太阳能1kW照明系统毕业设计.docx
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太阳能1kW照明系统毕业设计
摘要
社会不断发展，一次性能源越发匮乏，全球性的能源紧缺问题日趋严重，开发利用新能源对社会的发展有重要意义。
利用太阳能发电照明，不仅可以减缓一次性能源的消耗速度，还对社会经济的发展有重大促进作用。
设计一个独立的太阳能照明系统，首先要了解太阳能照明系统的结构，对太阳能照明系统中的太阳能电池、蓄电池、太阳能电池组件支架、控制器以及灯具等作一个详细的分析、比较，再根据光伏发电的原理特性、蓄电池的充放电特性等系统的详细计算分析，得出系统的参数，根据参数选择系统所需的合适器件。
系统采用环保、节能的大功率白光LED作为照明灯源以及PWM智能控制器，使得太阳能照明系统能自动控制充放电以及负载功耗，降低了系统能量消耗。
关键词：
太阳能照明系统，光伏发电，智能控制，LED灯
1kWsolarlandscapelightingsystem
Abstract
Socialdevelopment,one-timeenergyincreasinglyscarce,andtheglobalenergyshortageproblemincreasinglyserious,thedevelopmentandutilizationofnewenergyhasimportantsignificancetothedevelopmentofthesociety.Useofsolarpowerlighting,canslowtheone-offenergyconsumptionnotonly,alsohavesignificantpromotingeffectonthedevelopmentofsocialeconomy.Designaseparatesolarlightingsystem,mustfirstunderstandthestructureofsolarlightingsystem,solarcellsinsolarlightingsystem,battery,solarmodules,controllers,andlampsandlanternsmakeadetailedanalysisandcomparison,andthenbasedontheprincipleofphotovoltaicpowergenerationcharacteristics,thedetailedcalculationofbatterycharginganddischargingcharacteristicsofthesystemanalysis,toobtaintheparametersofthesystem,chooseappropriatedevicesrequiredbythesystemaccordingtoparameters.Systemusestheenvironmentalprotection,energysavinghighpowerwhiteLEDaslightsourceandPWMintelligentcontroller,makingsolarenergylightingsystemcanautomaticallycontrolchargeanddischargeandloadpowerconsumption,reducethesystemenergyconsumption.
Keywords:
solarlightingsystems,photovoltaicpowergeneration,intelligentcontrol,LEDlights
第一章绪论
1.1世界能源与环境的问题
能源是人类生产、生活的基础，是人类经济及文化活动的动力来源。
