太阳能路灯光伏电池选型研究毕业论文.doc
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1、太阳能路灯光伏电池选型研究摘 要 全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖等问题正日益困扰着人类社会,“寻求绿 色替代能源,实现可持续发展”已成为世界各国面临的共同课题。太阳能光伏不排放 CO2 和 SO2,也没有常规发电的噪音、固体废物和其他污染,是当前最重要的可再生能 源技术之一。随着太阳能发电技术的不断发展,太阳能路灯以环保、节能、安全等优 势成为城市道路照明行业的新宠,市场潜力巨大。在不同地区,诸如城市或乡村,对 太阳能路灯照明密度的要求不同,本论文主要通过研究太阳能路灯及太阳能电池的工 作原理,太阳能电池的基本特性。根据不同的要求主要从实用性和经济性方面考虑选 择出适合本地区需求的相应容
2、量的太阳能光伏电池以及太阳能光伏电池配置。 关键词 :太阳能路灯,光伏电池,优化配置 Study on the Selection of photovoltaic cells solar street lamp Abstraet Global energy shortages, environmental pollution, climate warming and other issues are increasingly troubled by the human society, to find the green alternative sources of energy and ac
3、hieve sustainable development has become a common task facing all countries in the world. Solar PV does not emit CO2 and SO2, there is no noise of conventional power generation, solid waste and other pollution, is the most important renewable energy technologies. With the continuous development of s
4、olar power technology, solar energy street lamp to environmental protection, energy saving, security and other benefits to become the new darling of city road lighting industry, the market has great potential. In different regions, such as cities or rural areas, the density of solar street lighting
5、requirements are different, this thesis by studying the solar lights and solar cell works, the basic characteristics of solar cells. According to different requirements, mainly from the practical and economic considerations demand for choice in the region suitable for the corresponding capacity of s
6、olar photovoltaic cells and solar photovoltaic cells configured. Keywords :solarl light, PV, optimization 2 目 录 1 绪论4 1.1 我国太阳能资源及分布4 1.2 国内外光伏发电发展现状4 1.2.1 世界光伏产业的新进展及应用特点4 1.2.2 我国光伏产业发展现状5 1.2.3 光伏电源的优势5 1.3 太阳能路灯的组成及发展现状6 1.3.1 太阳能路灯的组成6 1.3.2 太阳能路灯的发展现状6 1.4 论文的主要研究内容7 1.4.1 论文的研究内容7 1.4.2 论文的主
7、要创新之处7 2 太阳能路灯的优化设计7 2.1 太阳能路灯的工作原理7 2.2 太阳能电池的特性与应用8 2.2.1 太阳能电池的结构及工作原理8 2.2.2 太阳能电池的基本特性9 2.2.3 影响太阳能电池输出的因素11 2.3 不同地区因地制宜选择相应的太阳能路灯配置11 2.3.1 太阳能路灯配置的一般步骤11 2.3.2 某花园小区太阳能路灯光伏电池的选型12 2.3.3 某地区太阳能路灯光伏电池的选型 12 2.3.4 某道路人行道太阳能路灯光伏电池选型研究15 2.3.5 3 结论16 参考文献18 致谢19 1 绪 论 1.1 我国太阳能资源及分布 我国幅员广大,有着十分丰富
