太阳能LED路灯的课程设计.doc

课程设计课程名称 新余市的太阳能路灯设计 班 级 10级光伏发电（1）班 专 业 光伏发电技术及应用 学 号： 1003030129 姓 名： 肖国豪 指导教师： 李玲 提交日期： 2012 年 06 月 21 日课程设计成绩： 10 / 16摘 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11.1新余市的地理情况11.2新余市的基本气象1第二章 LED路灯系统设备的选型12.1太阳能路灯的组成。12.2工作原理12.3太阳电池组件的选择22.4控制器的选择22.5 蓄电池的选择22.6 LED灯的选择32.7 LED灯灯杆的选择3第三章 LED路灯的设计43.1 太阳电池方阵倾角和方位角的设计43.2 LED路灯系统中蓄电池数量的设计53.3 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74.1 LED路灯设计的总费用预算74.2 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85.1 系统总寿命的预算85.2发电量的预算85.3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 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27º33'28'05'，东经114º29'115º24'，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/m29.4-7.274%-84%1655h5天 第二章 LED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，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：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 类型单晶硅系列最大功率电流(Imp) 4.6A 迎风压强 2400Pa 转换效率 17%尺寸1106×403×5mm绝缘电压 1000V 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52mm×98mm×178mm2.5 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HYS121500蓄电池，其基本参数如下：型号HYS121500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6500K±500KLED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50000h2.7 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。 （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 LED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，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。（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10°15°。由于新余地区位于北纬27°3328°05，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114°29150°24，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= P×h/V = 30×7/12 = 20(A·h)式中，V为蓄电池的额定电压。 3.2.2满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流 I1 =Q×1.05/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 =6×Q/a =20Ah×（51）÷75% = 160(A·h) 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。蓄电池串联数=负载标称电压÷蓄电池标称电压=12V÷12V=1个。蓄电池并联数=蓄电池总容量÷所选单个蓄电池的容量=160Ah÷80Ah=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/m÷1000w/m/m=3809.4Wh/m/m÷1000w/m/m=3.81h则太阳电池方阵应输出的最小电流为： Imin=20÷（Tm×a1×a2）=20÷（3.81×0.85×0.9）=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÷（Tmin×a1×a2）=20÷（6.86×0.85×0.9）=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=I×N×Ht×a1×a21/000w/m/m式中：N为当月天数。而各月负载耗电量为： Qload=N·Q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，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 =6×2.35+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)=6.86×14.9/1-0.5%(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 LED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2×1200元2蓄电池12V/80Ah块2铅酸蓄电池2×680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：2×1200元+2×680元+150元+800元+600元=5310元4.2 LED路灯系统与节能灯系统性价比对比分析（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100w×10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150×10=1500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 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=（2×80W)×0.7×5h=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=0.56×365=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 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.4 李Martin A.Green 太阳能电池工作原理、技术和系统应用 上海交通大学出版设，2009年.5 杨德仁 太阳电池材料 化学工业出版社 2006年6黄吉淳，刘春，太阳能路灯设计第二版重庆大学出版社， 20057 孙宪勇 传统路灯与现代太阳能设计河南科技大学出版社，2004年8 殷伟殷，斐然光伏技术的运用于发展云南人民出版社，2005年课程设计心得体会 经过了一个多月的学习和查找资料， 在的悉心指导和严格要求下， 我们终于完成了新余市的太阳能LED路灯设计的课程设计。记得在刚接到这个课题时，老师就告诉我们要我们好好准备，因为这个课程设计还是有一定的难度的，需要我们每个人花大量的时间和精力去完成，由于对课程设计的具体格式及内容不是很了解，我们都有些茫然不知所措。于是我们给自己提出了第一个问题：设计好一个课程设计需要什么具体的专业知识？带着这个疑问我们开始了独立地学习。去图书馆查阅相关资料、上网去了解太阳能路灯光伏发电系统的最新动向，渐渐头脑中关于该论题的概念清晰了起来。 对于这次毕业设计，依然存在很多不合理的地方，例如蓄电池依然存在诸多弊端，首先因充电次数限制蓄电池的寿命，其次，化学结构影响充电电流的闲着，继而限制充电时间，使得充电效率受限，最后，不属于环保能源。因受到内部工作的温度效应和外界温度变化的不稳定性，控制器温度调节依然有问题。但它却锻炼了我的思考能力，能用所学知识设计生活中的东西，也让我加深了对光伏系统的了解，并对一些光伏组件、蓄电池、光伏控制器，LED灯有了一个全面的认识，也认识到了小小的LED路灯系统对人类生活所产生的影响，使我们逐渐在走向绿色环保的时代。 虽然我们的设计作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但我们仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我们实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程。 通过这次毕业设计，体会到学以致用的道理以及事必躬亲的做事态度，在这次设计当中能将以前所学习的专业知识进一步消化，并且努力吸收新知识，扩增了知识面。我相信通过这次的课程设计的经历，给予我更多是的积极向上的态度，将对我以后无论是继续深造还是步入社会都会起到很深刻的影响。