太阳能LED路灯设计

太阳能LED路灯设计摘 要本设计主要阐述了太阳能光伏照明的系统结构及作用，随着全球资源日益枯竭，太阳能利用越来越受人们重视。太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，作为一种巨大的可再生能源，可以说是用之不竭，取之不尽的。近年来，我国光电产业呈现快速增长态势，已形成专业化、规模化的光电产业链条。国家支持开展光电建筑应用示范，实施“太阳能屋顶计划”，对于太阳能利用实施财政扶植政策。太阳能光伏电站、太阳能路灯等光电利用项目，产品在全国以较快速度建成、投产，光电产品在实际中得以应用。 本设计以南昌某小区照明要求为例，结合当地日照资源数据，根据小区照明要求，详细的计算出小区照明所需要的材料及其方案计算过程。小区照明使用太阳能组件提供电源，该电源具有清洁，免维护，智能开关等优点，方便小区照明使用。【关键词】 光伏，控制器，蓄电池 12AbstractMainly 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 on 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 countries, 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 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-free, intelligent switches and other advantages, easy lighting used in the community.【Keywords】PV ， Controller ， Battery目录绪言1第一章 设计原则2第二章 设计方法32.1确定太阳能电池组件最佳电流32.2蓄电池容量的确定42.3确定太阳能电池组件上的工作电压42.4确定太阳能电池组件功率4第三章 设计依据53.1主要指标53.2 计算参数结果5第四章 太阳能路灯的构成及技术性能 74.1 太阳能路灯的构成 74.2 太阳能LED应用中的优点 7第五章 太阳能路灯的组成 95.1太阳能电池板 95.2光源 95.3 能控制器 9致谢 11参考文献12绪言面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。本文是南昌理工学院设计的两款太阳能路灯主要内容和结果。第一章 设计原则太阳能发电路灯系统设计的总原则：在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量最小以尽量减少初始投资。对系统设计者来说，在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择，可使系统的投资成倍地增加，却不一定满足使用要求。设计计算的基本数据主要有现场地理位置和安装地点的气象资料。现场地理位置资料包括地点、纬度、经度和海拔高度等。安装地点的气象资料包括逐月的太阳能总辐劓量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温，年最高、最低气温，最长连续阴雨天数撮大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去1020 a的平均值作为依据。采取目前国际流行的“全年均衡，冬半年最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原理。根据蓄电池组件均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而提高组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量为原则，束确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值：统计出全年的累计最大连续亏欠电量结合蓄电池组件适当的放电深度确定光伏组件和蓄电池组件容量的合理搭配。第二章 设计方法首先根据各向异性的天空辐射模型, 计算出在纬度为处, 倾角为的斜面上的太阳辐射量HT。在实际应用时, 可在( - 20) ( +30) 分别算出夏半年和冬半年的平均日辐射量H1 和H2, 然后根据前述原则, 确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量2.1确定太阳能电池组件最佳电流太阳能电池组件应输出的最小电流2Imin=L/( Tm123) ( 2)式中: L 为负载每天的总耗电量;1 为蓄电池组件充电效率, 1 =0.800.90; 2 为太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数, 通常2=0.90.95 3; 3 为太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数, 通常3=0.90.95。由太阳能电池组件面上各月中最小的太阳能总辐射量HTmin 可算出各月中最小的峰值时数Tmin,则太阳能电池组件应输出的最大电流4:Imax=L/( Tmin123) ( 3)太阳能电池组件的最佳电流值介于Imin 和Imax之间, 具体数值可用试验方法确定: 先选定一个电流值IA, 按月求出太阳能电池组件的输出发电量,对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据下式计算:EA=IANHT123/100 ( 4)式中: EA 为光伏组件输出的电量, mW/cm2; N 为当月天数。