8、的太阳能资源。按接受太阳能辐射量的大小,全国大 致上可分为五类地区。一类地区 为我国太阳能资源最丰富的地区,年太阳辐射总量 66808400 MJ/,相当于日辐射量 5.16.4KWh/。这些地区包括宁夏北部、甘肃 北部、 新疆东部、 青海西部和西藏西部等地。 尤以西藏西部最为丰富, 最高达 2333 KWh/ (日辐射量 6.4KWh/) ,居世界第二位,仅次于撒哈拉大沙漠。 二类地区 为我国 太阳能资源较丰富地区,年太阳辐射总量为 5850-6680 MJ/,相当于日辐射量 4.5 5.1KWh/。这些地区包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、 青海东部、 西藏东南部和
9、新疆南部等地。 三类地区 为我国太阳能资源中等类型地区, 年太阳辐射总量为 5000-5850 MJ/,相当于日辐射量 3.84.5KWh/。主要包括山 东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃 东南部、广东南部、福建南部、苏北、皖北、台湾西南部等地。 四类地区 是我国太 阳能资源较差地区, 年太阳辐射总量 42005000 MJ/, 相当于日辐射量 3.23.8KWh/ 。这些地区包括湖南、湖北、广西、江西、浙江、福建北部、广东北部、陕西南部、 江苏北部、安徽南部以及黑龙江、台湾东北部等地。 五类地区 主要包括四川、贵州 两省,是我国太阳能资源最少的地区,年
10、太阳辐射总量 33504200 MJ/,相当于日 辐射量只有 2.53.2KWh/。 1.2 国内外光伏发电发展现状 1839 年法国学者贝克勒尔发现光伏效应, 1954 年美国贝尔实验室的三位科学家首 次制成实用的单晶硅太阳电池。在可再生能源中,太阳能光伏发电产业是全球发展最 快的新兴产业之一。最近 10 年太阳电池产量年平均增长率为 37%,最近五年的年平均 增长率为 45% 1.2.1 世界光伏产业的新进展及应用特点 4 1997 年,美国提出“百万太阳能光伏屋顶”计划,预计 2010 年完成。同年,日 本提出“新阳光计划” ,到 2010 年将生产 43 亿瓦光伏电池。同年,欧盟提出“
11、百万光 伏屋顶计划”1999 年,德国实施“十万光伏屋顶计划” ,并实行低息贷款。近年发达 国家还制定了“光伏研发路线图” 。 在光伏应用和安装方面,德、日、美依然是世界上三个最主要的光伏应用市场。 2005 年全球安装太阳电池组件 1460MW,比前一年增长了 34%。德国安装 837MW,比前 一年增长了 53%;占世界安装量的 57%;日本安装 292MW,比前一年增长了 14%,占世界 安装量的 20%;美国安装 102MW,占世界安装量的 7%;欧洲其它地区安装 88MW,占世界 安装量的 6%;世界其它地区安装 146MW,占世界安装量的 10%。 1.2.2 我国光伏产业发展现状
12、 1958 年,我国开始研究太阳电池。1971 年,首次将光伏电池成功应用于东方红 2 号卫星。1973 年,开始太阳电池地面应用。从上世纪 70 年代初到 80 年代末,由于 成本高,太阳电池在地面的应用非常有限。90 年代以后,随着成本的降低,太阳电池 向工业领域和农村电气化应用方向发展。市场稳步扩大,国家和地方政府开始制订光 伏计划。2002 年,国家发改委启动了“送电到乡”项目,使得中国的光伏市场迅速发 展起来,总装机容量从 2001 年的 23500KW 迅速增长到 2002 年的 45000KW,至 2003 年 达到 55000KW。20032005 年,受德国巨大的市场需求影响
13、,国内光伏企业产能迅速 扩展,产量迅速增长。 1.2.3 光伏电源的优势 (1)可靠。光伏电源很少用到运动部件,工作可靠。目前己有数千套光伏系统的运 行经验,晶体硅的寿命可达 20 年以上, (2)安全、无噪声及其它公害。不产生任何的固体,液体和气体有害废弃物,噪音 几乎没有,无环境污染和公害问题。 (3)安装维护简单,运行成本低,适合无人值守等优点。 (4)兼容性好,光伏发电可以与其他能源配合使用,也可以根据需要而使光伏系 5 统任意增容。 (5)标准化程度较高,可由组件的串并联满足不同用电的需要,通用性强。 (6)太阳能无处不有,应用范围广。 1.3 太阳能路灯的组成及发展现状 随着我国太
14、阳能技术的迅速发展, 太阳能灯具产品在环保节能的双重优势已经逐渐 显现太阳能路灯的应用也日见普及,太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。 1.3.1 太阳能路灯的组成 太阳能路灯由以下几个部分组成:太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光 源、灯杆及灯具外壳。 太阳能电池板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,或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有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能 电池等三种。在太阳光充足日照好的东西部地区,采用多晶硅太阳能电池为好,因为 多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单,价
