太阳能LED路灯的课程设计

1、课课程程设设计计 课程名称课程名称 新余市的太阳能路灯设计 班班 级级 10 级光伏发电（1）班 专专 业业 光伏发电技术及应用 学学 号：号： 姓姓 名：名： 肖国豪 指导教师：指导教师： 李玲 提交日期：提交日期： 20122012 年年 0606 月月 2121 日日 课课程程设设计计成成绩绩： 摘摘 要要 随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安 全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭的 安全、环保新能源越来越受重视。同时，也随着太阳能光伏技术的发展 和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、 草坪灯等方面的应用已经逐渐形成

2、规模，太阳能发电在路灯照明领域发 展已经日趋完善。太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太 阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于 2.5 亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。 研究方法是设计步骤中的核心问题，最终采用了限流控制器，该控 制器为结合铅酸蓄电池充放电特性和太阳电池伏安特性，专为负载 LED 灯具设计一款充放电控制器，其利用 PWM 技术队 LED 进行稳压限流供电， 从而达到延长 LED 使用寿命的目的。此外充电电路太阳能路灯系统是利 用太阳能电池的光伏效应将太阳光能直接转换为电能，选择一个合适的 蓄电池的充电管理模式，并要求对电压的实时监测。以及

3、配合控制器的 指令控制最终能够有效的完成白天利用太阳能电池板对蓄电池的充电， 晚上蓄电池释放能量点亮 LED 灯。 太阳能 LED 灯照明技术正在为照明史上继白炽灯、荧光灯之后又一 场照明光源的革命。 关键词: : LED、光伏技术、太阳能路灯 目 录 摘 要 .I 前 言 .IV 第一章 新余市的基本气象、地理情况 .1 1.1 新余市的地理情况 .1 1.2 新余市的基本气象 .1 第二章 LED 路灯系统设备的选型 .1 2.1 太阳能路灯的组成。 .1 2.2 工作原理 .1 2.3 太阳电池组件的选择 .2 2.4 控制器的选择 .2 2.5 蓄电池的选择 .2 2.6 LED 灯的

4、选择 .3 2.7 LED 灯灯杆的选择 .3 第三章 LED 路灯的设计 .4 3.1 太阳电池方阵倾角和方位角的设计 .4 3.2 LED 路灯系统中蓄电池数量的设计 .5 3.3 LED 路灯系统中太阳电池组件的设计 .5 （1）太阳电池方阵的输出电流 .5 (3)太阳电池方阵输出电压 .6 （4）太阳电池方阵的功率 .6 第四章 LED 路灯设计总费用及性价比分析 .7 4.1 LED 路灯设计的总费用预算 .7 4.2 LED 路灯系统与节能灯系统性价比对比分析 .7 第五章 系统总寿命、发电量及几年收益的预算 .8 5.1 系统总寿命的预算 .8 5.2 发电量的预算 .8 5.3

5、 几年能够收益的预算 .8 第六章 太阳能路灯的安装示意图 .9 参考文献 .10 课程设计心得体会 .11 前前 言言 由于地球资源的日益疲乏，基础资源投资成本日益攀高，各种安全 和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的宝贵 资源，我们就应该好好的利用他，让他为人类造福，然而太阳能路灯的 问世，也解决了很多现实问题，如市政建设中路灯安装复杂，照明电费 昂贵，以及存在诸多安全隐患，而太阳能路灯从根本上解决这些问题， 况且现在技术也相当成熟，太阳能路灯节能、 无消耗、绿色环保，所以 将来的太阳能路灯一定可以在节能、环保这方面占有重要的一席地位， 它也将主导将来的照明行业。 第一

6、章第一章 新余市的基本气象、地理情况 1.1 新余市的地理情况 新余位于北纬 27332805，东经 1142911524，属亚热带 湿润性气候，具有四季分明.气候温和.日照充足.雨量充沛.无霜期长.严 冬较短的特征。新余属亚热带湿润性气候，平均年日照数为 1400 小 时3000 小时，太阳能资源年理论储量每平方米 11301530 千瓦时， 每年每平方米地表吸收的太阳能相当于 140190 公斤标准煤热量，太阳 能资源比较丰富，开发利用前景较为广阔。 1.2 新余市的基本气象 新余市的基本气象具体参数如下所示： 气温：年平均气温 17.7。7 月份全年最热时期,极端最高气温 40.0,月平

