风光互补太阳能led路灯的设计课程论文大学毕业设计论文.docx
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风光互补太阳能led路灯的设计课程论文大学毕业设计论文
光伏发电系统
设计施工与应用
学校：
河南城建学院
学院：
数理学院
专业：
应用物理学（光伏工程方向）
姓名：
姚松薛强周鼎
学号：
132411151132411147132411158
指导教师：
潘慧杜亚冰
完成时间：
2014年12月1日～12月12日
目录
摘要……………………………………………………………………………………………1
1设计依据…………………………………………………………………………………2
1.1光伏系统适用区域………………………………………………………………………2
1.2建设目的与环境与光照分析……………………………………………………………2
2设计依据……………………………………………………………………………………4
2.1路灯设计…………………………………………………………………………………4
2.2高压钠灯和LED路灯的比较……………………………………………………………5
2.3风光互补太阳能路灯设计………………………………………………………………7
3设计评述……………………………………………………………………………………15
3.1风光互补路灯系统的优点………………………………………………………………15
3.2风光互补路灯系统的技术优势…………………………………………………………15
4心得体会……………………………………………………………………………………16
参考文献………………………………………………………………………………………17
摘要
随着经济的发展以及在各个领域的现代化，我们需要的资源也越来越多。
但是对自然界来说资源是有限的，这就需要我们去寻找一些可利用的资源来维持我们的发展，在我们的自然界中有许多可循环的资源，比如说风电、水电、太阳能、以及生物能源都是有利于我们人们可循环利用的。
在这些能源当中我们最容易发现的就是太阳能在这种用之不竭而且还能够在我们生活中很容易获得。
在这种情况下利用太阳能来发展清洁能源用于我们生活当中是比不可少的。
在这样的发展中我们就可以设计一些太阳能设备来解决这些问题，在现在的发展中我们会发现有许多太阳能一体化的设备以及利用太阳能来解决一些不能架设高压电线的地区的用电问题。
随着这样的发展中们就会发现太阳能的适用性还有其他的一些作用。
现在我国正在大力倡导建设节约型社会，节能环保越来越受到人们的重视，在夏天正是用电量高峰阳光充足，这给太阳能风扇的发展提供了必要的便利条件。
而且在这种情况下利用太阳能风扇就能很好的解决这写问题，在普通家庭中可以装并网发电系统来弥补阳光不稳定问题，利用太阳能风扇也可以解决一些我们生活中不能安装发电站的地区，比如说在南海的一些岛屿中这样太阳能电池风扇一体化就能很好的解决这些问题这样就能很好的解决这些问题，这也表明了太阳能电池风扇的可发展性以及可利用性。
风光互补发电系统由太阳能光电板、小型风力发电机组、系统控制器、蓄电池组和逆变器等几部分组成；其中的光电系统是利用光电板将太阳能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电。
该系统的优点是供电可靠性高，运行维护成本低；缺点是系统造价高。
风电系统是利用小型风力发电机，将风能转换成电能，然后通过控制器对蓄电池充电，最后通过逆变器对用电负荷供电。
该系统的优点是系统发电量较高，造价较低，运行维护成本低；缺点是小型风力发电机可靠性低。
另外，风电和光电系统都存在一个共同的缺陷，就是资源的不确定性导致发电与用电负荷的不平衡，风电和光电系统都必须通过蓄电池储能才能稳定供电，但每天的发电量受天气的影响很大，会导致系统的蓄电池组长期处于亏电状态。
