新余市太阳能LED路灯系统设计课程设计.docx

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新余市太阳能LED路灯系统设计课程设计

课程设计

课程名称新余市太阳能LED路灯系统设计

班级

专业太阳能光伏发电技术及应用

学号：

姓名：

指导教师：

提交日期：

2012年6月日

课程设计成绩：

摘要………………………………………………………………….1

关键词……………………………………………………………….1

第1章绪论…………………………………………………………..2

1.1课程设计的基本意义……………………………………………...2

1.2太阳能LED路灯工作原理……………………………………….3

第2章新余市基本气象及地理情况………………………………...4

第3章LED路灯设计……………………………………………….4

3.1倾角、方位角……………………………………………………...4

3.2蓄电池容量…………………………………………………………4

3.3太阳电池组件………………………………………………………5

3.3.1工作电流……………………………………………………....5

3.3.2方阵输出功率………………………………………………....6

3.3.3方阵功率……………………………………………………....6

3.3.4组件的选取…………………………………………………....6

3.3.5蓄电池的选取………………………………………………....6

第4章设备选型……………………………………………………6

4.1LED灯………………………………………………………7

4.2蓄电池………………………………………………………...7

4.3太阳电池…………………………………………………………...8

4.4控制器……………………………………………………………...9

4.5路灯灯杆……………………………………………………...…..10

第4章设计总费用及性价比分析…………………………….…..10

5.1太阳能LED路灯系统的费用…………………………………...10

5.2性价比分析…………………………………………………...…..11

5.2.1、同一使用时间LED灯与节能灯的成本差………………..11

5.2.2、节省电费…………………………………………………….11

5.2.3、总的节省费用………………………………………………11

参考文献…………………………………………………………....12

心得体会……………………………………………………………13

新余市太阳能LED路灯系统设计

摘要：

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重视。

作为路灯照明设备：

传统的由电网控制的普通路灯工作受电网的影响非常大，而且使用的灯管使用寿命短；而太阳能LED路灯具有独立运行的特点，不受电网的影响，并且LED灯使用寿命长。

根据光伏系统的设计：

选择合适的太阳电池组件（尺寸、功率）作为太阳能LED路灯系统的独立供电电源；选择合适的光伏控制器（工作电压、电流）控制蓄电池的充放电、负载的运行；选择合适容量的蓄电池（Ah），白天对蓄电池充电，晚上蓄电池放电供给负载使用；选择适量的LED灯（负载）照明，使道路交通顺畅。

根据系统的需要，运用它的工作原理，通过组装，布线等建成一个具有可行性的光伏独立系统。

通过比较，可得太阳能LED路灯系统与普通的节能路灯系统相比性价比较高，所以采用太阳能LED路灯系统不仅经济适用，而且节能环保。

关键词：

太阳能LED路灯系统、光伏系统、性价比、太阳电池组件、控制器、蓄电池、LED灯

第1章绪论

太阳能作为一种清洁能源，具有取之不尽，用之不竭的特性，并且利用方便、安全。

目前，太阳能利用有四种形式：

光热利用、光化学利用、光生物利用，光电利用。

太阳能发电就属于光电利用，随着能源的枯竭，太阳能的利用就显得尤为重要了，特别是近年来兴起的光伏产业，光伏系统的应用就更有必要了。

本章节包括了太阳能LED路灯系统课程设计的基本意义和太阳能LED路灯工作原理。

1.1课程设计的基本意义

在世界能源短缺，环境污染日益严重的今天，充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。

太阳能路灯以其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，可以方便安装在广场、校园、公园、街道等多方面的优点而越来越受重视。

近年来随着太阳能发电技术和LED照明技术的发展，太阳能LED路灯已进入了城市照明领域。

LED作为照明光源与传统照明光源相比具有直流低电压驱动、耗电量少、抗振动、寿命长、纳秒级的响应速度、设计空间大、环保、可连续开关闪断，能轻松实现0—100%调光功能等优点，被认为是新一代的绿色照明设备。

太阳能LED路灯是以太阳能作为能源，每个路灯均是独立的，安装方便，无需铺设电缆电线，无需交流电能和电费，采用直流供电，光控定时控制，安全可靠、节能、经济、环保、使用。

