新余市太阳能LED路灯系统设计格式.docx
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新余市太阳能LED路灯系统设计格式
课程设计
课程名称新余市太阳能LED路灯系统设计
班级09光伏发电
（2）班
专业光伏发电技术与应用
学号0903032029
姓名徐三凤
指导教师欧阳小芳（老师）
提交日期2011年6月16日
姓名课程设计成绩
评语：
指导教师（签名）
年月日
摘要
关键词
第1章绪论
1.1太阳能LED路灯系统简介
1.1.1太阳能LED路灯的系统组成和工作原理
1.1.2太阳能LED路灯的优点
1.2太阳能LED路灯的发展现状和趋势
第2章新余市基本气象及地理情况
2.1新余市地理概况
2.2新余市气象概况
第3章太阳能LED路灯系统的设备选型
3.1LED光源
3.1.1LED的发光原理
3.1.2LED光源的优点
3.1.3LED光源的参数
3.2蓄电池
3.2.1蓄电池的主要参数
3.2.2太阳能LED路灯对蓄电池的性能要求
3.3太阳电池组件
3.3.1太阳电池组件的基本参数
3.2太阳能LED路灯对太阳电池组件的性能要求和技术要求
3.4光伏控制器及灯杆
3.4.1控制器的基本参数
3.4.2控制器的工作原理及工作条件
3.4.3灯杆的技术要求
第4章太阳能LED路灯设计
4.1太阳电池组件的倾角和方位角设计
4.1.1太阳电池组件的倾角设计
4.1.2太阳电池组件的方位角设计
4.2蓄电池数量设计
4.2.1蓄电池的容量设计
4.2.2蓄电池组的数量及连结方式
4.3组件数量设计
4.3.1组件容量设计
4.3.2组件数量及排列方式
4.4抗风设计
4.4.1太阳能电池组件支架的抗风设计
4.4.2路灯灯杆的抗风设计
第5章太阳能LED路灯设计总费用及性价比分析
5.1太阳能LED路灯的设计总费用
5.2太阳能LED路灯的经济性分析
参考文献
心得体会
新余市太阳能LED路灯系统设计
摘要：
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，近年来，随着太阳能发电产业的迅速发展，光伏应用的领域正在逐渐扩大，各种光伏新产品不断涌现。
在照明路灯中，作为技术和艺术相结合的太阳能照明系统-太阳能路灯，已开始在美国、法国、日本等发达国家很多地区得到广泛应用，在我国则处于起步阶段。
太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。
太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。
关键词：
太能能、LED、节能、照明
第一章绪论
将太阳能直接转换为电能的技术称为光伏发电技术。
太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。
光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。
近年来随着太阳能发电技术和LED照明技术的个发展，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。
1.1太阳能LED路灯系统简介
1.1.1太阳能LED路灯的系统组成和工作原理
太阳能路灯系统由太阳电池组件、蓄电池组、智能控制器、高效节能直流灯（LED）、灯架、安装材料等组成。
太阳能光伏发电系统主要由太阳能光伏电池组，光伏系统电池控制器，蓄电池和交直流逆变器是其主要部件。
其中的核心元件是光伏电池组和控制器。
LED灯已在全世界喧起一股热潮，作为新型的节能、环保、高效诸多优点为一身的高新产品，LED灯的时代已经来临。
工作原理：
系统工作原理简单，利用光生伏特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保护蓄电池。
1.1.2太阳能LED路灯的优点
1、短小轻薄2、耐机械振动和冲击
3、寿命长4、耗电少
5、发热少6、反应速度快
7、颜色柔美饱和和亮度高8、绿色环保（不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰）
9、健康（不含紫外线和红外线，不产生辐射）
1.2太阳能LED路灯的发展现状和趋势
对于近年来越炒越热的LED路灯来说,一方面是抓住了国家节能降耗的大趋势,一方面是国家强调的绿色照明的概念,同时地方领导人为了出政绩,为了要名声,不惜重金打造相关绿色环保节能的照明典型,致使所有LED生产厂家都趋之若鹜,强力攻关,同时LED生产厂商为了拓宽市场炒作很猛，政府部门也就被牵着走。
