光伏发电路灯系统课程设计50W太阳能LED路灯照明系统设计.doc

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1、 光伏技术与工艺课程设计 课程名称： 光伏技术与工艺 题 目：50W太阳能LED路灯照明系统设计 系 部： 电气工程系 专业班级： 10光伏发电 学 号： 39 学生姓名： whn 起讫日期： 2012、6、4 2012、6、9 指导教师： LSW 目 录一、 设计目的及意义 1、背景 2、设计目的 3、设计意义二、太阳能路灯的应用优势三、设计要求四、设计思路及其设计原则 五、太阳能路灯照明系统介绍 （一）系统组成与原理 （二）光源 （三）蓄电池 （四）控制器 （五）太阳电池组件六、计算及选型 （一）计算 （二）选型七、施工八、心得体会一、设计目的及意义1、背景在当今能源短缺的现状下，各国都加

2、紧了发展光伏的步伐。美国提出“太阳能先导计划”意在降低太阳能光伏发电的成本，使其2015年达到商业化竞争的水平；日本也提出了在2020年达到28GW的光伏发电总量；欧洲光伏协会提出了“setfor2020”规划，规划在2020年让光伏发电做到商业化竞争。在发展低碳经济的大背景下，各国政府对光伏发电的认可度逐渐提高，光伏发电显得越来越重要。自从实用性的硅太阳电池问世以来，世界上很快就开始太阳能光伏发电的应用。发展初期，因太阳电池价格昂贵，光伏发电主要限于在空间为卫星供电。随着太阳电池技术提高，价格下降，光伏发电逐渐在地面得到应用，规模也日益扩大。 从1958年美国发射的卫星上首次使用太阳电池开始

3、，至今全世界发射的4000余颗卫星，90以上采用光伏发电系统供电。所用太阳电池，大部分为硅单晶电池，近来开始采用砷化镓和磷化铟电池。太阳电池方阵组装方式有体装式和帆板式两种，功卒小至数瓦，大至上千瓦、几十千瓦。空间光伏发电用的太阳电池要求，转换效率高，重量轻，耐辐照性能好，温度系数小等，今后发展重点是薄膜太阳电池。 在卫星上成功地实现光伏发电后，人们自然会提出建造空间电站的设想，利用空间太阳辐射强、不受昼夜、气候、季节影响的有利条件，在空间将太阳能转换为电能，再用微波或激光传输到地面。光伏发电用于地面之后，因价格贵而首先在一些特殊领域获得应用，如海上导航，牧区电围栏，微波通讯，管道阴极保护等。

4、随着价格的下降，光伏发电逐渐扩大应用领域，目前主要用于以下四个方面： 消费性产品，如非晶硅太阳电池供电的计算器，太阳能钟表，太阳能照明灯具，太阳能收音机、电视机等，这类产品约占世界光伏产品销售量的14；远离电网居民供电系统，包括家庭分散供电和独立光伏电站集中供电，其占世界光伏产品销售量的35；离网工业供电系统，其占世界光伏产品销售量的33；并网光伏发电系统，其占世界光伏产品销售量的18。 随着光伏发电规模的扩大，井网发电系统将快速发展。光伏发电在发展中国家也得到了一些应用，但应用重点是小型系统，主要解决无电或严重缺电地区家庭用电的需要。 随着国内光伏产业规模逐步扩大、技术逐步提升，光伏发电成本

5、会逐步下降，未来国内光伏容量将大幅增加。中国已将新能源产业上升为国家战略产业，未来10年拟加大对包括太阳能在内的新能源产业投资，以减少经济对石化能源依赖和降低碳排放。未来五到十年中国光伏发电有望规模化发展。2、设计目的 （1）利用太阳能路灯的应用优势了解太阳能路灯。 （2）提高利用已学知识分析和解决问题的能力。 （3）把理论知识与实践相结合，充分发挥个人能力，并在实践中锻炼。 （4）学习并了解太阳能路灯的工作原理与一般路灯的区别。 （5）加强对光伏技术与太阳能路灯的认识，充分掌握和理解设计各部分的工作原理、设计过程、选择设备、模块化设计等多项知识。 （6）利用实验装置模拟太阳能路灯 （7）结合

