太陽能LED路燈的課程設(shè)計-廣州

1、 課程設(shè)計說明書設(shè)計題目 廣州100W太陽能LED路燈系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 院 * 專業(yè)班級 * 學(xué)生姓名 * 學(xué) 號 2012 完成日期 2015年6月19日 廣州100W太陽能LED路燈系統(tǒng)設(shè)計摘要隨著地球資源的日益貧乏，基礎(chǔ)能源的投資成本日益攀高，各種安全和污染隱患可謂無處不在，太陽能作為一種“取之不盡、用之不竭"的安全、環(huán)保新能源越來越受重視。同時，也隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展和進步，太陽能燈具產(chǎn)品在環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢，太陽能路燈、庭院燈、草坪燈等方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模，太陽能發(fā)電在路燈照明領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽能作為一種巨量可再生能

2、源，每天達到地球表面的輻射能大約等于2.5億萬桶石油，可以說是取之不盡、用之不竭。研究方法是設(shè)計步驟中的核心問題，最終采用了限流控制器，該控制器為結(jié)合鉛酸蓄電池充放電特性和太陽電池伏安特性，專為負載LED燈具設(shè)計一款充放電控制器。此外充電電路太陽能路燈系統(tǒng)是利用太陽能電池的光伏效應(yīng)將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為電能，選擇一個合適的蓄電池的充電管理模式，并要求對電壓的實時監(jiān)測。以及配合控制器的指令控制最終能夠有效的完成白天利用太陽能電池板對蓄電池的充電，晚上蓄電池釋放能量點亮LED燈。太陽能LED燈照明技術(shù)正在為照明史上繼白熾燈、熒光燈之后又一場照明光源的革命。關(guān)鍵詞: LED、光伏技術(shù)、太陽能路燈、電池

3、板目錄廣州100W太陽能LED路燈系統(tǒng)設(shè)計1摘 要1前 言2第一章 廣州市的基本日照情況31.1廣州市的日照情況3第二章 LED路燈系統(tǒng)設(shè)備的選型42.1系統(tǒng)總體框圖42.2工作原理42.4蓄電池的選擇對比52.5太陽能控制器52.6 LED燈的選擇62.7 LED燈燈桿的選擇7第三章 LED路燈的設(shè)計83.1 太陽電池方陣傾角和方位角的設(shè)計83.2 LED路燈系統(tǒng)中蓄電池數(shù)量的設(shè)計93.3 LED路燈系統(tǒng)中太陽電池組件的設(shè)計93.3.1太陽電池方陣的輸出電流的計算93.3.2太陽電池方陣最佳電流的確定103.3.3太陽電池方陣輸出電壓的計算103.3.4太陽電池方陣的功率的計算11第四章 太

4、陽能路燈的安裝示意圖11參考文獻12課程設(shè)計心得體會14前言 由于地球資源的日益疲乏，基礎(chǔ)資源投資成本日益攀高，各種安全和污染隱患可謂無處不在，太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的寶貴資源，我們就應(yīng)該好好的利用他，讓他為人類造福，然而太陽能路燈的問世，也解決了很多現(xiàn)實問題，如市政建設(shè)中路燈安裝復(fù)雜，照明電費昂貴，以及存在諸多安全隱患，而太陽能路燈從根本上解決這些問題，況且現(xiàn)在技術(shù)也相當成熟，太陽能路燈節(jié)能、 無消耗、綠色環(huán)保，所以將來的太陽能路燈一定可以在節(jié)能、環(huán)保這方面占有重要的一席地位，它也將主導(dǎo)將來的照明行業(yè)。太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的,是人類能夠自由利用的能源。在世界能源短缺、環(huán)境

5、污染日益嚴重的今天，充分開發(fā)利用太陽能是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。與傳統(tǒng)的照明工具相比，超高亮白光LED照明源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環(huán)保等方面有不可比擬的優(yōu)越性，再加上太陽能燈具的節(jié)能性和安裝簡便，所以凡有工頻交流電燈具的地方，LED燈具的觸角就會到達。21世紀將是以固體發(fā)光材料為核心的，即以LED為代表的新型光源、綠色照明的世紀。今后。隨著各國政府的高度重視和加大投入，LED必將成為本世紀極具競爭力的新型綠色環(huán)保光源而掀起一次照明領(lǐng)域新的革命。2第一章 廣州市的基本日照情況1.1廣州市的日照情況廣州市是廣東省省會，地處珠江三角洲北緣，素有中國