通过我们对太阳能LED灯系统的设计，不仅可以让我们对专业认识更深刻，而且这也是我们根据知识实践的一个很好的机会，为以后专业应用打下良好的基础；同时，通过自己的设计，我们能够知道：

虽然太阳能LED路灯系统一次性投资高，但是，它稳定，使用寿命长，需要人为操作较少，是一种真正节能、节约、环保的具有实用性的路灯系统。

1.2太阳能LED路灯工作原理

根据太阳能LED路灯工作原理图可知它的工作原理（路灯只在黑暗的条件下工作）：

当太阳光照射在太阳电池上时，产生光生电流，通过控制器对蓄电池充电。

黑暗中，PWM调光控制器感应光强差，蓄电池通过控制器放电供给LED路灯使用。

其中PWM控制器还可以控制蓄电池过冲过放，控制负载的正常运行。

第2章新余市基本气象及地理情况

新余位于北纬27°33′～28°05′，东经114°29′～115°24′，取纬度A=28°，经度115°。

一般的，在我国南方地区，方阵倾角可比当地纬度增加10°—15°；在北方地区倾角可比当地纬度增加5°—10°，纬度较大时，增加的角度可小一些。

根据全国各大主要城市的纬度及辐射量，可得出与新余市相近南昌市的纬度及辐射量等情况。

（如下表）

城市

纬度

日辐射量（Ht）

斜面日辐射量

修正值kop

南昌

28．67°

13094

13714

0.9640

根据新余市气象给予的条件，可得到最大连续阴雨天数取5天（d）；而且一年中最低温度不超过—10°C。

第3章LED路灯设计

太阳能LED路灯系统的设计需要考虑组件的倾角、方位角；蓄电池的容量；以及太阳电池组件的功率。

3.1倾角、方位角

倾角：

取纬度A=28°，方阵的倾角为B=A+12°=40°。

方位角：

太阳光的传输路线在水平面投影与入射点的正南方向夹角。

一天负荷的峰值时刻为13时，经度取115°。

方位角=[一天负荷的峰值时刻（24小时制）-12]*15+（经度-116）=[（13-12）*15+（115-116）]°=（15-1）°=14°

3.2蓄电池容量

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。

在太阳能LED路灯系统中选取12V/36W的路灯，以满足照明的需要，则每天耗电量：

Q=I*h=36*10/12=30Ah

选择蓄电池容量：

选蓄电池容量为5天（最大连续阴雨天数），放电深度（最低温度不超过零下10度）a=0.8；

C=10*Q/a=5*30/0.8=187.5Ah

根据蓄电池的规格，取C=200Ah。

已知负载电压为12V，蓄电池组的总容量为200Ah，选用12V/100Ah的免维护铅酸蓄电池。

需要串联的电池数：

N1=12V/12V=1（个）

需要并联的电池数：

N2=200Ah/100Ah=2（个）

所以该光伏系统需要使用12V/100Ah的蓄电池个数为：

N=N1*N2=1*2=2（个）

3.3太阳电池组件

3.3.1工作电流

因为南昌市和新余市地理位置较近，斜面日辐射量取13714（南昌市全年平均太阳辐射总量HT），，单位化成Wh/m2，除以标准日光强即求出平均日照时数：

Tm=（HTWh/m2）/（1000W/m2）=（378.5/100）h=3.79h

则方阵应输出的最小电流为：

Im=Q/（Tm*n1*n2）=30/（3.79*0.9*0.9）A=9.77A

3.3.2方阵输出电压

单只铅酸蓄电池工作电压为2V，故需6只单体电池串联才可满足系统的工作电压12V。

每只单体铅酸蓄电池的工作电压为：

2.0—2.35V，取线路压降：

Va=0.8V，则方阵工作电压为：

V=Vf+Vd=6*2.35+0.8=15V

3.3.3方阵功率

设太阳电池的最高温度为60°C

P=Im*V/[1-a（tmax-25）]=9.77*15/[1-0.5%（60-25）]=177.6W

3.3.4组件的选取

取P=200W，所以，最后取太阳电池方阵的输出功率为200W，可用2块100W/18V的组件并联组成。

3.3.5蓄电池的选取

蓄电池容量为12V，200Ah，只要用2只12V/100Ah的铅酸蓄电池并联连接起来，即可满足要求。

第4章设备选型

设计一个太阳能LED路灯系统，选取设备时要考虑设备的品牌、型号、使用寿命、各项参数，以及价格。

4.1LED灯

LED是英文lightemittingdiode（发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以LED的抗震性能好。