由于太阳能与风能的互补性强，风光互补发电系统弥补了风电和光电独立系统在资源上的缺陷，同时，风电和光电系统在蓄电池组和逆变环节是可以通用的，所以可降低风光互补发电系统的造价。
风光互补发电系统各部分容量的合理配置对保证发电系统的可靠性非常重要。
关键词：
路灯设计；风能；太阳能；灯具选择；组件参数
题目名称：
风光互补LED路灯照明系统设计
1设计依据
1.1光伏系统适用区域
1）工业厂房：
特别是在用电量比较大、网购电价比较高的工厂，通常厂房屋顶面积很大，屋顶开阔平整，适合安装光伏阵列；同时由于用电负荷较大，分布式光伏发电可以做到就地消纳，抵消一部分网购电量，从而节省用户的电费；
2）商业建筑：
与工业园区的作用效果类似。
不同之处在于商业建筑多为水泥屋顶，更有利于安装光伏阵列；但是往往对建筑美观性有要求。
按照商厦、写字楼、酒店、会议中心、度假村等服务业的特点，用户负荷特性一般表现为白天较高、夜间较低，能够较好地匹配光伏发电特性；
3）农业设施：
农村有大量的可用屋顶，包括自有住宅屋顶、蔬菜大棚、鱼塘等，农村往往处在公共电网的末梢，电能质量较差，在农村建设分布式光伏系统可提高用电保障率和电能质量；
4）市政等公共建筑物：
由于管理规范统一、用户负荷和商业行为相对可靠，安装积极性高，市政等公共建筑物也适合分布式光伏的集中连片建设；
5）边远农牧区及海岛：
由于距离电网遥远，西藏、青海、新疆、内蒙古、甘肃、四川等省份的边远农牧区以及沿海岛屿还有数百万无电人口，离网型光伏系统或光伏与其他能源互补微网发电系统非常适合在这些地区应用。
1.2建设意义、目的与环境与光照分析
社会效益
风光互补路灯处处体现了现代建美化环境、保护环境的理念。
风光互补路灯是一种造型美观的高科技环保产品，安装风光互补路灯，不仅与政府的环保理念相符，而且能向国民进行新能源利用和生态环保知识的直观教育。
迎风飞转的风车可给道路一种动感的点缀，更能突显我国人民崇尚环保、重视节能和跟踪高新技术的理念。
推广风光互补路灯对美化当地环境有非常积极的意义。
经济效益
每套500W、12米高的常规路灯设备报价4000元/套（含灯杆、灯具、光源）输变配送设施每套摊入9000元，安装施工费用2000元/套，一次性投资大约为15000元/套。
每年的灯具维护费用为120元/年，每年耗电1825KWh，折合电费约为1300元/年。
按10年使用寿命，其间更换一次输配电设施和灯具耗费6000元，总费用为35200元/套。
风光互补路灯设备报价20000元（含风力发电系统、太阳能发电系统、储能系统、控制系统和灯杆照明系统），采用专业安装，费用计入报价，每年的维护费用为80元，不消耗电能，其间更换两次储能和照明装置约5000元，按10年计算总费用为25800元/套。
相比风光互补路灯节省费用为9400元。
按一段3000米长的城市道路安装200套路灯每10年可以节约费用188万元。
按一座中等城市拥有12万套路灯可节约11.28亿元。
随着化石能源资源的减少，常规能源的价格不断升高，以及对排放污染进行环保处理，常规能源的价格又进一步升高趋势，届时风光互补路灯的经济效益比常规路灯将更具优势。
环境效益
每套常规路灯10年消费1825KWh电能，按火力发电标准煤耗400g/KWh计算，共消费标准煤7.3吨，一座中等城市仅路灯一项10年消耗87.6万吨标准煤，增加二氧化碳排放300万吨,二氧化硫1.75万吨,二氧化氮1.3万吨杂质、粉末15.5万吨。
杂质、粉末直接污染环境；二氧化碳的排放会使地球表面升温，产生“温室效应”；二氧化硫和二氧化氮随着雨水排放到地面形成“酸雨”会使水库、河流、湖泊的酸度增加影响植物生长，鱼类繁殖，引起建筑物、材料、文化资源的腐蚀，影响人体健康。
风光互补路灯的能源消耗和环境污染始终为“零”。
可作为普及新能源知识的好教材。
风光互补路灯能最直接的向人们展示太阳能和风能这种清洁和自然能源的应用，展示人类如何利用可再生能源保护地球的生态环境，可作为普及新能源知识的好教材。