但是,从目前LED的现状来说,还是仍然存在许多问题没有彻底解决:
LED的芯片质量问题,散热问题,配光问题,封装问题,电源驱动问题,电子元器件的寿命问题等等,虽然按目前国内国际大环境来说,LED的前景光明。
第二章新余市的基本气象及地理情况
2.1新余市地理概况
新余市位于江西省中部偏西，浙赣铁路西段，地处北纬27°33′～28°05′，东经114°29′～115°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，东临樟树市、新干县，西接宜春市袁州区，南连吉安市青原区、安福县、峡江县，北毗上高县、高安市。
2.2新余市气象概况
新余市属亚热带湿润性气候，具有四季分明、气候温和、日照充足、雨量充沛、无霜期长、严冬较短的特征。
。
新余市年平均气象资料如下表所示：
水平日辐射量
（Ht）
斜面日辐射量
（Ht）
年平均气温（℃）
相对湿度（%）
日照时数（h）
降水（mm）
连续阴雨天数（d）
13094
13714
17.7
80
1655.4
1594.8
7
第三章太阳能LED路灯系统的设备组成
3.1、LED灯的选择
3.1.1、LED灯的主要参数
【产品品牌】大益【产品价格】450元
【产品型号】DY-LA-W10-L【LED数量】246pcs
【总功率】42W【LED色温】白色（暖白/正白/冷白）
【显色性】>80CRI【输入电压】24V
【功率因素】95%【光通量】700LM
【产品寿命】>50000小时【外壳材质】铝合金压铸而成
【环境温度】-30—40℃【适应温度】≤95%
【工作温升】20℃【产品寿命】8—10年
3.1.1LED灯的优点及特性
1.发光效率高，耗电量小，使用寿命长，工作温度低。
2.安全可靠性强。
3.反应速度快，单元体积小，绿色环保。
4.同亮度下，耗电是白炽灯的十分之一，荧光灯的三分之一，而寿命却是白炽灯的50倍，荧光灯的20倍，是继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明产品。
5.单颗大功率超亮度LED的问世，是LED应用领域跨至高效率照明光源市场成为可能，将是人类继爱迪生发明白炽灯后最伟大的发明之一。
3.2、蓄电池的选择
3.2.1蓄电池的主要参数
3.2.2太阳能LED路灯对蓄电池的性能要求
品牌
皓诚
类型
储能用蓄电池
电池盖和排气拴结构
阀控式密闭蓄电池
荷电状态
免维护蓄电池
型号
6GFM100
化学类型
电化学
额定容量
100AH
电压
12（V）
外型尺寸
522*240*245（mm）
产品认证
电力部
价格
685元
寿命
5年
3.2.3免维护阀控铅酸蓄电池的优点:
1、安全性能好：
正常使用下无电解液漏出，无电池膨胀及破裂。
2、放电性能好：
放电电压平稳，放电平台平缓。
3、耐震动性好：
完全充电状态的电池完全固定，以4mm的振幅，16.7HZ的频率震动1小时，无漏液，无电池膨胀及破裂，开路电压正常。
4、耐冲击性好：
完全充电状态的电池从20CM高处自然落至1CM厚的硬木板上3次无漏液，无电池膨胀及破裂，开路电压正常。
5、耐过放电性好：
25摄氏度，完全充电状态的电池进行定电阻放电3星期（电阻只相当于该电池1CA放电要求的电阻），恢复容量在75%以上。
6、耐充电性好：
25摄氏度，完全充电状态的电池0.1CA充电48小时，无漏液，无电池膨胀及破裂，开路电压正常，容量维持率在上95%以。
7、耐大电流性好：
完全充电状态的电池2CA放电5分钟或10CA放电5秒钟。
无导电部分熔断，无外观变形
3.3太阳能电池组件的选择
3.3.1太阳电池组件的基本概念及其选配
太阳电池组件是用金属条将各个单体电池互相串联或并联起来构成通路，通过电极引线而向负载供电的发电装置，是整个太阳能光伏发电系统的核心组成部分。
由于电池直接暴露在外界环境中，易导致光电转化效率的下降或损坏，所以太阳电池必须通过封装后再投入使用。
组件的封装按其封装材料和工艺的不同，主要分为：
环氧树脂胶封装、层压封装、硅胶封装等。
目前最主要的是层压封装方式。
太阳电池组件是整个光
伏发电系统的核心部件，电池组件质量的好坏之间影响整个太阳能光伏发电系统的输出功率及使用寿命。
太阳电池组件的选配需根据使用的负载等系统的其他部件使用需求来确定电池容量的大小，再根据性价比来选用单晶硅组件、多晶硅组件还是非晶硅组件。
3.3.2太阳能LED路灯对太阳电池组件的性能要求
目前应用的太阳能电池主要还是硅系列材料的电池，特别是晶体硅太阳能电池。