6、的南大門之稱，全市有10區(qū)和2個縣級市，地理位置在東經(jīng)112°57至114°35、北緯22°36至24°04之間，所轄面積7434.4平方公里，北回歸線橫過廣州從化。廣州市區(qū)地勢平坦，除東北部有較高的白云山（主峰海拔382米）外，市中心區(qū)主要建于臺地和平原上。廣州地處亞熱帶沿海，北回歸線從中南部穿過，屬海洋性亞熱帶季風(fēng)氣候，以溫暖多雨、光熱充足、夏季長、霜期短為特征。全年平均氣溫20-22為攝氏度，是中國年平均溫差最小的大城市之一。一年中最熱的月份是7月，月平均氣溫達28.7。最冷月為1月份，月平均氣溫為916。平均相對濕度77%，市區(qū)年降雨量約為172

7、0毫米。全年中，4至6月為雨季，7至9月天氣炎熱，多臺風(fēng)，10月、11月、和3月氣溫適中，12至2月為陰涼的冬季。全年水熱同期，雨量充沛，利于植物生長，為四季常綠、花團錦簇的“花城”。平均年日照數(shù)為2200-3000 小時，年輻射量為1393-1625kWh/ 年日輻射量12702kj/ ，維度為23.13 平均日照3.52h 最佳傾角為16.13，太陽能資源比較豐富，開發(fā)利用前景較為廣闊。 第二章 LED路燈系統(tǒng)設(shè)備的選型2.1系統(tǒng)總體框圖太陽能LED路燈在白天通過太陽能電池組件采集太陽光的能量，并將其轉(zhuǎn)化為電能存儲起來，即向蓄電池充電，在晚上光線較暗時由蓄電池經(jīng)路燈控制處理器控制，點亮LE

8、D燈用于路燈照明。 根據(jù)各部分電路的功能不同，整體電路可以分為以下幾個部分，太陽能電池板組件、過充過放電控制電路、STC12C2051單片機、蓄電池、時控光控電路、照明負載和時間顯示電路。系統(tǒng)總體方框圖如圖1所示。由太陽能電池板通過7805穩(wěn)壓電路為單片機供電，并通過為蓄電池充電，當蓄電池電壓較低時其容量損耗得很快，使用壽命也會縮減，為延長蓄電池的壽命，要防止蓄電池出現(xiàn)過充或過放，因此本電路加的有過充過放控制電路。太陽能電池板充放電控制器蓄 電 池路燈控制處理器LED路燈負載圖1總電路方框圖 2.2工作原理太陽能路燈是利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池組件，白天接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出

9、，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至5lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電12小時后，充放電控制器動作，蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是控制路燈打開和關(guān)閉，同時保護蓄電池，延長蓄電池使用壽命。 2.3太陽電池板的選擇太陽能電池板的選擇 太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。在眾多太陽光電池中較普遍且較實用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池等三種。 在太陽光充足日照好的東西部地區(qū)，采用多

10、晶硅太陽能電池為好，因為多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單，價格比單晶低。在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽能電池為好，因為單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。非晶硅太陽能電池在室外陽光不足的情況下比較好，因為非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低。 綜上對比可知，因廣州屬于陽光充足地帶，故應(yīng)采用非單晶硅太陽能電池。2.4蓄電池的選擇對比 鉛酸蓄電池有多種充電形式，主要為:恒流充電、恒壓充電和3階段最優(yōu)形式充電。一般來講，這種蓄電池充電時，應(yīng)在外接一直流電源（充電極或整流器），使正、負極板在放電后生成的物質(zhì)恢復(fù)成原來的活性物質(zhì)，并把外界的電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。其過充

11、時間與充電速率有關(guān)實際工作中，可以根據(jù)電解液比重的變化來判斷鉛酸蓄電池的充電程度。 蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。 綜上對比，以及客觀條件的要求可得，鉛酸蓄電池為最佳的選擇。2.5太陽能控制器太陽能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器，是一個微機數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測控制系統(tǒng)。既可快速實時采集光伏系統(tǒng)當前的工作狀態(tài)，隨時獲得PV站的工作信息，又可詳細積累PV站的歷史數(shù)據(jù)，為評估PV系統(tǒng)設(shè)計的合理性及檢驗系統(tǒng)部件質(zhì)量的可靠

