新余市太阳能LED路灯设计.docx
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新余市太阳能LED路灯设计
课程设计
课程名称太阳能LED路灯设计
班级10级光伏发电2班
专业光伏发电技术及应用
学号：
1003030222
姓名：
刘正
指导教师：
李玲
提交日期：
2012年6月12日
课程设计成绩：
目录
摘要1
第一章太阳能LED路灯发电系统的设计1
1.1太阳能LED路灯系统的简介1
1.2太阳能LED路灯设计原则2
1.3新余市地理位置以及气候特征2
1.4太阳能路灯的光源的选择3
1.5蓄电池组容量的设计3
1.6太阳电池方阵设计4
1.6.1太阳能方阵的倾角4
1.7太阳电池方阵的容量5
1.7.1估算太阳电池方阵电流5
1.7.2估算太阳电池方阵输出电压5
1.7.3最后确定功率6
第二章太阳能LED路灯设备简介以及选型6
2.1LED灯的简介以及选型6
2.1.1LED灯发光原理6
2.1.2LED灯的基本参数7
2.2蓄电池的简介以及选型8
2.2.1蓄电池简介8
2.2.2蓄电池的基本参数8
2.3太阳电池组件简介及其参数9
2.4控制器选择11
2.4.1控制器的简介11
2.4.2控制器的基本参数11
2.5灯杆的选择12
第三章:
太阳能LED路灯的安装13
3.1太阳能组件的安装13
3.2太阳能蓄电池的安装13
3.3太阳能灯具的安装13
3.4地基浇筑15
第四章设计总费用及性价比分析15
4.1LED路灯系统总费用估算15
4.2LED路灯系统与节能灯系统性价比对比分析16
参考文献17
课程设计心得体会19
新余市太阳能LED路灯系统设计
摘要:
为积极响应国家节能减排、大力开发利用新能源，以实际应用为目的，根据新余市基本气象条件,围绕太阳能光伏发电技术和LED照明技术，设计了一套太阳能LED路灯系统。
介绍了太阳能电池组件、光伏控制器、LED灯，蓄电池组的相关技术参数、选取原则及相互之间的容量匹配。
根据各个器件的工作原理及工作环境，构建成一个具有可行性的小型光伏系统。
通过与节能灯系统的相互比较，得出LED灯使用优于节能灯。
不仅适用，而且环保。
让我们提高使用LED灯的理念。
关键词：
太阳能LED路灯系统、新余市基本气象,太阳电池组件、光伏控制器、蓄电池组、LED灯、节能灯、性价比
第一章太阳能LED路灯发电系统的设计
1.1太阳能LED路灯系统的简介
太阳能路灯系统由太阳能组件,蓄电池组,智能控制器,高效节能LED灯,灯架,安装材料等组成。
系统的工作原理：
在智能控制器控制下，白天太阳电池组件向蓄电池充电，晚上蓄电池组提供给LED路灯。
实际太阳能路灯相当于离网式小型独立电站，采取蓄电池组贮能。
其工作原理图如下所示：
1.2太阳能LED路灯设计原则
太阳能电池组件发电路灯系统的总原则是在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量，以尽量减少初始投资。
在设计的计算过程中，需要的基本数据主要有：
现场的地理位置，包括地点，纬度，经度和海拔高度等;安装地点的气象资料，包括逐月太阳能总辐照量，直接辐照量以及散辐射量，年平均气温和最高，最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹，降雪等特殊气象情况。
1.3新余市地理位置以及气候特征
新余市位于江西省中部偏西，袁河中下游，鄱阳湖平原边缘，地处北纬27°33′～28°05′，东经114°29′～150°24′。
全境东西最长处101.9公里，南北最宽处65公里，东距省会南昌市150公里，土地总面积3164平方公里。
新余市属亚热带湿润性气候，雨量充沛，气候温和，无霜期长，严冬期短。
新余市历年平均基本气象资料如下表所示：
年
水平辐射量
斜面辐射量
气温
最低
气温
相对
湿度
日照
时数
最长连续
阴雨天数
平均
13094KJ/㎡
13714KJ/㎡
29.4℃
-7.2℃
74%-84%
1655h
5天
1.4太阳能路灯的光源的选择
光源尽量选直流光源。
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，结合新余市区的实际情况，我们采用高效太阳能LED路灯（光源功率50W，DC24V），规格50只LED、每只1W作为负载。
1.5蓄电池组容量的设计
（1）根据LED灯有关的参数和负载每天工作10h确定负载的大小：
每天的耗电量Q=Ih=50w×10÷24=21Ah；
（2）新余市最长连续阴雨天数为5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）蓄电池放电深度a=80%，所以蓄电池容量C=6×Q/a=21Ah×（5＋1）÷80%=157.5Ah；（4）根据蓄电池的规格：
