风光互补太阳能led路灯的设计--课程论文--大学毕业设计论文.doc
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1、光伏发电系统设计施工与应用 学 校: 河南城建学院 学 院: 数理学院 专 业: 应用物理学(光伏工程方向) 姓 名: 姚松 薛强 周鼎 学 号: 132411151 132411147 132411158 指导教师: 潘慧 杜亚冰 完成时间:2014年12月1日12月12日目录摘要 11设计依据 21.1光伏系统适用区域 21.2建设目的与环境与光照分析 22设计依据 42.1路灯设计 42.2高压钠灯和LED路灯的比较 52.3风光互补太阳能路灯设计 73设计评述 153.1风光互补路灯系统的优点 153.2风光互补路灯系统的技术优势 154心得体会 16参考文献 17摘要随着经济的发展以
2、及在各个领域的现代化,我们需要的资源也越来越多。但是对自然界来说资源是有限的,这就需要我们去寻找一些可利用的资源来维持我们的发展,在我们的自然界中有许多可循环的资源,比如说风电、水电、太阳能、以及生物能源都是有利于我们人们可循环利用的。在这些能源当中我们最容易发现的就是太阳能在这种用之不竭而且还能够在我们生活中很容易获得。在这种情况下利用太阳能来发展清洁能源用于我们生活当中是比不可少的。在这样的发展中我们就可以设计一些太阳能设备来解决这些问题,在现在的发展中我们会发现有许多太阳能一体化的设备以及利用太阳能来解决一些不能架设高压电线的地区的用电问题。随着这样的发展中们就会发现太阳能的适用性还有其
3、他的一些作用。现在我国正在大力倡导建设节约型社会,节能环保越来越受到人们的重视,在夏天正是用电量高峰阳光充足,这给太阳能风扇的发展提供了必要的便利条件。而且在这种情况下利用太阳能风扇就能很好的解决这写问题,在普通家庭中可以装并网发电系统来弥补阳光不稳定问题,利用太阳能风扇也可以解决一些我们生活中不能安装发电站的地区,比如说在南海的一些岛屿中这样太阳能电池风扇一体化就能很好的解决这些问题这样就能很好的解决这些问题,这也表明了太阳能电池风扇的可发展性以及可利用性。风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成;其中的光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能
4、,然后通过控制器对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷供电。该系统的优点是供电可靠性高,运行维护成本低;缺点是系统造价高。风电系统是利用小型风力发电机,将风能转换成电能,然后通过控制器对蓄电池充电,最后通过逆变器对用电负荷供电。该系统的优点是系统发电量较高,造价较低,运行维护成本低;缺点是小型风力发电机可靠性低。另外,风电和光电系统都存在一个共同的缺陷,就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡,风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电,但每天的发电量受天气的影响很大,会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态。由于太阳能与风能的互补性强,风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺
5、陷,同时,风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的,所以可降低风光互补发电系统的造价。风光互补发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。关键词:路灯设计;风能;太阳能;灯具选择;组件参数1题目名称:风光互补LED路灯照明系统设计1 设计依据1.1光伏系统适用区域1) 工业厂房:特别是在用电量比较大、网购电价比较高的工厂,通常厂房屋顶面积很大,屋顶开阔平整,适合安装光伏阵列;同时由于用电负荷较大,分布式光伏发电可以做到就地消纳,抵消一部分网购电量,从而节省用户的电费;2) 商业建筑:与工业园区的作用效果类似。不同之处在于商业建筑多为水泥屋顶,更有利于安装光伏阵列;但是往往
