LED光伏照明系统.docx

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LED光伏照明系统

江西工程学院

环境与能源工程学院

毕业设计

（2016届）

题目:

LED光伏照明系统

专业:

光伏发电技术及应用

班级:

学号:

学生姓名:

指导教师:

2015年10月

目录

目录I

摘要1

第1章太阳能以LED光源2

1.1太阳能2

1.1.1太阳能简介2

1.1.2太阳能利弊2

1.1.3太阳能变为电能3

1.2太阳能电池5

1.2.1太阳能电池组件5

1.2.2太阳能电池的分类5

1.3LED-绿色照明光源6

1.3.1LED介绍6

1.3.2LED照明系统机理设计6

1.3.3LED的优点8

第2章蓄电池9

2.1蓄电池的功能与基本特性9

2.1.1蓄电池的功能9

2.1.2蓄电池的基本特性9

2.2蓄电池的主要参数10

2.3蓄电池的充电注意点及维护11

第3章太阳能充电系统控制器的设计12

3.1传统太阳能照明控制方案12

3.1.1太阳能产生的电能并网12

3.1.2将太阳能直接用于LED灯的照明：

13

3.2太阳能发电驱动LED照明新方案13

3.2.1新方案原理图13

3.2.2各部分主要作用13

第4章全文总结14

参考文献16

致谢17

摘要

随着科技的发展，由于人们对工业高度发达的负面影响预料不够，预防不利，全世界的能源问题和环境问题日益突出，能源的短缺，环境的污染，成为我们当前面临最主要的问题，我们迫切希望应用节能环保的新技术，随之而产生的便是一些节能环保的新发明新技术，而市场上广泛应用于光伏照明系统中的LED半导体就是一种典型的新技术代表。

半导体照明，即发光二极管（ 简称LED），是一种半导体固体发光器件，是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

半导体照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。

半导体照明具有高效、节能、环保、易维护等显著特点，它又以寿命长丶节能丶绿色环保等显著优点备受人们的关注和喜爱，被人们认为为21世纪最有价值的新光源，是实现节能减排的有效途径，是继白炽灯、荧光灯之后的又一场照明光源的革命。

以绿色节能为特色的LED光源在建筑领域的应用飞速发展，随着其发光效率的不断提高,价格逐步下降,LED光源在照明方面的优势也显现出来。

 LED具有光色饱满、无限混色、迅速切换、耐震、耐潮、冷温、超长寿、少维修、低功耗、体积小等优势,很适合现在人们的生活需求。

我们在很早之前就已经会利用太阳能，我们利用LED作为光源野很早的就以实现，但将太阳能与LED相结合用于我们的生活照明却很少有人研究，可以说才刚刚开始，且前景非常广阔；在光伏发电系统中，太阳能充电器丶LED驱动器丶太阳能并网等还有许多不完善的地方。

就本文，对于LED光伏发电照明系统进行了分析和探讨，介绍了太阳能结合LED光源在照明系统中的应用方案，详细介绍了该系统中蓄电池的相关知识，太阳能的充电设计等等。

在本设计LED光伏发电系统中采用双电源相互结合，太阳能和市场电力系统相结合，防止太阳能不足时而停电，也可以防止太阳能多余的电量过剩，补充到国家电网之中。

其LED光伏发电系统的目的便是使大部分照明所需要的能源由太阳能来提供，使之达到节能丶环保的效果，实现真正的节能环保。

关键词：

光伏发电；LED;半导体；节能环保

第1章太阳能以LED光源

1.1太阳能

1.1.1太阳能简介

太阳能，一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。

自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。

但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。

太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。

太阳能发电一种新兴的可再生能源。

广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等等。

在几十亿年内，太阳能是取之不及、用之不竭的理想能源。

太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。

中材联建太阳能发电系统人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。

植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。

煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的。

此外，水能、风能等也都是由太阳能转换来的。

1.1.2太阳能利弊

优点；

（1）普遍：

太阳光普照大地，没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。

（2）无害：

开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

（3）巨大：

每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

（4）长久：

根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

缺点；

（1）分散性：

到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。

平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1平方米面积上接收到的太阳能平均有1,000W左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。