12、性提供了準確而充分的依據(jù)。此外，太陽能控制器還具有串行通信數(shù)據(jù)傳輸功能，可將多個光伏系統(tǒng)子站進行集中管理和遠距離控制。 太陽能控制器通常有6個標稱電壓等級：12V、24V、48V、110V、220V、600V . LED由于自身的特性，必須要通過技術(shù)手段對其進行恒流或限流，否則無法正常使用。常見的LED燈都是通過另加一個驅(qū)動電源來實現(xiàn)對LED燈的恒流，但是這個驅(qū)動卻占到整個燈總功率的10-20左右，比如一個理論值42W的LED燈，加上驅(qū)動后實際功率可能在46-50W左右。在計算電池板功率和蓄電池容量的時候，必須多加1020來滿足驅(qū)動所造成的功耗。除此以外，多加了驅(qū)動就多了一個產(chǎn)生故障的環(huán)節(jié)。工

13、業(yè)版控制器通過軟件進行無功耗恒流，穩(wěn)定性高，降低了整體功耗。 普通的控制器一般只能設(shè)置開燈后4小時或者8小時等若干個小時關(guān)閉，已經(jīng)無法滿足眾多客戶的需求。工業(yè)版控制器可以分成3個時段，每個時段的時間可任意設(shè)置，根據(jù)使用環(huán)境的不同，每個時段可以設(shè)置成關(guān)閉狀態(tài)。比如有些廠區(qū)或者風(fēng)景區(qū)夜間無人，可以把第二個時段（深夜）關(guān)閉，或者第二、第三個時段都關(guān)閉，降低使用成本。 在太陽能應(yīng)用的燈具當中，LED燈是最適合通過脈寬調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出不同的功率。限制脈寬或者限制電流的同時，對LED燈整個輸出的占空比進行調(diào)節(jié)，例如單顆1W的LED 7串5并合計35W的LED燈，在夜間放電，可以將深夜和凌晨的時段分別進行功率

14、調(diào)節(jié)，如深夜調(diào)節(jié)成15W、凌晨調(diào)節(jié)成25W，并鎖定電流，這樣即可以滿足整夜的照明，又節(jié)約了電池板、蓄電池的配置成本。經(jīng)長期試驗證明，脈寬調(diào)節(jié)方式的LED燈，整燈產(chǎn)生的熱量要小的多，能夠延長LED的使用壽命。 有些燈廠在為了達到夜間省電的目的，把LED燈的內(nèi)部做成2路電源，夜間關(guān)閉一路電源來實現(xiàn)輸出功率的減半，但實踐證明，此種方法只會導(dǎo)致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源提早損壞。 線損補償功能目前常規(guī)的控制器很難做到，因為需要軟件設(shè)置，根據(jù)不同的線徑與線長給予自動補償。線損補償在低壓系統(tǒng)中其實是很重要的，因為電壓較低，線損相對比較大，如果沒有相應(yīng)的線損電壓補償，輸出端的電壓可能會低于輸

15、入端很多，這樣就會造成蓄電池提前欠壓保護，蓄電池容量的實際應(yīng)用率被打了折扣。值得注意的是，我們在使用低壓系統(tǒng)時，為了降低線損壓降，盡量不要使用太細的線纜，線纜也不要過長。 散熱很多控制器為了降低成本，沒有考慮散熱問題，這樣負載電流較大或者充電電流較大時，熱量增加，控制器的場管內(nèi)阻被增大，導(dǎo)致充電效率大幅下降，場管過熱后使用壽命也大大降低甚至被燒毀，尤其夏季的室外環(huán)境溫度就很高，所以良好的散熱裝置應(yīng)該是控制器必不可少的。2.6 LED燈的選擇太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標，一般太陽能燈具采用低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈、LED光源。根據(jù)實際情況和要求這次方案采用30W

16、LED路燈頭，可比原低壓鈉燈節(jié)能60%，其基本參數(shù)如下：表1 路燈頭基本參數(shù)品牌型號T830LEDL額電功率110W額定電壓DC12V相關(guān)色溫6500K±500KLED發(fā)光效率75-100lm/w環(huán)境溫度-2565相對濕度10%80%防塵防水等級IP65外形尺寸400*360*132（mm）光源壽命50000h2.7 LED燈燈桿的選擇 燈桿的選擇主要根據(jù)燈桿的材料、應(yīng)用環(huán)境等因素來進行確定,具體的燈桿的基本參數(shù)如下：（1)主體材料：全鋼結(jié)構(gòu)、整體熱鍍鋅/噴塑處理。（2）使用溫度：-30度至70度。 （3）抗風(fēng)力150Km/h。 (4)燈桿高度：7米。 （5）燈桿直徑：上方口的直徑5

