毕业论文-浅析太阳能在照明中的应用.doc

四川信息职业技术学院毕业论文论文题目: 浅析太阳能在照明中的应用 专 业: 应用电子技术 班 级: 应电07-2班 学 号: 姓 名: 指导教师: 二00九年 月 日四川信息职业技术学院毕业论文任务书学 生姓 名应电07-2班专业应用电子技术论文题目浅析太阳能在照明中的应用指导教师姓名职 称工作单位及所从事专业联系方式备 注论文内容：1太阳能光伏技术2太阳能照明方案3太阳能照明设备4太阳能照明成本分析5太阳能照明存在的问进度安排：要有较为详细的时间安排（时间具体到周）；第3-5周：资料收集；第6-7周：论文结构；第8-11周：论文初稿；第12-14周：论文定稿；第15-16周：论文答辩。主要参考文献、资料：1 陈维，沈辉，丁孔贤，邓幼俊太阳能LED路灯照明系统优化设计中山大学学报自然科学版，2005年2 陈维户用光伏建筑一体化发电系统及太阳能半导体照明技术研究中国科学技术大学，2006年3 田海元景观照明设计的光构成方法研究南京航空航天大学，2007年4 王炳忠，张富国，李立贤我国的太阳能资源及其计算太阳能学报，1980年5 汪进进光伏并网控制方法和系统的研究合肥工业大学，2002年6 林珊太阳能发电系统研究广东工业大学，1999年审批意见教研室负责人：年 月 日备注：任务书由指导教师填写，一式二份。其中学生一份，指导教师一份。 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)目 录摘 要1第1章 绪 论21.1 太阳能概述21.2 太阳能照明主要内容及论文研究的目的和意义2第2章 太阳能光伏技术42.1 太阳能电池42.2 蓄电池42.3 控制器42.4 DC-AC变换器5第3章 太阳能照明方案63.1 城市照明方案63.2 建筑物楼道照明方案63.3 “光伏-建筑照明一体化”方案7第4章 太阳能照明设备84.1 太阳能照明灯具84.2 太阳能照明成本84.3 太阳能照明的发展趋势9第5章 太阳能照明存在的问题105.1 光伏照明应用问题分析105.1.1 光源问题105.1.2 蓄电池问题105.1.3 控制器问题105.1.4 系统配置问题115.2 太阳能光伏系统的效率115.3 太阳能储能元件115.4 太阳能产品的质量11结 论12致 谢13参 考 文 献14II 四川信息职业技术学院毕业设计说明书(论文)摘 要本次论文主要阐述了太阳能在照明中的应用。其中，简述了太阳能光伏技术的原理与系统构成，介绍了太阳能照明在生活中的应用方案，及太阳能目前的照明设备在现实生活中的应用介绍。最后，论文也对太阳能光伏技术的成本做简要分析以及目前太阳能照明存在的问题讨论。目前太阳能应用技术已取得较大突破，并且已较为成熟地应用于建筑楼道照明、城市道路照明、太阳能热水供应及采暖等系统。尤其是太阳能光伏技术的发展，给太阳能在照明中的应用带来了更加广阔的前景。关键词 太阳能；光伏技术；照明；应用第1页第1章 绪 论1.1 太阳能概述太阳能是“取之不尽，用之不竭”的，无污染的可再生能源，每天送到地球表面的辐射能大约相当于2.5亿万桶石油。在很长一段时间内，太阳能都白白地从人们身边“溜走”了。随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有发展前景的环保能源之一。目前，太阳能的利用方式主要有两种。1通过太阳能电池将太阳能转化为电能用于发电，即光伏发电，如太阳能照明、太阳能发电站等。2通过集热器把太阳能转换为热能加以利用，例如太阳能热水器、太阳灶等。其中，太阳能照明是利用太阳能最重要的途径之一，也是我们主要关注和研究的对象。在室外照明中，太阳能照明的发展势头强劲。太阳能路灯（非主干道）、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能交通信号灯、太阳能广告灯等已不鲜见，均成为绿色照明中的亮点。太阳能照明最显著的优点是节能、经济、环保，无需由传统的公共电力系统获取电能，节省了变配电设备、缆线、开关等的投资，基本没有运行费用。太阳能转化为电能，避免了煤、油、核等发电导致的大气和环境污染。在当今技术条件下，太阳能照明尤其适合应用于供电距离较远或不易供电的地方。太阳能照明原理：太阳能电池板把太阳能转化为电能，经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电。充电到一定程度时，控制器内的自保系统动作，切断充电电源。晚间，太阳能电池板充当了光电控制器，启动控制器，蓄电池给照明灯供电，点燃照明灯；凌晨，太阳能电池板又充当了光电控制器，启动控制器，切断照明灯电源，重新开始进行转化太阳能为电能的工作。