太阳能路灯集中供电系统.docx
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太阳能路灯集中供电系统
摘要
太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉。
自然界中的燃料能、风能、水能等皆来源于太阳能。
太阳辐射能与常规能源及核能相比有广泛性、清洁性、分散性、间歇性、地区性、永久性的特点。
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。
太阳能光伏发电不排放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。
因此，太阳能是未来新能源体系中极其重要的战略能源，也得到了世界各国的强烈重视。
太阳能既是一次能源，又是可再生能源，可发直接转化利用。
通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电；通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术。
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、太阳能电池、蓄电池、控制器、LED灯源等各器件的工作原理及其各自的基本特性，根据不同的要求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量的太阳能光伏电池、蓄电池、充放电控制器、LED灯源等配置，实现太阳能路灯照明系统的整体设计
关键词太阳能路灯,光伏电池,蓄电池,充放电控制器,LED光源
Abstract
Solarradiationisactuallythemostimportantsourceofenergyonearth.Thenatureofthefuelenergy,windenergy,hydromusedfromsolarenergy.Solarradiationcomparedwithconventionalenergysourcesandnuclearenergyhasbroad,clean,decentralizednature,intermittent,regional,permanentfeatures.Globalenergyshortages,environmentalpollution,globalwarmingandotherissuesareincreasinglyplaguedhumansociety"seeks,greenalternativeenergytoachievesustainabledevelopment"hasbecomeacommonissuefacingtheworld.SolarphotovoltaicpowergenerationdoesnotemitCO2andSO2,thereisnoconventionalpowernoise,solidwasteandotherpollution,isthemostimportantrenewableenergytechnologies.Therefore,solarenergyisthefutureofnewenergysystemisextremelyimportantstrategicenergy,hasalsobeenastrongemphasisoncountriesintheworld.Bothasolarenergyisrenewableenergy,canbesentdirectlyintouse.Byconvertingmeanstoconvertsolarradiationenergyuseissolarthermaltechnology,andthengenerateelectricityusingheatenergycalledsolarthermalpower;throughtheconversionmeanstoconvertsolarradiationintoelectricalenergyuseissolarpowertechnology.Withthecontinuousdevelopmentofsolarpowertechnology,solarlightstoenvironmentalprotection,energy,securityandotheradvantagestobecomethenewdarlingofurbanroadlightingindustry,themarketpotentialishuge.Indifferentareas,suchasurbanorrural,thedensityofsolarstreetlightingrequirementsaredifferent,thisthesisthroughresearchsolarlights,solarcells,batteries,controller,LEDlightsource,suchasthedeviceworksandtheirrespectivebasiccharacteristicsaccordingtodifferentrequirementsfromapracticalandeconomicalconsiderationsappropriatetotheneedsoftheregionchoosetheappropriatecapacityforsolarphotovoltaiccells,batteries,chargecontroller,LEDlightsource,suchasconfiguration,solarstreetlightingsystemtoachievetheoveralldesign.
KeyWordssolarlights,photovoltaiccells,batteries,chargecontroller,LEDlightsource
摘要I
AbstractII
目录III
引言1
1概论2
1.1我国太阳能的资源状况2
1.2太阳能路灯与普通路灯的比较2
1.3太阳能路灯的发展前景3
2设计思想4
2.1设计思路及原则4
2.2设计要求4
3太阳能路灯集中供电系统介绍5
3.1太阳能路灯集中供电系统基本组成5
3.2太阳能路灯集中供电系统工作原理介绍5
4各部件的组成及工作原理6
4.1太阳能电池的组成及工作原理6
4.1.1太阳能电池的分类6
4.1.2硅太阳能电池工作原理与结构6
4.1.3太阳能电池组件8
4.1.4太阳能电池组件结构10
4.2蓄电池的结构及原理11
4.2.1铅酸蓄电池的结构及工作原理12
4.3控制器的基本工作原理12
4.3.1蓄电池充电12
4.3.2蓄电池给LED供电13
4.4LED光源14
5沈阳工程学院太阳能路灯集中供电系统设计15
5.1系统所在地的基本数据15
5.2太阳能路灯负载核算20
5.3太阳能辐射量及最佳倾角的计算22
5.3.1最佳倾角的确定23
5.4合理布置太阳能电池组件25
5.4.1支架的安装25
5.4.2遮挡问题28
5.5光伏系统的配置优化选择30
5.5.1阀控式密封免维护铅酸蓄电池30
5.5.2蓄电池结构30
5.5.3电池性能31
5.5.4对蓄电池不利的工作环境31
5.5.5控制器的选择32
5.6其他电气设备的选择36
5.6.1电缆线的选取36
5.6.2防雷接地36
5.7对该系统进行技术经济分析39
5.7.1系统的投资运算39
5.7.2评价方法39
5.7.3技术经济评价39
结论42
致谢43
参考文献44
引言
面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。
因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。
利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。
特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。
太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。