从原始社会开始直至科技发达的现代社会，人类不断地从自然界索取，探求适合生存和发展的各种能源，石油、煤炭、天然气等化石能源一直是人类所用能源的主要来源。
随着社会经济的发展、人类生活水平的不断提高、人类文明的建设都是建立在对能源的消耗上。
从20世纪至今的，人类所消耗的一次性能源主要包括石油、煤炭和天然气等化石能源。
这些化石能源本质上都是由千百万年前太阳辐射到地球上的光能中的一部分储存在古生物体中转化而成的。
由于社会的发展和人口的增长，能源需求日益增加，近几百年来人类社会的发展已经消耗了地球上大部分的不可再生能源，并且随着社会的发展、人口的增加，未来世界人类消耗能源的总量将持续增长，全球的化石能源总有一天将会消耗殆尽。
此外，大量燃烧化石能源造成大气污浊以及其他类型环境污染和生态破坏，严重威胁人类的生存与发展。
目前，酸雨和地球温室效应的产生都是燃烧化石能源所排放出的含氧硫化物和二氧化碳直接造成的，如今全球每天产生约1亿吨的CO2气体，严重影响了全球的气候条件。
如果不控制CO2气体的排放量，温室效应将融化地球两极的冰川，这可能会引起全球海平面上升几米高度，四分之一的人类生活空间将因此而受到严重威胁。
此外，严重的环境污染还会导致严重的社会问题，如水污染使水环境恶化，导致饮用水源的质量下降，人的身体健康受到严重威胁；城市的空气污染造成人类的各种怪病发病率升高，引起胎儿早产或畸形等等。
根据世界能源权威机构的分析，截至2002年年底止，按已经探明的化石能源储量以及开采速度来计算，全球石油剩余可采年限仅有40.6年，其年占世界能源总消耗量的40.5%，国内剩余可开采年限为20.1年；天然气剩余可采年限60.7年，其年占世界能源总消耗量的24.1%，国内剩余可开采年限49.3年；煤炭剩余可采年限204年，其年占世界能源总消耗量的25.2%，国内剩余可开采年限114.5年；铀剩余可采年限71年，其年占世界能源总消耗量的7.6%，国内剩余可开采年限为50年。
可见全球可开采的各种一次能源储量已经很少，与世界相比，中国各种一次能源资源都比世界平均水平低，中国面临的能源需求问题更加严峻。
图1.1所示为全球能源总消耗量结构图。
图1.1全球能源总消耗量结构图
进入21世纪后，世界的发展迎来全球较大的转折期，即面对地球环境问题和能源枯竭问题。
地球生存环境的快速恶化与人类文明的高度发展己经形成一对十分突出的矛盾，这是全世界能源工作者所面临的严峻命题和挑战。
如何保护好人类赖以生存的地球生态环境同时又能合理地开发和利用能源，已经成为了一个全球性的大问题。
形势是非常严峻的，在环境保护和资源有限的双重要求制约下发展经济，这就要求我们必须寻求绿色可再生的清洁能源作为替代能源。
所以，人类要实现可持续发展所必须采取的措施是开发利用各种绿色能源和可再生能源。
从能源供应和符合可持续发展战略的多种因素考虑，太阳能是最理想的绿色能源。
根据权威专家的预测，太阳能将是21世纪最重要的能源之一。
1.2太阳能照明的意义、现状以及发展前景
1.太阳能照明的意义
近年来，随着世界经济的快速发展，石油、天然气等一次能源已经日益匮乏，据估计，地球上现有已探明的可采石油，大约只能供应50年（天然气为60-70年，煤炭约200年），同时由于能源短缺问题导致石油、天然气等价格居高不下，更进一步威胁世界经济的发展。
针对日益紧迫的能源危机，世界多数国家对能源问题都很重视，我们需要开发丰富、安全的新能源代替即将枯竭的煤、石油、天然气等地球上所剩无几的不可再生能源。
从某种意义上讲，太阳能无污染、无噪声，具有绿色环保、取之不尽、无论世界何处都能使用的特点，是最理想的能源。
地球每秒钟获得的太阳能量相当于燃烧500万吨优质煤发出的能量，地球每小时获得的太阳能可满足全球全年的能量需求。
如果要把太阳能转化为电能为人类所用，按目前的发电水平，每天可获得1.41×107亿度电。
可以说，太阳能取之不尽、用之不竭，同时由于其发电过程不产生CO2或其他污染气体，是清洁环保的可再生能源，因此应用前景十分广阔。
