太 阳辐射自身 的变化，会给对比测试带来误差。我们采取先测几天不遮挡反光镜的充电情况， 再测几天用黑 布遮挡反光镜的充电情况，之后再测几天不遮挡反光镜的充电情况。对有无反 光镜进行平均值对比。选择11—12月份。监测时间为每天的早8:0卜晚上负载点亮(负载 点亮后系统不再给蓄电池充电)，监测数据见表6-5。 45 LED太阳能路灯的优化设计与实现 表6—5 反光镜与蓄电池充电量的关系 监测日期 蓄电池充电量(Ah) 天气状况 反光镜状态 2006(11(14 3(50 晴 不遮挡 2006(11(17 2(90 晴转多云 不遮挡 2006(11(18 3(52 晴 不遮挡 2006(11(20 2(75 阴 不遮挡 2006(11(24 2(40 晴转阴 遮挡 2006(11(25 2(08 阴 遮挡 2006(11(26 2(67 晴 遮挡 2(55 2006(11(28 晴转多云 遮挡 2006(11(30 2(46 多云 遮挡 2006(12(04 2(31 晴转阴 遮挡 2006(12(05 2(45 晴间多云 遮挡 2006(12(07 2(58 晴问少云 不遮挡 2006(12(10 2(28 上午晴下午阴雨 不遮挡 2006(12(14 3(25 晴 反光镜不遮挡时蓄不遮挡 电池平均每日充电量为:2(97从; 反光镜遮挡后蓄电池平均每日充电量为:2(42Ah; 由 此可见，加反光镜后每日蓄电池充电提高23,，达到了平均每日充电超过日耗电的 2(7Ah。 6(6系统运行报告 嘲潍 图6-8太阳能路灯实物图 LED太阳能路灯的优化设计与实现 按照设计参数，组成了两盏LED太阳能路灯，其中一盏自2006年5月1日起用，至今 已近18个月;另一盏2006年10月1日起用，至今运行12个月。太阳能路灯实物见图6(8。 利用LabVIEW监测系统对每日的放电进行监测，选取2006年10月24日夜晚工作6小 时的监测结果如图6—9。间隔1分钟采集一次。共放电2(70335Ah，与设计放电值基本吻合。 从 图中左下角放电电流曲线可以看到，随着工作时间的加长，由于蓄电池端电压在下降，导致放电电流略有下降。 辫墅塑塑薹黪黪塑溲塑塑缆 一 一 图6-9 10月24日放电监测 图6-10为2006年10月21日全天充电的监测结果。全天天气晴朗，充电量达3(7345Ah， 超出最低要求2(7Ah达38(31,。从充电电流回放波形看，由于全天晴空，所以没有间断。 在下午2:00—3:00其间有一段急剧下降，是因楼宇遮挡太阳所致。 47 LED太阳能路灯的优化设计与实现 图6—10 2006年10月21日充电监测 I 图6—1 2006年1 1月27日充电监测 LED太阳能路灯的优化设计与实现 图6-1l为2006年11月27日的充电监测结果，时间已接近最低辐射的12月。从结果 看:在基本晴天的情况下，充电量达3(60418Ah。超出日耗电2(7Ah达33(33,。从电流回放 波形看，在中午期间，有多处凹陷，是因为云的笼罩所致。 通过摄像头自动间隔5分钟拍照，监视每晚工作时间，特别是阴天、雨天和11月、12 月、1月份低太阳辐射月份的监视。从结果看，在2007年9月26至10月3日连续近10天 的阴雨天，路灯 作。 维持了3(5个工作进程。多次遇到阴1天或连阴2天情况，夜间都能正常工 从系统近18个月的运行结果看:性能稳定，LED负载没有损坏，照度虽有衰减，但仍 符合照明标准(8 lx);蓄电池和太阳能电池都处于稳定工作状态。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 第七章总结与展望 7(1全文总结 光伏照明系统是光伏发电系统的重要组成部分，也是研究的热点之一，具有很高的实用 价值。应用太阳能给传统的灯具光源供电并不十分经济:一是目前太阳电池的转换效率还比 较低，所产生的能量有限，如果只是简单增加太阳电池的面积，成本太高，不利于产品推广; 二是传统的灯具功耗都比较大，且都是在高压下工作使用，极不安全，增加升压逆变环节， 又降低了能源的利用率;此外传统光源光效都比较低，寿命都很短。太阳能发电与白光LED 照明的结合有力地解决了上述缺陷。