在太阳能灯燃亮时，还能够根据设置进行调光。1.2 太阳能照明主要内容及论文研究的目的和意义本次论文主要研究了太阳能照明的原理应用的知识。主要包括太阳能光伏技术的主要内容，太阳能照明方案及太阳能照明设备和太阳能照明存在的问题。太阳能利用技术与市场的发展，对缓和越演越烈的一次性能源的危机、减少环境污染，必然产生积极的社会影响。太阳能利用率的提高，如能真正实现满意的经济效益，将会如虎添翼，贡献巨大。在室内外照明工程中，降低“综合照明成本”，提高太阳能利用的经济效益与照明面积和LED光源的耐用年限成正比，而且如果是集中的太阳能发电还可运用“可再生能源法”与电网联网出售多余电能，更可优化经济效益。太阳能照明对园林景区、道路、广场等较分散场所意义重大，太阳能利用的室外照明，为了降低“综合照明成本”，照明面积越大越有利，因为与室内照明相比还可节省大笔电缆投资，同时也对一体化太阳能灯具的性能和质量要求更高，耐用年限要求更严，涉及到一系列综合技术的改进。也预示着太阳能技术的良好前景和发展前途。第14页第2章 太阳能光伏技术太阳能光伏技术是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的技术。太阳能光伏系统主要包括：太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、照明负载等。当照明负载为直流时，则不用逆变器。2.1 太阳能电池太阳能电池组件是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置。太阳能照明灯具中使用的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池并联构成的，因为受目前技术和材料的限制，单一电池的发电量十分有限。常用的单一电池是一只硅晶体二极管，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，形成内建静电场。从理论上讲，此时，若在内建电场的两侧面引出电极并接上适当负载，就会形成电流。近年来，非晶硅太阳电池的研制也取得了更大的进展，由于其具有生产成本较低、工艺简单、节省原料等优势，将在未来光伏技术中占有重要地位。太阳能电池的输出功率是随机的，在不同时间，不同地点，同一块太阳能电池的输出功率是不同的。太阳能电池的峰值功率Pm由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷决定。2.2 蓄电池由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，达到一定阈值，才能供应照明负载。蓄电池的特性直接影响系统的工作效率、可靠性和价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：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，同时还要能够存储预定的连续阴雨天夜晚照明需要的电能。2.3 控制器控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池安全可靠地工作，以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。通过控制器对充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，还应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。由于太阳能电池的输出能量极不稳定，对于太阳能灯具的设计来说，充放电控制电路的质量至关重要。2.4 DC-AC变换器逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电变换成交流电。采用逆变电路，经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载额定频率、额定电压匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。逆变器也应具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。第3章 太阳能照明方案太阳能光伏技术的应用不仅在边远地区和暂时缺电地区具有十分重要的地位，在其它地区也已迅速普及，已经应用在交通、建筑、农林等各个行业中。尤其在照明工程中，更是异彩纷呈。