太陽能LED路燈設(shè)計(jì)

1、摘 要本設(shè)計(jì)主要闡述了太陽能光伏照明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及作用，隨著全球資源日益枯竭，太陽能利用越來越受人們重視。太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，作為一種巨大的可再生能源，可以說是用之不竭，取之不盡的。近年來，我國光電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢(shì)，已形成專業(yè)化、規(guī)模化的光電產(chǎn)業(yè)鏈條。國家支持開展光電建筑應(yīng)用示范，實(shí)施“太陽能屋頂計(jì)劃”，對(duì)于太陽能利用實(shí)施財(cái)政扶植政策。太陽能光伏電站、太陽能路燈等光電利用項(xiàng)目，產(chǎn)品在全國以較快速度建成、投產(chǎn)，光電產(chǎn)品在實(shí)際中得以應(yīng)用。 本設(shè)計(jì)以南昌某小區(qū)照明要求為例，結(jié)合當(dāng)?shù)厝照召Y源數(shù)據(jù)，根據(jù)小區(qū)照明要求，詳細(xì)的計(jì)算出小區(qū)照明所需要的材料及其方案計(jì)算過程。小區(qū)照明使用

2、太陽能組件提供電源，該電源具有清潔，免維護(hù)，智能開關(guān)等優(yōu)點(diǎn)，方便小區(qū)照明使用?！娟P(guān)鍵詞】 光伏，控制器，蓄電池 AbstractMainly on the design of solar photovoltaic lighting system structure and function, as growing global resources dried up, solar energy use more and more people pay attention to. Solar energy is the most universal and most most directly o

3、n the planet clean energy, renewable energy as a huge, can be said to be an inexhaustible, inexhaustible. In recent years, the optoelectronics industry rapid growth in China, has become a specialized, large-scale photoelectric industrial chain. Photoelectric application building model supported coun

4、tries, the implementation of solar roofs plan , with fiscal support policies for solar energy. Solar photovoltaic power plants, solar photovoltaic projects, products at faster speeds in the country built, production, optical product is applied in practice.A lighting requirements in the community as

5、an example of this design to Nanchang, the local solar resource data, according to the lighting requirements in the community, calculated in detail calculation of needed materials and lighting system in the community.Community lighting using solar power, the power supply has a clean, maintenance-fre

6、e, intelligent switches and other advantages, easy lighting used in the community.【Keywords】PV ， Controller ， Battery目錄緒言1第一章 設(shè)計(jì)原則2第二章 設(shè)計(jì)方法32.1確定太陽能電池組件最佳電流32.2蓄電池容量的確定42.3確定太陽能電池組件上的工作電壓42.4確定太陽能電池組件功率4第三章 設(shè)計(jì)依據(jù)53.1主要指標(biāo)53.2 計(jì)算參數(shù)結(jié)果5第四章 太陽能路燈的構(gòu)成及技術(shù)性能 74.1 太陽能路燈的構(gòu)成 74.2 太陽能LED應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn) 7第五章 太陽能路燈的組成 95.1太

7、陽能電池板 95.2光源 95.3 能控制器 9致謝 11參考文獻(xiàn)12緒言面對(duì)人類的可持續(xù)發(fā)展，從現(xiàn)有常規(guī)能源向清潔、可再生的新能源過渡已提到議事上來了。因?yàn)樾履茉词且劳懈咝录夹g(shù)的發(fā)展，開辟持久可再生能源的道路，以滿足人類不斷增長的能源需求，并保護(hù)地球的潔凈。利用太陽能發(fā)電，既不需要燃料，也沒有煙塵和灰渣，不污染環(huán)境，非常清潔。特別是太陽能電池組件，使用壽命可達(dá)20年以上，性能穩(wěn)定，同時(shí)維護(hù)費(fèi)用較低。太陽能道路照明燈不需要架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜，不用專人管理和控制，可安裝在廣場、停車場、高爾夫球場、校園、公園、街道和高速公路等任何地方。本文是南昌理工學(xué)院設(shè)計(jì)的兩款太陽能路燈主要內(nèi)容和結(jié)果。