7、均气温 29.4；1 月份全年最冷时期，极端最低气温 7.2,月平均气温 5.4。 降雨量：降水丰沛，年平均降水量 1594.8mm 左右，月平均降水量 52.93mm，属于全国多雨地区。 风速：根据不完全统计，历年平均风速 20 米秒 湿度：年平均相对湿度 80 地温：年平均地温 20.1 日照时数：历年平均日照时数 1655.4 小时，日平均 5 个小时。 1.3 新余市历年平均基本气象 新余市历年平均基本气象资料如下表所示： 年水平辐射量斜面辐射量气温最低气温 相对 湿度 日照时数 最长连续 阴雨天数 平 均 13094KJ/m/m13714KJ/m/m 29.4-7.274%-84%1

8、655h5 天 第二章第二章 LEDLED 路灯系统设备的选型路灯系统设备的选型 2.1 太阳能路灯的组成 太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池组件、控制器、蓄电 池组、逆变器、光源、灯杆及支架。 2.2 工作原理 太阳能路灯是利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池组件，白天 接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中， 夜晚当照度逐渐降低至 5lux 左右、太阳能电池板开路电压 4.5V 左右， 充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放 电 12 小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主 要作用是控制路灯打开和关闭，同时保护蓄电池

9、，延长蓄电池使用寿命。 2.3 太阳电池组件的选择 太阳能电池组件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，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是单晶硅太阳能电池、 多晶硅太阳能电池。 太阳电池的基本性能参数、平均寿命、品牌如下表所示： 2.4控制器的选择 （1）控制器是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。由于蓄电 池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因 此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。 （2）控制器的基本性能参数如下表所示：. 型号FC-004品牌RXZ 额定充

10、电电流10A额定负载电流10A 工作电压12V过放保护电压11.2V 过放恢复电压11.9V过充保护电压14.5V 使用环境温度-20+50外形尺寸52mm98mm178mm 2.5 蓄电池的选择 由于太阳能电池板发电系统的输入能量极不稳定，再加上路灯的使 标准测试条件： （AM1.5）辐照度=1000W/m2 ，电池温度=25 品牌WARMSPACE型号S80W 电池正常工作温度60功率（Wp）80W 短路电流温度系数 0.4mA/ 开路电压(Voc) 21.0V 开路电压温度系数 60mV/ 最大功率电压(Vmp) 17.5V 填充因子 0.73 短路电流(Isc) 5.12A 类型单晶硅

11、系列最大功率电流(Imp) 4.6A 迎风压强 2400Pa 转换效率 17% 尺寸11064035mm绝缘电压 1000V 用是在晚上，所以需要配置蓄电池系统才能工作。现在市面上大多采用 铅酸蓄电池。铅酸蓄电池由于其铅酸的腐蚀性和可再生利用性均无法达 到环保和节能要求，蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能 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， 同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过 小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏 电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用 电负荷(路灯)相匹配。可用

12、一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能 电池功率必须比负载功率高出 4 倍以上，系统才能正常工作。太阳能电 池的电压要超过蓄电池的工作电压 2030%，才能保证给蓄电池正常负电。 蓄电池容量必须比负载日耗量高 6 倍以上为宜。通过一系列综合考虑， 选择型号 HYS 蓄电池，其基本参数如下： 型号HYS品牌HUANYU 使用寿命3-5 年额定电压12V 额定容量80Ah工作温度-2540 最低工作温度-20最大允许放大深度75% 尺寸350*166*175mm工作湿度74%80% 2.6 LED 灯的选择 1.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

13、能灯、低压钠灯、无极灯、LED 光源。根 据实际情况和要求这次方案采用 30WLED 路灯头，可比原低压钠灯节能 60%， 其基本参数如下： 品牌型号T830LEDL 额电功率30W 额定电压DC12V 相关色温6500K500K LED 发光效率75-100lm/w 环境温度-2565 相对湿度10%80% 防尘防水等级IP65 外形尺寸400*360*132（mm） 光源寿命50000h 2.7 LED 灯灯杆的选择 灯杆的选择主要根据灯杆的材料、应用环境等因素来进行确定,具体 的灯杆的基本参数如下： （1)主体材料：全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理。 （2）使用温度：-30 度至 70 度