特别是太阳能电池、蓄电池和白光LED负载的合理匹 配，使得光伏照明系统运行效率更高，性能价格比也更高。为更快推进光伏照明的普及使用 提供技术支持。本文主要从白光LED路灯照明系统的优化设计与实现方面完成了如下工作: l太阳辐射的分析研究 从理论计算、当地气象资料和实测三个方面分析研究了青岛地区的气候 资源，为优化设 计太阳能路灯提供基础数据支持。 2太阳电池的特性及应用研究。 利用自行开发的虚拟仪器对太阳电池进行全天测试，研究与蓄 电池容量的匹配，研究环 境对太阳电池的影响，在结构上设计了反光镜系统，提高充电能力20,以上。 (3蓄电池的特性及应用研究 包括对蓄电池容量的充分利用和使用寿命、充放电特性研究，环境对其影响。开发基于 LabVIEW的充放电自动监控系统。 4白光LED负载的特性及应用研究 单体超高亮白光LED的封装及其发光特性研究，光学和电学参 数的改善，多只LED的合 理组合，与太阳电池输出及蓄电池容量的合理匹配等。 5开发了基于LabVIEW的太阳能路灯充放电监监测系统 6参数设计 lx;选择流过单只LED从太阳能庭院路灯的照度标准(?8lx)入手，设计照明12 电流16mA，每盏路灯的总电功率为5(4W。在12V的直流电压下，总电流为450mA。 LED太阳能路灯的优化设计与实现 在保证连续3(5个阴天能正常工作的前提下，路灯每日工作6小时，选择12V 17Ah免 维护铅酸蓄电池。 选择太阳能电池额定输出功率为16W，用实测法确定太阳能电池板的倾角为 500;方 位角为正南偏东200。 使用全自动控制的充放电控制器，可实现光控开、定时关、过充过 放保护等功能。 7通过对系统运行状况的监测进行了总结报告，该系统具备了安全、稳定、性能良好等优点。 完全可以步入实用化，具有良好的应用前景。 7(2未来展望 、 光伏照明是一项十分诱人的产业，特别是LED照明的研究本身就是照明领域的热点问 题。而LED照明与太阳能有效结合，将是未来照明的发展方向。在如下几方面有待于我们 进行深入研究。 1最大功率点跟踪 由于太阳能电池的输出随着工作电压的不同，功率随之变化。要使其输出功率最大，就要 研究与控制器、与蓄电池在电阻方面的匹配。这方面也是该领域的热点研究问题。 2路灯支架结构的改进 只有使太阳能电池板的方位始终跟踪太阳，才能获取最大的太阳辐射量。这就需要在灯架 ( 结构上进行研制。当然要考虑成本的投入，是否低于由此带来的效益，否则不会有实际意义。 3温度对太阳能电池、蓄电池的影响 由于太阳能电池和蓄电池的使用效率都与温度有关，有必 要深入研究温度的影响。目的 在于提高使用效率的同时，增加它们的使用寿命。 4更强功能充放电控制器的研制 本系统使用的是市场上现有的控制器，本文缺少对其功能上的深 入研究。应使控制器 更好地发挥在功率自适应方面的作用，如在夜间前后半时和不同季节负载功率的自动调节， 使其更智能化、节能化。 5白光LED灯具结构及亮度方面有待改进、提高 本着使用的LED个数少，亮度高，结构合理的原 则，在用于路灯照明的LED灯具上 需要进一步研制。在单只LED的封装工艺和技术上进一步改进，使之亮度更高。 51 LED太阳能路灯的优化设计与实现 参考文献 【11李俊峰(中国光伏发电商业化发展报告【M】(中国环境科学出版社，2001( 【2】昌金铭(国内外光伏发展的新进展【J】(中国建设动态(阳光能源)，2007(1):28-31( Bimal AdVances in 【 3】3K(Bosc(Energy,Environment，and power,IEEE(Trans(Power Electron，2000(15):688-701 【4】张耀明(中国太阳能光伏发电产业的现状与前景【J】(新能源与新材料，2007(1):1-6( et a1(Socio-economic of the Austrian 【5】Haas(Reinhard aspects 200KWp photovoltaic-rooflop programme[J](solarenergy,1999 ，66(3):183—191 a1(Swiss et Federal CH3365-4:22—39【6】Maennedorf PV-promotion