3.1 城市照明方案目前太阳能光伏技术在城市照明中的应用也已起步，并以快速发展的势头逐步普及应用。学校、公园、住宅小区、别墅等场所的指示牌、警示牌、草坪灯、路灯等均可采用太阳能光伏照明技术，使公共照明更方便、安全、环保、节能。太阳能照明的工作原理是：由太阳能电池板作为发电系统，让电池板电源经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电，当蓄电池电源达到一定程度时，控制系统内设的自动保护系统动作，电池板自动切断电源，实行自动保护。到晚上，太阳能电池板又起到了光控作用，给控制系统发出指令，此时控制系统自动开启，输出电压，使各式灯具达到设计的照明效果。并可调节所需的照明时间。太阳能照明技术具有一次性投资、无长期运行费用、安装方便、免维护、使用寿命长等特点，不会对原有植被、环境造成破坏，同时也降低了各项费用，节约能源，可谓“一举多得”。3.2 建筑物楼道照明方案太阳能走廊灯由太阳能电池板供电。整栋建筑采用整体布局、分体安装、集中供电方式。太阳能安装在天台或屋面，用专用导线（可预留）传送到每层走道和楼梯口。系统采用声、光感应，延时控制。白天系统充电、夜间自动转换开启装置，当探测到有人走动信息后，自动启动亮灯装置，并延时3-5分钟后自行关闭。当楼内发生突发事故如火灾、地震等切断电源或区域停电时，仍可连续供电3-5小时，可以作为应急灯使用，在降低各项费用的同时体现了人性化的设计理念。此种产品还可用在小区的楼号牌、单元门牌等部位，为夜归人及来访的客人提供方便。3.3 “光伏-建筑照明一体化”方案目前已成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面（顶）、墙壁及门窗等，实现了“光伏-建筑照明一体化（BIPV）”。本系统的工作原理是：由多片单晶硅太阳能光电池组合而成的电池板，经过太阳光的照射之后产生光电效应而发出直流电，再由系统中的电源转换器将直流电转换成一般电器所需的交流电，经由配电系统供照明、空调等系统使用，以及蓄电池储存电力，尚可提供防灾紧急用电需求。建筑物的墙面和屋顶的PV组件的造型、色彩、建筑风格与建筑物结合，与周围的自然环境整合，以期达到完美的协调。国内某铝板幕墙制造公司研制成功一种“太阳房”，把发电、节能、环保、增值融于一房，成功地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太阳能建筑系统（SPBS），已通过专家论证。这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。第4章 太阳能照明设备太阳能照明设备主要由照明灯具、光源和控制系统组成。4.1 太阳能照明灯具太阳能照明灯具主要有太阳能草坪灯、庭院灯、景观灯和高杆灯等。这些灯具以太阳光为能源，白天充电，晚上使用，无需进行复杂昂贵的管线铺设，而且可以任意调整灯具的布局。其光源一般采用LED或直流节能灯，使用寿命较长，又为冷光源，对植物生长无害。太阳能灯具是一个自动控制的工作系统，只要设定该系统的工作模式就能自动工作。控制模式一般分为光控方式和计时控制方式，一般采用光控或者光控与计时组合工作方式。在光照强度低于设定值时控制器启动灯点亮，同时进行计时开始。当计时到设定时间时就停止工作。充电及开关过程可以由微电脑智能控制，自动开关，无需人工操作，工作稳定可靠，节省电费，免维护。太阳能路灯采用高效单晶（多晶）硅太阳能电池供电,采用免维护密封型蓄电池贮存电能,用高效节能灯照明,并采用先进的充放电和照明控制电路,具有性质可靠、发光效率高、亮度大、安装方便、无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光敏控制、安全可靠、节能、经济、环保，实用（根据配置和型号不同,充电一天可用3-7天）寿命长（太阳能池可用15-20年、蓄电池可用5-7年）,是未来户外照明的发展方向和照明灯具中的一枝新秀。4.2 太阳能照明成本近年来我国太阳能电池的生产能力猛增，其产品价格也由“七五”初期的80元/瓦，下降到目前的40元/瓦以下。使得推广使用太阳能光伏应用产品的价格瓶颈得到基本解决，不再因太阳能光伏产品的高价而制约其产品的推广，使可望不可及变为迅速普及。预计到本世纪二三十年代,太阳能发电成本有可能降低到常规电价的水平。采用太阳能灯光亮化工程，每年可节省大量的资金，既亮化了城市，又生态地发展了城市，并充分地利用了能源，是目前世界上最合理的发展方向。以20层高层住宅的太阳能楼梯走道灯为例：一次性成本每平方米约为10差无几，太阳能照明寿命更长，还节省了电费。