6、理论与实践，正确选择LED太阳能路灯的安装地点以及环境要求。 （8）根据计算，选择合理的设备，以保证LED太阳能路灯正常安全运行。3、设计意义太阳能本世纪人类的主要能源之一。到2030年，世界电力生产将主要依靠太阳能。太阳能作为一个不污染环境，又取之不尽的新能源将无处不在。太阳能光电产品是通过太阳在光的作用下，转化为电能的过程，是一种利用高新技术研制的新能源，是21世纪人类所向往、所追求的新光源太阳能路灯既可用于城镇公园、道路、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道路照明问题。光伏发电不消耗燃料

7、，不受地域限制，规模大小随意，可以独立发电或并网发电，无噪声、无污染，建设周期短，不用架设输电线路，安全可靠，维护简便，可以无人值守，具有其它发电方式无可比拟的优点。它是大规模利用太阳能的重要技术基础。 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是无处不在。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到重视。这样，太阳能照明产品随着太阳能热水器普及之后应运而生，在这里就太阳能路灯和使用市电路灯的效果作实用对比。初期费用贵，但是运行费用低于普通灯具绿色环保，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。

8、二、太阳能路灯的应用优势 太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，它具有绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有特性。与市照明灯具相比具有以下主要优势： （1）市照明灯具安装复杂，线路容易出故障，维修检查较困难。 太阳能照明灯安装简便，不用铺设复杂的线路，维修检查简单。（2）市照明灯具电费高昂，要长期不断对线路和其他配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。 太阳能照明灯具免电费，只需一次性投入，无任何维护成本三年收回成本，长期受益。（3） 市电照明灯具有安全隐患，由于施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。 太阳能照明没有安全隐患，太阳能灯具是超

9、低压产品，运行安全可靠，产品使用寿命长。（4）节能，它利用自然光源，无需消耗电能，而且取之不尽用之不完。（5）环保，符合绿色环保要求，无污染、无辐射，保护生态。 （6）安全，由于产品不使用交流电，而且采用蓄电池吸收太阳能，通过低压直流电转化为光能，是最安全的电源。（7） 科技含量高，产品的核心装置是智能控制器，设置的自控、时控开关装置可根据一天24小时内的天空亮度和人们在各种环境中需要的亮度自动调节。三、设计要求：LED太阳能路灯光源功率为 50W,工作电压为直流 24 V。要求路灯每天工作 9h,保证连续 10个阴雨天能正常工作。南昌市区地处北纬2810 、东经 11567 ，海拔 46.7

10、m ，全年平均日照时间 3.81h 。昌北地区主干道宽 m，长 km。四、设计思路及其设计原则 1、设计思路：太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。首先是根据用电负载（LED光源）的用电量，确定太阳能组件的功率，然后确定蓄电池的容量，再进行电气设计、光源设计和设备选型，最后进行系统的结构设计，设计中要确保太阳能LED路灯运行的稳定性和可靠性。2、设计的原则：对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题： （1）从功能上,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升城市形象。（2）在满足道路照明各项功能需要的基础

11、上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。（3）另外还要结合当地的光资源情况。 五、太阳能路灯照明系统介绍 （一）系统组成与原理组成：LED太阳能路灯照明系统由太阳能电池组件、LED光源、控制器、蓄电池和灯杆支架等几部分构成。 原理：如图所示，太阳能路灯是利用太阳能电池板，白天接收太阳辐射能并转化为电能，经过控制器储存在蓄电池中，夜晚控制器动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电若干小时后，控制器动作，蓄电池放电结束。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。在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并有短路保护、

12、反接保护等。（二）光源光源应尽量选直流光源。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。LED 作为半导体光源，其发展势头强劲，是太阳能路灯最为理想的光源。本系统采用LED光源，结合本地的实际情况，我们采用高效太阳能LED路灯（光源功率 W，DC V）。（三）蓄电池蓄电池功能：将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到夜晚需要照明的时候再释放出来。同时应保证阴雨天时可提供若干天路灯夜间照明的用电需要。1 类型选择1）铅酸(CS)蓄电池：适于低温高倍率放电，比能量偏低，目前大部分太阳能路灯采用。密封免维护，价格低。注意防止铅酸污染，应逐步淘汰。2）镍镉(Ni-Cd)蓄电池：放电倍率