14、。 （3）抗风力150Km/h。 (4)灯杆高度：7 米。 （5）灯杆直径：上方口的直径 50mm,下方口的直径 120mm 第三章第三章 LEDLED 路灯的设计路灯的设计 3.1 太阳电池方阵倾角和方位角的设计 在光伏发电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对 光伏系统接受到的太阳辐射有很大影响，从而影响到光伏供电系统的发 电能力。 与光伏组件方阵放置的相关的有两个角度参量：太阳电池组件倾角； 太阳电池组件方位角。 太阳电池组件倾角是太阳电池组件平面与水平面的夹角。光伏组件 方阵的方位角是方阵的垂直面与正南面的夹角（向东偏设定为负角度， 向西偏设定为正角度） 。一般地，在北半球，

15、太阳电池组件朝向正南（即 方阵垂直面与正南的夹角为 0）时，太阳电池组件的发电量是最大的。 固定安装的 LED 路灯系统涉及两个重要的方面，即如何选择最佳倾 角以及如何计算斜面上的太阳辐射。 地面应用的独立光伏发电系统，光伏组件方阵平面要朝向赤道，相 对地平面有一定倾角。倾角不同，各个月份方阵接收到的太阳辐射量差 别很大。因此，确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统设计中不可缺少的 重要环节。在独立光伏系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制， 要综合考虑率光伏组件方阵平面上太阳辐射量的： （1）连续性。一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的。多数是单 调升降，个别也有少量起伏，但一般不会大起大落。

16、 （2）均匀性。选择倾角，最好使方阵表面上的全年接收的日平均辐 射量比较均匀，以免夏天接收辐射量过大，造成浪费；而冬天接受的辐 射量太小，造成蓄电池过放以至损坏，降低系统寿命，影响系统供电稳 定性。 （3）极大性。选择倾角时，不但要使方阵表面上的辐射量最弱的月 份获得最大的辐射量，同时还要兼顾全年日平均辐射量不能太少。 同时，对特定的情况要作具体分析。如有些特殊的负载（灌溉用 水泵、制冷机等）夏天消耗功率多，方阵倾角的取值当然应使得方阵 夏日接收辐射量相对冬天要多才合适。 在这里我们采用近似的方法来确定倾角。一般的，在我国南方地 区，方阵倾角可比当地纬度高 1015。由于新余地区位于北纬 27

17、332805，因此取当地的纬度大约为 28，所以太阳电池 方阵倾角 Q=28+ 2=30 方位角计算：通过新余基本气象调查，一天中负荷的峰值时刻为 20:00，该地区的的经度为东经 1142915024，所以方位角 Q1=（一天中负荷的峰值时刻-12）15+（经度-116）=（20-12） 15+（150-116）=154 3.2 LED 路灯系统中蓄电池数量的设计 根据以上资料，可知太阳电池方阵倾角为 30，假设负载每天工作 7 小时来算的话，那么 3.2.1 负载日耗电量的大小的计算 Q= Ph/V = 307/12 = 20(Ah) 式中，V 为蓄电池的额定电压。 3.2.2满足负载日用

18、电的太阳能电池组件的充电电流 I1 =Q1.05/h/0.85/0.9 = 7.04(A) 式中，1.05 为太阳能充电综合损失系数；0.85 为蓄电池充电效率； 0.9 为控制器效率。 3.2.3蓄电池容量的确定及个数的计算 跟据新余市最长连续阴雨天数为五天（另加阴雨天前一夜的用电， 共6天） ，假如蓄电池的放电深度a=75%。则蓄电池的电池容量为 C =6Q/a =20Ah（51）75% = 160(Ah) 式中，0.75 为蓄电池放电深度 每个蓄电池都有自己的标称电压，为了达到负载工作的标称电压， 需要将蓄电池串联起来给负载供电，串联蓄电池的个数等于负载的标称 电压除以蓄电池的标称电压。