而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1/5左右，这样的能流密度是很低的。

因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。

（2）不稳定性：

由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。

为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来，以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。

（3）效率低和成本高：

目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。

但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。

在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。

1.1.3太阳能变为电能

太阳能转换为电能，根据光生伏特效应。

光生伏特效应：

假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子-空穴对。

界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分别。

电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。

经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间发作一个向外的可测试的电压。

此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。

对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。

经由光照在界面层发作的电子-空穴对越多，电流越大。

界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中组成的电流也越大。

太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。

这就是光电效应太阳能电池的工作原理。

光生电工作原理如图1-1所示

图1-1光生电工作原理

太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。

前一个过程是光—热转换过程;后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。

太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。

当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。

太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用;与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染。

1.2太阳能电池

1.2.1太阳能电池组件

由硅片制成的太阳能电池称作为单体，若干单体电池串、并联连接和严密封装并由钛合金固定，表面在覆盖高强度透光玻璃，就构成太阳能电池模块。

若干个模块组合在一起构成方阵称为太阳能电池组件。

1.2.2太阳能电池的分类

迄今为止，人们已经研究了１００多种不同材料、不同结构、不同用途和不同型式的太阳能电池，而且目前还在蓬勃发展中，所以分类尚未规范化。

同一种太阳能电池，按不同的分类法有不同的称呼。

如以非晶硅薄膜为基体的α-Ｓｉ-ＣｕＩｎＳｅ太阳能电池，既可称为非晶硅薄膜太阳能电池，也可称为α-Ｓｉ-ＣｕＩｎＳｅ异质结太阳能电池。

太阳能光伏电池（简称光伏电池）用于把太阳的光能直接转化为电能。

目前世界各国正在研究的太阳电池主要有单晶硅、多晶硅和、非晶硅、多元化合物、有机物太阳能电池和聚焦型太阳能电池等。

分类如图1-2所示：

图1-2太阳能电池分类

1.3LED-绿色照明光源

1.3.1LED介绍

发光二极管（LED），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。

发光二极管的核心部分是由p型半导体和n型半导体组成的晶片，在p型半导体和n型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。

在某些半导体材料的PN结中，注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来，从而把电能直接转换为光能。

PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发光。

这种利用注入式电致发光原理制作的二极管叫发光二极管，通称LED。

当它处于正向工作状态时（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光的强弱与电流有关。

是一种能够将电能转化为光能的半导体，它改变了白炽灯钨丝发光与节能灯三基色发光的原理，而采用电场发光。

据分析，LED的特点非常明显，寿命长、光效高、低辐射与低功耗。

LED 被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明和城市夜景等领域。

根据使用功能的不同，可以将其划分为信息显示、信号灯、车用灯具、液晶屏背光源、通用照明五大类。

1.3.2LED照明系统机理设计

LED照明系统是一个电光转换系统，其电光转换过程从供电部分开始，依次包括原始电源（"动力源泉"）、电源管理与变换、传感与控制、驱动器、热管理、LED及其混光、散射和光学提取等部分。

可按照确定照明需求，确定设计目标，估计光学、热和电气系统的效率，计算需要的LED数量，选择最佳设计方案和完成最后步骤6个步骤进行。

设计步骤：

（1）确定照明需求：

LED照明必须满足或超过目标应用的照明要求。

在建立设计目标之前就必须确定照明要求。

（2）确定设计目标：

照明要求确定好了之后，就可确定LED照明的设计目标。

与定义照明要求时一样，关键设计目标与光输出和功耗有关。

确保包含了对目标应用也可能重要的其他设计目标，包括工作环境、材料清单（BOM）成本和使用寿命。

（3）估计光学系统、热系统和电气系统的效率：

设计过程