太阳能LED路灯课程设计论文

1、课程设计课程名称 新余市太阳能LED路灯系统设计 班 级 0 9 光 伏 发 电 二 班专 业 太阳能光伏发电技术及应用学 号 0 9 0 3 0 3 2 0 1 2 姓 名 刘 自 鹏 指导教师 欧 阳 小 芳提交日期 2011年6月16日 目 录摘 要关键词第1章 绪论11.1 LED太阳能路灯系统设计的意义及要求11.2 LED太阳能路灯系统概述 21.2.1 LED太阳能路灯系统的组成与原理 21.3 LED太阳能路灯的发展状况 3第2章 新余市地理情况及基本气象. 42.1 新余市地理概况 42.1.1 新余市地理位置 42.2新余市基本气象 52.2.1 新余市气候特征 5第3章

2、LED路灯系统设备选型 53.1 LED选择 53.1.1 LED灯发光原理 53.1.2 LED灯的基本参数 63.1.3 LED灯的优缺点 7 3.2 蓄电池选择 73.2.1蓄电池的简介 73.2.2蓄电池的基本参数 83.3 太阳电池组件选择 83.3.1太阳电池组件简介及其参数93.4 控制器选择 103.4.1控制器简介 103.4.2 控制器的基本参数103.5 LED灯杆的选择113.5.1 LED灯杆的简介及各项参数11第4章 LED路灯的设计114.1 太阳电池方阵倾角和方位角的设计 114.1.1 太阳电池方阵倾角和方位角的概念114.1.2 太阳电池方阵倾角和方位角的计

3、算 124.2 LED路灯系统中蓄电池数量的设计124.2.1 LED路灯系统蓄电池数量的计算124.3 LED路灯系统中太阳电池组件的设计134.3.1 LED路灯系统中太阳电池组件个数的计算及布置13第5章 设计总费用及性价比分析 145.1 LED路灯系统总费用估算 145.2 LED路灯系统与节能灯系统性价比对比分析 14主要参考文献15课程设计心得体会16新余市太阳能LED路灯系统设计摘 要：为积极响应国家节能减排、大力开发利用新能源的号召，以实际应用为目的，围绕太阳能光伏发电技术和LED照明技术，设计了一套太阳能LED路灯系统。介绍了太阳能电池组件、光伏控制器、LED灯，蓄电池组的

4、相关技术参数、选取原则及相互之间的容量匹配。根据各个器件的工作原理及工作环境，构建成一个具有可行性的小型光伏系统。通过与节能灯系统的相互比较，得出LED灯使用优于节能灯。不仅适用，而且环保。让我们提高使用LED灯的理念。关键词：太阳能LED路灯系统、太阳电池组件、光伏控制器、蓄电池组、LED灯、节能灯、性价比第1章 绪 论1.1 LED太阳能路灯系统设计的意义与要求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，利用太阳能发电，不需要燃料，不污染环境、清洁，而且太阳电池组件在

5、一般情况下的使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。太阳能是取之不尽、用之不竭的，是人类能够自由利用的能源，在世界能源短缺、环境污染日日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策，与传统的的照明灯相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件。在功耗上，寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯的地方，LED灯的触角就会到达。21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。今后，随着各国政府的高度重视和加大投入，LED灯必将成为本世纪极具竞争力的新型

6、绿色环保光源从而掀起照明领域新的革命。LED太阳能路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。道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走进了人们的视野。新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保的LED路灯系统不仅对城市照明节能有着重大意义，而且还与城市人民的健康生活水平，经济发展息息相关。设计出合理的LED路灯系统既是我们对专业知识学习综合性的考察，同时也是对整个地区的发展贡献一份绵薄之力。因此，如何为某地区设计出合理的LED路灯系统是我们不容忽视的问题。

7、我想，对于设计太阳能LED路灯系统要有以下基本要求：（1）了解该地区的基本气象状。2）选择性价比高的太阳电池板，控制器，蓄电池等一系列组件。（3）采取有效的措施对系统进行保护。只有这样通过综合性考虑，最终才能设计出合理的方案，实现它的价值意义。1.2 LED太阳能路灯系统概述1.2.1 LED太阳能路灯系统的组成与原理太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池组、直流负载。在光伏控制器的控制下，白天太阳电池组件向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给直流负载。其工作原理图如图所示： 太阳电池方阵智能控制器直 流 负 载蓄 电 池 组光控单元计时单元1.3 LED太阳能路灯系统