15、格比单晶低。在阴雨天比较多、阳光相对不 是很充足的南方地区,采用单晶硅太阳能电池为好,因为单晶硅太阳能电池性能参数 比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好,因为非晶硅太阳能电 池对太阳光照条件要求比较低。 太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。 为了延长蓄电池的 使用寿命, 必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。 在温差 较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。 同时太阳能控制器应兼有路灯控制 功能,具有光控、 时控功能,并应具有夜间自动切控负载功能,便于阴雨天延长路灯工作 时间。 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
16、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。 1.3.2 太阳能路灯的发展现状 6 随着太阳能光伏发电技术的迅猛发展,太阳能路灯很快在广大城市和农村得到了 推广和应用,尤其是在没有电网的农村得到广泛的重视,并且取得了成功。 同时,在许多 已经敷设了电力线路的城市道路上也开始安装太阳能路灯。 1.4 论文的主要研究内容 1.4.1 论文的研究内容 (1)结合当地的天气情况,选择出合适的光伏电池型号、数目、连接方式。 (2) 在不同地区,诸如城市或乡村,对太阳能路灯照明密度的要求不同,根据不 同的要求选择出适合本地区需求的相应容量的太阳能光伏电池。 (3 )从实用性和
17、经济性两方面考虑选择出适应本地区的太阳能光伏电池配置。 1.4.2 论文的主要创新之处 通常生产厂家生产的太阳能路灯其配置是固定的,而不同地区根据不同需求对其 配置要求不同,若使用普通厂家生产的通用太阳能路灯配置,不仅会浪费一次能源, 还大大增加了经济开支。此论文通过研究选择出适合本地需求的太阳能路灯光伏电池 容量,既能节约资源,又能减少不必要的经济开支。 2 太阳能路灯的优化设计 2.1 太阳能路灯的工作原理 系统工作原理简单,其原理结构图如图 1,利用光生伏特效应原理制成的太阳能 电池,白天太阳能电池板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
18、10Lux 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位后动作,蓄电池对灯头放电。蓄电池放电 10 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保护蓄电池。 7 图1 2.2 太阳能电池的特性与应用. 太阳能路灯控制原理结构图 2.2.1 太阳能电池的结构及工作原理 太阳能电池通常由半导体硅材料制成。 其作用是把太阳能直接转换为直流形式的 电能,是光伏阵列中光电转换的最小单元。由于单个太阳电池的功率极小,因此一般 不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封 装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池
19、组件经过相应的串、并联 后构成。 图2 硅太阳电池结构 图 2 所示的硅电池,它的基体材料为 P 型单晶硅,厚度在 0.4mm 以下。上表面层 为 N 型层,是受光层,它和基体在交界面处形成一个 P 一 N 结。在上表面上加有栅状 金属电极,可提高转换效率;另外,在受光面上,覆盖着一层减反射膜,它是一层很薄 8 的天蓝色氧化硅薄膜,用以减少入射太阳光的反射,使太阳电池对入射光的吸收率达 到 90%以上。 太阳电池的工作原理为:当太阳光照射 P 一 N 结时,在半导体内的电子由于获得 了光能而释放电子,相应地便产生了电子-空穴对,并在势垒电场的作用下,电子被驱 向 N 型区,空穴被驱向 P 型区
20、,从而使 N 区有过剩的电子,P 区有过剩的空穴;于是就 在 P 一 N 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势 垒电场,其余部分使 P 型区带正电、N 型区带负电;于是就使得 N 区与 P 区之间的薄层 产生了电动势,即光生伏电动势。当接通外电路时,便有电能输出。这就是太阳能电 池发电的基本原理。 2.2.2 太阳能电池的基本特性 (1)太阳能电池数学模型 当光照恒定时, 由于光生电流不随光伏电池的工作状态而变化, 因此在等效电路 中可以看作是一个恒流源。光伏电池的两端接入负载 R 后,光生电流流过负载,从而 在负载的两端建立起端电压 V。负载端电压反作用于光伏电
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