中国的太阳能资源分布
图1我国的太阳能资源
由图中可见，我国的东南沿海地区是比较差的，但平均日辐射量也可以达到每平方米3.2-3.8KW，也已经足够一个家庭的供电了。
而2/3以上国土年总日照量>5GJ/M2，理论储量相当于1.7万亿吨标准煤。
太阳能资源丰富地区包括：
青藏高原、西北地区、华北地区、东北大部、云南、广东、海南地区,年平均日照时间2200小时。
北京地区一年日照约2300小时。
现在很多德国家庭都已经开始在屋顶上安装太阳能电池板以供应整个家庭的用电，而德国一般城市年平均日照只有1600小时，可见德国公民对环保意识的浓厚。
2太阳能光伏发电系统的整体设计与相关计算
2.1路灯设计
根据设计要求这种道路一般为人车混用的支路，车流少、车速低和路面是13米宽的水泥混凝土路面，可以选用单侧布置。
图2效果图
灯具高度H=8米，间距S=20米，灯具悬挑长1.5米则有效路宽为11.5米，根据国家照明标准要求其照明平均照度Eav不低于3.5Lx，平均照度均匀度Emin/Eav不小于3.5。
灯具采用LED照明灯具，56WLED灯具来做光源，其光通量为5500Lm，其等高8米道路平面等照度曲线图为:
图3选用灯具道路平面照度曲线图
图4照度计算伪色图
选用路灯利用系数U=0.32（国际照明委员会推荐0.3）,维护系数K=0.8;则其路面平均照度为：
Eav=U*Φ*N*K/W*S=0.32*8000*1*0.8/11.5*30=5.93lx；
根据灯具的等照度曲线可以得出其最小照度值Emin不小于3lx则其平均均匀度为：
Emin/Eav=3/5.93=0.5。
所以该安装方案路面平均照度Eav=5.93lx,平均均匀度Emin/Eav=0.5符合国家标准要求。
2.2高压钠灯和LED路灯的比较
太阳能最简单的应用是产生热水，其次是发电。
而发电的一个很重要的应用是照明,中国的照明用电占全部电能耗费的12％。
但大型的太阳能发电厂的建厂成本很高，而且大功率太阳能电池板要占用很大的无遮挡面积，所以太阳能照明最好的实现方法是和发光器件结合在一起，构成独立的照明装置。
目前，最有前景的是太阳能路灯，太阳能庭院灯，太阳能草坪灯，太阳能信号灯，和太阳能航标灯等。
其中尤以太阳能LED路灯的经济价值最高。
因为普通的路灯需要铺设很长的输电线路，而且随着距离的增加，电压会逐渐降低，过一定距离还要用变压器升压。
其电源线路的铺设要投入很高的费用。
而太阳能路灯则不然。
因为每一根路灯杆都是独立的，不需要铺设输电线路，这就大大降低了架设的费用。
而且LED的发光效率远高于白织灯，虽然从数字上比不过高压钠灯（高压钠灯的发光效率为132流明/瓦，而LED只有90流明/瓦），但是LED的发展潜力很大。
表1是各种灯具的发光效率的比较。
各种灯具的效率：
高压钠灯的光谱比较集中于黄色，它的色温比较低只有2000－2500oK，而LED的色温较高，可以达到3500－4500oK以上。
另外高压钠灯的光线是向四处发射的，有很大一部分光无法到达路面。
还有，高压钠灯的显色指数差，只有20到40，感觉昏暗；而LED的显色指数高，可以达到75－80。
所以路面明亮，感觉舒适。
所以从实际的发光效果来看，LED反而可以比高压钠灯高出很多。
80W的LED可以取代250W的高压钠灯，或300W的水银灯。
100W的LED，其输出光通量大约只有6250流明（经过二次光学设计，会有所损失），到达路面时的流明数仍为6000流明，而路面的平均照度可以达到16Lux（12m高杆）。
250W高压钠灯的输出光通量为20,000流明。
但到达路面的流明数就只有7000流明。
路面的照度大约为30－40Lux，由于显色系数的差别，LED的照度修正系数为2.35倍，高压钠灯的修正系数为0.94倍。
所以80W的LED经过修正以后地面的照度为37.6Lux，而高压钠灯的修正后的照度为28.2-37.6。
二者相当。
所以，80W的LED可以取代250W的高压钠灯，LED可以节能2.5倍。
