太阳能捕虫灯系统设计与优化

太阳能捕虫灯系统设计与优化姓名： 学号： 指 导老师：摘 要随着世界能源形势的日益紧张以及社会的进步和经济的发展， 以及人们的生活水平的提高， 对新能源和绿色农业和有机农产品的以及需求日益迫切， 以生态防控为特色的病虫害综合治理体系日渐深入人心。 太阳能捕虫灯， 作为一个太阳能为原料的物理虫害防控手段， 受到了人们的广泛关注。 太阳能捕虫灯系统， 在白天由太阳能电池板，吸收太阳的能量，转化为太阳能，储存在蓄电池中；夜晚时蓄电池对捕虫灯供电， 通过光来捕杀有害昆虫。 通过对太阳能捕虫灯系统的设计实现和优化，来实现最终的物理防止害虫的绿色农业。关键词 ： 太阳能；蓄电池；多源 LED；捕虫灯；目 录摘 要 1一、绪论 31. 背景与意义 . 3二、太阳能捕虫灯系统组成 32.1 设计原则 . 32.2 系统组成 . 42.2.1 系统结构图 42.2.2 太阳能捕虫灯控制器 42.2.3 太阳能电池 . 52.2.4 铅酸蓄电池 . 62.2.5 LED 捕虫灯 8三、太阳能捕虫灯系统的实现 83.1 系统的核心处理 93.2 各模块设计 11 3.2.1 充放电控制电路设计 . 11 3.2.2 硬件电路的保护功能设计 . 11 3.2.3 系统主程序 . 11 3.2.4 白天处理程序 . 12 3.2.5 夜间处理程序 . 13 四、总结 . 14参考文献 . 15一、 绪论1.背景与意义目前全球能源危机日益加剧，同时又面临气候变化的挑战。在现今世界上存在不多的不可再生能源， 例如天然气、 煤和石油等即将枯竭， 为了能应对这一现状和能源危机， 世界上各个国家都在寻求可再生能源和新的能源， 以取代所剩无几的不可再生能源。可再生能源主要有地热能、水能、地热能、太阳能等，其中太阳能是最重要的一种。 太阳能发电具有核电、 水电、 火电所无法比拟的安全性、清洁性等优点， 此外， 太阳能资源的充足性和广泛性也备受人们的关注和重视 [1] 。新兴的绿色能源太阳能可并展开了迅速的推广应用。目前太阳、永不枯竭等优点， 现今己得到大家的认能光伏技术及产品开始在很多领域应用， 并进入我们的生活。太阳能热水器、太阳庭院灯、景观灯和工艺灯等，都是太阳能能交通指示牌及太阳能路灯、草坪灯、光伏技术的应用成果 [2] 。随着生活质量的提高， 人们对绿色有机农产品的需求更加迫切，利用昆虫的趋光、色、味、性等特性选择性引诱害虫，再借助高压电、水淹、熏杀等方式将其杀死，已成为技术最为成熟、发展最快的一种方法 [3] 。太阳能 LED杀虫灯已大量用于农、 林业害虫的捕杀， 在无公害农产品生产中发挥了重要的作用 [4-5] 。 但目前的捕虫灯太阳能捕虫灯系统不够完善， 且在太阳能利用率上还有很大的提升空间， 所以在实现对害虫的高效、 选择性诱杀的同时提高太阳能利用效率实现绿色环保也是至关重要的。二、 太阳能捕虫灯系统组成2.1 设计原则(1) 从功能上来说，太阳能捕虫灯系统主要是通过太阳能板，把光能转换为电能，通过蓄电池储存，然后对共 LED捕虫灯供电，夜晚利用害虫的趋光性，从而实现对害虫的捕杀。(2) 在满足有效的捕虫的基础上，整个太阳能捕虫灯系统的能效能够得到提高，降低对其他能源的功耗，减少污染，从而达到环保和节能的目的。(3) 根据当地的阴雨天情况，光源情况，蓄电池效率情况，电池板受温度影响及受灰尘覆盖等实际情况进行实时的综合考虑。2.2 系统组成2.2.1 系统结构图太阳能捕虫灯系统主要由太阳能电池板、控制器、蓄电池、 LED捕虫灯等几部分组成。如图 2.1 所示。图 2.1 太阳能捕虫灯系统结构示意图(1) 太阳能电池板：其作用是进行能量转换，把光的能量转变成电能。(2) 控制器： 是太阳能路灯系统最关键的部件， 完成太阳能电池功率的输出，蓄电池的充放电，整个系统的能量管理。(3) 蓄电池：储存电能，为 LED捕虫灯供电。(4) 负载： LED捕虫灯。下面对各个组件进行详细分析和介绍。