在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。
与传统的照明工具相比，超高亮白光LED照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各种恶劣条件，在功耗、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方，LED灯具的触角就会到达。
21世纪将是以固体发光材料为核心的，即以LED为代表的新型光源、绿色照明的世纪。
今后。
随着各国政府的高度重视和加大投入，LED必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。
太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。
道路照明与人们生产生活密切相关，随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的LED路灯逐渐走入人们的视野。
1概论
1.1我国太阳能的资源状况
全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出，节能和环保是中国实现社会经济可持续发展急需解决的问题。
每年照明消耗电能约占全部电能消耗的12%～15%，作为能源消耗的大户，必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。
随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求新的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。
太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。
太阳能作为一种安全、环保新能源越来越受重视。
同时，随着太阳能光伏发电技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。
1.2太阳能路灯与普通路灯的比较
普通照明路灯安装复杂：
普通路灯工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就需要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。
然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。
而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。
太阳能路灯安装简便：
太阳能路灯安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。
普通路灯电费高昂：
普通路灯工作中需要支付固定高昂的电费，并且需要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。
太阳能路灯具免电费：
太阳能路灯是一次性投入，无任何维护成本，长期受益。
普通路灯存在安全隐患：
普通路灯在施工质量、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都会带来诸多安全隐患。
太阳能路灯没有安全隐患：
太阳能路灯是超低压产品，运行安全可靠。
太阳能路灯的其它优势：
绿色环保。
综上对比所述，太阳能路灯具有安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等特性。
1.3太阳能路灯的发展前景
目前，太阳能LED照明的最初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。
但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。
与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。
所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。
2设计思想
2.1设计思路及原则
设计思路：
太阳能路灯集中供电系统的设计与一般的太阳能独立电站相比，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。
设计的原则：
对于太阳能路灯集中供电系统设计一般我们需要考虑以下几个问题：
（1）从功能上,太阳能路灯供电系统的主要功能是保障人身安全、提供舒适环境、提升学校形象。
（2）在满足照明各项功能需要的基础上，提高太阳能路灯的能效，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。
2.2设计要求
（1）太阳能路灯的负载核算；
（2）电池板功率的计算和选用；
（3）蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；
（4）保证3个连阴天太阳能路灯持续供电；
（5）亮灯时间为晚上18点至凌晨2点；
（6）将太阳能电池组件置于科技楼顶。
3太阳能路灯集中供电系统介绍
3.1太阳能路灯集中供电系统基本组成
太阳能路灯集中供电系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED光源、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆等几部分构成；太阳能电池板的光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。
控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。
本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。
3.2太阳能路灯集中供电系统工作原理介绍
系统工作原理如图3.1所示，利用光生伏打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值后动作，蓄电池对灯头放电。
蓄电池放电8.5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天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；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、反接保护等。
蓄电池
太阳电池
太阳能路灯控制器
K1
K2
图3.1系统原理图
4各部件的组成及工作原理
4.1太阳能电池的组成及工作原理
4.1.1太阳能电池的分类
太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。
按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:
H,a-Si:
H:
F,a-SixGel-x:
H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3P2）等。
太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：
硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池、纳米晶的太阳能电池四大类，其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的，在应用中居主导地位。
4.1.2硅太阳能电池工作原理与结构
太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构，如图4.1。
图4.1半导体的结构
图4.1中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。