另外，太阳的寿命比人类历史长很多数量级，因此太阳能可作为半永久性能源。
目前太阳能的利用方式，主要是太阳能的热利用和太阳能的光利用，且主要用于发电。
太阳能的光利用是根据半导体的光电效应制成太阳能光伏电池，太阳光照到这种电池上直接转换成电能。
光伏电池质量轻，无活动部件，使用安全，单位质量的输出功率高，适用于小型或大型发电，利用光伏电池直接把太阳能转换为电能，是利用太阳能最有前途的方式。
而太阳能照明系统就是利用了太阳能光伏电池能直接把太阳能转换成电能并储存电能的作用。
太阳能照明作为新型照明方式之一，在未来的照明行业中起主导作用，是照明行业的发展趋势。
太阳能照明系统是一种典型的独立太阳能发电系统，系统采用“光伏+储能”的模式，白天日照充足时，太阳能电池把光能转化成电能给蓄电池存储起来，晚上蓄电池给光源提供电能。
太阳能照明系统以太阳能作为能源，而且每个太阳能照明系统都是独立的系统，不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，还防止了因电线老化带来的安全隐患，因此使用太阳能照明系统将大大节省电费和维护费用，可以方便安装在广场、校园、公园、街道等地区，太阳能照明系统的多方面优点而越来越受重视。
2001年全球的电力需求为15.578TW，而2040年将达到36.346TW，届时太阳能将占到主导地位，未来能源结构如图1.2所示。
图1.2预测2040年世界能源结构
2.太阳能照明现状
（1）初期投资大，供电系统的初期投资按峰值功率约100元/W；
（2）输入的太阳光能量与输出的电能量之比很低；
（3）太阳电池组件的输出随日照而变化，特别在阴雨天或日照不好时，发出的电能是有限的，输出不稳定；
（4）为保证夜间或阴雨天用电的需要，须配备储能装置（蓄电池）。
最初由于硅晶片价格昂贵，太阳能仅用于航天事业上。
在技术稍有突破后，被美国、日本、德国等发达国家率先在高科技领域尝试。
随着太阳能光伏技术的进一步发展，在民用上首先应用于太阳能灯具上。
太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。
我国不仅是发展中大国，同时也是资源消耗大国，而人均资源占有率又比世界平均水平低。
快速的社会工业化发展消耗了巨大的能源，促使我国资源的对外依赖性逐步加强。
同时工业化的进程和能源的消耗也使环境污染愈发严重。
并且我国某些偏远地区的人们还存在着用电困难的问题。
这些都迫使我们更加努力寻找和开发新能源，而太阳能光伏发电就是其中之一。
目前我国仅有少数地理位置较为偏远、电网无法普及的地区建成太阳能发电站，如新疆，云南等部分地区，独立供电的太阳能照明系统在偏远无电地区逐渐得到应用。
但发电站的功率仍然较小，现有的太阳能照明系统大都不能提供功能性照明（例如交通照明）。
利用太阳能光伏发电照明的新能源技术日趋成熟。
可是目前在整个太阳能照明系统中太阳能电池所占的成本比例还是很高。
从现阶段我国的太阳能照明系统使用情况来看，花费在太阳电池的成本占总成本的60～70％。
并且存在铅酸蓄电池使用寿命较短及系统在弱光条件下充电能力不足这两大问题。
系统储能元件铅酸蓄电池设计寿命约三年，但由于充电方式、存储方式以及人为等诸多因素的影响导致其使用寿命过短，需要经常更换，不仅加大了使用成本也影响了系统的稳定性。
另外大部分已使用的系统在弱光条件下充电能力不足，导致系统太阳能板利用率不高。
近年来，太阳能灯具产品环保节能的双重优势使得太阳能庭院灯、草坪灯、路灯等应用逐渐形成规模。
太阳能发电照明还不能大规模应用推广，但是随着技术的进步及光伏产业化的发展，太阳能光伏发电的成本将越来越低。
在不久的将来，为人们提供稳定、清洁能源的光伏并网发电将会成为可能。
3.太阳能照明前景
光是一种清洁、可再生能源，并且太阳能资源在我国广泛分布。
