超级电容器太阳能草坪灯的设计与实现

一、教案头本次课标题：太阳能升压草坪灯电路制作授课班级光伏上课时间4课时上课地点理工南211教学目标能力（技能）目标知识目标能分析超级电容器特性；能计算超级电容器容量；能在光伏发电系统应用超级电容器；单体电池的串联特性；单体电池的并联特性；单体电池串并联输出特性；能力训练任务及案例【案例引导】测试电路如下图6.13示，当LED1点亮时，测量LED1两端的电压。

并用示波器测量A、B、C、D四点的波形图。

L1100µHQ6R61kΩQ2C3300pFLED1D2VCC1.5VR12kΩC110µFABCDA点波形图B点波形图C点波形图D点波形图图6.13 太阳能升压草坪灯电路(multisim)调试电路，发现提供1.5V的电源电压，可以驱动3V LED工作。

【项目任务】制作太阳能草坪灯升压电路，电源电压1.5V，负载LED电压3V。

【预习练习】1. 升压草坪灯电路中作为光感器件可以用光敏电阻或太阳能电池。

2. 太阳能草坪灯电路升压原理是BOOST电路。

【信息单】太阳能草坪灯具有安全、节能、环保、安装方便等特点。

它主要利用太阳能电池的能源为草坪灯供电。

当白天太阳光照射在太阳能电池上时，太阳能电池将光能转变为电能并通过控制电路将电能存储在蓄电池中。

天黑后，蓄电池中的电能通过控制电路为草坪灯的LED光源供电第二天早晨天亮时，蓄电池停止为光源供电，草坪灯熄灭，太阳能电池继续为蓄电池充电，周而复始、循环工作。

太阳能草坪灯主要由太阳能电池组件、自动控制电路、超高亮LED 灯(光源)、免维护可充电蓄电池及灯具外壳等构成太阳能草坪灯的控制电路就是通过外界光线的强弱让草坪灯按上述方式进行工作。

下面就介绍几款常用控制电路的构成和简要工作原理。

6.4.1以光敏电阻为光感器件的升压电路一、电路结构图6.14是早期的一款太阳能草坪灯控制电路。

是通过光敏电阻来检测光线的强弱。

当有太阳光时，太阳能电池产生的电能通过D 1为蓄电池DC 充电。

设计使用超级电容器储能的太阳能灯前言太阳能是一种绿色的能源，太阳能灯作为绿色照明的一种新的实现方式，有可能引领未来照明的变革。

而超级电容作为一种新型的储能元件，具有很多有优点，如：允许很大充电放电电流、寿命长、内阻小等。

在学习了模拟电路以后，我们设计了一种可以利用太阳能的照明灯，其主要系统组成有充电稳压电路、升压电路、控制电路、LED等。

该灯可以实现在光线较强时由太阳能电池供电对超级电容充电同时关闭LED，在光线较弱时由超级电容供电驱动并点亮LED。

该设备具有一定的实用价值，同时适合实验。

第一章 设计任务本设计主要是利用太阳能电池在光强时对超级电容进行充电，同时控制电路控制关闭LED 灯。

在光线较暗时控制电路开启LED 灯。

第二章 系统组成及工作原理2.1 系统组成整个系统由六个部分组成：太阳能电池、充电稳压电路、超级电容、升压电路、控制电路、LED ，其工作原理框图如下：首先由充电稳压电路控制太阳能电池给超级电容充电，然后超级电容连接升压电路进行升压给后续电路供电。

控制电路通过比较太阳能电池电压与超级电容电压，太阳能电池电压与设定的基准电压来决定是否开启LED ，以此来实现自动控制。

第三章 电路设计3.1元器件介绍3.1.1 升压芯片 BL8530BL8530 系列是 PFM 控制的开关型DC/DC 升压稳压芯片。

0.8V 的启动电压、高达200mA 的负载驱动能力（当 Vin=1.8V ，V out=3.3V 时），极低的静态功耗（ Iq<5.5uA ）使得BL8530 非常适合于做此实验的升压芯片。