19、蓄电池串联数=负载标称电压蓄电池标称 电压=12V12V=1 个。蓄电池并联数=蓄电池总容量所选单个蓄电池的 容量=160Ah80Ah=2 个。所以该路灯系统需要使用 12V/80Ah 的蓄电池的 个数为 2 个。 3.3 LED 路灯系统中太阳电池组件的设计 3.3.1 太阳电池方阵的输出电流的计算 根据基本气象资料可知，倾斜面上全年平均辐射量为 13714KJ/m/m =3809.4Wh/m/m。所以全年平均日照时数： Tm=HTWh/m/m1000w/m/m=3809.4Wh/m/m1000w/m/m=3.81h 则太阳电池方阵应输出的最小电流为： Imin=20（Tma1a2）=20（

20、3.810.850.9）=6.86A。 式中 Q 为负载每天总耗电量 ；a1 表示蓄电池充电效率；a2 表示方 阵表面灰尘遮蔽损失。 同时，由于倾斜面上各月中最小的太阳总辐射量可算出各月中最少 的峰值日 Imin。对应最少峰值日照数，太阳电池方阵输出的最大电流为： Imax=20（Tmina1a2）=20（6.860.850.9）=3.81A 3.3.2 太阳电池方阵最佳电流的确定 方阵的最佳电流介于 Imin 和 Imax 之间，具体数值可用尝试法确定。 先选定一电流值 I，然后对蓄电池全年荷电状态进行检验，方法是按月求 出方阵输出的发电量： Qot=INHta1a21/000w/m/m 式

21、中：N 为当月天数。 而各月负载耗电量为： Qload=NQ 两者相减，Q=Qout-Qload 为止，表示该月方阵发电量大于耗电量， 能给蓄电池充电，若Q 为负，表示该月方阵发电量小于耗电量，要用蓄 电池储存的能量来补足，但由于没有太阳电池方阵每月的辐照量而无法 计算出方阵各月输出电量及负载耗电量以及蓄电池的荷电状态，因此将 太阳电池方阵应输出的最小电流作为太阳电池方阵最佳电流 I=6.86A。 如果蓄电池全年荷电状态低于原电的放电深度，就应增加方阵输出 电流；如果荷电流状态始终大大高于放电深度的值，则可减少方阵电流。 当然也可以相应的增加或减少蓄电池的容量。如果有必要，还可以修改 方阵倾角

22、，以求得最佳的方阵输出电流 Im。 3.3.3 太阳电池方阵输出电压的计算 方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。方 阵在任何季节的工作电压应满足： V = Vf + Vd 式中 Vf 表示蓄电池浮充电压，Vd 表示因线路（包括阻塞二极管）损 耗引起的电压降） 。 若单只铅酸蓄电池工作电压为 12V，故需 6 个单体电池串联才可满足 系统的工作电压 12V。每只单体铅酸电池的工作电压为：2.02.35，取 线路压降：Vd=0.8V，则方阵工作电压为：V = Vf + Vd =62.35+0.8=14.9V 3.3.4 太阳电池方阵的功率的计算 由于温度升高时，太阳电池的输出功

23、率将下降，要求系统即使在最 高温度下也能确保正常运行，所以在标准测试温度下（25）方阵的输 出功率应为： P=IV/1-a(tmax-25)=6.8614.9/1-0.5%(60-25)=123.90W 式中：a 为太阳电池功率的温度系数，对一般硅太阳电池，a=0.5%， 设 tmax=60为太阳能电池最高工作温度。 根据上述太阳电池板的规格，取 P=160W，用两块 80W 的单晶硅太阳能 电池通过串联的方式连接起来就能满足要求。 第四章第四章 LEDLED 路灯设计总费用及性价比分析路灯设计总费用及性价比分析 4.1 LED 路灯设计的总费用预算 4.2 LED 路灯系统与节能灯系统性价比

24、对比分析 （1）虽然L E D 的应用现在仍处于初期阶段，但与现行照明设备比较， LED 照明优点仍然突出： 发光效率高、耗能少LED 的光效预计可达到200lm/W 以上，而且 光的单色性好、光谱窄。在同等照明效果下，LED 的耗电量是白炽灯的 1/8， 荧光灯的1/2。 使用寿命长LED 的使用寿命可以长达近十万小时，而白炽灯 一般为10002000h，荧光灯为60008000h。 安全环保LED 为全固态发光体，耐振、耐冲击，而且发热量低， 无热辐射，无污染。 启动时间短LED 的响应时间只有几十纳秒，因此适合用在一些 序号配件名称规格单位数量备注价格 1太阳电池组件80W块2单晶硅21