另外，LED的寿命长，不需要经常更换。
高压钠灯设计寿命2万小时，由于受电压变化及高启动电流的影响，实际寿命在2年以下。
所以其实际寿命通常只有4000小时，假定每天工作10小时，只能工作400天，一年多一点就要更换；而大功率LED的寿命为50,000小时，假定每天工作10小时，13.7年才需要更换。
这就大大节省了维护费用。
图5间隔为35米的80瓦LED路灯（白色）和250瓦高压钠灯（黄色）的实际比较
2.3风光互补太阳能路灯设计
风光互补路灯24V直流系统原理图方框图：
DC24V
方式1：
风力机和太阳能电池组件通过智能控制器给蓄电池充电，然后由智能控制器智能控制24V直流路灯开启、关闭。
风光互补路灯220V交流系统原理图方框图：
AC220V
方式2：
风力机和太阳能电池组件通过控制逆变器给蓄电池充电，然后由路灯控制器控制220V交流路灯开启。
AC220V
方式3：
当风力机和太阳能电池组件正常充电，蓄电池电压达到正常时，市电220V交流电是不接通的；当风力机和太阳能电池组件不工作或达不到给蓄电池充电所需的正常工作值电压时，这时由控制/逆变器判断，市电通过自动转换给路灯控制器，由市电为路灯提供电力。
（该方案可提供给原有路灯改造或重要道路的使用）
风光互补系统配置：
1.24V直流系统
注意：
系统的实际配置必需根据当地气象资源情况和负载使用情况计算
2.220V交流系统
对环境和资源的要求：
1风光互补路灯系统推荐使用资源条件
当地年平均风速大于3.5m/s，同时年度太阳能辐射总量不小于500MJ/m2是风光互补路灯系统推荐使用地区。
2风光互补路灯系统在下列条件下应能连续、可靠地工作：
a）室外温度：
－25℃~＋45℃；
b）室内温度：
0℃~＋40℃；
c）空气相对湿度：
不大于90%（25℃±5℃）；
d）海拔高度不超过1000m。
3风光互补路灯系统在以下环境中运行时，应由生产厂家和用户共同商定技术要求和使用条件：
a）室外温度范围超出－25℃~＋45℃的地区；
b）室内温度范围超出0℃~＋40℃的用户；
c）海拔高度超过1000m的地区；
d）盐雾或沙尘严重地区。
风光互补路灯系统设计原则及组成：
风光互补路灯系统主要由风力发电机组，太阳能电池组件，智能控制器（或控制/逆变器），蓄电池组，灯具灯源，灯杆，电柜箱等组成。
风光互补路灯系统的组成:
图6风光互补路灯系统
设备选型及说明：
1.风力发电机组的主要特点及技术参数
1）风力发电机组的选择
a）由当地的年平均风速，最低月平均风速，无有效风速期时间的长短和年度总用电电量，月平均最低用电电量计算风力发电机组的功率；
b）由年内最低的月平均风速，选择风力发电机组额定风速值；
2）风力发电机组主要特点及技术参数
太阳能电池组件的主要特点及技术参数：
1）太阳能电池组件功率的选择
太阳能电池组的峰值功率由系统日平均最低耗电电量、当地峰值日照小时数和系统损失因子来确定；
在一般正常状态下，系统的太阳电池组件的最小功率应能保证提出供出系统日平均最低发电电量，并且是日平均最低耗电量的1.8倍以上。
太阳能电池组件主要特点及技术参数：
灯源要求及比较：
路灯系统灯源的选择应根据使用环境选择合适的灯源类型，例如LED灯特适用于在室内或室外光照强度要求不高时使用，既有装饰性又节能。
而低压钠灯特别适合于雾气较重的地区使用。
无极灯产生高质量白光。
最近学者宠爱白光（如无极灯的灯光）用来观察在低光照条件下的运动物体，例如测定行人，动物或其他运动物体在晚上远离人行道的点位。
一些城市为了减少事故选择使用白光（即使它价格高），而不使用高压纳灯的黄光。
在天黑后人们经常集中的区域或地方，改良的白光显色性，使得其在市区街灯这块成了最受欢迎的选择。
更多的灯和灯具得到应用，但是由于高价应用仍然受到限制。
这类灯的长寿命大量的节省了因换灯照成的维护费用。
白光被证明在视觉效果上有优势。
目前的准则和标准是在测量基础上的，没有说明瞳孔流明的影响，而且瞳孔流明与传统测量的灯输出流明完全不同。