LED灯有比较常见大功率的单颗有1、3、5、8、10W。

大功率LED采用单颗功率大于1W以上的LED。

由于LED路灯的发光效果比白炽灯、节能灯要好，根据城市道路照度的需要，我们选取灯杆的高度为8m（城市建设常用），根据高度和照度、亮度的需要，选取36W的LED灯。

根据需要，查阅相关资料，我们采用的LED灯为：

产品品牌：

36WLED太阳能道路灯产品型号：

X2-B36W

产品参数：

输入电压DC12VLED颗数 3 

单颗功率 12W灯头功率36W

安装高度6-8m光斑 圆形

工作温度—30℃~50℃使用寿命42000Hrs（11年多）

灯体与灯罩铝合金与钢化玻璃规格尺寸75*35*21cm

净重4.6Kg防护等级IP65

一个12V/36W的太阳能道路灯的价格是500元

4.2蓄电池

太阳能供电系统中，蓄电池的性能好坏直接影响系统的综合成本及运行好坏和使用寿命。

蓄电池可分为：

酸性蓄电池和碱性蓄电池。

在光伏发电系统中，目前最受欢迎的是免维护铅酸蓄电池，正规名称叫阀控式密封铅酸蓄电池。

该蓄电池具有的特点是：

密封性、免维护、安全可靠、长寿命设计、性能高、温度适应性强、使用和运输安全简便、经济实惠。

根据以上条件查阅资料，选取合适的蓄电池：

产品品牌：

德国3A产品型号：

12V/100Ah

额定电压:

12V额定容量:

100Ah

参考重量:

约32.00Kg工作温度:

-15～50℃

使用寿命:

8－10年充电时间:

6—12h

内阻小≤4.4，大电流放电性能好；

外形尺寸:

长:

407mm宽:

173mm总高:

240mm

该德国3A12V/100Ah蓄电池的价格是450元。

4.3太阳电池组件

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，价格比单晶低。

根据需要，查阅相关资料，选取合适的组件：

品牌：

兆天太阳能型号：

100W/18V多晶

输出电压：

18（V）主机输出容量：

100W

规格：

1150*675MM使用寿命 ：

25—30年

峰值电压：

17.8伏峰值电流：

6.29安

开路电压：

21.6伏短路电流：

6.91安

实物重量：

10.5KG包装重量：

12.0KG

标准测试条件下（温度25度，AM1.5,1000w/m2下测试出来的）

因此，一个100瓦/18伏太阳电池的费用是1050元。

4.4PWM控制器

太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。

无论太阳能灯具大小，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。

根据需要，查阅相关材料，选取合适的控制器：

（因为太阳能路灯是在可照度不高的环境下工作的，所以对控制器的要求具有一定的感光性）

SW-10/12V30A双路双负载PWM调光太阳能控制器

品牌:

 胜伟型号:

 SW-10

技术指标：

型号:

SW-10总额定充电电流:

30A

总额定负载电流:

30A系统电压:

12VAUTO；

空载损耗:

≤4.5mA超压保护:

17V，×2/24V；

工作温度:

工业级：

-35℃至+55℃欠压电压:

12.0V；×2/24V

负载调光模式：

正脉冲PWM调光

选择一个12V/30A的绿色环保节能SW-10/12V30A双路双负载PWM调光太阳能控制器需要160元。

（由于太阳电池输出的最小电流19.5V，为了系统的安全，故选取较大的30A光伏控制器）

4.5路灯灯杆

品牌：

仙居县宇光照明器材厂

灯杆高度

灯型

臂长（m）

灯杆口径（mm）

壁厚（mm）

配用法兰（mm）

配用罗栓（mm）

报价（元）

8米

单臂

1.2

70-160

3.5

δ12*300

M18

880

第五章总费用及性价比

考虑太阳能LED路灯系统和节能路灯系统的总费用，比较它们的总费用和使用寿命，以及对工作环境的要求，对它们进行定量的分析，得出可靠的性价比，以确定以后路灯的建设。

5.1太阳能LED路灯系统的费用

总费用等于光伏系统（太阳电池组件2块、蓄电池2箱、控制器1台）、LED灯、灯杆费用的总和，即S=（2*1050+2*450+160）+500+880=4540（元）

