太阳能光伏照明系统设计毕业论文

目录1绪论 3太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理 4各部件的组成及工作原理 4.2蓄电池的组成及工作原理 4.3电源控制器的组成及工作原理 4.5各数据计算 结论 参考文献 致谢 1绪论洁、高效而且可持续的可再生能源。同时，使用太阳能也是一个明智的财务选择。如果使用太阳能电池板为您的住宅供电，在收到每个月的电费单时，您就能体会到这一点。另外，太阳能是环保的选择——如果您知道使用太阳能将为您的孩子留下一个更环保的美好世界，您一定会感到自豪。如今，全球的光伏(Photovoltaic,PV)太阳能供不应求，是增长最快的可再生能源之一。随着制造工艺的高效化，光伏系统的成本将继续下降。如今，光伏系统的价格已经是20年前的1/25。即使是商业电力公司，也正在寻求通过利用太阳能来构建更为稳定的成本结构。研究结果显示，太阳能在北方的气候条件下更为有效。在加利福尼亚州，电费每年上涨6.7%。太阳能则可以用来预防未来电费的居高不下。在许多国家，您可以将富余电力卖给电力公司，冲抵您的电费。与高成本的化石燃料污染和全球温室效应相比，太阳能不仅使用围广，而且更经济。在近期的民意调查中，当受访对象被问及哪类能源最适合子后代时，太阳能的得分高出所有其它能源。光伏系统在提供电力的同时，不会排放二氧化碳。一块光伏组件在25年的有效使用期，可减少约7.5吨的碳排放量。随着经济发展，我国的照明用电将大幅度提高，绿色节能照明的研越受到重视。太阳能LED照明灯具作为冷光源产品，具有性价比较高、绿色环保、安全可靠、质量稳定、使用寿命长、安装维护简便等特点，可广泛应用于绿地照明、公路照明、广告灯箱照明、城市造型景观照明及家居照明系统，但太阳能LED照明灯具一次性投入较高是其发展的瓶颈。目前，照明消耗约占整个电力消耗的20%左右，降低照明用电是节省能源的重要途径。为实现这一目标，业界已研究开发出多种节能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距离“绿色照明”的要求还较远，开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。物质能)，约占0.5个百分点，为2010年实现可再生能源占全国一次能源消费总量的目标迈出了坚实的一步。目前，我国正在从以下几个方面来推动光伏发电的国市场发展：一、启动送电到村工程;二、在特殊工程上运用光伏发电，如世博会、奥运会等;三、在沙漠地区建光伏电站;四、动员一些城市启动屋顶计划;五、研究制定提高光伏发电竞争力的电价政策(光伏产品90的%出口以及国市场的缺失都，可能限制中国光伏产业的长远发展。一旦国外光伏产业政策有变或者为保护本国产业采取限制进口的措施，中国近年来大量上马的光伏项目将面临困境。近几年来，全球太阳能电池产量增加了400%以上，中国更是猛增了近80倍，成为全球第一太阳能能电池生产大国。结合我国照--太阳能光伏照明，是我国科技进步和社会发展的必然。万的队伍，太阳能光伏照明装置凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、可随时变换成为我国奥运会场馆、城市和新农村的以道风景。太阳能或风光互补路灯、庭院灯、草坪灯和太阳能装饰灯、标志灯、广告灯等的应用逐渐形成规模，太阳能航标灯、信号标志灯已大规模应用。我国太阳能光伏照明应用已走在了世界的全列，某些装置如太阳能草坪灯、太阳能手电筒已占世界销量的80%以上。展、改善生存环境等重大决策的主要举措之一。我国光伏照明装置应用已进入快速发展的重要时期，但是，由于太阳能光伏照明是新兴行业，市场需求猛增，但技术不太成熟的照明，缺规、标准，特别是国家和行业标准的制定邂逅于市场发展，至使目前产品规格混乱，质量参差不齐，时有用户不良反应，市场初现无序状态，有碍行业的健康发展。明领域。在我国早在20世纪70年代初天阳能电池就被应用在航标灯上，当时在天津港安装了太阳能航标灯。紧接着，为了解决无电区在我国南方，出现了太阳灯割胶灯以及其他许多太阳能照明灯。的提高，太阳能照明灯具开始进入我们的生活；西部光明工程、太阳能路灯、太阳能家们带来了意外的惊喜：太阳能照明时代要到来了。件下，两种不同的供电方式，太阳能灯成本比普通灯具要高；如果将投入工程的施工费用计入整个工程，则两种灯具在初始投资时造价相当。工程越大，普通灯具的工程施工费用越高，其初始投入大于太阳能灯具。使用时间越长，越能彰显太阳能灯具的实惠。如果把人力、物力计算在，普通灯具的辅助费用与维护费用都将比预算的高。在后续的亿只太阳能灯，其节能效果相当于新建一个三峡工程”。家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。随着科学技术的飞速发展，太阳能逐渐被开发利用，并已成为最有能源之一，太阳能照明就是利用太阳能最重要的途径。太阳能照明路灯采用高效单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，使用寿命长,是未来户外照明的发展方向和照明灯具中的一枝新秀。缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。对比而言，太阳能照明绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点；可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。太阳能照明灯具有体积小,重量轻,低能耗,高光强,防雷击,无须其它电源,安全可靠,安装、维护方便等特点。