8、第一章 設(shè)計(jì)原則太陽能發(fā)電路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總原則：在保證滿足負(fù)載供電需要的前提下，確定使用的太陽能電池組件功率和蓄電池組件容量最小以盡量減少初始投資。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中做出的每個(gè)決定都會(huì)影響造價(jià)。由于不適當(dāng)?shù)倪x擇，可使系統(tǒng)的投資成倍地增加，卻不一定滿足使用要求。設(shè)計(jì)計(jì)算的基本數(shù)據(jù)主要有現(xiàn)場地理位置和安裝地點(diǎn)的氣象資料?，F(xiàn)場地理位置資料包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔高度等。安裝地點(diǎn)的氣象資料包括逐月的太陽能總輻劓量、直接輻射量及散輻射量，年平均氣溫，年最高、最低氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)撮大風(fēng)速以及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無法做出長期預(yù)測(cè)，只能以過去1020 a的平均

9、值作為依據(jù)。采取目前國際流行的“全年均衡，冬半年最大”的接收太陽能輻射量的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理。根據(jù)蓄電池組件均衡充電的要求，以夏半年和冬半年在組件面上的日輻射量相等，還要使組件上冬半年的日輻射量盡量達(dá)到最大值，從而提高組件在太陽輻射強(qiáng)度較弱月份的發(fā)電量為原則，束確定太陽能電池組件面的最佳傾角及其最佳發(fā)電電流值：統(tǒng)計(jì)出全年的累計(jì)最大連續(xù)虧欠電量結(jié)合蓄電池組件適當(dāng)?shù)姆烹娚疃却_定光伏組件和蓄電池組件容量的合理搭配。第二章 設(shè)計(jì)方法首先根據(jù)各向異性的天空輻射模型, 計(jì)算出在緯度為處, 傾角為的斜面上的太陽輻射量HT。在實(shí)際應(yīng)用時(shí), 可在( - 20) ( +30) 分別算出夏半年和冬半年的平均日輻射量H

10、1 和H2, 然后根據(jù)前述原則, 確定當(dāng)?shù)氐淖罴褍A角及各月平均日輻射量2.1確定太陽能電池組件最佳電流太陽能電池組件應(yīng)輸出的最小電流2Imin=L/( Tm123) ( 2)式中: L 為負(fù)載每天的總耗電量;1 為蓄電池組件充電效率, 1 =0.800.90; 2 為太陽能電池組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù), 通常2=0.90.95 3; 3 為太陽能電池組件組合損失和對(duì)最大功率點(diǎn)偏離的修正系數(shù), 通常3=0.90.95。由太陽能電池組件面上各月中最小的太陽能總輻射量HTmin 可算出各月中最小的峰值時(shí)數(shù)Tmin,則太陽能電池組件應(yīng)輸出的最大電流4:Imax=L/( Tmin123)

11、 ( 3)太陽能電池組件的最佳電流值介于Imin 和Imax之間, 具體數(shù)值可用試驗(yàn)方法確定: 先選定一個(gè)電流值IA, 按月求出太陽能電池組件的輸出發(fā)電量,對(duì)蓄電池組件全年的荷電狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。太陽能電池組件輸出發(fā)電量可根據(jù)下式計(jì)算:EA=IANHT123/100 ( 4)式中: EA 為光伏組件輸出的電量, mW/cm2; N 為當(dāng)月天數(shù)。各月負(fù)載耗電量為EL=NL ( 5)式( 4) 與式( 5) 相減, 即E=EA- EL, 若E 為正, 表示該月太陽能電池組件發(fā)電量大于用電量,能給蓄電池組件充電; 若E 為負(fù), 表示該月太陽能電池組件發(fā)電量小于耗電量, 要用蓄電池組件貯存的電能來補(bǔ)充,

12、蓄電池組件處于虧損狀態(tài)。如果蓄電池組件全年荷電狀態(tài)低于原定的放電深度( 一般0.5) , 則應(yīng)增加太陽能電池組件輸出電流; 如果荷電狀態(tài)始終大大高于放電深度允許值,則可減少太陽能電池組件輸出電流。當(dāng)然, 也可以增加或減少蓄電池組件容量。2.2蓄電池容量的確定列表算出全年各月Ei 的數(shù)值, 并算出全年中E 連續(xù)為負(fù)值( 即連續(xù)虧欠量) 的累積值Ei。如果全年只有一個(gè)連續(xù)虧欠期, 它就是累積虧欠量之和。對(duì)北半球來說, 由于歲末年初是冬季, 在計(jì)算累積虧欠量時(shí)應(yīng)取兩年進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。如果全年有幾個(gè)不連續(xù)的虧欠期, 即在連續(xù)兩個(gè)虧欠期之間有Ei 為正的盈余量, 則應(yīng)扣除此盈余量。最后求出累積虧欠量Ei,