对适当的光谱和视觉机制的研究正在进行中，将来准则和标准能把这些方面反映出。
蓄电池配置说明：
1）蓄电池的选择
a）应当优先选用储能用铅酸蓄电池和其他适合风光互补发电使用的新型蓄电池；
b）蓄电池组的串联电压必须与风力发电机组的输出电压相匹配，同时也必须与太阳能电池组件输出电压相一致；
c）蓄电池的容量是由日最低耗电量，设定的连续阴天的天数，最长无风期的天数和蓄电池的技术性能，如自放电率、充放电效率和放电深度等因素共同确定的。
2）蓄电池的计算
现以系统设计目标为40W/24V的负载举例说明计算。
假定负载满负荷工作的情况下，按每天使用8小时计算，要求蓄电池在满充后至少可以持续提供负载3天的电力，现有的蓄电池标称功率均以Ah来计。
设：
x为负载功率值，y为蓄电池容量值，50％是VRLA的最佳放电深度，0.85是回路损耗率：
xW×8h×3d＝24V×（yAh×50％）×0.85
x/y＝12×0.85/24
根据系统是默认40W/24V的负载，y＝94，选用2块12V/100Ah蓄电池串联即足够满足要求。
灯杆配置及说明：
灯杆配置主要是指灯杆的强度及高度设计，以及灯杆上太阳能电池组件，灯源的安装高度的确定。
我公司灯杆的强度设计符合《城市道路照明工程施工及验收规范》、《小型风力发电机技术条件》里对灯杆，风力机组塔管的要求，并且与风力机组的自振频率相差很大，可以抗12级台风。
灯杆的高度应根据安装地点的地理环境来决定，保证风力机组的使用不受影响。
太阳能电池组件的安装一般以不与风力机组的风叶相干涉为准，同时要注意保证太阳能电池组件不被灯杆遮挡。
灯源的安装高度根据设计要求的照度确定。
控制/逆变器主要特点及技术参数：
1）控制/逆变器主要特点
SN-500型控制/逆变器风光互补输入，经过整流给蓄电池充电，输出波形为改善方波。
适合于无电地区家庭用电，可带如冰柜120L以下、白炽灯泡、节能灯、电视、卫星电视天线接收机、音响、风扇、及电热毯等。
具有短路保护、过载保护、欠压保护、过压保护、防反接保护、过载热保护。
2）控制/逆变器技术参数
注:
1.行业标准JB/T7143.1-93
2.序列号14、15、16是企业标准增加项目，行业标准无具体要求。
3.企业标准中效率高于行业标准5%。
发电量计算（以20米路宽配置为例）
以每年风速3m/s以上时间超过3500小时地区为例来计算，这样的资源状况在我国普遍达到。
太阳能资源属III类可利用区（1KW太阳能电池板转换太阳能辐射量为4500-5500MJ/year），为安全计，取转换太阳能辐射总量为4500MJ/year，配置的太阳能板的日均发电量应为：
Q1=4500/365/3.6*0.4*0.8=1.1KWH，（式中0.8为安全系数）
由于公路装灯点的障碍物状况不确定性，装灯点的年平均风速低估为4m/s，配置的风力发电机的日均发电量应为:
Q2=223/365/3.6*0.8=0.489KWH，（式中0.8为安全系数）
风光路灯配置的日均总发电量为1.589KWH
鉴于风能与太阳能的良好互补性，以年均资源换算而得的日均资源的可靠性良好，加之风光发电的计算值均取低值，并各考虑了0.8的安全系数，所得的日均发电量数据是安全可靠的。
用电量计算
配置选用114WLED灯，以每天亮灯10小时计算，灯具每天耗用电量为1.14KWH。
设计的配置方案能够满足路灯每天可靠亮灯10小时。
3设计评述
本次课程设计，通过查阅相关文献资料、上网搜索资料以及反复计算核实，本次设计可以说基本完成要求任务，在以下两方面做相关评述。
3.1风光互补路灯系统的优点
1经济效益好由于路灯必须用埋地电缆供电，所以在离电源点超过三公里的公路，路灯的供电线路的建设成本很高，随着公里的延伸，还需要设升压系统，所以，在远郊的公路，路灯的供电线路成本高，线路上消耗的电能也多。