再以太阳能庭院灯为例：每盏3000-4000元，比普通庭院灯大约贵一倍，但是如算上电气管线、配电设施的投资再加上3-5年的电费和日常维护费，其成本也基本相当。4.3 太阳能照明的发展趋势1提升电池板的光电转换率；2加大系统容量，满足大功率室外照明灯的要求；3降低成本。目前，一套太阳能照明灯（全套）是普通照明灯（全套）的几倍，影响了太阳能照明的推广使用；4延长蓄电池等器件的寿命，从而延长太阳能照明系统的寿命；5减小电池板、蓄电池等的体积，美化杆型；6逐步淘汰严重污染的铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池等，加快开发研制无污染蓄电池，实现真正意义的环保；7太阳能照明在经过技术进步和降低价格后，将成为新世纪的主导光源之一。第5章 太阳能照明存在的问题5.1 光伏照明应用问题分析太阳能发电用于照明近几年取得了飞速的发展，尤其作为应用代表的太阳能路灯，随着北京新农村项目的推广应用，已经安装太阳能路灯近10万盏，取得了可喜的成绩，同时很多省份比如：山东、河南、河北、江苏等地也制定了相应的措施，鼓励地方可再生能源的发展和推广等。但也带来了一定的问题：5.1.1 光源问题灯光源反映的问题主要是产品的可靠性问题和光效问题，有些光源使用不到一个月就已经损坏，尽管更换的费用不高，但是直接影响了照明的效果。同时有些厂家的标称功率和实际功率相差太大（有时能相差一倍还要多），光效很差，甚至达不到30Lm/W；LED的使用情况较好，只是LED的成本比较高（即使是普通厂的价格在20元/瓦），2007年北京新农村推广的LED灯到现在使用近两年的时间，部分LED灯具由于光衰亮度降低，但仍可正常使用。鉴于此，随着科学技术的发展，和对LED光源的进一步研究，降低光衰，降低成本的情况下，LED在照明中的应用必将更加广泛。5.1.2 蓄电池问题蓄电池作为光伏照明贮能部件，也起着非常重要的作用。有些厂家选择侧重便宜的蓄电池，不注重产品质量，甚至与系统的要求都不能匹配，影响了蓄电池的使用;同时蓄电池工作环境的要求较高，如果由于环境原因造成了蓄电池浸水，就会造成蓄电池的短路而烧坏;另外蓄电池的防盗也是一个非常严重的问题，光伏系统很多都是无人看守，蓄电池的安装如果不合适，很容易造成蓄电池别人盗走。5.1.3 控制器问题系统需要的控制器是要严格筛选的，控制器是光伏照明系统的“大脑”，它是系统的充放电管理核心。首先一定要与系统相匹配，选择的型号不合适，控制器就不会正常工作。对控制器的总体要求是充电效率要高，同时具有对蓄电池的保护要求。5.1.4 系统配置问题系统的配置需要合理的计算，根据不同的光源、地理位置和用户需求进行科学合理的设计计算，才能做出配置合理的系统。而目前由于太阳能照明行业尚不规范，而真正的用户对光伏系统又了解甚少，在竞争日益激烈的情况下，有些系统供应商或者工程商为求得更大的利益空间，用降低配置的方式降低成本，欺骗用户，从而取得更大的利润。降低了配置的系统不仅仅不能满足客户照明的需求，而且因为配置不合理，运行过程中经常会导致系统配件的非自然损坏，给用户带来不必要的麻烦。5.2 太阳能光伏系统的效率太阳能光伏系统的总效率由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。目前，太阳能电池的转换率只有17%左右，而控制器、蓄电池、逆变器的效率均远高于此，如逆变器的效率已达95%以上。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。5.3 太阳能储能元件太阳能电池的使用寿命在25年以上，普通蓄电池的使用寿命在2-3年，所以蓄电池是太阳能电力系统中最薄弱的环节。储能电容可以在一定程度上解决这个问题。储能电容的使用寿命可以达到10年以上，而且控制电路简单，但是昂贵的价格限制了它的应用，目前仅仅应用在部分交通信号灯和装饰灯上。随着技术和经济的发展，它将是一种最有希望成为和太阳能电池配套的理想储能元件。5.4 太阳能产品的质量近年来，太阳能光伏技术发展很快，产品生产厂家如雨后春笋。但是，有些产品没有形成系列，质量参差不齐，甚至在光源的选择以及电路设计中存在许多缺陷，降低了产品的经济性和可靠性。同时，国家缺少相应的产品质量标准和检测系统，使太阳能光伏技术产业化受到影响。结 论随着经济的发展，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等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源开发和利用太阳能是远有前景，近有实效的事业。推广太阳能光伏技