6、对建筑美观性有要求。按照商厦、写字楼、酒店、会议中心、度假村等服务业的特点,用户负荷特性一般表现为白天较高、夜间较低,能够较好地匹配光伏发电特性;3) 农业设施:农村有大量的可用屋顶,包括自有住宅屋顶、蔬菜大棚、鱼塘等,农村往往处在公共电网的末梢,电能质量较差,在农村建设分布式光伏系统可提高用电保障率和电能质量;4) 市政等公共建筑物:由于管理规范统一、用户负荷和商业行为相对可靠,安装积极性高,市政等公共建筑物也适合分布式光伏的集中连片建设;5) 边远农牧区及海岛:由于距离电网遥远,西藏、青海、新疆、内蒙古、甘肃、四川等省份的边远农牧区以及沿海岛屿还有数百万无电人口,离网型光伏系统或光伏与其他
7、能源互补微网发电系统非常适合在这些地区应用。1.2建设意义、目的与环境与光照分析社会效益 风光互补路灯处处体现了现代建美化环境、保护环境的理念。风光互补路灯是一种造型美观的高科技环保产品,安装风光互补路灯,不仅与政府的环保理念相符,而且能向国民进行新能源利用和生态环保知识的直观教育。迎风飞转的风车可给道路一种动感的点缀,更能突显我国人民崇尚环保、重视节能和跟踪高新技术的理念。推广风光互补路灯对美化当地环境有非常积极的意义。经济效益 每套500W、12米高的常规路灯设备报价4000元/套(含灯杆、灯具、光源)输变配送设施每套摊入9000元,安装施工费用2000元/套,一次性投资大约为15000元
8、/套。每年的灯具维护费用为120元/年,每年耗电1825KWh,折合电费约为1300元/年。按10年使用寿命,其间更换一次输配电设施和灯具耗费6000元,总费用为35200元/套。风光互补路灯设备报价20000元(含风力发电系统、太阳能发电系统、储能系统、控制系统和灯杆照明系统),采用专业安装,费用计入报价,每年的维护费用为80元,不消耗电能,其间更换两次储能和照明装置约5000元,按10年计算总费用为25800元/套。相比风光互补路灯节省费用为9400元。按一段3000米长的城市道路安装200套路灯每10年可以节约费用188万元。按一座中等城市拥有12万套路灯可节约11.28亿元。随着化石能
9、源资源的减少,常规能源的价格不断升高,以及对排放污染进行环保处理,常规能源的价格又进一步升高趋势,届时风光互补路灯的经济效益比常规路灯将更具优势。环境效益每套常规路灯10年消费1825KWh电能,按火力发电标准煤耗400g/KWh计算,共消费标准煤7.3吨,一座中等城市仅路灯一项10年消耗87.6万吨标准煤,增加二氧化碳排放300万吨,二氧化硫1.75万吨,二氧化氮1.3万吨杂质、粉末15.5万吨。杂质、粉末直接污染环境;二氧化碳的排放会使地球表面升温,产生“温室效应”;二氧化硫和二氧化氮随着雨水排放到地面形成“酸雨”会使水库、河流、湖泊的酸度增加影响植物生长,鱼类繁殖,引起建筑物、材料、文化
10、资源的腐蚀,影响人体健康。风光互补路灯的能源消耗和环境污染始终为“零”。可作为普及新能源知识的好教材。风光互补路灯能最直接的向人们展示太阳能和风能这种清洁和自然能源的应用,展示人类如何利用可再生能源保护地球的生态环境,可作为普及新能源知识的好教材。中国的太阳能资源分布图1 我国的太阳能资源由图中可见,我国的东南沿海地区是比较差的,但平均日辐射量也可以达到每平方米3.2-3.8KW,也已经足够一个家庭的供电了。而2/3以上国土年总日照量5GJ/M2,理论储量相当于1.7万亿吨标准煤。太阳能资源丰富地区包括:青藏高原、西北地区、华北地区、东北大部、云南、广东、海南地区,年平均日照时间2200小时。
11、北京地区一年日照约2300小时。现在很多德国家庭都已经开始在屋顶上安装太阳能电池板以供应整个家庭的用电,而德国一般城市年平均日照只有1600小时,可见德国公民对环保意识的浓厚。2 太阳能光伏发电系统的整体设计与相关计算2.1路灯设计根据设计要求这种道路一般为人车混用的支路,车流少、车速低和路面是13米宽的水泥混凝土路面,可以选用单侧布置。图2 效果图灯具高度H=8米,间距S=20米,灯具悬挑长1.5米则有效路宽为11.5米,根据国家照明标准要求其照明平均照度Eav不低于3.5Lx,平均照度均匀度Emin/Eav不小于3.5。灯具采用LED照明灯具,56WLED灯具来做光源,其光通量为5500L