而风光互补路灯系统利用自然风力和光源，不需要输电线路，不消耗电能，无需架线，无需专人控制和管理，产品使用寿命长达20年，安装成本低，维修方便，有明显的经济效益。
2可作为普及新能源知识的好教材目前，非常需要对民众进行环保和新能源知识的普及教育，风光互补路灯系统符合绿色环保要求，无污染、无辐射，保护生态环境，能最直接的向从们展示风能和太阳能这种清洁的自然能源的应用前景。
3安全性好
采用风能、太阳能经转换发出的低压直流电给蓄电池充电，是最安全的电源。
4科技含量高
产品的核心装置是控制器，设置的自控、时控开关装置可根据一天24小时内的天空亮度和人们在各种环境中的需要自动控制路灯开启，关闭时间；
5造型优美，可作为道路景观风车在中国传统文化中是带来好运的吉祥物，佛教信奉的是轮回，所以风车是吉祥的信物，是招财和带来好运的的象征，造型优美的风光互补路灯沿公路或楼盘主干道上迎风飞舞，整齐排列，展现一派壮观和生机勃勃的景象，成为道路的一道亮丽的风景线。
3.2风光互补路灯系统的技术优势
风光互补路灯系统的技术优势在于利用了太阳能和风能在时间上和地域上的互补性,互补性使风光互补发电系统在资源上具有最佳的匹配性。
风光互补路灯系统还可以根据用户的用电负荷情况和资源案件进行系统容量的合理配置，既可保证系统供电的可靠性，又可降低路灯系统的造价。
风光互补路灯系统可依据使用地的环境资源做出最优化的系统设计方案来满足用户的要求。
因此，风光互补路灯系统可以说是最合理的独立电源系统。
这种合理性既表现在资源配置上，又体现在技术方案和性能价格上，正是这种合理性保证了风光互补路灯系统的可靠性。
从而为它的应用奠定了坚实的基础。
4心得体会
通过此次课程设计，使我更加扎实的掌握了有关光伏系统方面的知识，在设计过程中虽然遇到了一些问题，但经过一次又一次的思考，一遍又一遍的检查终于找出了原因所在，也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。
实践出真知，通过亲自动手制作，使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。
过而能改，善莫大焉。
在课程设计过程中，我们不断发现错误，不断改正，不断领悟，不断获取。
最终的检测调试环节，本身就是在践行“过而能改，善莫大焉”的知行观。
这次课程设计终于顺利完成了，在设计中遇到了很多问题，最后在老师的指导下，终于游逆而解。
在今后社会的发展和学习实践过程中，一定要不懈努力，不能遇到问题就想到要退缩，一定要不厌其烦的发现问题所在，然后一一进行解决，只有这样，才能成功的做成想做的事，才能在今后的道路上劈荆斩棘，而不是知难而退，那样永远不可能收获成功，收获喜悦，也永远不可能得到社会及他人对你的认可!
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时又是一门讲道课，一门辩思课，给了我许多道，给了我很多思，给了我莫大的空间。
同时，设计让我感触很深。
使我对抽象的理论有了具体的认识。
我认为，在这学期的实验中，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。
更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。
而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。
要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。
这对于我们的将来也有很大的帮助。
以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。
就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子
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