太阳能霓虹灯(完正).doc

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摘要 1
关键词： 1
绪论 2
一 系统原理与结构 3
二. 太阳能系统设计 4
2.1 太阳能电池板 4
2.2 蓄电池 5
2.3．太阳能控制器 6
2.3.1 蓄电池充电控制基本原理 7
2.3.2 蓄电池放电控制基本原理 8
2.4 蓄电池选型 9
2.4.1蓄电池容量的计算 9
2.4.2 蓄电池容量的选型 10
2.5 太阳能电池板的选用 11
2.6 霓虹灯的选择 12
2.7 倾角设计 13
三 硬件电路设计 13
3.1 电源电路 13
3.2 充电控制电路 14
3.3 放电控制电路 16
3.4 霓虹灯控制电路 16
四 结束语 17
参考文献 18
、

摘要
随着不可再生能源（煤炭、石油等）频频告急，且对环境造成的危害日益突出时，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭" 安全、环保的新能源越来越受重视。太阳能霓虹灯就是靠阳光的能量保证霓虹灯的正常使用，它利用的能源是太阳能，既省电又环保，安装时还不需要铺设电缆。同时LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效效率高，且可以发出不同颜色的光。太阳能LED霓虹灯集成了太阳能与LED优点。
关键词：蓄电池选型、 太阳能电池选型、 光生伏特效应

绪论
当代被人类广泛利用的能源，主要有五大类， 即煤炭、石油、 天然气、水和核裂变能等。目前世界能源消耗几乎全靠这五大能源来供应，电力只是上述这些能源转化生出来的“二次能源" 。
世界能源的消耗结构在近20年中发生了很大变化。 虽然，目前各种新型能源在不断开发利用，但主要消耗的能源，还是依靠石油、天然气和煤这三大能源,其他能源消耗比重还很低，不足以根本改变原有的以石油、天然气消耗为主体的结构类型。
太阳能行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔，在可再生能源行业中，太阳能没有污染、市场空间非常大，太阳能现已经在民用领域内广泛应用于照明、发电等方面，太阳能应用的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。
太阳能灯作为一种新型节能灯具，它与传统灯具相比有节能、环保、安全、方便、寿命长等许多优点发展可持续能源和绿色能源从照明这种小方面入手，可节约更多的电能，当技术和市场环境成熟后可在该领域和其他领域进行广泛推广。

一 系统原理与结构
太阳能霓虹灯系统的核心部件是太阳能电池组件和霓虹灯及其控制部分。系统框图如图l 所示。
图1系统总体框图

太阳能电池
充 放 电 主 电 路
蓄电池组
霓虹灯控制电路
霓虹灯负载

本系统利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，霓虹灯控电路的通断是通过光控传感器来控制，夜晚霓红灯工作，蓄电池放电；当黎明太阳光光线变强时霓虹灯停止工作，蓄电池放电结束。

二. 太阳能系统设计
2.1 太阳能电池板
太阳能电池的发电原理：太阳能电池是一种对光有响应并能将光能转换成电能的器件。谓光生伏特效应就是半导体吸收光能后在PN结上产生电动势。能产生光伏效应的材料有许多种，如单晶硅，多晶硅，非晶硅，晒锢铜等。它们的发电原理基本相同，硅系列太阳能光伏电池中，单晶硅太阳能电池转转换率最高，其寿命也最长。现以晶体为例描述光发电过程。P 型晶体硅经过掺杂磷可得N 型硅，形成P-N 结。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。
可将半导体太阳能电池的发电过程概括成以下四点：
①首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。
②太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子(光生载流子)——电子-空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失.
③这些电性符号相反的光生载流于在太阳能电池P-N结内建电场的作用下，电子-空穴对被分离，电于集中在一边，空穴集中在另一边，在P-N结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。
④在大阳能电池P-N结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能(或其他光能)直接转换成了电能。
光生伏打效应原理如图2所示。
光子入射
（能量hv）
光子入射
（能量hv）

图2 光生伏打效应原理

2.2 蓄电池
蓄电池组是大阳能电池方阵的储能装置,用是将方阵在有日照时发出的多余电能转化为化学能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量。蓄电池在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。在常用的蓄电池中，主要有铅蓄电池、碱性镍蓄电池和铁镍蓄电池。
太阳能光伏电源系统对所用蓄电池组的基本要求是：
（1）自放电率低;（2）使用寿命长;（3）深放电能力强;（4）充电效率高;
（5）少维护或免维护;（6）工作温度范围宽;（7）价格低廉。
固定式铅酸蓄电池性能优良、质量稳定、容量较大、价格较低，所以选用铅酸蓄电池。
铅酸蓄电池原理：
下图为常见的铅酸蓄电池，内部是由多组蓄电池串联组成，每组蓄电池的电压为2V。

铅酸蓄电池的主要由过氧化铅（）、铅（Pb）和电解液（稀硫酸）组成。蓄电池内侧的阳极（）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，通过化学反应，两极间会产生2V的电压。
其充放电反应表示如下：
（阳极） （电解液） （阴极）
（过氧化铅） （硫酸） （铅）