13、 這樣即可確定蓄電池組件的容量:C=Ei /DOD ( 6)式中: DOD為放電深度, 對(duì)鉛酸蓄電池組件DOD最大可達(dá)75%80%, 考慮蓄電池組件的壽命等影響因素, DOD 取60%70%為宜5。蓄電池組件容量與負(fù)載日耗電量相除,:n=C/L ( 7)即可得到蓄電池組件的儲(chǔ)備天數(shù)。通常取n=411 d 即可, 如得出的n 太大, 則適當(dāng)增加所取太陽能電池組件的工作電流, 重新進(jìn)行計(jì)算; 如n 過小, 則適當(dāng)減小太陽能電池組件的工作電流, 直到n 處于411 d 為止。2.3確定太陽能電池組件上的工作電壓太陽能電池組件的輸出工作電壓應(yīng)足夠大,以保證全年能有效地對(duì)蓄電池組件充電。因此, 太陽能電

14、池組件在任何季節(jié)的工作電壓須滿足UA=Uf +Ud +Ui ( 8)式中: Uf 為蓄電池組件浮充電壓; Ud 為因阻塞二極管和線路直流損耗引起的壓降; Ui 為因溫度升高引起的壓降。眾所周知, 廠商出售的太陽能電池組件所標(biāo)出的標(biāo)稱工作電壓和輸出功率最大值,都是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)試的結(jié)果。由太陽能電池組件的溫度特性曲線可知, 當(dāng)溫度升高時(shí), 其工作電壓有較明顯的下降, 可用式( 9) 計(jì)算因溫度升高而引起的壓降Ui。Ui=a( tmax- 25)Ua ( 9)式中: a 是太陽能電池組件的溫度系數(shù), 對(duì)單晶硅和多晶硅電池組件來說, a=0.005, 對(duì)非晶硅電池組件來說, a=0.003; tma

15、x 為太陽能電池組件的最高工作溫度, tmax 為4560 ; Ua 為太陽能電池組件的標(biāo)稱工作電壓。2.4確定太陽能電池組件功率太陽能電池組件板的功率:PA=IAUAK/!1- a( tmax- 25) ( 10)式中: a, tmax 取值與式( 9) 中相同; K 為考慮一些未知工作因素而引入的安全系數(shù), 可根據(jù)電壓等級(jí),數(shù)據(jù)準(zhǔn)確程度, 運(yùn)行環(huán)境等, 選取K=1.051.308。這樣, 只要根據(jù)算出的蓄電池組件容量, 太陽電池組件的電流、電壓及功率, 參照廠商提供的蓄電池組件和太陽能電池組件性能參數(shù), 就可以選取合適的組件型號(hào)和規(guī)格了。第三章 設(shè)計(jì)依據(jù)3.1主要指標(biāo)組件采用保定英利新能源

16、有限公司生產(chǎn)的多晶硅太陽能電池組件，設(shè)計(jì)使用壽命不小于25a，轉(zhuǎn)換效率達(dá)到14%，功率損失不大于10%。 蓄電池組件采用深圳懷宇昌電池組件有限公司生產(chǎn)的閥控式密封鉛酸蓄電池組件，其容量設(shè)計(jì)能滿足工作地最大的連續(xù)陰雨天負(fù)載的正常供電要求。負(fù)載每天耗電量0.0840.168kwh。太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、DLED光源。低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，但使用壽命2000小時(shí)，電壓低燈管發(fā)黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高，但需逆變器，低壓鈉燈價(jià)格貴，整個(gè)系統(tǒng)造高，采用較少。無極燈：功率小，光效較

17、高。該燈在220V普通市電條件下使用，壽命可以達(dá)到5萬小時(shí)，在太陽能燈具上使用壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不多。LED：LED燈光源，壽命長，可達(dá)1000000小時(shí)，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高，國產(chǎn)50Lm/w，進(jìn)口80Lm/w。隨著技術(shù)進(jìn)步，LED的性能將進(jìn)一步提高。筆者認(rèn)為LED作為太陽能路燈的光源將是一種趨勢(shì)。3.2 計(jì)算參數(shù)結(jié)果首先根據(jù)各向異性的天空輻射模型，計(jì)算出在緯度為處，傾角為的斜面上的太陽輻射量Hto在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可在（-20）（+30）分別算出夏半年和冬半年的平均日輻射量H1和H2然后根據(jù)前述原則，確定當(dāng)?shù)氐淖罴褍A角及各月平均日輻射量。平均峰值日照時(shí)數(shù)Tm求出全年平均日