升压电路控制电路 LED太阳能电池 充电稳压电路超级电容3.1.2 集成运放LM324此实验中利用LM324作为集成运放的较大差模电压增益来作为电压比较器。

LM324系列器件为带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

目录引言 (2)1.太阳能介绍 (3)1.1太阳能的基本知识 (4)1.2 太阳能光伏发电系统实物图 (5)1.3太阳能光伏系统的分类 (5)2. LED太阳能草坪灯的发展现状 (6)2.1LED太阳能草坪灯简介 (6)2.2 LED太阳能草坪灯的结构组成 (7)2.2.1 LED太阳能草坪灯电源 (7)2.2.2 LED太阳能草坪灯的光源 (8)3. LED太阳能草坪灯的设计 (9)3.1独立太阳能供电系统的组成 (9)3.2 充放电控制器的设计 (11)3.3 太阳能草坪灯的电路设计： (13)结论 (15)参考文献 (16)致谢 (17)引言太阳能是最重要的基本能源，生物质能、风能、潮汐能、水能等都来自太阳能，太阳内部进行着由氢聚变成氦的原子核反应，不停地释放出巨大的能量，不断地向宇宙空间辐射能量，这就是太阳能。

太阳内部的这种核聚变反应可以维持很长时间，据估计约有几十亿至几百亿年，相对于人类的有限生存时间而言，太阳能可以说是取之不尽，用之不竭的。

太阳内部高温核聚变反应所释放的辐射能。

太阳向宇宙空间发射的辐射功率位3。

8×10^23kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。

到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收，其余的到达地球表面，其功率为8×10^13kW。

20世纪以来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对能源的需求量不断增长。

化石能源资源的有限性，以及他们在燃烧过程中对全球气候和环境所产生的影响日益为人们所关注。

从资源、环境、社会发展的需求看，开发和利用新能源和可再生能源是必然的趋势。

在新能源和可再生能源家族中，太阳能成为最引人注目，开展研究工作最多，应用最广的成员。

一般认为太阳能是源自氦核的聚合反应。

太阳幅射能穿越大气层，因受到吸收、散射及反射的作用，故能够直接到达地表的太阳幅射能仅存三分之一，又其中70％是照射在海洋上，于是仅剩下约 1.5×1017千瓦．小时，数值约为美国1978年所消费能6000倍。

太阳能草坪灯的设计方案
随着经济的发展和社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻
找新能源已成为当前人类面临的迫切课题。

由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性，太阳能被认为
是二十一世纪最重要的能源。

太阳能的存储是太阳能产品发展的关键，目前
主要采用各种电池，但是电池的充电时间长、寿命短以及不环保一直是太阳
能产品发展的瓶颈，而超级电容器作为一种充电快、寿命长、绿色环保型储
能元件，它给太阳能产品的发展带来了新的活力。

本文详细介绍了一种超级
电容器太阳能草坪灯的设计及实现方法。

该草坪灯很好的结合了太阳能和超
级电容器的优势，它无需安装其他电源，就可以主动发光，还能够根据环境
光线的强弱自动控制灯的开关，而且安装方便、不用布线、工作稳定可靠、
免维护、环保无污染、使用寿命长，可广泛应用于广场绿地、小区草坪等场所。

 1 设计选择
 1.1光源的选择
 由于LED技术目前已经实现了关键性突破，同时性能价格比也有较大地提高。

现在的LED寿命已可达到100 000h以上，而且工作电压低，非常适合应用于太阳能草坪灯上。

另外，LED由低压直流供电，其光源控制成本低，
可以调节明暗，并可频繁开关，而且不会对LED的性能产生不良影响。

因此，从可靠性、性价比、色温和发光效率等几个方面综合考虑，设计时可选择额
定电压为3.3 V、工作电流为6 mA的超亮LED作为光源。

由于草坪灯不但要有装饰作用，还要有一定的照明功能，故可选择8个LED使用。

 1.2太阳能电池的选择。

基于LED 和超级电容的智能小区太阳能路灯智能小区不只是高科技的应用，更注重节能和环保，本太阳能路灯照明系统在一般太阳能路灯的基础上进一步进行了优化，采用了led 光源和超级电容，充电效率更高，元件寿命更长，比一般太阳能路灯更加节能和环保。

本太阳能路灯系统主要由光伏电池极板、储能电池、超级电容器、照明灯具和控制器等几个部分构成。

1 照明灯具及控制方式的设计照明灯具及控制方式的设计 1.1 1.1 照明灯具的设计照明灯具的设计照明灯具的设计 传统的照明灯具效率低，如白炽灯、卤钨灯等，不适合智能建筑节能理念，各种照明光源的性能比较如表1 所示。