取C=200Ah；（5）每个蓄电池都有自己的标称电压，为了达到负载工作的标称电压，需要将蓄电池串联起来给负载供电，串联蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。
蓄电池串联数=负载标称电压÷蓄电池标称电压=24V÷12V=2个。
蓄电池并联数=蓄电池总容量÷所选单个蓄电池的容量=157.5Ah÷200Ah=0.79。
取整数1。
所以该路灯系统需要使用12V/200Ah的蓄电池的个数为：
2串联*1并联=2个。
1.6太阳电池方阵设计
1.6.1太阳能方阵的倾角
在光伏供电系统设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接受的太阳辐射有很大影响，从而影响到光伏供电系统的发发电能力。
与光伏组件方阵放置相关的有下列两个角度参量：
太阳电池组件倾角；太阳电池组件方位角。
太阳电池组件倾角是太阳电池组件平面与水平面的夹角。
光伏组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南面的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）
固定安装的LED路灯系统涉及到如何选择最佳倾角以及如何计算斜面上的太阳辐射。
对于其倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑；
（1）连续性
（2）均匀性（3）极大性，在这里我们采用近似的方法来确定倾角。
一般的，在我国南方地区，方阵倾角可比当地纬度高10°—15°。
北方地区倾角比当地纬度增加5°—10°由于新余地区位于北纬27°33′～28°05′，因此取当地的纬度大约为28°，所以太阳电池方阵倾角Q=28°+10°=38°
方位角计算：
通过新余基本气象调查，一天中负荷的峰值时刻为20:
00，该地区的的经度为东经114°29′～150°24′，所以方位角Q1=（一天中负荷的峰值时刻-12）×15+（经度-116）=（20-12）×15+（150-116）=154°
1.7太阳电池方阵的容量
1.7.1估算太阳电池方阵电流
由基本气象资料可知，倾斜面上全年平均辐射量为13714KJ/㎡=3809.4Wh/㎡。
所以全年平均日照时数：
Tm=HtWh/㎡÷1000w/㎡=3809.4Wh/㎡÷1000w/㎡=3.81h/d；在日常计算中可以根据峰值日照小时数来计算,将日常辐照能换成1000W/㎡辐照条件下工作小时数,则有:
Tm=3000Wh/㎡÷1000w/㎡=3h/d。
取Tm为3h/d则太阳电池方阵应输出的最小电流为：
Imin=21÷（Tm×a1×a2）=21÷（3×0.9×0.9）=8.7A。
（算式中a1表示蓄电池充电效率a2表示方阵表面灰尘遮蔽损失，Q为负载每天总耗电量）
方阵的最佳电流介于Imin和Imax之间，但由于没有太阳电池方阵每月的辐照量而无法计算出方阵各月输出电量及负载耗电量以及蓄电池的荷电状态，因此将太阳电池方阵应输出的最小电流作为太阳电池方阵最佳电流I=8.7A。
1.7.2估算太阳电池方阵输出电压
方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。
方阵在任何季节的工作电压应满足：
V=Vf+Vd（算式中Vf表示蓄电池浮充电压，Vd表示因线路（包括阻塞二极管）损耗引起的电压降）。
单只铅酸蓄电池工作电压为12V，故需12个单体电池串联才可满足系统的工作电压24V。
每只单体铅酸电池的工作电压为：
2.0—2.35，取线路压降：
Vd=0.7V，则方阵工作电压为：
V=Vf+Vd=12×2.2+0.7=27.1V
1.7.3最后确定功率
设太阳电池的最高工作温度为60℃，则方阵的输出功率为：
P=IV/[1-a（tmax-25）]=8.7×27.1/[1-0.5%（60-25）]=286W（式中：
a为太阳电池功率的温度系数，对一般硅太阳电池，a=0.5%，tmax为太阳能电池最高工作温度）。
取P=300W，最后取太阳电池方阵的输出功率为300W，可以用两块150W的组件（每块电压约为18V）联起来。
第二章太阳能LED路灯设备简介以及选型
2.1LED灯的简介以及选型
2.1.1LED灯发光原理
LED即发光二极管，主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。
其发光体——晶片的面积为10.12mil（1mil=0.0254平方毫米），目前国际上出现大晶片LED，晶片面积达40mil。
其发光过程包括三部分：