太阳能照明灯可广泛应用于：家庭别墅、单位花园、公园绿地、环保小区、房前路边等户外场所的照明。需要专人维护、更换灯泡；而太阳能路灯一般采用寿命长达50000小时以上的LED灯作为光源，日常无需增加消耗电量的费用开支。换个角度说，每装一盏太阳能路灯，每年就可节省1460度电，十年可节省14600度。施工过程的费用，还可能影响、破坏周围植被和景观，日常需要专人定时维护、更换灯泡，同时每隔大约1Km要建一个升压站（防止输电线路过长，电压降低过大，影响灯光般也在2～3.5万元之间。用的光源是长寿命的LED灯或低压钠灯，使用的电压都是绝对安全的直流低电压，采用光控、时控、全自动、无触点电子开关，故障率极低，整体路灯使用寿命要长达15年。此外，路灯与路灯之间彼此独立工作、互不干扰，可根据实际情况将某段时间设计成节能照明状态，从而有效降低造价。只要设计合理，实际比普通路灯更划算。近年来，由于铜以及其他金属价格的上涨，偷盗路灯电缆成为一大治安问题。很多人不少，不仅仅有一些政府官员，连一些能源研究专家也认为这确实是一个问题。的部电线绝大部分都在灯杆里面且短而小，含铜量不如传统路灯，加上灯杆较高，一般都在8米以上，要开着吊车才能将太阳能电池板和电缆快速盗走，被盗可能性比传统路灯要低得多。如果小偷真的开着吊车来偷路灯而是抢了！那我们国家能有这么乱吗？因此，偷盗太阳随意；电不便的偏僻地方。太阳能发电系统，先确定太阳电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。但太阳能路灯又有其特殊性，需要确保系统工作的稳定与可靠，所以在设计时需要特别注意。埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。而LED照明熄灭.夜晚LED点亮进行照明.并有电路保护电池不会过充过放。图3.1太阳能原理方框太阳能路灯技术特点是：①具有特大功率，光亮度相当于白炽灯150W-250W装置和时控装置的光电智能控制器，使产品可有效地节约能源，增加有效照明时间，降低生产成本；③中央控制器单元采用单片机控制，并在智能控制器中建立了全球不同纬度的全年日照时间数据。使用时在控制器中输入所在地区纬度，调整好年、月、日和开/关机的时间，就能够长年自动跟踪环境光线；④在大面积使用后，启动和关闭的时差很小，从而比较好的克服了传统太阳能灯因启动时差过大而产生的种种弊端。照射在半导体PN结上，由于P-N结势垒区产生了较强的建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂;另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统部形成电路器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。白天的时候，太阳能电池吸收电能，通过控制器吧电能储存在蓄电池里，当夜幕降临或者灯具周围的4各部件的组成及工作原理大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。1.硅太阳能电池硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。在实验室里最高的转换效率为 晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。潜力。但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。下面对硅太阳能电池进行详细介绍。化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。但是GaAs材料的价格不菲因,而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。晶硅一样。具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。4.1.2硅太阳能电池工作原理与结构4.1。图4.1半导体图4.1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，正电因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的空心的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（positive）型半导体。同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（negative）型半导体。实心的为磷原子核，小的为多余的电子。当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层)，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。当晶片受光后，PN结中，N型半导体的空穴往P型区移动，而P型区中的电子往N型区移动，从而形成从N型区到P型区的电流。然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源。由于半导体不是电的良导体，电子在通过p－n结后如果在半导体中流动，电阻非因此一般用金属网格覆盖p－n结，以增加入射光的面积。另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。