（阳极） （电液） （阴极）
（硫酸铅） （水） （硫酸铅）

（充电反应）

2.3．太阳能控制器
太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池，由于蓄电池组的循环充放电次数及充放电深度是决定蓄电池使用寿命的主要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充电放电控制器是必不可少的设备，基本功能必须具备过充保护、过放保护、防反接、防反充等保护措施.
2.3.1 蓄电池充电控制基本原理
如图3所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理，在该电路原理图中由太阳能电池组件、蓄电池、控制器电路和负载(LED灯)组成了一个基本的大阳能光伏霓虹灯系统。这里的开关K1、K2 分别为充电开关和放电关，它们均属于控制器电路中的一部分，K1、K2 的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：等蓄电池充满时断开充电开关K l。否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2。否则闭合，开关Kl、K2是广义上的开关，它可能是各种开关元件或由电路组成。
图3 太阳能霓虹灯充放电基本原理图
太 阳 光
负载（霓虹灯）
控制器

蓄电池
K1
K2

太阳能霓虹灯系统中，充放电控制器一般用外围电路构成的充放电控制电路。
铅酸蓄电池充电特性见图4。由充电曲线可以看出，蓄电池充电过程有三个阶段，初期( OA ) 电压快速上升，中期(ABC)电压缓慢上升，延续较长时间，从C点开始进入充电末期，电化学反应接近结束，电压开始迅速上升，接近D点时，负极析出氢气，正极析出氧气，水分被分解。上述所有迹象表明，D点电压标志着蓄电池已充满电，应立即停止充电，否则将给铅酸蓄电池带来损坏。
1 3 5 7 9 11 13
电压（v）
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
A B C
1 3 5 7 9 11 13
电压（v）
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
A B C
图 4 铅蓄电池充电特性
时间（b）

通过对蓄电池充电特性(图 4 ) 的分析可知，在蓄电池充电过程中当充电到D点的电压出现时就标志着该电池已充满。依据这一原理，在控制器的软件中设置电压值，通过检测出D点电压值，即可判断蓄电池是否应该结束充电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状态(25，O.lC 充电率)下的充电终止(D点)电压2.5-2.6V，对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态下的充电终止(D点)电压约2.3S-2.4V,在控制器里比较设置的D点电压称为“门限电压”或"“电压阀值”

2.3.2 蓄电池放电控制基本原理

铅酸蓄电池放电特性见图5。由放电曲线可以看出，蓄电池放电过程也有三阶段，开始( OE )阶段电压下降较快，中期( EFG )电压缓慢下降，延续时间较长，G点后放电电压急剧下降。G 点电压标志着蓄电池已经接近放电终结，应立即停止放电，否则将给铅酸蓄电地带来不可逆转的损坏。
1 3 5 7 9 11 13
电压（v）
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
E F G
图5 铅蓄电池放电特性
时间（b）

通过上述对蓄电池放电特性( 图 5 )的分析可知，在蓄电池放电过程中当放电到相当于G点的电压出现时就标志着该电池已放电终了。依据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路，通过检测出G点电压值，即可判断蓄电池是否应结束放电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状态(25，0.1 C 放电率)下的放电终了( G点)电压约1.75-1.8V。对于阀控密封式铅酸蓄电池，标准状态( 25 ，O.1 C 放电率)下的放电终了(G点)电压约1.78 - 1.82V。在控制器里比较器设置的G点电压称为“门限电压”或“电压阀值”。
蓄电池过放电保护措施：控制器防止蓄电池过放电的措施是在达到预值的过放电电平时，断开负载。蓄电池防过充、过放保护电压功能，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。
2.4 蓄电池选型

2.4.1蓄电池容量的计算

设计要求: 负载输入12V功率20W，每天工作是数8.5h，保证连续阴雨天数3天。
。在蓄电池充满电情况下，可连续工作3个阴雨天，加上阴雨前一天的晚上，即要求蓄电池可连续工作4天。蓄电池容量的计算公式如下：

注：
A：安全系数；一般取1.1—1.4
:负载平日平均耗电量；
:最长连阴雨天数；
:温度修正系数；一般0以上取1，-10以上取1.1，
-10一下取1.2。
:蓄电池放电深度；铅蓄电池取0.75。
选择固定式铅酸蓄电池：
A 为1.1
为4天
取1.1
为075