白光超高亮度的LED 灯具，光效为45 lm/W，虽然不高，但是发出的光线都在可见光范围内，适合用于照明光源。

LED 灯具寿命长，可达100 000 h 以上，可以有效减少灯具垃圾。

另外，LED 由低压直流电源供电，更加安全，而且适合频繁开、关。

因此太阳能照明系统选择了12 V、10 W 的白光超亮大功率LED 灯具，其光效可以达450 lm/W，相当于50 W 的白炽灯，可以达到良好的照明效果。

1.2 1.2 照明灯具的控制方式照明灯具的控制方式照明灯具的控制方式 太阳能照明灯具的开、关控制方式主要有两种： 定时控制和光照控制。

定时控制是设定每天的开、关灯时间后由系统自动控制，但是随着季节的变化需要不断调整设定时间，否则就会出现天黑不亮灯，天亮不熄灯的情况，造成能源浪费。

光照控制是系统通过检测光照度来开、关照明灯具，如光照度低于10 lx 时开灯，高于10 lx 时熄灯，这样既能满足用户的需要，又能节约电能，符合智能建筑的理念。

所以系统照明灯具的开、关采用光照控制方式。

光照控制方式的工作时间和本地的纬度及当天的太阳赤纬角有关，而且日出前半小时和日落前半小时，天空的余光足够照明，可以不开路灯，这样每天可以少开灯1 h。

智能小区位于东纬116. 84°、北纬38. 31°的位置，本地区光照控制路灯在冬至时工作时间最长为12 h，夏至时工作时间最短为9h。

应急供电型太阳能草坪灯设计书摘要太阳能系列草坪灯主要用来亮化点缀照明，采用高亮度LED发光二极管设计，具有亮度高、安装简便、工作可靠、不敷设电缆、不消耗常规能源、使用寿命长等优点。

太阳能草坪灯光源及电源系统设计方法由于太阳能草坪灯独特的优点，近年来得到迅速发展。

草坪灯功率小，主要以装饰为目的，对可移动性要求高，电路铺设困难，防水要求高的场地适用。

但是由于发展速度过快，导致了我们已经面世的一些草坪灯具有先天的不足。

比如一些产品功能单一、实用性仅仅是照明美观之用，这些无异于是对太阳能产品的不重视。

本文就设计一款倾向于紧急备用电源和具有照明引路功能的太阳能草坪灯显示出许多前所未有的优势。

本设计首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节能的目的，其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气对蓄电池进行充电，以给草坪灯供电。

控制电路分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略，能根据光线和定时控制的要求决定草坪灯的点亮和关断。

系统有很好的抗干扰性，由于具有备用电源功能，因此其连续工作时间比市场上的产品要久许多。

关键词：太阳能草坪灯、备用电源、应急、蓄电池；目录1 引言 (3)1.1太阳能草坪灯简介 (3)1.2 太阳能草坪灯的结构组成 (4)2 可应急供电型太阳能草坪灯的设计 (4)2.1 设计思路 (4)2.2 产品的功耗、容量计算 (5)2.2.1 新余周边城市近30年天气概况表1[1] (6)2.2.2 蓄电池容量计算与选取 (7)2.2.3 太阳能电池板功率计算与设计 (9)2.2.4 产品光源的选取 (10)2.3 产品的电路设计 (12)3 产品设计总体分析 (13)3.1 产品性价比分析 (13)3.2 总结与心得体会 (14)参考文献 (15)1 引言太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。

太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。

太阳能草坪灯系统单元电路的设计方案1.1 照明负载LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。

按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的。

发光二极管的实质性结构是P—N结，在半导体P—N 结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。

半导体P—N结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果。

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。

白光LED通常是在发射蓝光的InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光[8]。

由于LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。

应首选平光型超高亮LED或平光型与束光型超高亮LED组合使用，将多个LED 集中于一起，排列组合成一定规则的LED发光源。

超高亮白光LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为17.5 mA 。

太阳能LED灯具的具体技术指标如表1所示。

超高亮白光LED发光源具有如下优点：寿命长。

LED 的寿命长达100000h，而白炽灯的寿命一般不超过2000 h，荧光灯的寿命也不过5000 h左右。

效率高。

相对于传统的第一代照明光源白炽灯，LED的功耗只有前者的10％～20％。

绿色环保。

与广泛使用的第二代照明荧光灯相比，LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。

耐低温。

环境使用温度在一40℃～80℃，环境适应性非常强[15]。

这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有防蓄电池过放电、过充电功能。