8、发展状况（1）世界照明工业巨头通用电气、飞利浦、奥斯拉姆纷纷与半导体公司合作，成立照明企业。（2）日本日亚化工、丰田和成、SONY、佳友电工都已有LED照明产品问世。（3）台湾目前LED产量仅次于日本，位居第二，列美国之前。（4）广东省从2009年起，开始大规模实施“千里十万”LED路灯产业化示范推广工程，建设总里程1500公里左右、规模约10万盏的LED路灯示范推广工程。 （5）扬州计划两年投入3.3亿元应用5万盏LED灯具升级城市道路照明。（6）厦门计划两年推广3万盏LED路灯推广项目。（7）成都计划实施1.5万盏LED路灯推广项目。（8）山东省潍坊市于2006年开始实施LED照明示范工程

9、，安装LED路灯已超过3万盏。今后，新建道路和公共场所一律安装LED灯，到2011年累计安装LED路灯10万盏。 （9）石家庄将推广使用8000盏LED路灯。其他城市LED道路照明项目都已经陆续启动。 （10）美国洛杉矶计划5年内设置14万盏LED路灯；纽约州，犹他州已经启动LED路灯的招标；台湾地区宣示三年内更换128万盏LED路灯。由此可见，LED太阳能路灯系统已经成为了当今社会照明系统中的发展趋势，它的发展标志着我国半导体照明产业发展将进入一个新的里程。第2章 新余市地理情况及基本气象2.1新余市地理概况2.1.1 新余市地理位置新余市位于江西省中部偏西，袁河中下游，鄱阳湖平原边缘，浙赣

10、铁路西段，地处北纬27332805，东经1142915024。全境东西最长处101.9公里， 南北最宽处65公里，东距省会南昌市150公里，土地总面积3164平方公里，占全省总面积的1.9 %。东临樟树市、新干县，西接宜春市袁州区，南连吉安市青原区、安福县、峡江县，北毗上高县、高安市。赣粤高速公路、沪瑞高速公路分别自北向南、自东向西穿越市境。地理环境优越，交通便利，经济发展迅速，工业化水平较高，是江西省的钢铁工业基地。具有建设现代工业经济中心城市的得天独厚的条件。2.2新余市基本气象2.2.1 新余市气候特征新余市属亚热带湿润性气候，雨量充沛，气候温和，无霜期长，严冬期短，土层肥厚。既适宜喜温

11、作物的栽培，也有利秋播作物的越冬。目前新余为全省商品粮基地，也是全国优质棉区之一。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/m29.4-7.274%-84%1655h5天第3章 LED路灯系统设备选型3.1 LED灯选择 LED灯发光原理LED即发光二极管，主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。其发光体晶片的面积为10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大晶片LED，晶片面积达40mil。其发光过程包括三部分：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。微小的半

12、导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。3.1.2 LED灯的基本参数本设计采用功率为30w LED灯，其基本参数如下表所示：品牌型号Xs30LEDL额电功率30W额定电压DC12V相关色温6500K500KLED发光效率75-100lm/w环境温度-2565相对湿度10%80%防

13、尘防水等级IP65外形尺寸400*360*132（mm）价 格760元光源寿命50000h3.1.3 LED灯的优缺点优点：（1）使用寿命长；（2）显色性好；（3）快速启动；（4）便于光学设计；（5）造型可塑性强，结构牢固；（6）低碳环保，尤其适合采用太阳能光伏技术；（7）具有潜在总成本优势。缺点：（1）实际发光效率低于高压钠灯路灯，在照明效果上路面亮度偏低，均匀性差，“斑马效应”比较明显，只能满足照明级别比较低的道路，例如灯杆在8米以下的次干道。（2）色温过高，刺眼，无舒适感。（3）散热性能差，温升过高，致使光衰比较严重，可靠性变差。（4）驱动电源性能差，故障层出不穷，从LED路灯早期失效的

14、情况下，有95%以上的故障都是由驱动电路损坏所致。（5）成本太高，一次性投入太大，成为推广应用一大瓶颈。（6）由于尚无统一的LED路灯技术标准，不同厂家的产品通用性极差，维护十分困难。3.2 蓄电池选择3.2.1 蓄电池的简介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。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。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

15、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。太阳能电池功率必须比负载功率高出34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。3.2.2蓄电池的基本参数通过一系列综合考虑，选择NP-XA1265CH型号蓄电池，其基本参数为： 型 号NP-XA1265CH品 牌NIDEL铅酸免维护封闭式蓄电池价格460元/个使用寿命8至10年额定电压12v额定容量65Ah工作温度-2540最低工作温度-20最大允许放电深度 80%尺寸350*166*175mm重量20Kg工作湿度74%8