2.2.2 太阳能捕虫灯控制器一般情况下， 从太阳能极板输出的电压是不稳定的， 不能将其直接应用于 LED 负载。 常规的做法是将太阳能转变的电能存储到蓄电池中， 在需要时， 通过适当的变换供给 LED 负载。在这个过程中，控制器起着枢纽作用，其性能的好坏会直接影响整个照明系统的使用效果 [6] 。 控制器是太阳能光伏照明系统的核心部件之一，对保护蓄电池以及整个光伏系统的正常工作，整个系统的能量平衡管理，系统工作状态的显示等起着非常重要的作用。如图 2.2 太阳能捕虫灯系统工作示意图，太阳能捕虫灯利用太阳能电池板发电， 蓄电池存储电能， 控制器控制蓄电池的充放电来工作的。 控制器的工作是通过光控和时控相互配合来进行的。 在白天的时候， 太阳能电池板接受阳光的照射， 利用光伏效应把光能转变为电能， 通过控制器对蓄电池进行充电； 在夜晚的时候， 光线的强度逐渐减弱， 太阳能电池的工作电流和工作电压迅速下降， 当太控制器太阳能电池板蓄电池LED捕虫灯阳能电池的工作电压小于控制器设定电压时， 控制器控制蓄电池进行放电， 启动负载 LED捕虫灯点亮 [7] 。当环境光线过强或者设定的时间已经到达时，控制器控制蓄电池放电停止，自动关闭负载，此时太阳电池充电开始，由此不断循环。图 2.2 太阳能捕虫灯系统工作示意图本设计控制器实现的功能主要有两种，即基本功能和智能创新功能，基本功能主要实现蓄电池的充放电，防止蓄电池过充电，过放电，延长蓄电池寿命；防止控制器、 负载和其他设备内部短路； 防止雷击引起的击穿保护等， 实现太阳能捕虫灯系统最基本的保护。 智能创新功能是采用 PWM数字调光技术， 实现 4 时段调光， 3 段式智能充电； 内置高性能恒流源， LED 软启动， 开路保护， 短路保护，精准电流控制，瞬间故障保护，低电流纹波，高可靠性，保证整个太阳能捕虫灯系统时刻处于高效的运行状态。2.2.3 太阳能电池整个太阳能捕虫灯系统价值最高的部分就是太阳能电池组件， 太阳能电池是一种能量转换的光电组件， 它在经由太阳光照射后， 可以把光的能量转换成电能，存储在蓄电池中。太阳能电池的分类：如图 2.3 ，太阳能电池的种类繁多，若根据材料的种类来区分，可分为单晶硅 (Single Crystal Silicon) 、 多 晶 硅 (Polycrystal Silicon) 、 非 晶 硅(Amorphous Silicon ， a-Si) 、Ⅲ -V 族 [ 包括砷化镓 (GaAs)、磷化铟 (InP) 、磷化镓铟 (InGaP)] 、Ⅱ - Ⅵ族 [ 包括碲化镉 (CdTe)、硒化铟铜 (CuInSe2)] 等 [8] 。图 2.3 太阳能电池根据所使用的材料种类的分类2.2.4 铅酸蓄电池蓄电池是二次电池，并且是可逆的，经过放电，蓄电池电压下降，到一定程度后，经过充电又能复原需用的电池。蓄电池在整个 LED 太阳能路灯系统中起着非常重要的作用。在太阳光充足的情况下，蓄电池经由路灯控制器存储电能；在太阳光不充足的情况下，蓄电池放电给 LED 负载供电 [9] 。(1) 铅酸蓄电池组成及工作原理铅酸蓄电池由电池槽体、硫酸电解液、隔板、正负极板等主要部件组成。各种铅酸蓄电池根据其用途的不同， 各有不同的要求， 从而在结构上也有差异。 对于阀控密封型还有安全阀，接线端子。在充放电过程中，阀控式密封铅酸蓄电池的化学反应如下：正极性物质 电解液 负极活物质 正极活物质 电解液 负极活物质放电时，负极板的海绵状铅，正极板的二氧化铅与电解液中的硫酸反应生成硫酸铅，同时电解液中的硫酸浓度降低。充电时，通过氧化还原反应硫酸铅分别恢复成海绵状铅和二氧化铅，同时电解液中的硫酸浓度增大。在充电末期电池充满电后，继续充入的电量将导致电解液中水的分解，为防止因过充电导致水分解而引起电解液的减少， 要实现电池的密封设计。 电池的密封设计的关键解决问题是实现充电过程产生的氧气能够迅速与负极板上充电状态下的活物质发生反应变成水，并且基本没有水分的损失 [10] 。(2) 蓄电池的放电特性蓄电池的放电特性曲线如图 2.4 所示。