17、0mm,下方口的直徑120mm。第三章 LED路燈的設(shè)計3.1 太陽電池方陣傾角和方位角的設(shè)計在光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計中，光伏組件方陣的放置形式和放置角度對光伏系統(tǒng)接受到的太陽輻射有很大影響，從而影響到光伏供電系統(tǒng)的發(fā)電能力。與光伏組件方陣放置的相關(guān)的有兩個角度參量：太陽電池組件傾角；太陽電池組件方位角。太陽電池組件傾角是太陽電池組件平面與水平面的夾角。光伏組件方陣的方位角是方陣的垂直面與正南面的夾角（向東偏設(shè)定為負角度，向西偏設(shè)定為正角度）。一般地，在北半球，太陽電池組件朝向正南（即方陣垂直面與正南的夾角為0°）時，太陽電池組件的發(fā)電量是最大的。 固定安裝的LED路燈系統(tǒng)涉及兩個重要的

18、方面，即如何選擇最佳傾角以及如何計算斜面上的太陽輻射。地面應(yīng)用的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，光伏組件方陣平面要朝向赤道，相對地平面有一定傾角。傾角不同，各個月份方陣接收到的太陽輻射量差別很大。因此，確定方陣的最佳傾角是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中不可缺少的重要環(huán)節(jié)。在獨立光伏系統(tǒng)中，由于受到蓄電池荷電狀態(tài)等因素的限制，要綜合考慮率光伏組件方陣平面上太陽輻射量的：（1） 連續(xù)性。一年中太陽輻射總量大體上是連續(xù)變化的。多數(shù)是單調(diào)升降，個別也有少量起伏，但一般不會大起大落。（2） 均勻性。選擇傾角，最好使方陣表面上的全年接收的日平均輻射量比較均勻，以免夏天接收輻射量過大，造成浪費；而冬天接受的輻射量太小，造成蓄電池過放

19、以至損壞，降低系統(tǒng)壽命，影響系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。（3） 極大性。選擇傾角時，不但要使方陣表面上的輻射量最弱的月份獲得最大的輻射量，同時還要兼顧全年日平均輻射量不能太少。（4） 同時，對特定的情況要作具體分析。如有些特殊的負載（灌溉用水泵、制冷機等）夏天消耗功率多，方陣傾角的取值當然應(yīng)使得方陣夏日接收輻射量相對冬天要多才合適。（5） 在這里我們采用近似的方法來確定傾角。一般的，在我國南方地區(qū)，方陣傾角可比當?shù)鼐暥雀?0°15°。由于廣州市地區(qū)緯度大約為23.13°，所以太陽電池方陣傾角Q=23.13°- 7°=16.13°（6） 方位角計算

20、：通過廣州市的基本氣象調(diào)查，一天中負荷的峰值時刻為 20:00，該地區(qū)的的經(jīng)度為東經(jīng)112°29114°24，所以方位角Q1=（一天中負荷的峰值時刻-12）×15+（經(jīng)度-116）=（20-12）×15+（150-116）=154°3.2 LED路燈系統(tǒng)中蓄電池數(shù)量的設(shè)計根據(jù)以上資料，可知太陽電池方陣傾角為16.13°，假設(shè)負載每天工作7小時來算的話，那么 3.2.1負載日耗電量的大小的計算 Q= P×h/V = 30×7/12 = 20(A·h)式中，V為蓄電池的額定電壓。 3.2.2滿足負載日用電的太

21、陽能電池組件的充電電流 I1 =Q×1.05/h/0.85/0.9 = 7.04(A) 式中，1.05 為太陽能充電綜合損失系數(shù)；0.85 為蓄電池充電效率；0.9 為控制器效率。 3.2.3蓄電池容量的確定及個數(shù)的計算 跟據(jù)廣州市最長連續(xù)陰雨天數(shù)為五天（另加陰雨天前一夜的用電，共6天），假如蓄電池的放電深度a=75%。則蓄電池的電池容量為 C =6×Q/a =20Ah×（51）÷75% = 160(A·h) 式中，0.75 為蓄電池放電深度 每個蓄電池都有自己的標稱電壓，為了達到負載工作的標稱電壓，需要將蓄電池串聯(lián)起來給負載供電，串聯(lián)蓄電池的