16、0%3.3 太阳电池组件选择3.3.1太阳电池组件简介及其参数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。太阳电池组件的基本参数如下表所示：品牌Sun型号SNM-M10类型单晶硅系列尺寸11064035mm重量8Kg价

17、格879.00元功率80W开路电压21V短路电流5.12A填充因子73%最大工作电压17.5V最大工作电流4.6V工作温度范围-40+80表面可以承受的最大压60/m/s（200kg/sq.m）3.4 控制器选择3.4.1控制器的简介无论太阳能灯大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充放电及深度充放电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。3.4.2 控制器的基本参数太阳能控制器选型：根据

18、电源系统电压和方阵最大充电电流来选择控制器。防止蓄电池和太阳电池接反、蓄电池开路、蓄电池过充和过放、负载过压或过流，夜间反充电。型号SDRC20I品牌Sun额定充电电流20A额定负载电流20A工作电压12V过放保护电压10.8V过放恢复电压12.4V使用环境温度-20+50外形尺寸14090.5mm市场价格145元/个3.5 LED灯杆的选择3.5.1 LED灯杆的简介及各项参数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的。一般道路路灯对灯杆的要求有下：1）主体材料：为全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理。（2）使用温度：-30度至70度。（3）抗风力150Km/h。（4）灯杆高度：51

19、1米。（5）灯杆的基本参数：主体材料圆锥形钢灯杆热镀锌静电喷塑灯杆高度7米灯杆壁厚3.0mm直 径上口直径60mm下口直径140mm价格580元/个抗风力20m/s应用空间户外照明第4章 LED路灯的设计4.1 太阳电池方阵倾角和方位角的设计4.1.1 太阳电池方阵系统倾角和方位角的概念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

20、偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）4.1.2 太阳电池方阵倾角和方位角的计算固定安装的LED路灯系统涉及到如何选择最佳倾角以及如何计算斜面上的太阳辐射。对于其倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑；（1）连续性（2）均匀性（3）极大性，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27332805，因此取当地的纬度大约为28，所以太阳电池方阵倾角Q=28+ 15=43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+

21、（经度-116）=（20-12）15+（150-116）=1544.2 LED路灯系统中蓄电池数量的设计4.2.1 LED路灯系统蓄电池数量的计算 （1）根据LED灯有关的参数和负载每天工作10h确定负载的大小：每天的耗电量Q=I h=30w1012=25Ah；（2）新余市最长连续阴雨天数为5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）蓄电池放电深度a=80% ，所以蓄电池容量 C=6Q/a =25Ah（51）80% =187.5Ah；(4)根据蓄电池的规格：取C=65Ah；(5)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

22、除以蓄电池的标称电压。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=187.5Ah65Ah=3个。所以该路灯系统需要使用12V/65Ah的蓄电池的个数为3个。4.3 LED路灯系统中太阳电池组件的设计4.3.1 LED路灯系统中太阳电池组件个数的计算及布置（1）估算太阳电池方阵电流由基本气象资料可知，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：Im

23、in=25（Tma1a2）=25（3.810.90.9）=8.1A。（算式中a1表示蓄电池充电效率a2表示方阵表面灰尘遮蔽损失，Q为负载每天总耗电量） 方阵的最佳电流介于Imin和Imax之间，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=8.1A。(2)估算太阳电池方阵输出电压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 （算式中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）。单只铅酸蓄

24、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）最后确定功率 设太阳电池的最高工作温度为60，则方阵的输出功率为：P=IV/1-a(tmax-25)=8.114.9/1-0.5%(60-25)=155.7W （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%，tmax为太阳能电池最高工作温度）。 （4根据太阳电池板的规格，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。

25、第5章 设计总费用及性价比分析5.1 LED路灯系统总费用估算通过整体的选择与计算，最终得出LED照明路灯系统的总体费用T=LED光源的费用+蓄电池的费用+太阳电池组件费用+光伏控制器费用+LED灯杆费用=（760+4603+8792+145+580）元=4623元。5.2 LED路灯系统与节能灯系统性价比对比分析据相关资料显示，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）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115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11510=1150元。又因为节能灯和LED灯都使用灯杆。因此，节能灯使用灯杆的价格为580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+1150元+580元=5380元。与LED系统相比，其节省的费用=5380元4623元=757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