13、高、低温性能好，循环寿命长，小型系统采用。注意防止镉污染。3）镍氢(Ni-H)蓄电池：高倍率放电，低温性能好，价格便宜，无污染，为绿色环保电池。小型系统采用。要大力提倡目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池，普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。2容量选择蓄电池容量过小，不能满足夜晚照明的需要；容量过大，蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，也造成浪费。蓄电池容量(Ah)与负载容量（Ah）之比宜在36倍以上：连续阴雨天数较少地区约为34倍以上，连续阴雨天数 较多地区约为56倍以上。蓄电池容量应根据实际情况，考虑相关系数的添加，计算出合理的容量。（四）控制器太阳能路灯的运行由控制器来控制。控制器大都实

14、现了智能控制控制器应具有以下功能：1路灯控制光控、时控、温控等功能供选择。具有调光(或半夜灯)功能2蓄电池管理对蓄电池充放电条件加以限制，延长其使用寿命：1) 防反充电控制：2) 防过充电控制：3) 防过放电控制；4) 温度补偿。3自动保护太阳电池反接保护、蓄电池反接保护、蓄电池开路保护、夜间防反充保护、输出短路保护等。4数码显示显示太阳能路灯主要参数：蓄电池电压、太阳电池光伏电压等。5控制器电压 控制器电压=蓄电池电压。6. 控制器种类太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用。常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬控制型等，但由于其工作原理不同，

15、各有优缺点。单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作。采用时钟控器型的路灯控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。经纬型控制器采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点，克服了光控开关易受干扰的缺点，取钟控

16、器时间准确之长处，克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格较高，在路灯中使用将会增加成本。（五）太阳电池组件l.类型太阳能电池将太阳能转换为电能。较实用的有单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池等三种。1) 单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定适合在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区使用；2) 多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低适合在太阳光充足、日照好的东西部地区使用；3）非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低，适合在室外阳光不足的地区使用。2工作电压太阳能电池的工作电压约为蓄电池电压的l.5倍，才能保证给蓄电池正常充电。如给6v蓄电池充

17、电需要用89V太阳能电池,给12V蓄电池充电需要用1518V太阳能电池。给24V蓄电池充电需用3336V太阳能电池。3.输出功率太阳能电池一般由多个太阳能单元电池串联组成，其容量取决于照明光源、线路传输部件所消耗的总功率以及当地太阳能辐射能量。太阳能电池组输出功率宜为光源功率的35倍以上：光照丰富、开灯时短地区为(34)倍以上，反之为(45)倍以上。4.太阳能池组选择和安装路灯杆一般在5m以上，重心较高，大部分太阳电池板都是悬挂式，为增强整套设备的抗风力，一般选择多块太阳电池板组成所需要的组件功率。六、 计算及选型 （一）计算1、 日均耗电量 = =光源工作电流光源日工作时间（Ah）2、蓄电池

18、容量 =（Ah）3、太阳电池组件的输出电流=（A）4、太阳电池的输出功率=太阳电池输出电压输出电流（W）5、太阳电池板倾角设计城市纬度最佳倾角（0）年平均日照时间（h）城市纬度最佳倾角（0）年平均日照时间（h）哈尔滨45.68+34.4杭州30.23+33.42长春43.90+14.8南昌28.67+23.81沈阳41.77+14.6福州26.08+43.46北京39.8+45济南36.68+64.44天津39.10+54.65郑州34.72+74.04呼和浩特40.78+35.6武汉30.63+73.80太原37.78+54.8长沙28.20+63.22乌鲁木齐43.78+124.6广州23