22、個數(shù)等于負載的標稱電壓除以蓄電池的標稱電壓。蓄電池串聯(lián)數(shù)=負載標稱電壓÷蓄電池標稱電壓=12V÷12V=1個。蓄電池并聯(lián)數(shù)=蓄電池總?cè)萘?#247;所選單個蓄電池的容量=160Ah÷80Ah=2個。所以該路燈系統(tǒng)需要使用12V/80Ah的蓄電池的個數(shù)為2個。 3.3 LED路燈系統(tǒng)中太陽電池組件的設(shè)計 3.3.1太陽電池方陣的輸出電流的計算根據(jù)基本氣象資料可知,傾斜面上年輻射量為1393-1625kWh/ 年日輻射量12702kj/ 。全年平均日照時數(shù)為3.52h 則太陽電池方陣應(yīng)輸出的最小電流為： Imin=20÷（Tm×a1×a2

23、）=20÷（3.52×0.85×0.9）=7.40A。式中Q為負載每天總耗電量 ；a1表示蓄電池充電效率；a2表示方陣表面灰塵遮蔽損失。同時，由于傾斜面上各月中最小的太陽總輻射量可算出各月中最少的峰值日 Imin。對應(yīng)最少峰值日照數(shù)，太陽電池方陣輸出的最大電流為：Imax=20÷（Tmin×a1×a2）=20÷（7.40×0.85×0.9）=3.53A 3.3.2太陽電池方陣最佳電流的確定方陣的最佳電流介于Imin和Imax之間，具體數(shù)值可用嘗試法確定。先選定一電流值I，然后對蓄電池全年荷電狀態(tài)進行檢驗，

24、方法是按月求出方陣輸出的發(fā)電量： Qot=I×N×Ht×a1×a21/000w/m/m式中：N為當月天數(shù)。而各月負載耗電量為： Qload=N·Q兩者相減，Q=Qout-Qload為止，表示該月方陣發(fā)電量大于耗電量，能給蓄電池充電，若Q為負，表示該月方陣發(fā)電量小于耗電量，要用蓄電池儲存的能量來補足，但由于沒有太陽電池方陣每月的輻照量而無法計算出方陣各月輸出電量及負載耗電量以及蓄電池的荷電狀態(tài)，因此將太陽電池方陣應(yīng)輸出的最小電流作為太陽電池方陣最佳電流 I=7.40。如果蓄電池全年荷電狀態(tài)低于原電的放電深度，就應(yīng)增加方陣輸出電流；如果荷電流狀態(tài)始

25、終大大高于放電深度的值，則可減少方陣電流。當然也可以相應(yīng)的增加或減少蓄電池的容量。如果有必要，還可以修改方陣傾角，以求得最佳的方陣輸出電流Im。 3.3.3太陽電池方陣輸出電壓的計算方陣的電壓輸出要足夠大，以保證全年能有效地對蓄電池充電。方陣在任何季節(jié)的工作電壓應(yīng)滿足：V = Vf + Vd 式中Vf表示蓄電池浮充電壓，Vd表示因線路（包括阻塞二極管）損耗引起的電壓降）。若單只鉛酸蓄電池工作電壓為12V，故需6個單體電池串聯(lián)才可滿足系統(tǒng)的工作電壓12V。每只單體鉛酸電池的工作電壓為：2.02.35，取線路壓降：Vd=0.8V，則方陣工作電壓為：V = Vf + Vd =6×2.35+

26、0.8=14.9V 3.3.4太陽電池方陣的功率的計算 由于溫度升高時，太陽電池的輸出功率將下降，要求系統(tǒng)即使在最高溫度下也能確保正常運行，所以在標準測試溫度下（25°）方陣的輸出功率應(yīng)為： P=IV/1-a(tmax-25)=6.86×14.9/1-0.5%(60-25)=98.90W 式中：a為太陽電池功率的溫度系數(shù)，對一般硅太陽電池，a=0.5%，設(shè)tmax=60°為太陽能電池最高工作溫度。 根據(jù)上述太陽電池板的規(guī)格，取P=100W，用兩塊50W的單晶硅太陽能電池通過串聯(lián)的方式連接起來就能滿足要求。第四章 太陽能路燈的安裝示意圖太陽能led路燈是新農(nóng)村建設(shè)中常用到的路燈，在進行安裝的時候，需要先進行筑基，打下良好堅實的基礎(chǔ)，然后再將線桿樹起，鏈接上led燈具和太陽能電池板，并且將太陽能電池板與蓄電池相連接，然后再進行調(diào)控。調(diào)控完畢后即可進行使用。圖2 太陽能路燈安裝示意圖參