当含硅晶体中掺入其他的杂质，如硼、磷等，当掺入硼时，硅晶体中就会存在着一个空穴，它的形成可以参照图4.2所示。
图4.2空穴的形成
图4.2中，正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。
而实心的表示掺入的硼原子，因为硼原子周围只有3个电子，所以就会产生入图所示的空心的空穴，这个空穴因为没有电子而变得很
不稳定，容易吸收电子而中和，形成P（Positive）型半导体。
同样，掺入磷原子以后，因为磷原子有五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N（Negative）型半导体。
实心的为磷原子核，小的为多余的电子，如图4.3所示。
图4.3N型半导体
N型半导体中含有较多的空穴，而P型半导体中含有较多的电子，这样，当P型和N型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN结。
如图4.4所示。
图4.4PN结
当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄层），界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。
这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多自由电子，出现了浓度差。
N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。
达到平衡后，就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差，这就是PN结。
当晶片受到光后，PN结中，N型半导体的空穴往P区移动，而P区中的电子往N区移动，从而形成从N区到P区的电流。
然后在PN结形成电势差，这就形成了电源，如图4.5所示。
图4.5P－N结
由于半导体不是电的良导体，电子在通过P－N结后如果在半导体中流动，电阻非常大，损耗也就非常大。
但如果在上层全部涂上金属，阳光就不能通过，电流就不能产生，因此一般用金属网格覆盖P－N结，如图4.5所示，以增加入射光的面积。
另外硅表面非常光亮，会反射掉大量的太阳光，不能被电池利用。
为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射,将光能转变为电能,科学家们给它涂上了一层反射系数非常小的保护膜，使太阳能电池板的表面呈紫色，将反射损失减小到5％甚至更小。
一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于是人们又将很多电池并联或串联起来使用，形成太阳能光电板。
4.1.3太阳能电池组件
一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。
为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。
太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。
一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。
应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。
组件的电气特性:
主要是指电流－电压特性，也称为Ⅰ－Ⅴ曲线，如图4.6所示。
Ⅰ－Ⅴ曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Imo与电压Vmo在特定的太阳辐照度下的关系。
其中Isc:
短路电流Im:
最大工作电流
V:
电压Voc:
开路电压Vm:
最大工作电压
图4.6太阳能电池的电流－电压特性曲线
太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：
光谱辐照度1000W/㎡；
光谱AM1.5；
电池温度25℃。
在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp。
在一定的条件下，一个串联支路中被遮蔽的太阳能电池组件将被当作负载消耗其它被光照的太阳能电池组件所产生的能量。
被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是热斑效应。
这种效应能很严重地破坏太阳能电池。
有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。
为了防止太阳能电池由于热斑效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。
当电池片在正常工作时，旁路二极管反向截止，对电路不产生任何作用；若与旁路二极管并联的电池片的存在一个非正常工作的电池片时，整个线路电流将由最小电流电池片决定，而电流大小由电池片遮蔽面积决定，当反偏电压高于电池片最小电压时，旁路二极管导通，此时，非正常工作电池片被短路。
太阳能电池在使用时要注意极性，旁路二极管的正极与太阳能电池组件的负极相连，旁路二极管的正极与太阳能电池组件的负极相连。
太阳能电池的连接盒是一个很重要的元件，它保护太阳能电池与外界的交界面及各组内部连接的导线件和其他的系统元件。
连接盒包含一个接线盒和1只或2只旁路二极管。
这样，对旁路二极管的性能要求就尤为重要了。
由于大多数二极管安装在接线盒内，盒内受有限的散热空间及接线盒结构和材料的限制，要求二极管的热性能一定要好，热斑发生时，组件电流基本上都流经旁路二极管，有电流流过就会有热产生，同时，由于接线盒内的二极管发热也对接线盒提出了要求：
接线盒要具备好的耐热和好的散热特性。
出于对二极管的热性能考虑，对于二极管的选择，主要参数要遵循一下几点：
（1）热阻系数小越小越好；
（2）正向压降越小越好；
（3）正向耐电流越大越好；
（4）反向电流越小越好；
（5）温度特性曲线要好；
阻塞（防反二极管）：
置于组件或电池板和蓄电池之间的正极性线路上，夜间或阴天时防止蓄电池电流回流到太阳能电池组件。
4.1.4太阳能电池组件结构
（1）钢化玻璃
低铁钢化玻璃（又称白玻璃），厚度3.2毫米，在太阳电池光谱响应的波长范围内（320-1100NM）透光率达90%以上，对于大于1200NM的红外光有较高的反射率。
此玻璃同时耐紫外光线的辐照，透光率不下降。
钢化性能符合国标GB9963-88或者封装后的组件抗冲击性能达到国标GB9535-88地面用硅太阳能电池环境试验方法中规定的性能指标。
（2）EVA
EVA是一种热融胶粘剂，厚度在0.4毫米-0.6毫米之间，表面平整，厚度均匀，内含交联剂。
常温下无黏性且具有抗黏性，经过一定调价热压便发生熔融粘接与交联固化，并且变的完全透明。
固化后的EVA能承受大气变化且具有弹性，它将电池片“上盖下垫”，将其包封，并和上层保护材料-玻璃，下层保护材料背板（TPT，BBF等），利用真空层压技术合为一体。
另一方面，它和玻璃粘和后能提高玻璃的透光率，起着增透的作用，并对太阳能电池板的输出有增益作用。
暴露在空气中的EVA易老化发黄，从而影响组件的透光率，从而影响组件的发电质量除了EVA本身的质量外，组件厂家的层压工艺影响也是非常大的，如EVA胶连度不达标，EVA与钢化玻璃、背板粘接强度不够，都会引起EVA提早老化，影响组件寿命。
（3）太阳能电池片
太阳能电池片是光电转换的最小单元，尺寸一般为125*125或156*156。
太阳能电池片的工作电压约为0.5V，一般不能单独作为电源使用。
将太阳能电池片进行串并联封装后，就成为太阳能电池板，其功率一般为几瓦到几十瓦，一百瓦到两百瓦以上，可以单独作为电源使用。
作为重要工序，丝网印刷的质量（厚度，宽度，膜厚一致性）影响电池片的技术指标。
丝网印刷工序：
背面银电极印刷（背银）：
在电池片的正极面（P区）用银、铝浆料印刷两条电极导线（宽约3-4mm）作为电池片的电极。
正面银印刷（正银）：
在电池片的正面（喷涂减反射膜的面）同事用银浆料印刷一排间隔均匀的闪现和两条电极，在工艺上要求栅线间距约3mm，宽度约
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