各月负载耗电量为EL=NL ( 5)式( 4) 与式( 5) 相减, 即E=EA- EL, 若E 为正, 表示该月太阳能电池组件发电量大于用电量,能给蓄电池组件充电; 若E 为负, 表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量, 要用蓄电池组件贮存的电能来补充, 蓄电池组件处于亏损状态。如果蓄电池组件全年荷电状态低于原定的放电深度( 一般0.5) , 则应增加太阳能电池组件输出电流; 如果荷电状态始终大大高于放电深度允许值,则可减少太阳能电池组件输出电流。当然, 也可以增加或减少蓄电池组件容量。2.2蓄电池容量的确定列表算出全年各月Ei 的数值, 并算出全年中E 连续为负值( 即连续亏欠量) 的累积值Ei。如果全年只有一个连续亏欠期, 它就是累积亏欠量之和。对北半球来说, 由于岁末年初是冬季, 在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。如果全年有几个不连续的亏欠期, 即在连续两个亏欠期之间有Ei 为正的盈余量, 则应扣除此盈余量。最后求出累积亏欠量Ei, 这样即可确定蓄电池组件的容量:C=Ei /DOD ( 6)式中: DOD为放电深度, 对铅酸蓄电池组件DOD最大可达75%80%, 考虑蓄电池组件的寿命等影响因素, DOD 取60%70%为宜5。蓄电池组件容量与负载日耗电量相除,:n=C/L ( 7)即可得到蓄电池组件的储备天数。通常取n=411 d 即可, 如得出的n 太大, 则适当增加所取太阳能电池组件的工作电流, 重新进行计算; 如n 过小, 则适当减小太阳能电池组件的工作电流, 直到n 处于411 d 为止。2.3确定太阳能电池组件上的工作电压太阳能电池组件的输出工作电压应足够大,以保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此, 太阳能电池组件在任何季节的工作电压须满足UA=Uf +Ud +Ui ( 8)式中: Uf 为蓄电池组件浮充电压; Ud 为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降; Ui 为因温度升高引起的压降。众所周知, 厂商出售的太阳能电池组件所标出的标称工作电压和输出功率最大值,都是在标准状态下测试的结果。由太阳能电池组件的温度特性曲线可知, 当温度升高时, 其工作电压有较明显的下降, 可用式( 9) 计算因温度升高而引起的压降Ui。Ui=a( tmax- 25)Ua ( 9)式中: a 是太阳能电池组件的温度系数, 对单晶硅和多晶硅电池组件来说, a=0.005, 对非晶硅电池组件来说, a=0.003; tmax 为太阳能电池组件的最高工作温度, tmax 为4560 ; Ua 为太阳能电池组件的标称工作电压。2.4确定太阳能电池组件功率太阳能电池组件板的功率:PA=IAUAK/!1- a( tmax- 25) ( 10)式中: a, tmax 取值与式( 9) 中相同; K 为考虑一些未知工作因素而引入的安全系数, 可根据电压等级,数据准确程度, 运行环境等, 选取K=1.051.308。这样, 只要根据算出的蓄电池组件容量, 太阳电池组件的电流、电压及功率, 参照厂商提供的蓄电池组件和太阳能电池组件性能参数, 就可以选取合适的组件型号和规格了。第三章 设计依据3.1主要指标组件采用保定英利新能源有限公司生产的多晶硅太阳能电池组件，设计使用寿命不小于25a，转换效率达到14%，功率损失不大于10%。 蓄电池组件采用深圳怀宇昌电池组件有限公司生产的阀控式密封铅酸蓄电池组件，其容量设计能满足工作地最大的连续阴雨天负载的正常供电要求。负载每天耗电量0.0840.168kwh。太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、DLED光源。低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿命2000小时，电压低灯管发黑，一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。低压钠灯：低压钠灯光效高，但需逆变器，低压钠灯价格贵，整个系统造高，采用较少。无极灯：功率小，光效较高。该灯在220V普通市电条件下使用，寿命可以达到5万小时，在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多。LED：LED灯光源，寿命长，可达小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50Lm/w，进口80Lm/w。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。3.2 计算参数结果首先根据各向异性的天空辐射模型，计算出在纬度为处，倾角为的斜面上的太阳辐射量Hto在实际应用时，可在（-20）（+30）分别算出夏半年和冬半年的平均日辐射量H1和H2然后根据前述原则，确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量。