2.4.2 蓄电池容量的选型
蓄电池的型号必须适当。首先在能够满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时也造成浪费。
综合考虑，应该选择12V/100AH的蓄电池，最大充电电流为10A，应该选择10小时率充放电的蓄电池，才能使蓄电池更好的工作，以延长蓄电池的使用寿命。
2.5 太阳能电池板的选用
太阳能电池是利用硅等半导体的光伏效应通过p-n结构直接把太阳光转化为电能，由于太阳电池本身易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气中，光电转化效应会由于潮湿、灰尘、酸雨等影响而下降，以至损坏失效。因此，太阳电池板都必须通过胶封、层压等方式封装成平板式构造再投入使用。其中以层压封装的方法最为常用。
太阳能发电功率量值取决于负载24h所能消耗的电力，同时大阳能电池板的温度也会影响电池输出的功率。当温度上升时，会造成太阳能电池输出功率的减少，因此工作环境的温度将会直接影响到太阳能电池的效率.本系统设计如下所述：
能量计算公式：

太阳能电池组件选型
设计要求：南京地区，负载输入12V功率20W，每天工作是数8.5h，保证连续阴雨天数3天，连阴雨过后，分7天将蓄电池电量充足。
（1） 南京地区经,简单计算南京地区峰值日照时数约为3.947h；
（2） 负载日耗电量= 20×8.5=170 WH
（3） 连续4天工作的耗电量=
（4） 连阴雨过后每天需要对蓄电池冲的电量为
（5） 所需太阳能组件大小=267.14÷3.947×1.6=108.29 W
667.86÷3.947×2.0=135.36 W
选择功率在108.29W-135.36W之间的组件，来提高霓虹灯的可靠性。暂定组件选择120W。
2.6 霓虹灯的选择

图 6 发光二极管
b
a

负载霓虹灯）的光源选择LED灯如上图。发光二极管(LightEmitting Diode，LED)是一种直接把电能转化为光能的发光器件。LED的结构主要有P—N结芯片、电极和光学系统。发光是一种能量转换现象，当系统受到外界激发后。会从稳定的低能态跃迁到不稳定的高能态；当系统由不稳定的高能态重新回到稳定的低能态时，如果多余的能量以光的形式辐射出来。就会产生发光现象。LED灯可发出人眼可见的红、橙、黄、绿、蓝等颜色的可见光及近红外的不可见光。LED实际上是一个半导体的P—N结。其基本的工作原理是一个电光转换过程，图6（b） 是典型LED的基本构造图。它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用。所以LED的抗震性能好。
2.7 倾角设计
因为春夏秋冬太阳的位置是不一样的，这样是为了全年均衡，使全年能获得最大的照射量，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。依据本次设计参考相关文献中的资料得，南京纬度是32.00，选定太阳能电池组件支架倾角为32度左右。
三 硬件电路设计
3.1 电源电路
电源直接从组电池取电，经过7805 稳压后，所用的芯片提供5V的工作电压，其电路如图 7 所示。
图 7 电源电路

3.2 充电控制电路
充电控制电路的要求：
1. 当蓄电池电量不足是，能对蓄电池就有高效率的充电能力;
2. 过充控制;
3.过放电控制;
4.反冲电控制
过充控制，就是在蓄电池的端电压达到一定值时，处于过充状态时断开充电电路，以免影响蓄电池的寿命。充电控制电路由图8所示，在电路中D1是为了防止蓄电池对大阳能电池反向充电，防止反充电功能，一般来说，就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二极管选用肖特基二极管，保护太阳能电池和蓄电池不被损坏。发光管为充电指示。充电控制原理如图8。
图8 充电控制电路

防反充电路等效图如图9，可看出当开关通时，太阳能电池板和蓄电池构成回路，太阳能电池对蓄电池充电；当开关断开时，太阳能电池板与蓄电池断路，停止对蓄电池供电。

图9防反充电路等效图

3.3 放电控制电路
天黑后，蓄电池给负载供电，此时，要接通蓄电池和负载之间的开关。但是在供电的过程中为了避免负载的短路和过载也需要有负载电路。过充、过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命
3.4 霓虹灯控制电路
霓虹灯控制电路核心原件是光敏传感器。太阳能霓虹灯光控开关，现在本系统用光敏电阻来自动开关灯。
图10灯控制电路

精密光暗光投电路如图10。由于通过R5引入少量反馈因而在光线变化时电路动作就会稍稍滞后，以遮免光线亮度处于临界状态时继电器频繁抖动。

四 结束语
该毕业设计的太阳能霓虹灯设计是针对已经存在的霓虹灯电路系统进行改进，首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节约的目的。设计中使用了光控的方法，其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气供电。本设计需要改进的地方有由于蓄电池自身的容量限制，不能保证在阴雨天长时间对外供电。希望这个问题在以后的新型能源出现之后可以得到圆满解决。
经过这次毕业设计培养了我们的设计能力以及全面的考虑问题能力。学习的过程是收获成功的喜悦更是让人激动的。相信通过这次毕业设计，它对我以后的学习及工作都会产生积极的影响。

参考文献
[1] 王常贵.王斯成.太阳能浮光发电实用技术，化学工业出版社，2005,8
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[3] 李安定，太阳能浮光发电系统工程，北京工业大学出版社，2001.2
[4] 李普元，LED灯，电气时代，2004.10
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[6]李加升，冯和平，电子技术，冶金工业出版社，2008

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