12、m,其等高8米道路平面等照度曲线图为:图3 选用灯具道路平面照度曲线图图4 照度计算伪色图选用路灯利用系数U=0.32(国际照明委员会推荐0.3),维护系数K=0.8;则其路面平均照度为:Eav=U*N*K/W*S=0.32*8000*1*0.8/11.5*30=5.93lx; 根据灯具的等照度曲线可以得出其最小照度值Emin不小于3 lx则其平均均匀度为:Emin/Eav=3/5.93=0.5。所以该安装方案路面平均照度Eav=5.93lx,平均均匀度Emin/Eav=0.5符合国家标准要求。2.2高压钠灯和LED路灯的比较太阳能最简单的应用是产生热水,其次是发电。而发电的一个很重要的应用是
13、照明,中国的照明用电占全部电能耗费的12。但大型的太阳能发电厂的建厂成本很高,而且大功率太阳能电池板要占用很大的无遮挡面积,所以太阳能照明最好的实现方法是和发光器件结合在一起,构成独立的照明装置。目前,最有前景的是太阳能路灯,太阳能庭院灯,太阳能草坪灯,太阳能信号灯,和太阳能航标灯等。其中尤以太阳能LED路灯的经济价值最高。因为普通的路灯需要铺设很长的输电线路,而且随着距离的增加,电压会逐渐降低,过一定距离还要用变压器升压。其电源线路的铺设要投入很高的费用。而太阳能路灯则不然。因为每一根路灯杆都是独立的,不需要铺设输电线路,这就大大降低了架设的费用。而且LED的发光效率远高于白织灯,虽然从数字
14、上比不过高压钠灯(高压钠灯的发光效率为132流明/瓦,而LED只有90流明/瓦),但是LED的发展潜力很大。表1是各种灯具的发光效率的比较。各种灯具的效率:高压钠灯的光谱比较集中于黄色,它的色温比较低只有20002500oK,而LED的色温较高,可以达到35004500oK以上。另外高压钠灯的光线是向四处发射的,有很大一部分光无法到达路面。还有,高压钠灯的显色指数差,只有20到40,感觉昏暗;而LED的显色指数高,可以达到7580。所以路面明亮,感觉舒适。所以从实际的发光效果来看,LED反而可以比高压钠灯高出很多。80W的LED可以取代250W的高压钠灯,或300W的水银灯。100W的LED,
15、其输出光通量大约只有6250流明(经过二次光学设计,会有所损失),到达路面时的流明数仍为6000流明,而路面的平均照度可以达到16Lux(12m高杆)。250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。但到达路面的流明数就只有7000流明。路面的照度大约为3040Lux,由于显色系数的差别,LED的照度修正系数为2.35倍,高压钠灯的修正系数为0.94倍。所以80W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux,而高压钠灯的修正后的照度为28.2-37.6。二者相当。所以,80W的LED可以取代250W的高压钠灯,LED可以节能2.5倍。另外,LED的寿命长,不需要经常更换。高压钠灯设计寿命2万
16、小时,由于受电压变化及高启动电流的影响,实际寿命在2年以下。所以其实际寿命通常只有4000小时,假定每天工作10小时,只能工作400天,一年多一点就要更换;而大功率LED的寿命为50,000小时,假定每天工作10小时,13.7年才需要更换。这就大大节省了维护费用。图5 间隔为35米的80瓦LED路灯(白色)和250瓦高压钠灯(黄色)的实际比较2.3风光互补太阳能路灯设计风光互补路灯24V直流系统原理图方框图:风力发电机组太阳能电池组件智能控制器蓄电池组24V路灯 DC 24V方式1:风力机和太阳能电池组件通过智能控制器给蓄电池充电,然后由智能控制器智能控制24V直流路灯开启、关闭。风光互补路灯
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