25、200 元 2蓄电池12V/80Ah块2铅酸蓄电池2680 元 3控制器12V/10A台1过充电、放电保护 150 元 4光源30W只1暖白色800 元 5灯杆7m根1热镀锌静电喷塑600 元 系统总费用：21200 元+2680 元+150 元+800 元+600 元=5310 元 需要快速响应的场合。 体积小LED具有小型化、平面化、可设计性强的特点，可以使人 们从传统的点线光源点局限中解放出来，实现照明的随意布置。白光LED 的发光效率现已突破60lm/W，据预测，随着LED 单价的下降，到2010 年 左右，白光LED 照明将逐步取代白炽灯和荧光灯，成为主流的照明光源。 LED 是低压

26、驱动的冷光源，它的性能受使用条件和驱动器性能的制约。 （2）据相关资料显示，通常节能灯的功率大约是LED灯功率的3倍多，当 LED灯的功率为30w时，节能灯的功率大约为90100w（这里取100w） 假设两种类型的灯每天工作时间为 10h，节能灯的电费为 1 元/度， 则节能灯 10 年内电费为 100w10 年365 天/年10 小时1 元 /Kw.h=3650 元。据相关资料显示 100w 的节能灯大约为 120 元，通过 LED 灯和节能灯的使用寿命比较，在同等的环境下，使用同样 10 年的时间， 节能灯的更换个数为 10 个，所以更换节能灯的费用为 15010=1500 元。 又因为节

27、能灯和 LED 灯都使用灯杆。因此，节能灯使用灯杆的价格 为 600 元（与 LED 灯杆相同） ，所以用在节能灯整个系统的费用为 S=3650 元+1500 元+600 元=5750 元。与 LED 系统相比，其节省的费用=5750 元 5310 元=440 元 由上述可知：LED 太阳能路灯比普通的节能灯的性价比更高。此外普 通的节能路灯还得架设输电线或铺设电缆，费用将会更大，所以选择 LED 路灯对于未来城市的经济，环保等相关问题有着巨大的优越性。 第五章第五章 系统总寿命、发电量及几年收益的预算系统总寿命、发电量及几年收益的预算 5.1 系统总寿命的预算 对于独立太阳能 LED 照明系

28、统，提高能量利用率，研究科学的系统能 量控制策略，可降低独立太阳能 LED 照明系统的投资费用。目前太阳能 组件、控制器、蓄电池和 LED 光源是太阳能 LED 照明灯具产品的 4 个主 要部件，它们各自的使用寿命参考值见表 8-1。 主要部件太阳电池组件控制器蓄电池负载 寿命20 年10 年5 年50000h 表 8-1 太阳能照明灯具 4 个主要部件使用寿命 5.2 发电量的预算 由新余市每天的平均有效时间 5h，则每天的 发电量=组件总功率0.7每天有效时间=（280W) 0.75h=560Wh 式中 0.7 是充电过程中的，太阳电池组件的实际使用功率. 每天的发电量 560Wh,也就相

29、当于 0.56 度电。一年按 365 天来算的话，则 年发电量=每天发电量365 天=0.56365=204.4 度电。 5.3 几年能够收益的预算 由上诉所知；系统的总费用为 5310 元，一年发电量为 204.4 度电， 根据市场的电价按 1 元/度电来算的话，也就相当于一年的发电费用是 204.4 元。则 收益年限=系统总费用年发电费用=5310 元204.4 元=26 年 第六章第六章 太阳能路灯的安装示意图太阳能路灯的安装示意图 参考文献 1罗玉峰，陈裕先，李玲。 太阳能光伏发电技术 江西高校出版 社，2009 年. 2 罗玉峰，廖卫兵，刘波。 光伏科学概论 江西高校出版社 2009 年. 3 罗玉峰，张发云，廖卫兵 材料加工设备概论 江西高校出 版社，2009 年.