为此，科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，如图4.5所示，将反射损失减小到5％甚至个）并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。4.2蓄电池的组成及工作原理行光电转化工作，电能在夜晚才能用于照明，因此必须储备在蓄电池，储备的容量要足后，太阳能灯等负荷才能正常工作。4.2.1蓄电池的种类和应用化学电源是人类目前可以利用的高效能源之一。蓄电池也称作二次电源，它是一种把化学反应所释放出来的能量直接转变成直流电能的装置。蓄电池按照其电解液的不同，通常分为酸性电池和碱性电池。近几十年来，由于交通。通讯。计算机产业的高速发展，其产品系列。产品种类。产品性能发生了巨大变化，以此满足不同用途的需要。目前，蓄电池主要应用于各种车辆。船舶。飞机等燃机的起动以及照明。蓄能。不间断电源。移动通讯。便携式电动五金|工具。电动玩具当中。总之，蓄电池在国防。工农业生产。交通运输。电力。电子。通讯。教学。科研。医疗卫生以及人们日常生活中被广泛应用。常用的蓄电池有铅酸蓄电池。镉镍蓄电池。铁镍蓄电池。金属氧化物蓄电池。锌银蓄电池。锌镍蓄电池。氢镍蓄电池。锂离子蓄电池等。常用蓄电池介绍：牵引型。动力型和便携型，常为开口或防酸式(GF),少量为胶体电解液蓄电池(GEL)。近年来特别是VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄电能够取代碱性蓄电池和干电池，使铅酸蓄电池发挥更大的作用。由于铅酸蓄电池价格低廉，适于低温高倍率放电，因此应用广泛，是我国的电信行业中后备电源的主要产品。但同时由于铅酸蓄电池比能量偏低，生产过程有影响了其使用围。扣式和圆柱形，其有开口。密封和全密封三种结构。按极板制造方式又分有极板盒式。烧结式。压成式和拉浆式。镉镍蓄电池具有放电倍率高。低温性能好，循环寿命长等特点。电解液为氢氧化钾。氢氧化锂水溶液，比能量是镉镍蓄电池1.5-2倍，具有可快速优良的高倍率放电性能和低温放电性能，价格便宜，无污染，被称为绿色环保电池。铁镍蓄电池负极为铁粉，正极为氧化镍，电解液为氢有结构坚固。耐用。寿命长等特点，比能量较低，多用于矿井运输车动力电源。锌银蓄电池负极为锌，正极为氧化银，电解液为氢氧量及优良的高倍率放电性能，但价格偏高，多用于军事工业及武器系统。锌镍蓄电池负极为锌，正极为氧化镍，电解液为氢氧化钾水溶液，具有高比能量，价格较低；但寿命较短，近年来锌镍蓄电池的循环寿命有了较大提高，预计随着循环寿命的提高将获得更广泛应用。锂离子蓄电池负极是碳(石墨),正极是氧化钴锂，由于采用有机电解质液，具有电压高。比能量高及优良的循环寿命，安全无污便携器材的电源。总之，我国的蓄电池工业随着各行各业的发展获得了迅速发展机会。至今目前，我国从事蓄电池生产的企业已达千家之多。同时，免维护。阀控密封式铅酸蓄电池。金属氧化物物镍蓄电池。锂离子蓄电池等新型蓄电池也各有侧重的应用于各行各业中。4.2.2铅酸蓄电池的工作原理由于太阳能路灯采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析。铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理如下：蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时，在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅，同时在负极板上产生氢气，正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加，电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时，充电就结束了。在充电时，在正、负极板上生成的氧和氢会在电池部“氧合”成水回到电解液中。蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时，硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应，生成化合物“硫酸铅”，放电时间越长，硫酸浓度越稀薄，电池里的“液体”越少，电池两端的电压就越低。铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应”。在蓄电池活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。4.3电源控制器的组成及工作原理太阳能路灯智能控制系统硬件结构，如图4.2所示，该以STC12C5410AD单片机为核心，外围电路主要由电压采集电路、负载输出控制与检测电路、LED显示电路及键盘电路等部分组成。电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集，用于太阳能光线强弱的识别及蓄电池电压的获取。单片机的P3口的两位作为键盘输入口，用于工作模式参数的设置。图4.2太阳能路灯智能控制系统硬件结构STC12C5410AD是STC12系列的单片机，采用RISC型CPU核，兼容普通8051集，片容含有10KBFlash程序存储器，同时部还有看门口（WDT片集成MAX810专用复位电路、8通道10位ADC以及4通道PWM；具有可编程的8级中断源4种优先级，具），管理、工作状态的指示等。于设置状态的识别及参数设置;P3.5(T1)接F2键,该键用于自检及“加1”功能,根据程序流程,分别实现不同功能。