正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。
微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之复合，电子和空穴消失的同时产生光子。
电子和空穴之间的能量（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。
光子的能量反过来与光的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最多，桔色光、红色光携带的能量最少。
由于不同的材料具有不同的带隙，从而能够发出不同颜色的光。
2.1.2LED灯的基本参数
本设计采用功率为50wLED灯，其基本参数如下表所示：
品牌
上海传金
型号
CJ-T50
额电功率
50W
额定电压
DC24V
相关色温
2800-6500K
LED发光效率
110lm/w
相对湿度
10%～80%
防尘防水等级
IP65
环境温度
-30℃～50℃
外形尺寸
500*300*82（mm）
光源寿命
＞50000h
功率因素
＞92%
价格
500元
质保
3年
2.2蓄电池的简介以及选型
2.2.1蓄电池简介
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池，系统才能工作。
一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池。
蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：
首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。
蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。
蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。
太阳能电池功率必须比负载功率高出3—4倍以上，系统才能正常工作。
太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%，才能保证给蓄电池正常负电。
蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
2.2.2蓄电池的基本参数
通过一系列综合考虑，选择NP200-12型号蓄电池，其基本参数为：
型号
NP200-12
品牌
美国冠军
价格
1380元/个
使用寿命
8至10年
额定电压
12v
额定容量
200Ah
工作温度
-35℃—45℃
最低工作温度
-35℃
最大允许放电深度
80%
尺寸
524*240*244mm
重量
60Kg
工作湿度
74%—80%
2.3太阳电池组件简介及其参数
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。
太阳电池组件的基本参数如下表所示：
品牌：
亿晶
型号：
YJP150W
价格
1120元
高效光伏组件
多晶硅太阳能电池
额定功率Pm：
150W
功率误差：
±5%
湿度循环测试：
-40℃TO+85℃
湿热测试：
85%相对湿度
正、负背面静态负重测试（例如：
风）：
2400帕（50psf）
正面负重测试（例如：
雪）
5400帕（113psf）
冰雹冲击测试：
25MM￠（1inch）at23m/s（52mph）
峰值功率Pm：
150W
最佳工作电压Vmp:
18V
最佳工作电流Imp：
5.55A
开路电压Voc:
20.5V
短路电流Isc:
5.75A
短路电流温度系数：
（0.065±0.015）%/℃
开路电压温度系数:
-（80±10）mv/℃
最大功率温度系数：
-（0.5±0.05）%/℃
尺寸：
1200mm680mm50mm
重量（Weight）
15KG
电池片排列方式：
72片（156*156）电池片切割，6*12串联并以矩形排列
接线盒：
带有接线柱无输出线的接线盒
结构：
正面：
高透光率超白绒面钢化玻璃背面：
聚脂TPT
密封填充材料：
EVA
边框：
阳极氧化铝合金边框型通用边框
颜色：
银色
2.4控制器选择
2.4.1控制器的简介
无论太阳能灯大小，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，防止蓄电池过充放电及深度充放电。
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。
2.4.2控制器的基本参数
太阳能控制器选型：
根据电源系统电压和方阵最大充电电流来选择控制器。