18、太陽輻射量除以標(biāo)準(zhǔn)日太陽輻射照度，即可求出平均峰值日照時(shí)數(shù)確定太陽能電池組件最佳電流 太陽能電池組件應(yīng)輸出的最小電流： Imin=L/(Tm123) L負(fù)載每天的總耗電量1蓄電池組件充電效率，1=0.80.92太陽能電池組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數(shù)，通常2=0.90.953太陽能電池組件組合損失和對(duì)最大功率點(diǎn)偏離的修正系數(shù)，通常3=0.90.95 由太陽能電池組件面上各月中最小的太陽能總輻射量可算出各月中最小的峰值時(shí)數(shù)，則太陽能電池組件應(yīng)輸出的最大電流： Lmax=L/(Tmin123)太陽能電池組件的最佳電流值介于Lmax和Tmin之間，具體數(shù)值可用驗(yàn)方法確定，先選定一個(gè)電流值I

19、a按月求出太陽能電池組件的輸出發(fā)電量，對(duì)蓄電池組件全年的荷電狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。太陽能電池組件輸出發(fā)電量可根據(jù)下式計(jì)算： Ea=IaNHt123/100式中 Ea光伏組件輸出的電量 N當(dāng)月天數(shù)各月負(fù)載耗電量為 El=NLE=Ea-El E為正，表示該月太陽能電池組件發(fā)電量大于用電量，能給蓄電池組件充電；若為負(fù)，表示該月太陽能電池組件發(fā)電量小于耗電量，要用蓄電池組件儲(chǔ)存的電能來補(bǔ)充，蓄電池組件處于虧損狀態(tài)，如果蓄電池組件全年荷電狀態(tài)低于原定的放電深度，則應(yīng)增加太陽能電池組件輸出電流，如果荷電狀態(tài)始終高于放電深層允許值，則可減少太陽能電池組件輸出電流。也可以增加或減少蓄電池組件容量。 對(duì)北半球來說，由于

20、歲末年初是冬季，在計(jì)算累積虧欠量時(shí)應(yīng)取兩年進(jìn)行連續(xù)計(jì)算。如果全年有幾個(gè)不連續(xù)的虧欠期，即在連續(xù)兩個(gè)虧欠期之間有E1為正的盈余量，則應(yīng)扣除此盈余量。最后求出累積虧欠量E2這樣即可確定蓄電池組件的容量： C=E1/DOD式中：DOD為放電深度，對(duì)鉛酸蓄電池組件DOD最大可達(dá)75%80%，考慮蓄電池組件的壽命等影響因素，DOD取60%70%為宜。蓄電池組件容量與負(fù)載日耗電量相除，即可得到蓄電池組件的儲(chǔ)備天數(shù)。 n=C/L 通常取n=411天即可。 太陽能電池組件的輸出工作電壓應(yīng)足夠大，以保證全年能有效地對(duì)蓄電池組件充電。因此，太陽能電池組件在任何季節(jié)的工作電壓必須滿足 Ua=Uf+Ud+Ui式中：U

21、f蓄電池組件浮充電壓； Ud因阻塞二極管和線路直流損耗引起的壓峰； Ui因溫度升高引起的壓降 太陽能電池組件板的功率PaPa=IaUaK/1-a(tmax-25)式中：K為考慮一些未知工作因素引起的安全系數(shù)，可根據(jù)電壓等級(jí)，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備程度，運(yùn)行環(huán)境等，選取K=1.051.30，這樣，只要根據(jù)算出的蓄電池組件容量，太陽電池組件的電流、電壓及功率，參照廠商提供的蓄電池組件和太陽能電池組件性能參數(shù)，就可以選取合適的組件型號(hào)和規(guī)格了。經(jīng)計(jì)算，平均每天實(shí)際日照時(shí)數(shù)為7小時(shí)。組件上平均峰值日照時(shí)數(shù)為4.56小時(shí)，最小的峰值日照時(shí)數(shù)為3.68小時(shí)。太陽電池最佳傾角為51度。第四章 太陽能路燈的構(gòu)成及優(yōu)點(diǎn)4.1