由于我国是一个能源消耗大国，并且人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电照明系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。
对能源的需求，对新技术的追求以及人们不断提高的物质文化的需要，都将促使太阳能光伏技术成为本世纪的关键技术，而家用太阳能照明系统也必会走进千家万户。
21世纪世界太阳能发电照明的发展将具有以下特点：
（1）产业将继续以高增长速率发展；
在我国，光伏发电照明产业的发展前景是光明的。
一方面，现价段我国西部边远地区还有很多人面临着无电、缺电的用电困难问题，这些地区交通闭塞，要解决用电困难问题，很大程度上依赖于太阳能及其它新能源的大规模使用；另一方面，在东部沿海经济发达地区，利用太阳能作为补充或替代能源也大大促进了我国光伏产业的发展。
目前太阳能应用技术日趋成熟，并且熟练应用于城市亮化照明、采暖系统、建筑楼道照明以及太阳能热水供应等系统。
太阳能光伏技术在城市亮化照明中的应用逐步得到普及应用，在住宅小区、公园、别墅、学校等场所的路灯、草坪灯、警示牌、指示牌等使用太阳能光伏照明技术，使公共照明更加环保、安全、节能、方便。
（2）太阳电池组件成本将大幅度降低，高效率；
我国的太阳能光伏电池技术是从六十年代开始起步，历经五十多年的发展，太阳能光伏电池的成本不断降低，光电转化效率不断提高，如今我国的光伏产业已经稳步发展，生产量逐年增加。
当前，正在研发第三代太阳能电池中的极高效率的新型太阳能电池可使效率达到30%以及廉价的可制成大面积的有机太阳能电池有望使成本降至25美元/㎡，达到普及要求。
（3）光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术水平发展；
（4）薄膜电池技术将获得突破，太阳能照明系统成本将大大降低；
（5）太阳能光伏建筑集成及并网发电的快速发展。
1.3研究内容
本论文对太阳能照明系统做了系统的分析和设计，首先对太阳能照明系统的各组成部分：
太阳能电池、蓄电池、控制器、灯具进行了分析研究；然后从太阳能电池组件方阵和最佳倾角确定、蓄电池容量确定、控制电路、光源等方面对太阳能照明系统进行设计，使系统能够完全依靠太阳能电池产生的电能给负载提供稳定、可靠的供电，并且在连续阴雨天气也不影响系统供电照明。
第二章太阳能光伏电池
一个太阳能照明系统，通常由太阳能光伏电池、照明光源、储电池、控制器、灯具等几部分组成。
太阳能光伏电池质量轻，无活动部件，使用安全，单位质量的输出功率高，适用于小型或大型发电照明系统。
本章主要太阳能电池的工作原理和特性来进行介绍。
使读者对太阳能光伏电池有一个了解，更方便之后对系统的进一步理解。
2.1太阳能光伏电池的概述以及工作原理
1839年，法国物理学家A.E.贝克勒尔（A.E.Becqurel）意外地发现：
将两片金属浸入溶液构成的伏打电池，当受到阳光照射时会产生额外的伏打电动势。
他把这种现象称为光生伏打效应，简称光伏效应。
经过160多年的发展，太阳能光伏电池技术日趋成熟。
太阳能光伏电池是一种能量转换的光电器件，本质上是一个大面积半导体二极管。
它的工作原理是半导体的光伏效应，即当太阳能光电器件受到光照射时，半导体PN结上产生电子一空穴对，在半导体内部PN结附近生成的载流子没有被复合而到达空间电荷区，它们在PN结附近形成与势垒方向相反的光生电场。
在N区和P区之间的薄层就产生电动势（P区带正电，N区带负电），这就是光伏效应，如图2.1所示。
图2.1太阳能光伏电池的光伏效应
2.2太阳能光伏电池的特性
太阳能电池的光伏特性曲线，即伏安特性曲线（I-V特性曲线），是在一定光强、一定温度下太阳能光伏电池的负载外特性，直接反映在电池输出功率。
可以用其I-V特性及P-V特性表示，如图2.2（a）、（b）所示：
图2.2（a）太阳能光伏电池I-V特性曲线（b）太阳能光伏电池P-V特性曲线