programme【J】(Ieee，piscataway,NJ，USA，94 【7】赵玉文，王斯成，吴达成，等(中国光伏产业发展研究报告【M】(2004"-'2005) 【8】吴达成(中国光伏应用及市场化新进展【M】(2006年中国太阳级硅材料及硅太阳电池研讨会 【9】中国绿色照明项目促进办公室(中国绿色照明工程实施展望【J】(中国能源(2004(7):1-5 Association，The Promise of solid state for【10】Optoelectronics IndustryDevelopment Lighting Genera Illumination—LEDs(2001) 【11】雷玉堂，黎慧(未来的照明光源一白光LED技术及其发展(光学与光电技术，2003(5) :33—34( 【12】路绍泉(LED照明—半导体的又一次革命(灯与照明，2002， 26(4):10—12 【13】崔元日，潘苏予(第四代照明光源一白光LED(灯与照明，2004，28(2):31-34( 【14】白杉，子荫(半导体灯掀起照明的绿色革命【J】(光源与照明，2004(1):42-43( 【15】刘行仁，薛胜，黄德森(白光LED现状和问题(光源与照明，2003(3):30—35( 【16】苗洪利，王进(LED白光照明光源的研制[J](光电子?激光，2004，15(6):657—659( 【171李文婷(LED直流灯具在太阳能户用电源系统中的应用研究【J】(中国建设动态(阳光能 源)，2007(1):54-56 【181刘淑平(高亮度低成本太阳能LED灯具的研究【J】(太阳能， 2007(1):20—22( 【19】李永杰(太阳能与高亮LED的集成应用【J】(中国照明电器( 2007(8):18-21( 【20】刘恩科(光伏电池及其应用【M】(北京:科学出版社，1991:81-95 【21】赵争鸣，刘建政(太阳能光伏发电及其应用【M】(北京:科学出版社，2005:95(99，257 【22】吴瑜之，彭银生(晶体硅太阳电池选择性扩散的研究【J】(太阳能学报，2005，26(5) :635(638 【23】郝国强，张德贤，张存善等(非晶硅太阳能电池的新进展【J)(飞通光电子技术，2002，2(4):190—193 【24】桑野幸德(太阳电池及其应用【M】(北京:科学出版社，2000，56(61 of Electrical An Model For A for 【25】A(ZAHEDLDevelopment PV,Battery System prediction[J](performance Renewable Energy,1998，15(1):531-534 52 LED太阳能路灯的优化设计与实现 【26】刘荣(自然能供电技术【M】(北京:科学技术出版社，2000( 【27】朱松然(铅蓄电池技术【M】(北京:机械工业出版社，2002( 【28】陈红雨(铅酸蓄电池的最新研究与发展动态【J】(电源技术，2000，(5) :311—314( 【29】欧阳名三，余世杰(VRLA蓄电池容量预测技术的现状及发展【J】(蓄电池，2004(2):59?63( 【30】毛贤仙，项文敏，唐征(太阳能光伏系统用VRLA电池技术性能探讨【J】(蓄电池，2003(3):22(24( 【31】沈维祥(光伏系统中铅酸蓄电池实际容量的计算【J】(农村能源，1998(2):30—31( 【32】邹今平(合理设定光伏系统用蓄电池控制电压【J】(农村能源，2000(2):5—7( and 13th In term ti oval E1 ec tri c C(Moore，Ultralight Hybrid 【33】Timothy Vehicles:Principles Design Vehi cl a um(EMS-13)，Osaka，,Japan Symposi of characteristics in Proc(Conf(Some battery impedance 【34】J(M(Hawkins&L(0(Barling aspects INTELEC 95，1995:128131( 【35】桂长清，柳瑞华(密封铅酸蓄电池的电阻分析【J】(电池，2000(2):45-47( P(Batteries