防止蓄电池和太阳电池接反、蓄电池开路、蓄电池过充和过放。
本系统控制器选用TYK-3SDRC型太阳能路灯智能控制器。
放、负载过压或过流，夜间反充电。
额定工作电压：
24V
额定工作电流：
10A
过充电压点：
28.8V±0.2V
过压恢复点：
27.2V±0.2V
过放电压点：
21.6V±0.2V
过放恢复点：
24.6V±0.2V
太阳能电池与蓄电池间电压降：
小于0.4V
蓄电池与负载间电压降：
小于0.23V
空载电流：
小于10mA
开路电压：
50V
环境温度：
-20℃---50℃
价格:
210元
该控制器当没有阳光时，光强降到启动点，控制器延时10分钟确认启动信号后，开通负载，负载开始工作；当有阳光时，光强升到启动点，控制器延时10分钟确认关闭输出信号后关闭输出，负载停止工作。
2.5灯杆的选择
灯杆的选择主要根据灯杆的材料、应用环境等因素来进行确定的。
一般道路路灯对灯杆的要求有下：
1）主体材料：
为全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理。
（2）使用温度：
-30度至70度。
（3）抗风力≥150Km/h。
（4）灯杆高度：
5—11米。
根据这些要求，本系统采用宝钢Q235钢管，壁厚4mm灯杆高8米；上口径80MM、下口径212MM；抗风力：
60m/s；灯杆采用内外热浸镀锌防腐处理,锌层厚度大于85UM,符合ZBJ3601—89标准,防腐寿命达30年以上，可包15年不生锈；灯杆表面喷塑处理，采用长度达60M的一次性喷塑生产线，颜色由客户指定，采用室外用聚脂塑粉，塑层厚度大于85UM，保证固化时间，塑层均匀，附着力高，防紫外线照射，价格在780元。
第三章太阳能LED路灯的安装
3.1太阳能组件的安装
电池组件的输出正负极在连接到控制器前须采取措施避免短接；太阳电池组件与支架连接时要牢固可靠。
组件的输出线应避免裸露，并用扎带扎牢；电池组件的朝向要朝正南，以指南针指向为准。
3.2太阳能蓄电池的安装
蓄电池置于控制箱内时须轻拿轻放，防止砸坏控制箱；蓄电池之间的连接线必须用螺栓压在蓄电池的接线柱上并使用；铜垫片以增强导电性；输出线连接在蓄电池后在任何情况下禁止短接，避免损坏蓄电池；蓄电池的输出线与电线杆内的控制器相联时必须通过PVC穿线管；上述完成后，检查控制器端的接线，防止短路。
正常后的门。
3.3太阳能灯具的安装
各部位组件固定：
太阳板固定在太阳板支架上，灯头固定到挑臂上，根据表灯具的配光类型及布灯方式与安装高度间距的关系,如下图:
本系统中采用单侧布置。
所以该路灯的安装高H>=WeffWeff为路面有效宽度，假设路面的有效宽度为6米，则安装高度为H>=6米。
安装间距<=3*6=18米。
然后将支架与挑臂固定到主杆，
并将连接线穿引到地下控制箱（电池箱）。
灯杆起吊之前，先检查各部位紧固件是否牢固，灯头安装是否端正，光源工作是否正常。
然后在简易调试系统工作是否正常；松开控制器上太阳板连接线，光源工作；接上太阳板连接线，灯熄；同时仔细观察控制器上各指示灯的变化；一切属于正常，方可起吊安装。
主灯杆起吊时，注意安全防范；螺丝绝对紧固好，如组件朝阳角度有所偏差，需要上去端调整其朝阳方向完全朝正南。
将蓄电池放进电池箱，按照技术要求将连接线连接到控制器；先接蓄电池，再接负载，然后接太阳板；接线操作时一定要注意各路接线与控制器上标明的接线端子不能接错，正负两极性不能碰撞，不能接反；否则控制器将被损坏。
调试系统工作是否正常；松开控制器上太阳板连接线，灯亮；接上太阳板连接线，灯熄；同时仔细观察控制器上各指示灯的变化；一切属于正常，方可封好控制箱。
3.4地基浇筑
确定立灯位置；勘察地质情况，得到新余地区地表1米2皆是松软土质，应该开挖深度应加深；同时要确认开挖位置以下没有其他设施（如电缆、管道等），要求路灯顶部没有长时间遮阳物体，否则要适当更换位置。
在立灯具的位置预留（开挖）符合标准的1米3坑；进行予埋件定位浇筑。
预埋件放置在方坑正中，PVC穿线管一端放在预埋件正中间、另端放在蓄电池储存处。
注意保持预埋件、地基与原地面在同一水平面上（或螺杆顶端与原地面在同一水平面上，根据场地需要而定），有一边要与道路平行；这样方可保证灯杆竖立后端正而不偏斜。
然后以C20混凝土浇筑固定，浇筑过程中要不停用震动棒震动，保证整体的密实性，牢固性。
施工完毕，及时清理定位板上残留泥渣，并以废油清洗螺栓上杂质。
混泥土凝固过程中，要定时浇水养护；待混凝土完全凝固（一般72小时以上），才能进行吊灯安装。
第四章设计总费用及性价比分析
4.1LED路灯系统总费用估算
通过整体的选择与计算，最终得出LED照明路灯系统的总体费用T=LED光源的费用+蓄电池的费用+太阳电池组件费用+光伏控制器费用+LED灯杆费用+基地的费用以及人工安装费用=（500+1380×2+1120×2+210+780+150）元=6640元。