太阳能光伏电池的性能参数：
（1）开路电压Uoc，即将太阳能光伏电池置于100mW/cm2的光源照射下，在两端开路时，太阳能光伏电池的输出电压值。
（2）短路电流Isc，就是将太阳能光伏电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能光伏电池两端的电流。
（3）最大输出功率，即选择的负载电阻值能使输出电压和电流的乘积最大，用符号Pm表示。
此时的电流和电压称为最佳工作电流和最佳工作电压，用符号Um和Im表示，
。
（4）填充因子，是衡量太阳能电池输出特性的重要指标，其值等于最大输出功率Pm除以开路电压Uoc和短路电流Isc的乘积：
（2–1）
（5）转换效率，太阳能光伏电池的转换效率指在外部回路上连接最佳负载电阻时的最大能量转换效率，等于太阳能光伏电池的输出功率与入射到太阳能光伏电池表面的能量之比：
（2–2）
当太阳光照强度或温度不同时，太阳能光伏电池的输出特性有较大的改变，即对应不同的太阳光照强度或温度有不同的输出特性曲线，如图2.3（a）、（b）和图2.4（a）、（b）所示：
图2.3（a）不同的光照条件下I-V特性曲线（b）不同的光照条件下P-V特性曲线
从图2.3（a）、（b）中可以看出，太阳能光伏电池的短路电流和输出功率都随着太阳光照强度的增加而增大。
实际应用中，随太阳光照强度的升高开路电压Uoc将呈对数比例增大，输出功率P和短路电流Isc均与光照强度成正比。
图2.4（a）不同温度下I-V特性曲线（b）不同温度下P-V特性曲线
由图2.4（a）、（b）可知在一定光照下，温度上升会使太阳能光伏电池开路电压Uoc下降，太阳能光伏电池的输出功率下降。
2.3太阳能光伏电池的分类
太阳能光伏电池发展至今形式各样、种类繁多，它们大多数是使用半导体固体材料制成，也有部分使用半导体加电解质制成的光电化学电池。
光伏电池的材料必须具备的特点：
材料性能稳定，要有较高的光电转换效率；材料便于工业化生产且材料本身不对环境造成污染；同时，半导体材料的禁带宽度不能太宽。
图2.5为太阳能光伏电池实物图。
图2.5太阳能光伏电池
太阳能光伏电池按材料主要分为硅型太阳能光伏电池、非硅半导体太阳能光伏电池（也叫化合物半导体光伏电池）、有机太阳能电光伏电池。
后两种太阳能光伏电池至今还不能普及应用，目前市场上的主导产品是硅型太阳能光伏电池，主要包括单晶硅太阳能光伏电池、多晶硅太阳能光伏电池、多晶硅薄膜电池。
硅型太阳能光伏电池优缺点如表2.1所示：
表2.1硅型太阳能光伏电池优缺点
种类
稳定性
光电转换效率
成本
单晶硅
稳定性较好
16%左右
6元/W左右
多晶硅
稳定性一般
14%左右
5元/W左右
薄膜
稳定性较差，容易老化
6%左右
4元/W左右
第三章太阳能1kW照明系统设计
太阳能照明系统可广泛应用于公园、景区、广场、城市次干道、偏远地区的功能性和景观性照明，以及交通指示等多种场合。
本章主要介绍太阳能1kW风光照明系统设计的一系列工作。
3.1太阳能照明系统的结构及其工作原理
尽管太阳能照明系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同，工作原理就是利用太阳能光伏电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能，再用于照明。
如图3.1是一个典型的太阳能照明系统示意图，系统由太阳能光伏电池组件、控制器、蓄电池、照明负载等组成。
照明负载可采用大功率LED、节能灯和高压气体放电类等绿色电光源。
图3.1典型太阳能照明系统结构示意图
1、太阳能光伏电池板作为太阳能发电系统中的产能部件，其作用是将吸收来的太阳能转换成电能，存储起来或供负载使用。
2、充电控制器控制蓄电池的充放电，使蓄电池能够平稳、快速、高效地充电，并在充电过程中减少能量损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。