and Control in Stand—lone Photovoltaic —Fundamentals and 【36】James Charge Systems Laboratories Box 5800National Photovoltaic ApplicationSandia Systems Applications Dept(PO 87185-0752 January 15，1997 Albuquerque，NM TaSk HI for Stand Alone Guide PV Small PVPS 991223【37】Battery Systems(1EA 【38】王菊芬，李宣富，杨海平等(光伏发电系统中影响蓄电池寿命因素分析【J】(蓄电池，2002(2):51—54( 【39】杨宏，王鹤，王雪冬等(可再生能源发电系统中VRLA蓄电池的过充电保护与温度补偿特性研究【J】(太 阳能学，2001，22(2):223—225( new state in on Serpenguzel，Solid illumination，World 【40】舢i lamp:The paradigm Congress Housing Process&produce(2003) ( diodes for G R，Mueller O，Wight f41】Mach Light emitting illumination，SPIE，2000(3938):30-41( 【42】宋贤杰，屠其非，周伟等(高亮度发光二极管及其在照明领域中的应用【J】(半导体光 电，2002， 23(5):356?360( 【43】方志烈，叶其春，李学勇( 白色LED照明光源【J】(功能材料与器件，2000，6(4):406-407( methods for and LED cluster of the ClE【44】ClE，Standard specifying characteristics，Procedings measuring On LED Expert measurement[C】(2001) (Symposium 【45】国家建设部(建筑照明设计标准GB50034?2004(2004，12 et a1(whith 【46】G(Bogner,A(Debray,GHeidel LED[JI(SPIE，1999(3621):143? 150( 【47】苗洪利(基于LabVIEW太阳能路灯充放电监测系统【J】(微计算机信息，2007，23(5):88—90 53 LED太阳能路灯的优化设计与实现 【48】沈辉，曾祖勤(太阳能光伏发电技术【M】(北京:化学工业出版社(2005( 【49】侯国屏，王坤，叶齐鑫(LabVIEW7(1编程与虚拟仪器设计【M】(北京:清华大学出版社，2005( 【50】杨乐平，李海涛，赵勇，等(LabVIEW高级程序设计【M】(北京:清华大学出版社(2003( 【5l】王尔镇，王春锋(固体光源和灯具的技术进展(二)【J】(照明工程学报，2002，13(1) :32—35( 【52】陈尚伍，陈敏，钱照明(高亮度LED太阳能路灯照明系统【J】(电力电子技术，2006，40(6):43-45( 【53】Doug Varghn(白光LED驱动方案【J】(电子产品世界，2002(6):30—32( 【54】陈维，沈辉，丁孔贤等(太阳能LED路灯照明系统优化设计【J】(中山大学学报， 2005，44(2):95-98( 【55】葛亮，杨金焕，陈中华等(光控太阳能照明系统的优化设计【J】(可再生能源，2004(1):20-22( of 【56】Thomas(P，semiautomaticDesign illuminating Systems,Applied Opitc，2002，11(5):325-327 ( 【57】张艳红，张崇魏，吕绍勤等(新型太阳能控制器的研制【J】(节能，2006(2):30—32( 【58】徐任学(根据辐射数据估计可利用太阳能【J】(太阳能学报，1982 ，3(1):81?87( 【59】王建源，冯建设，袁爱民(山东省太阳辐射的计算及其分布【J】(气象科技，2006，34(1) :98—100( 【60】马胜红，陆虎俞(太阳能与太阳辐射【J】(大众用电，2006(2) :39-41( 【61】中国气象科学数据共享服务网(http:,,cdc(cma (gov(cn, 【62】青岛决策气象服务网(http:,,weather(qingdao(gov (cn, 【63】郭一翔，牛萍娟，毛博年(LED路灯设计和实现【J】(天津工业大学学报， 2006，25(6):41-43( for S C(An Oil radiation A朋EILAc?