图 2.4 蓄电池放电曲线从图中可以看出，放电初始阶段，蓄电池的端电压显著降低，如图中的 O-A段。随着放电时间的增加，放电电压也开始趋于缓慢，如图中的 A-B 段。随着放电过程的进行， 随着蓄电池容量的降低， 蓄电池的端电压放电快速下降， 放电终止电压即图中的 C 点。图中持续时间比较长的是 AB 曲线，蓄电池端电压的平均电压越高，蓄电池的电压性能也就越好 [11] 。(3) 蓄电池的充电特性蓄电池的充电是将电能转换为化学能，在这个过程中会产生热量。其次，充电产生的充电电流也会有一定的热量散发出去。 蓄电池的充电特性曲线如图 2.5所示。图 2.5 蓄电池充电曲线蓄电池充电初期，蓄电池端电压迅速升高，如图中 O-A 段。然后蓄电池的端电压开始变得平稳，如图中的 A-B 段。随着蓄电池容量的增加，蓄电池端电压也升高，当充电容量达到 90%的时候，蓄电池端电压急剧升高，即图中的B-C,C-D 段， 这时应以小电流进行充电， 避免大电流充电造成蓄电池损坏， 停止对蓄电池充电如图中 D 点 [12] 。2.2.5 LED 捕虫灯LED 灯具有高光效，高节能，光色多，安全性高，设计形状的多样性，寿命长，快速响应，灯具结构合理，利环保，高新尖，运行成本低等优点。与太阳能结合是“最佳组合” 。新型光源 LED以其固有的特性，由于其光色纯的特点，可以针对不同的昆虫使用不同的光谱， 使我们可以准确地锁定目标害虫， 最大限度的杀灭害虫， 保护益虫 。同时，由于其有高亮度，远射程及低功耗的特点，使我们可以在节能的前提下， 诱捕更大范围的害虫。 其工作寿命长的特点， 也使我们无需频繁地更换光源，降低了成本 。在害虫的防治领域将得到广泛的应用 。如图 2.6 是多源 LED捕虫灯具装置：如图 2.6 多源 LED捕虫灯具三、 太阳能捕虫灯系统的实现根据同地区的纬度、辐照量、温度、最长阴雨天数等环境因素的不同，可选择不同的太阳能组件。 本设计选择多晶硅太阳能组件 120Wp， 根据负载情况， 选择蓄电池容量 12V， 100Ah。捕虫部分我们采用 LED 景观捕虫灯装置。3.1 系统的核心处理综合太阳能捕虫灯系统的成本以及实现的功能等多方面因数考虑， 本设计选择单片机作为整个系统的核心处理部分，通过无线数传模块 KYL-610 实现远程数据传输， 利用单片机的强大控制功能， 将其应用于太阳能捕虫灯系统控制器中，能有效提高充放电功能，进而提高整个系统的性能。图 3.1 控制器硬件结构框图本设计采用 Silicon Lab 公司单片机 C8051F410 为控制核心，外围电路主要由电源与复位电路、 温度采样、 时钟电路模块、 无线通讯模块、 输出驱动控制、键盘显示模块、 太阳能电池板电压采集模块、 蓄电池电压电流采集模块组成。 太阳能捕虫灯控制器的硬件结构框图如图 3.1 所示。其中各模块作用如下 ：(1) 电源与复位电路模块： 提供系统 +3.3V 和＋ 12V 的电压。(2) 太阳能电池板电压采集模块：完成太阳能电池板电压的监测。(3) 蓄电池电压电流采集模块：完成蓄电池电压、电流的监测。(4) 键盘显示模块：完成 LED功率显示功能，确定系统的输出状态。(5) 温度采样模块：完成蓄电池温度监测并对充电实行自动的温度补偿功能。(6) 输出驱动模块：为功率 MOSFET 提供驱动以及保护功能。(7) 实时时钟模块：根据春、夏、秋、冬四个季节的变化，太阳能捕虫灯控制器自动调整 LED 灯的工作时间的长短。(8) 无线通讯模块：采用高灵敏度设计、低发射功率，实现无线数据传输。图 3.2 为太阳能电源模块结构示意框图。 太阳能电源模块中太阳能光伏电池、充放电控制单元和蓄电池依次相连，太阳能光伏电池与电压电流检测单元一相连，蓄电池与电压电流检测单元二相连，单片机与 LED 光源模块之间设有光强检测单元，通过对蓄电池的电压、电流检测，实现充放电控制，达到蓄电池的最佳充电效果。图 3.2 太阳能电源模块结构示意框图图 3.3 为恒流源模块结构示意框图。 