由于单体太阳能电池本身易破碎，易被腐蚀，若直接暴露在大气中，光电转换效率会由于潮湿、灰尘、酸雨等的影响而下降，以致损坏失效。
因此，太阳电池一般都必须通过胶封、层压等方式封装成平板式结构再投入使用。
太阳能LED路灯是长期暴露在高温，高湿，风、雪、雨等严酷环境下工作的，因此更需要对太阳电池组件提出更高的性能要求和技术要求：
1、电池组件要有一定的标称工作电流输出功率
2、工作寿命长，要求组件能正常工作20~30年，因此要求组件使用的材料，零部件及结构，在使用寿命上互相一致，避免因一处损坏而使整个组件失效。
3有足够的机械强度，能经受在运输、安装和使用过程中发生的冲突，振动及其他应力。
4、组合引起的电性能损失要小，组合成本要低。
3.4光伏控制器及灯杆
3.4.1太阳能路灯控制器名牌
【产品型号】HBSC20I
【产品规格】12V/24V,20A
【产品类别】太阳能控制器，太阳能路灯控制器，太阳能充放电控制器
【技术参数】
型号 HBSC20I产品寿命：
10左右
额定充电电流 20A额定负载电流 20A
系统电压 □24V/12VAUTO
过载、短路保护 1.25倍额定电流60秒.1.5倍额定电流5秒时过载保护动作.≥3倍额定电流短路保护动作
空载损耗 ≤6mA
充电回路压降 不大于0.26V
放电回路压降 不大于0.15V
超压保护 17V，×2/24V；
工作温度 工业级：
-35℃至+55℃（后缀I）；
提升充电电压 14.6V；×2/24V；（维持时间：
10min）（仅当出现过放电时调用）
直充充电电压 14.4V;×2/24V；（维持时间：
10min）
浮充 13.6V;×2/24V；（维持时间：
直至降到充电返回电压动作）
充电返回电压 13.2v；×2/24V；
温度补偿 -5mv/℃/2V（提升、直充、浮充、充电返回电压补偿）;
欠压电压 12.0V；×2/24V；
过放电压 11.1V-放电率补偿修正的初始过放电压（空载电压）；×2/24V；
过放返回电压 12.6V；×2/24V；
控制方式 充电为PWM脉宽调制
3.4.2光伏控制器应具有以下基本功能：
1、防止蓄电池过充
2、防止蓄电池过放
3、提供负载控制的功能
4、光伏控制器工作状态信息显示
5、防雷功能
6、防反接功能
3.4.3灯杆
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（5）灯杆价格：
580元
3.4.4.太阳电池
（1）型号SFM75
（2）最大功率Pm75Wp
（3）最大工作点电压Vm17.2V（4）最大工作点电流Im4.36A
（5）开路电压Voc21.60V（6）短路电流Isc4.80A
（7）电池板尺寸1190*540*35MM（8）太阳能电池净重9.0KG
（9）电池效率17%（10）工作温度-40℃~85℃
（11）市场价格980.00元
第4章太阳能LED路灯设计
4.1太阳电池组件的倾角设计
在光伏供电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接受到太阳能辐射有很大的影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。
光伏组件的放置形式有固定安装式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪式装置包括单轴跟踪专职和双轴跟踪装置。
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。
为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。
太阳电池组件的倾角是太阳电池组件平面与水平面的夹角对于光伏发电系统方阵倾角的选择要考虑以下几点：
连续性
均匀性
极大性。
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。
新余市的纬度大约为北纬28°，所以当地太阳电池方阵倾角可加上15°，设计电池方阵的倾角为43°。
4.2蓄电池组容量设计
1.LED灯，单路、40W，12V系统
2.每日放电时间10小时
3.满足连续阴雨天6天（另加阴雨前一夜的用电，计7天）。
4.LED灯工作电流I＝40W/12V＝3.34A
5.每天耗电量Q=I*h=40W/12V*10=33.4Ah
6.蓄电池容量C=7*Q/a＝33.4Ah×（6＋1）天/75%
C＝311.73Ah（a=75%为蓄电池放电深度）
根据蓄电池的规格，取C=360Ah.