4、蓄电池蓄电池的作用是将太阳能方阵发出的直流电直接储存起来，供负载使用。
5、灯具作为太阳能照明系统的负载，理想的灯具既要高效照明，又要尽可能的降低功率损耗。
太阳能庭院灯照明系统如图3.2所示。
图3.2太阳能庭院灯照明系统实物图
本设计对光照辐射情况、用电设备的实际要求、用户的使用需求等方面的因素进行相应的容量设计，计算出所需要的太阳能电池组件容量和蓄电池的容量，综合各个部件的基本要求进行控制系统的设计，系统的设计流程图如图3.3所示：
图3.3系统设计流程图
3.2系统设计
3.2.1控制系统设计
1.充电控制
在太阳能光电系统中，太阳能产生的电能的输入并不是稳定的，因此对太阳能光电系统的控制带来了不确定性。
另外系统的各部件也随环境和使用时间有一定的变化，因此合理的充电控制可以减少对蓄电池的损害。
充电控制器就像电压调节器一样，可以调控由太阳能电池面板进入蓄电池内的电压及电流，当蓄电池充满电后，充电控制器就不再允许电流继续流入蓄电池内。
如果系统中没有采用充电控制器，蓄电池可能会被过度充电而损坏，甚至发生安全事故。
充电控制器主要由专用处理器CPU、电子元件器件、显示器、开关功率管等器件组成。
可以分为以下两类：
（1）线性充电控制器。
可与太阳能电池发电器串联或并联在一起，调整充电电流，使蓄电池的电压不会超过一定的极限。
缺点是会产生过多的热损耗。
（2）开关式充电控制器。
是一种MOS-FET的半导体开关组件，它只有两种工作状态：
全开或全关，在理想的状态下，控制器的电压或电流为0，它不会有功率损耗。
目前主要的充电控制有并联型控制、串联型控制和PWM（脉宽调制）等几种类型。
（1）串联型充电控制器
串联型充电控制器通过保持充电电压在一个限定的范围内，防止对蓄电池造成过充。
当充电电压高于蓄电池设定的最高充电电压值时，充电开关管断开，蓄电池充电停止，电压下降；当充电电压低于蓄电池设定的最低充电电压值时，充电开关管打开，开始给蓄电池充电，蓄电池电压升高。
串联型充电控制器简单可靠，多用于小型光伏系统，但其没有智能控制模块，太阳能光伏电池利用率相对较低。
串联型充电控制如图3.4所示。
图3.4串联型充电控制图
（2）并联型充电控制器
并联充电原理简单、容易实现以及价格便宜等优点，是目前太阳能光伏系统采用最多的一种控制方法。
其原理是在串联隔离二极管前接入一并联放电电路，使充电电压始终保持在一定电压值的范围内。
首先设定一个蓄电池的最高充电电压和最低充电电压，然后把放电电路并联接到太阳能光伏电池。
根据设定的电压值，当蓄电池限定的最高充电电压低于系统充电电压时，开通旁路放电回路，拉低充电电压；当蓄电池限定的最低充电电压高于系统充电电压时，断开旁路放电回路，充电电压升高。
在充电过程中，充电电压始终保持在一个预先设定的范围内，保护蓄电池，防止过充。
此充电方法简单可靠，但缺少智能控制模块，只能对蓄电池实现基本的充电功能，太阳能光伏电池利用率也比较低，充电方式单一。
图3.5为并联型充电控制图。
图3.5并联型充电控制图
（3）PWM型控制器
太阳能照明系统中，由于给蓄电池充电的太阳能光伏电池本身的非线性以及所发电力受环境影响比较大，在充电过程中，很难保证蓄电池的充电电压稳定，蓄电池的充电也会受环境温度、电池老化、蓄电池电解液浓度等因素的影响。
为得到最好的充电方式，我们需要对环境温度、太阳能光伏电池电压、蓄电池电压等因素进行综合考虑。
一般来说，充电步骤可以分为快速充电、恒压充电、浮充充电三个阶段。
PWM型控制器，具有智能识别控制功能，可以根据环境的温度、蓄电池的电压、太阳能光伏电池的电压等调整充电方式，有效地提高太阳能光伏电池利用率，大大减少充电过程中对蓄电池的损耗，延
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