讯J inclined【64】KLIEN algorithm calculating monthly-average of Solar surfaces[J】(Journal Energy Engineering，1981，103:29?33( J of stand?alone solar PV power 【65】GORDON sizing systems[J](Solar Cells，1989(2):101— 105(M(Optimal 【66】孟昭渊(太阳能电池在照明灯具上的应用(上)【J】(光源与照明，2003(4) :21?24( of for stand-alone CHAPMAN R nomograms 【671 N(Development sizing photovoltaic,storagesystems[J] (Solar Energy,1989(2):154-156( 攻读工程硕士期间取得的学术成果 1、参加的课题: 山东省重点攻关项目“半导体照明工程关键技术研究与开发’’(2005GGll07001)。 2、公开的专利: 设计人 名称 类型 状态 专利号 1 苗洪利、王晶、 LED植物生态灯 发明 授权 ZL 200410035485(4 侯红英、陈静波 2006 2 2006200862860苗洪利，王金 太阳能LED庭院路灯 实用 授权 2007城，陈海明 新型 3 苗洪利 实用 授权 LED诱鱼坠ZL200420052790(X 2005 新型 4 1(9ZL20052008730 苗洪利、王建 水产养殖生态LED光源 实用 授权 2006 新型 国、杨国仁 5 王晶，苗洪利 一种利用LED单色光源促进海藻 发明 授权 2005100443526(9 2007生长的方法 6 ZL03152709(4王晶、郑荣儿、 高亮度波长可调的白光发光二极 发明 授权 2005苗洪利、杨爱玲 管荧光粉的制备方法 7 王晶、苗洪利 LED节能台灯 实用 授权 ZL20052008236 1(I 2006 新型 8 杨国仁，苗洪 色调可连续自动渐变的LED面光 实用 ZL200520126066(1 授权 利，王建国 源 新型 2005 3、发表的论文: 【1】苗洪利(基于LabVIEW太阳能路灯充放电监测系统(微计算机信息，2007,23(5):88(90 【2】王晶(王进(苗洪利等(光转换有机白光发光二极管发光性能研究(光谱学与光谱分 析，2005，25(5):672 -674( [31陈静波(王晶(苗洪利等(?岖:Ce，荧光粉对白光LED衰减的影响(光电子激光(2008年录用) 致谢 感谢李欣老师和刘卫东老师在选题及设计研究方面对我的悉心指导!在李欣 老师所授的学位课上，不仅学到了知识与技术，其敏捷的思维、动听的语言及高 超的教学艺术使我受益匪浅。 刘卫东老师是海信公司的技术骨干，在LED的应用研究方面有很深的造诣。 我能成为刘老师的学生而十分荣幸。在我论文完成期间，刘老师给予了极大的关 注和指导，在此深表感谢! 我在大学的教学岗位上工作近二十年后才有这个机会读取硕士，在感到惭愧 的同时更觉机会来之不易，促使我更加努力学习。在读硕士期间，院系领导及老 师为我创造了极大的方便，在此表示谢意! 付圣雪老师、赵犁丰老师、何波老师、王怀阳老师、熊建设老师、秦平老师、 沈钺老师、徐洪梅老师等先后给我们上过学位课，使我扩展了知识面。为做好学 位论文打下了坚实的基础，在此一并表示感谢! 班主任李钢老师给了我极大的鼓励和支持而不能让我忘怀，为我们能顺利完 成学业而奔忙，太辛苦了，谢谢! 近三年的在职工程硕士学习即将结束，向所有热忱关心和帮助我的领导和老 师、同事及家人致以最真挚的感谢!