DC/DC 恒流源模块中 DC/DC 变换器分别与滤波单元、 调光模块、 欠压过压过流保护单元相连， 电源经滤波单元滤波后通过 DC/DC 变换器实现满足 LED 捕虫灯模块需求的恒流输出；通过对 LED 捕虫灯模块的电压和电流的检测，实现过压、欠压、过流保护；感应模块上的光强检测单元通过检测光源的光强反馈给单片机， 单片机则通过调光模块实现调光控制，以达到预订的最佳光照效果，从而使捕虫效果最佳，同时保证 LED 路灯的安全和正常工作 [13] 。图 3.3 DC/DC 恒流源模块结构示意框图3.2 各模块设计3.2.1 充放电控制电路设计蓄电池的充、放电控制采用 PWM 充电方式， PWM 信号由单片机 C8051F410的可编程 16 位计数器 / 定时器阵列 PCA 模块产生。 PWM 信号根据系统电压、 电流、温度等检测结果，由软件控制 PWM 信号的占空比，进而达到充、放电的精确控制。3.2.2 硬件电路的保护功能设计(1) 安全的雷电保护当雨天出现雷电时，太阳能电池板两端的电压随着外部光强的增大而上升。非常有可能超出其本身的额定电压而造成太阳能电池板的损坏。在太阳能电池板两端并联 TVS，以防止雷击，保护各个组件的安全。(2) 蓄电池反充电保护当太阳能电池板电压小于蓄电池的电压时，电路中会出现蓄电池对太也能电池板反向充电的情况，一定要避免这一情况的发生。本设计的 LED 太阳能照明控制系统采用肖特基二极管 MBR1045 串联在充电回路中进行反充电保护。(3) 蓄电池反接保护设计当指示灯点亮时，表示蓄电池正常工作，当指示灯熄灭时，蓄电池没有连接，当指示灯快闪，蓄电池过放。本设计电路中采用二极管和保险丝一起对蓄电池进行反接保护。(4) LED开路保护采用的 LT3755 芯片具有 LED 开路保护功能。3.2.3 系统主程序太阳能捕虫灯控制器软件部分的设计是： 对太阳能电池板和蓄电池进行电压检测进行判断，如果满足放电条件，控制器就对蓄电池进行放电控制，点亮 LED 负载，并有相应的保护措施，防止过放，如果满足充电条件，控制器对蓄电池进行充电控制，并有相应的保护措施，防止过充，否则，就返回，继续对太阳能电池板和蓄电池进行电压检测。图 3.4 为系统主程序流程图。图 3.4 主程序流程图3.2.4 白天处理程序白天处理程序首先采样太阳能电池板电压，判断是否满足充电光照条件，然后采样蓄电池电压，判断是否需要充电。根据蓄电池电压的不同，调整 PWM 脉冲的占空比， 采用不同的充电策略。 若蓄电池电压大于等于 14.7V ， 则进行浮充充电； 若蓄电池电压小于等于 13.0V ， 则进行快充充电； 若蓄电池电压在 13.0V与 14.7V 之间，则进行 PWM 充电；否则，就返回重新判断。图为 3.5 充电子程序流程图。图 3.5 充电子程序流程图3.2.5 夜间处理程序夜间处理程序首先采样太阳能电池板电压，判断是否满足充电光照条件，然后采样蓄电池电压， 判断是否需要放电。 若蓄电池电压大于等于 10.8V ， 则就进入过放保护，并返回。若蓄电池电压小于 10.8V ，则进行放电。 LED 点亮有四种方式，分别为 LED 全功率点亮， LED 四分之三功率点亮， LED 半功率点亮以及LED 四分之一功率点亮。图 3.6 为放电子程序流程图。3.6 放电子程序流程图四、 总结在对太阳能捕虫灯系统深入研究的基础上， 设计了一款太阳能捕虫灯控制器。 研究的太阳能捕虫灯控制器是以 C8051F410 单片机为核心，实现对蓄电池和太阳能电池的检测以及对蓄电池的充、放电控制。太阳能捕虫灯控制器对输出 LED 光源进行了恒流控制，电路简单，功耗低，便于维护。通过太阳能电池与捕虫 LED相结合，在实现 对害虫的高效、选择性诱杀的同时，也保护了环境。真正实现了绿色无污染。参考文献[1] 黄鸿年 .LED 在绿色照明工程中的光伏应用 [J]. 民营科技 ,2009(3):18. 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