电压采集与电池管理太阳能电池板电压采集,用于太阳光线强弱的判断因,而可以作为白天、黄昏的识别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。蓄电池电压采集,用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器的PWM功能,对蓄电池进行充电管理。蓄电池开路保护:万一蓄电池开路,若在太阳能电池正常充电时,控制器将关断负载,以保证负载不被损伤,若在夜间或太阳能电池不充电时,控制器由于自身得不到电力,不会有任何动作。4.3.2电压采集与电池管理别信号。同时本系统支持太阳能板反接、反充保护。蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别。利用微控制器PWM功能对蓄电池进行充电管理。若太阳能电池正常充电时蓄电池开路，控制器将关断负载，以保证负载不被损伤，若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路，控制器由于自身得不到电力，不载开关以保护蓄电池不受损坏。通过PWM充电电路，可使太阳能电池板发挥最大功效，提高系统充电效率。本系统支持蓄电池的反接、过充、过放。4.3.3负载输出控制与检测电路本系统设计了两路负载输出，每路输出均有独立的控制于检测，具有完善的过流、短路保护措施，电路原理如图4.3所示。图4.3负载输出控制与检测电路P3.2为单片机6引脚负载过流及短路保护:设计了两级保护。第一级采用了R7(0.01Ω康铜丝)以及运放 中断响应来实现,这里使用了硬件+软件的方式,LM358的输出送P1.7(A/D转换口),用作过流信号识别,当电流超过额定电流20%并维持30s以上时确,认为过流;短路电流整定为10A响,应时间为毫秒数量级。第二级采用了电子保险丝保护,当流经电子保险丝的电流骤然增加时,温度随之上升,其电阻大大增加,工作电流大幅降低,达到保护电路目的,响应时间为秒数量级,过流撤消或短路恢复后电子保险丝恢复成低阻抗导体,无须任何人为更换或维修。系统采用了两级保护措施后,在长达数小时时间负载短路实验后,控制器仍没出现电路烧毁现象。解决了用传统保险丝只能对电路进行一次性保护,一旦烧毁的优点,简化了维护,提高了系统的安全性能。4.3.4硬件设计中的注意点置其他器件。充电时发热量小,不用散热器也可以连续充电,充过电流能力,大电流导线在一层过渡到另一层时,要放置3～5个过孔。（4）过流、短路保护电路选用的电流取样电阻要综合考的康铜丝作为电流取样电阻,来产生取样电压,取样电压最多不超过0.2V故,采用运放LM358对它进行放大。（5）器件的布局和PCB图的布线采用模块化,大电流信号与小电流信号要分离,对放大电路的线路犹其要精心布置。数字地和模拟地分开,注意电源线和地线的布局。4.4.1各种光源的特性比较较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。目前常见的光源有直流节能灯、高频无极灯、低压钠灯和LED光源。一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。整个系统造高，采用较少。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（因为太阳能灯具都是方波逆变器，太阳能电源220V输出都是不能和普通市电相比的）。光效较高。4.5各数据计算设计要求：地区，负载输入电压24V功耗34.雨天数7天。3.424h；（2）负载日耗电量=12.2AH在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，年大多数情况下的正常运行。4.5.2蓄电池容量计算蓄电池容量=负载功率*工作日时间*（储存天数+1）/放电深度/系统电压若蓄电池的最低工作温度低于-20摄氏度，应对蓄电池放电深度加以修正。电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为地区，选定太阳能电池组件支架倾角为在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主分别做分析。依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为承受的风压只有365Pa所。以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。造型，加工工艺简单，机械强度高。由于太阳能路灯的工作环境是室外，为了防止灯杆生锈腐蚀而降低结构强度，必须对灯杆进行防腐蚀处理，其主要方法是针对锈蚀原因采取预防措施。防腐蚀要避免或减缓潮湿，高温，氧化，氯化物等因素的影响，常用热镀锌和喷塑处理。造型方面的要求外，还必须注意灯杆防水防盗性能防止雨水进入灯杆造成电气故障；维护门避免采用常规的工具就能打开，防止人为进行破坏和偷盗；在风力较大的地区还必须要对灯杆进行抗风设计。日前，省质量技术监督局审核通过了由勤上光电股份提出并组织起草的《省太阳能生产、产品达到什么技术要求没有明确规定。标准出台后，行业门坎提表示，标准的出台将使太阳能LED产业提前进入规化调试期，引导行业由无序、无标准省实施的《省太阳能LED灯地方标准》是中国大陆地区LED行业首个地方标准，公共场所照明用太阳能LED灯。对于照明领域来说，这是一次不小的革命。街上。在完成改造的星港街上可以看到一批造型简洁的新式太阳能路灯已经竖立了起后自动存储在路灯的蓄电池中。太阳能板晒一天太阳后，可以在蓄电池储存供路灯正常工作6天所需的电量，即