22、太陽能路燈的構(gòu)成太陽能路燈工作原理如圖1所示。路燈接線圖如圖2所示 太陽能路燈相當(dāng)于非并網(wǎng)的小型獨(dú)立電站，采取免維護(hù)密封鉛酸蓄電池組件儲(chǔ)能。 太陽能路燈系統(tǒng)由太陽電池組件、蓄電池組件組、智能控制器、高效節(jié)能直流燈、燈架、安裝材料等組成。系統(tǒng)的工作原理：在智能控制器的控制下，太陽電池組件白天向蓄電池組件充電，晚上蓄電池組件給直流燈負(fù)載提供電力。直流控制器能夠在任何條件下，陽光充足或長期陰雨天都能夠確保蓄電池組不因過充或過放而被損壞，還具備光控、時(shí)控、聲控、溫度補(bǔ)償及防雷、反極性保護(hù)等功能。本控制器采用先進(jìn)的無觸點(diǎn)控制技術(shù)，具有先進(jìn)的光控功能，晚上自動(dòng)點(diǎn)亮，白天關(guān)燈，也可以定時(shí)關(guān)燈，而且具有夜間自

23、動(dòng)切換負(fù)載的功能，特別適合路燈和光伏電源控制，并且具有多種保護(hù)功能。控制器負(fù)責(zé)監(jiān)視電池組件的充電狀態(tài)，管理充電過程中負(fù)載的開關(guān)，使電池組件能量得到充分地利用，并延長使用壽命。系統(tǒng)的保護(hù)措施：控制器限制電池組件充電電壓，防止過充；防止電流過大、溫度過高；控制器可以自動(dòng)開關(guān)負(fù)載或組件，在過電壓的情況下，關(guān)閉負(fù)載；控制器會(huì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)電壓，LED指示燈顯示工作過程中的所有重要情況。4.2太陽能LED應(yīng)用中的優(yōu)點(diǎn)LED的光源結(jié)構(gòu)輕質(zhì)（環(huán)氧樹脂封裝），體積小巧，能適應(yīng)多種幾何尺寸和不同的空間大小，屬于固體光源，不充氣，不存在氣體密封問題，不需要玻璃外殼，耐沖擊，耐震動(dòng)，不易破碎，決定了它的燈具強(qiáng)度和剛度

24、比其他電光源的要求低。而且，LED是冷光源，可控性好，響應(yīng)時(shí)間快，可反復(fù)頻繁亮滅，不會(huì)疲倦。LED照明具有巨大的節(jié)能作用，單只LED的功率只有0.03-0.06W,且驅(qū)動(dòng)電壓低（1.5-3.5V），電流?。?5-18mA），在形成同等照明效果的情況下，耗電量只有白熾燈的八分之一，熒光燈的二分之一。可見用LED光源代替普通燈和熒光燈用于耗電量巨大的景觀照明，其節(jié)能效果是非常明顯的，具有很強(qiáng)的市場競爭力。而且LED光源壽命是白熾燈的100倍、熒光燈的20-30倍，免去了頻繁維修之苦，加上它豐富的色彩和良好的可控性，用于城市景觀照明是再好不過的了?，F(xiàn)在，LED正以50%的增長速度取代傳統(tǒng)光源，將引發(fā)

25、人類照明史上的第四次革命，極大地改善人類的生存環(huán)境，緩解全球日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。LED光源色彩純正、豐富，可演變?nèi)我馍?，勝過了彩色金鹵燈，其裝飾性無與倫比。LED光源的精巧，使它的柔性化很好，可形成多種點(diǎn)、線、面、球等形狀。根據(jù)景觀照明裝飾美化的目的，LED光源通過微機(jī)智能化控制技術(shù)，其變化可做成適合點(diǎn)、線、面、球及其他形式，其中包括：閃變（閃爍）控制，適合形成“點(diǎn)、線”;漸變（柔變）控制，適合形成“面”;動(dòng)變（跳躍）控制，適合形成圖案的縱向、橫向動(dòng)感變化。以上三種變化亦可形成球體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此外還能做到單燈控制和群燈控制。第五章 太陽能路燈的組成5.1太陽能電池板太陽能電池板是太陽能路燈中

26、的核心部分，也是太陽能路燈中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來。在眾多太陽光電池中較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池等三種。在太陽光充足日照好的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽能電池為好，因?yàn)槎嗑Ч杼柲茈姵厣a(chǎn)工藝相對(duì)簡單，價(jià)格比單晶低。在陰雨天比較多、陽光相對(duì)不是很充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽能電池為好，因?yàn)閱尉Ч杼柲茈姵匦阅軈?shù)比較穩(wěn)定。非晶硅太陽能電池在室外陽光不足的情況下比較好，因?yàn)榉蔷Ч杼柲茈姵貙?duì)太陽光照條件要求比較低。5.2 光源太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標(biāo)，一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、DLED光源。低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，但使用壽命2000小