4.2LED路灯系统与节能灯系统性价比对比分析
通过查阅先关的资料和信息可以得知,LED灯的功率是节能灯的4倍。
在本系统中取用50W的LED灯,相当于节能灯200W。
在市电供电路灯条件下，节能灯的电价取1元每度。
通过查阅相关资料可以得知LED灯的使用寿命为50000小时，大约相当于10年，节能灯使用寿命为5000小时，大约1年。
及LED灯的使用寿命是节能灯的10倍。
在市电供应下，路灯的费用为：
总费用=节能灯总费用+灯杆费用+基地的费用以及人工安装费用+维修费用。
太阳能LED路灯的费用=LED照明路灯系统的总体费用+维修费用。
通过查询可以得知节能灯的价格为160元。
市电供电每一年的维修费用约80元，太阳能LED路灯每一年的维修费用为150元。
使用相同材质的灯杆以及相同的基地的费用以及人工安装费用。
若在相同条件下节能灯用市电供电下10年每天供电10个小时的总费用为：
总费用=节能灯总费用+电费+灯杆费用+基地的费用以及人工安装费用+维修费用=160×10+200/1000×10×365×10×1+780+150+80×10=10630元。
太阳能LED路灯10年每天供电10个小时情况下，太阳能LED路灯的费用=LED照明路灯系统的总体费用+维修费用=6640+150×10=8140元。
若在相同条件下LED用市电供电下10年每天供电10个小时的总费用为：
总费用=LED路灯费用+电费+灯杆费用+基地的费用以及人工安装费用+维修费用=500+200/1000×10×365×10×1+780+150+80×10=9530元。
通过比较可以得到：
使用太阳能LED路灯10年的总费用比市电供电节能灯10年的总费用少的费用为：
节省的费用=市电供电节能灯10年的总费用-太阳能LED路灯10年的总费用=10630-8140=2490元。
使用太阳能LED路灯10年的总费用比市电供电LED灯10年的总费用少的费用为：
节省的费用=市电供电LED灯10年的总费用-太阳能LED路灯10年的总费用=9530-8140=1390元。
通过比较可以得到使用太阳能LED路灯10年的总费用比市电供电节能灯10年的总费用比市电供电LED灯10年的总费用都要少。
另外太阳能LED路灯环保节能的优点。
由以上比较可以得知：
LED太阳能路灯比普通的节能灯的性价比更高。
另外太阳能LED路灯整体寿命长,一般超过25年,在后期使用中除了一些基本的维护和灯泡的更换,蓄电池的更换,太阳能LED路灯仍然能够使用。
然而普通的节能路灯还得架设输电线或铺设电缆，费用将会更大，所以选择LED路灯对于未来城市的经济，环保等相关问题有着巨大的优越性。
参考文献
[1]太阳能光伏发电技术李玲，罗玉峰，陈裕先主编江西高校出版社
[2]李玲，廖卫兵等新余高专学报2010年第6期
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电子工业出版社，1987.
[4]鞠振河.沈阳工程学院新校区太阳路灯系统的优化设计，沈阳电力高等专科学校学报，2004.
[5]鞠振河.太阳能路灯系统的技术经济评价，沈阳沈阳电力高等专科学校学报，2004.
[6]LED光源在道路照明中的应用 吴淑梅霍彦明光源与照明-2008年3
[7]LED光源的应用及前景吴淑梅霍彦明灯与照明-2008年3
[8]LED灯在道路照明方面的应用 侯骏安徽建筑-2008年4
课程设计心得体会
通过这次的课程设计,对于我来说收获还是挺大的,它锻炼了我的思考能力和耐心.做这个课程设计除了需要一定知识的积累，还需要极大的耐心。
用所学知识设计生活中的东西，加深了对光伏系统的了解，并对一些光伏组件、蓄电池、光伏控制器，LED灯有了一个全面的认识，也认识到了小小的LED路灯系统对人类生活的影响，使人们逐渐在走入绿色环保的时代。
在本次设计过程中，感受到了科学的严谨性，同时发现了很多自身存在的不足之处，对上课所学的知识不能够很好的融会贯通，证明了一切理论知识都必须与实践相结合才能深刻的理解和掌握。
在查阅的过程中，并不是把所查的资料都一一的采纳，要判断优劣，适当的取舍相关知识。
就这样，不知不觉的我查阅资料的能力也得到了很好的锻炼。
知识的学习是有限的，与具体的实例相结合从而设计不同的方案，不仅让我懂得怎样把理论应用于实际，更让我懂得了在实践中遇到的问题怎样用理论去解决，这对于即将步入社会的我，对解决在未来工作中所遇到的种种问题的能力打下坚实的基础。
在设计的过程中，总是遇到这样这样或那样的问题，有时发现一个问题的时候，需要做大量
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