19、.13-73.52西宁36.75+15.5海口20.03+123.75兰州36.05+84.4南宁22.82+53.54银川38.48+25.5成都30.67+22.87西安34.30+143.6贵阳26.58+82.84上海31.17+33.8昆明25.02-84.26南京32.00+53.94拉萨29.70-86.7合肥31.85+93.696、抗风设计计算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。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。（二）选型通过计算可知，所选设备为：如下表所示：表1 太阳能LED路灯的配置方案序号配件名称规格单位数

20、量备注1太阳能电池组件W块单晶硅或多晶硅2蓄电池V/Ah块铅酸蓄电池3光源W LED只暖白色4充放电控制器V/A台过充电、过放电保护5灯杆m根热镀锌、喷塑表2 结构系统参数灯管高度m组件支架优质钢材光源度m表面处理热镀锌设计灯管间距m灯管预埋件优质圆钢设计安装数量套灯杆基础C25混凝土浇筑灯杆材料优质冷轧薄板 七、施工单臂灯的工程安装步骤如下：（1） 灯杆在运输时应采用塑袋封闭的包装形式，捆绑形式采用矩形包，中间用钢包带捆扎。灯盘运输时采用装箱运输形式。（2） 当灯具运至施工现场后，开箱复检配件是否齐全。（3） 利用5T起吊将灯杆吊起，安装灯臂、太阳能电池板以及灯具，并保证螺钉紧固到位。太阳能

21、电池组件和灯具在安装前应进行必要的测试，在灯杆吊起前，对安装后的太阳能电池组件以及灯具进行系统的测试，以检验安装的正确性。（4） 调整灯臂、灯杆的角度，确保灯臂、道路纵向成90（5）调整灯臂、灯杆的角度，确保灯具的投射角度垂直向下。（6） 利用5T汽吊进行单臂灯的灯杆的整体吊整，并使灯杆的地板法兰与基础预埋件准确的对位。（7） 安装控制器、蓄电池组。（8） 在吊装的同时，各测试人员用经纬仪对中、高杆灯进行垂直测试，使垂直偏差不超过设计允许偏差，并符合国家有关标准规定。（9） 各部位根据设计要求接线，此接线必须符合电气安装规范要求。 （10） 整体试灯兵再次调整灯具投射角度，使其达到设计的规范要

22、求。注意事项：太阳能路灯的硬件固然重要，太阳能路灯的安装施工、工程管理和质量控制也是非常重要的。太阳能路灯安装在室外，应当注意如下问题：（1）太阳能路灯所有外露部分的防腐； （2）太阳能路灯所有连接部件的抗风；（3）太阳电池板的防鸟；（4）太阳电池板的防盗；（5）路灯进出线和控制室的防雨；（6）蓄电池的冬季保温和夏季降温；（7）蓄电池室的透气；（8）蓄电池室的防水；（9）蓄电池的防盗；（10）灯具的防雨、防虫、防雹；（11）灯具要便于维修和更换。下图为典型的太阳能路灯安装结构图 八、心得体会 经过一周的课程设计，我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题全面的锻炼，是原来的理论知识得到具体

23、时间。LED太阳能路灯作为新能源科技，它不仅在技术上提高了水平，还在能源、生活中取得赞许。LED太阳能路灯使用太阳电池供LED蓄电池充电。然而正是因为太阳电池的成本跟效率阻碍了太阳能光伏发电的发展，日后需在这两方面加以解决，以提高LED太阳能路灯的广泛利用。在这学期理论学习的基础上,又下了一次苦工夫,算是明白了设计一个系统的过程;也让我体会到要想成功地设计某个东西,仅学好专业知识是不够的,必须要系统的知识,无论在哪方面都要有个明白的概念,只有这样才不至于在设计过程中摸不着头脑,知道去哪些是需要查的资料。我体会到学习理论知识固然重要,但在学完了之后,必须在实践中运用你所学的知识,这样才能够巩固学过的知识，达到融会贯通。如果不是这样,过一段时间后,你可能什么都记不起来了,或许在心里只有一个概念,认为这个知识我曾经学得不错,我现在怎么想不起来了,一心想依赖课本，这样下去是很危险的，我们必须避免这种情况的发生。因此，时间便成了检验知识巩固知识的最佳方法，我们必须坚持。