5.2性价比分析

5.2.1同一使用时间LED灯与节能灯的成本

太阳能LED路灯系统可以使用10年，而6U/120W（黄光）E40节能灯路灯（120W，5000h，115元。

灯壳120元，使用寿命10年以上）的使用寿命是5000h。

（最短寿命设备蓄电池：

10年）。

成本差：

S1=10*365*10/5000*115+120-500=540（元）

5.2.2节省电费

S2=节能灯功率*工作时间*1元=120*10*365*10/1000*1=4380（元）

电费收取10年，1度=1000Wh，一元钱一度电

5.2.3总的节省费用

S3=[节能灯价格总的价格-LED灯价格]+节省电费-[LED灯系统建设费用-LED灯和灯杆系统建设费用]=4380+540-（4540-500-880）=1760元

另解：

节省费用用节能路灯系统的10年费用减去太阳能LED路灯系统的10年费用，即：

S节能灯=节能灯的费用+灯杆的费用+电费=1040+880+4380=6300元

SLED=LED灯的费用+灯杆的费用+光伏系统的费用（太阳电池组件、控制器、蓄电池）=500+880+2100+160+900=4540元

所以，节省费用=S节能灯-SLED=6300-4540=1760元

太阳能LED路灯系统、节能路灯（10年）性价比一览表：

太阳能LED路灯系统

节能路灯系统

灯（10年）

12V/36W，500元

120W，5000H，8只，1040元

灯杆

8m，880元

8m，880元

蓄电池

12V/100Ah，2箱，900元

PWM调光控制器

12V/30A，1台，160元

太阳电池组件

100W/18V，2块，2100元

电费（10年）

4380元

总费用（10年）

4540元

6300元

节省费用（10年）

1760元

由上表可知，各种光伏设备组成的太阳能LED路灯系统费用为4540元左右。

比节能路灯系统性价比高，节省1760元。

由此可见，太阳能LED路灯系统节约、节能、使用寿命长，而且环保。

参考文献

[1]鞠振河，太阳能路灯系统的优化设计，辽宁沈阳工程学院110138，2004.

[2]罗运俊，何梓年，王长贵。

太阳能利用技术，北京：

化学工业出版社，2008.

[3]王长贵、王斯成，太阳能光伏发电使用技术，北京：

化学工业出版社，2005.

[4]赵郑鸣、刘建政、孙晓英、袁立强。

太阳能光伏发电及其应用，北京：

科学出版社，2005.

心得体会

经过几天时间的努力，终于将新余市太阳能LED路灯系统简单、粗略的设计好了。

在这次的设计中学到了很多东西，同时也将很多问题暴露出来。

首先，是灯杆和LED灯、节能灯的选取，平时了解的相关参数（功率、电压、型号、价钱等）不多，造成在选取灯设备的过程中花费了很多时间。

在不断的摸索下，我对灯设备有了更多的了解，方便以后在光伏系统方面的设计。

然后，是太阳电池组件、蓄电池、控制器的选择。

在这次设计光伏系统之前，以前一直都是在课本上学习的理论知识，说的都是结果，很少涉及到设计的具体过程和内容，而这次设计需要自己根据负载需要的电压和消耗的功率来确定应该选取太阳电池组件的功率以及电压值；收集新余市的气象条件和地理条件，确定蓄电池的容量和应该选取的蓄电池型号；而控制器需要根据蓄电池的电压和太阳电池组件输出电流选取合适的控制器。

型号和价格的选取比较困难，因为光伏发电系统的一次投资是很高的，所以在能够满足负载的要求下要尽量的选择较为便宜的光伏设备。

经过这次简单的光伏系统的设计，我懂得了如何选取合适型号和价钱的光伏设备。

在设计中我们要利用尽量少的成本组建具有高效率的光伏系统。

最终结果表明，在长远利益上，太阳能LED路灯系统比节能路灯系统性价比高，是以后路灯设计的一个很好的方向，而且该光伏系统具有节约、节能、使用寿命长，环保等特点。