实际蓄电池容量为12V/360Ah,所以只要3只12V/120Ah的蓄电池以并连的方式连接起来即可满足需求。
4.3太阳电池方阵设计
1、平均有效日照时数取Tm=4h/d
2、方阵电流Im=Q/（T*η1*η2）=33.4/（4*0.9*0.9）=10.3A
3、方阵电压V=Vf+Vd=6*2.35+0.8=14.9V（每只单体铅酸蓄电池的工作电压取2.35V，线路压降取Vd=0.8V）
4.设太阳电池的最高工作温度为60℃，则方阵的输出功率为：
P=Im*V/[1-a（tmax-25）]=10.3*14.9/[1-0.5%（60-25）]=186.02W
（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为太阳电池最高工作温度。
）
5.根据太阳电池板的规格，取P=150W，可用两块75W的组件串联获得。
应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。
4.4抗风设计
在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。
抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。
下面按以上两块分别做分析。
4.4.1、路灯灯杆的抗风设计
路灯的参数如下：
电池板倾角A=43o灯杆高度=7m
设计选取灯杆底部焊缝宽度δ=4mm灯杆底部外径=168mm
焊缝所在面即灯杆破坏面。
灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ=[5000+（168+6）/tan16o]×Sin16o=1545mm=1.545m。
所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M=F×1.545。
根据27m/s的设计最大允许风速，2×40W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。
考虑1.3的安全系数，F=1.3×730=949N。
所以，M=F×1.545=949×1.545=1466N.m。
根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。
破坏面抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）
=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）=88768mm3
=88.768×10－6m3
风荷载在破坏面上作用矩引起的应力=M/W
=1466/（88.768×10－6）=16.5×106pa=16.5Mpa＜＜215Mpa
其中，215Mpa是Q235钢的抗弯强度。
所以，设计选取的焊缝宽度满
第5章太阳能LED路灯设计总费用及性价比分析
5.1太阳能LED路灯的设计总费用
1.太阳电池组件的费用：
由太阳能LED路灯的方阵容量为C=150W知，两块功率75W的电池组件串联可以获得。
则两块75W的电池组件费用为：
980*2=1960（元）
2.蓄电池的费用：
单只12V/120AH的蓄电池费用是685元，则6只该型号的蓄电池费用为：
685*3=2055（元）
3.LED光源的费用：
一只12V/40W的高效LED灯头费用是500元
4.光伏控制器及灯杆的费用：
12V/20A光伏控制器一只费用是100元，一杆优质钢材灯杆费用是580元5.一套太阳能LED路灯总费用为：
1960+2055+500+100+580=5195元
5.2太阳能LED路灯的性价比分析
太阳能LED路灯与普通交流节能灯的费用比较
项目费用
太阳能LED路灯（36W）
交流电节能灯（100W）
项目费用比较
LED光源
500
节能灯
100
蓄电池
685*3=2055
10年耗电费用
10year*365*100W*10h*1KW.h=3650
太阳能电池板
980*2=1960
光伏控制器
100
10年更换节能灯费用
100*10=1000
10年总费用
4115
4650
10年费用差
普通交流节能灯比太阳能LED路灯多花535元一盏
由上表可得出结论：
太阳能LED路灯比普通交流节能灯的性价比更高。
此外，普通交流节能灯还需要铺设电缆，费用将会更大。
参考文献
【1】罗玉峰张发云廖卫兵.太阳能光伏发电技术，南昌：
江西高校出版社,2009
【2】太阳能光伏发电协会，刘树民、宏伟译.太阳能光伏发电系统的设计与施工，北京：
科学出版社，2006
【3】方荣生等.太阳能应用技术[M].北京:
中国农业机械出版社,1986
【4】XX百科
心得体会
通过这次课程设计深刻了解了太阳能组件的工作原理及太阳能产品在未来的商业前景巨大，虽然光伏系统一次性投资成本高，但是相比其它还是很有优势的，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。
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