平均峰值日照时数Tm求出全年平均日太阳辐射量除以标准日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数确定太阳能电池组件最佳电流 太阳能电池组件应输出的最小电流： Imin=L/(Tm123) L负载每天的总耗电量1蓄电池组件充电效率，1=0.80.92太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常2=0.90.953太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数，通常3=0.90.95 由太阳能电池组件面上各月中最小的太阳能总辐射量可算出各月中最小的峰值时数，则太阳能电池组件应输出的最大电流： Lmax=L/(Tmin123)太阳能电池组件的最佳电流值介于Lmax和Tmin之间，具体数值可用验方法确定，先选定一个电流值Ia按月求出太阳能电池组件的输出发电量，对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据下式计算： Ea=IaNHt123/100式中 Ea光伏组件输出的电量 N当月天数各月负载耗电量为 El=NLE=Ea-El E为正，表示该月太阳能电池组件发电量大于用电量，能给蓄电池组件充电；若为负，表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量，要用蓄电池组件储存的电能来补充，蓄电池组件处于亏损状态，如果蓄电池组件全年荷电状态低于原定的放电深度，则应增加太阳能电池组件输出电流，如果荷电状态始终高于放电深层允许值，则可减少太阳能电池组件输出电流。也可以增加或减少蓄电池组件容量。 对北半球来说，由于岁末年初是冬季，在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。如果全年有几个不连续的亏欠期，即在连续两个亏欠期之间有E1为正的盈余量，则应扣除此盈余量。最后求出累积亏欠量E2这样即可确定蓄电池组件的容量： C=E1/DOD式中：DOD为放电深度，对铅酸蓄电池组件DOD最大可达75%80%，考虑蓄电池组件的寿命等影响因素，DOD取60%70%为宜。蓄电池组件容量与负载日耗电量相除，即可得到蓄电池组件的储备天数。 n=C/L 通常取n=411天即可。 太阳能电池组件的输出工作电压应足够大，以保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此，太阳能电池组件在任何季节的工作电压必须满足 Ua=Uf+Ud+Ui式中：Uf蓄电池组件浮充电压； Ud因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压峰； Ui因温度升高引起的压降 太阳能电池组件板的功率PaPa=IaUaK/1-a(tmax-25)式中：K为考虑一些未知工作因素引起的安全系数，可根据电压等级，数据准备程度，运行环境等，选取K=1.051.30，这样，只要根据算出的蓄电池组件容量，太阳电池组件的电流、电压及功率，参照厂商提供的蓄电池组件和太阳能电池组件性能参数，就可以选取合适的组件型号和规格了。经计算，平均每天实际日照时数为7小时。组件上平均峰值日照时数为4.56小时，最小的峰值日照时数为3.68小时。太阳电池最佳倾角为51度。第四章 太阳能路灯的构成及优点4.1太阳能路灯的构成太阳能路灯工作原理如图1所示。路灯接线图如图2所示 太阳能路灯相当于非并网的小型独立电站，采取免维护密封铅酸蓄电池组件储能。 太阳能路灯系统由太阳电池组件、蓄电池组件组、智能控制器、高效节能直流灯、灯架、安装材料等组成。系统的工作原理：在智能控制器的控制下，太阳电池组件白天向蓄电池组件充电，晚上蓄电池组件给直流灯负载提供电力。直流控制器能够在任何条件下，阳光充足或长期阴雨天都能够确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏，还具备光控、时控、声控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。本控制器采用先进的无触点控制技术，具有先进的光控功能，晚上自动点亮，白天关灯，也可以定时关灯，而且具有夜间自动切换负载的功能，特别适合路灯和光伏电源控制，并且具有多种保护功能。控制器负责监视电池组件的充电状态，管理充电过程中负载的开关，使电池组件能量得到充分地利用，并延长使用寿命。系统的保护措施：控制器限制电池组件充电电压，防止过充；防止电流过大、温度过高；控制器可以自动开关负载或组件，在过电压的情况下，关闭负载；控制器会自动检测系统电压，LED指示灯显示工作过程中的所有重要情况。4.2太阳能LED应用中的优点LED的光源结构轻质（环氧树脂封装），体积小巧，能适应多种几何尺寸和不同的空间大小，属于固体光源，不充气，不存在气体密封问题，不需要玻璃外壳，耐冲击，耐震动，不易破碎，决定了它的灯具强度和刚度比其他电光源的要求低。而且，LED是冷光源，可控性好，响应时间快，可反复频繁亮灭，不会疲倦。LED照明具有巨大的节能作用，单只LED的功率只有0.03-0.06W,且驱动电压低（1.5-3.5V），电流小（15-18mA），在形成同等照明效果的情况下，耗电量只有白炽灯的八分之一，荧光灯的二分之一。可见用LED光源代替普通灯和荧光灯用于耗电量巨大的景观照明，其节能效果是非常明显的，具有很强的市场竞争力。而且LED光源寿命是白炽灯的100倍、荧光灯的20-30倍，免去了频繁维修之苦，加上它丰富的色彩和良好的可控性，用于城市景观照明是再好不过的了。现在，LED正以50%的增长速度取代传统光源，将引发人类照明史上的第四次革命，极大地改善人类的生存环境，缓解全球日益严峻的能源危机。LED光源色彩纯正、丰富，可演变任意色彩，胜过了彩色金卤灯，其装饰性无与伦比。LED光源的精巧，使它的柔性化很好，可形成多种点、线、面、球等形状。根据景观照明装饰美化的目的，LED光源通过微机智能化控制技术，其变化可做成适合点、线、面、球及其他形式，其中包括：闪变（闪烁）控制，适合形成“点、线”;渐变（柔变）控制，适合形成“面”;动变（跳跃）控制，适合形成图案的纵向、横向动感变化。以上三种变化亦可形成球体的旋转运动，此外还能做到单灯控制和群灯控制。第五章 太阳能路灯的组成5.1太阳能电池板太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。5.2 光源太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、DLED光源。低压节能灯：功率小，光效较高，但使用寿