太阳能光伏照明系统设计毕业论文

毕 业 论 文论文题目： 太阳能光伏照明系统设计系 部： 环境与能源工程学院专 业： 新能源及其应用技术班 级： 13 级（4 ）班学生姓名： 刘 XX学 号： 20132XXXXX指导老师： 2015 年 9 月 24 日太阳能光伏照明系统设计摘要照明作为日常生活中不可缺少的一部分，成为了世界上各国的一项重要的能源消耗，据统计，照明用电占我国总发电量的 10%以上。太阳能光伏照明作为一种新兴的绿色能源，以其无可比拟的优势得到迅速的推广应用。太阳能光伏照明即通过太阳电池为媒介将太阳光能转换为电能，然后将电能转变成化学能储存在蓄电池中,在太阳光线不足时由蓄电池给灯具供电提供照明。本文阐述了太阳能照明的优势以及发展前景，从中了解到太阳能是一种潜力无限的清洁、高效而且可持续的可再生能源，是全人类节能环保的首选。本文还对太阳能光伏照明的工作原理，运行方式，分类以及对太阳能光伏照明系统的各个组成部件（太阳电池，蓄电池，控制器，逆变器）做了详细的介绍。在太阳能光伏照明应用中举例了太阳能路灯，还是涉及到太阳能路灯的安装设计因注意的事项。关键词：太阳能，光伏，照明，发电，系统目录一 绪论1.1 太阳能光伏照明系统的优点1.2 太阳能光伏照明系统的发展前景二 太阳能光伏照明系统的原理及分类2.1 太阳能光伏照明系统的工作原理2.2 太阳能光伏照明系统的运行方式2.3 太阳能光伏照明系统的分类2.3.1 独立光伏照明系统2.3.2 并网光伏照明系统三 太阳能光伏照明系统的基本构成3.1 太阳能光伏照明系统的特点3.2 太阳电池组件3.2.1 太阳电池的分类3.2.2 太阳电池组件的组成3.2.3 太阳电池的工作原理3.3 蓄电池3.3.1 铅酸蓄电池的组成3.3.2 铅酸蓄电池的工作原理3.4 控制器3.4.1 控制器的组成3.4.2 控制器的功能3.5 逆变器3.5.1 逆变器的工作原理3.6 太阳能光伏照明光源的选择四.太阳能光伏照明的实际应用4.1 太阳能路灯的设计4.2 太阳能路灯的工作原理4.3 太阳能路灯的优势4.4 太阳能路灯的组成4.5 太阳能路灯的应用中的注意事项结论参考文献致谢一. 绪论1.1 太阳能光伏照明系统的优点（1）清洁，环保：以太阳光作为能源，不会污染环境。（2）长寿命：太阳电池组件的寿命可达 25 到 30 年。（3）高效率：太阳电池最大功率跟踪技术，通过电流电压的最佳搭配，最大限度的得到有效功率。（4）高亮度：采用大功率太阳电池组件为灯具的发电系统结合太阳电池最佳倾角设计，为大功率光源提供充足能源。（5）便捷管理：整个系统微电脑控制全自动运行，无人看守。（6）安全可靠：太阳能光伏照明系统的充放电过程皆为低压（12V,24V）状态下进行，对人体没有伤害。（7）施工快捷，方便：如果是独立的光伏发照明系统都是一个独立的照明单元，充电，放电，控制都是独立完成，不需要挖沟槽，布线，回填，即时安装，即时应用。1.2 太阳能光伏照明系统的发展前景照明作为日常生活中不可缺少的一部分，成为了世界上各国的一项重要的能源消耗，据统计，照明用电占我国总发电量的 10%以上。太阳能光伏照明作为一种新兴的绿色能源，以其无可比拟的优势得到迅速的推广应用。作为第四代新光源，在城市亮化美化、道路照明、庭院照明、室内照明以及其他各领域的照明和应用中得到了有效的利用。中国是能源消耗大国，能源消耗以煤、石油，天然气为主，这些原料储量有限，不可再生，而且，能源消耗同时排出二氧化碳和硫的氧化物，导致地球温室效应和酸雨，破坏环境。因此开发利用可再生能源，对于保障能源安全，保护生态环境，实现可持续发展，具有重要意义。经过几年的实践，人们认识到太阳能利用投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心,广场，农村道路，市政要道等等纷纷建设太阳能照明系统，太阳能发电照明系统的市场存在扩大空间。新农村建设与建筑节能也为太阳能照明的应用推广带来机遇。 目前我国太阳能照明发展非常迅猛，中国城市照明已经进入太阳能时代，其装置几乎覆盖了整个照明领域。市场对太阳能照明产品的需求日趋增长对产品的质量要求也越来越高，同时也促进了我国能照明事业的发展。二. 太阳能光伏照明系统的原理及分类2.1 太阳能光伏照明系统的工作原理太阳能光伏照明是指将太阳能转换成电能，然后来照明的一种照明的一种照明方式。太阳能光伏照明是利用太阳电池这种半导体器件的光生伏打效应，有效地吸收太阳辐射出的能量，并使之转换成电能。“光生伏打效应”简称“光伏效应” 。光伏效应是指光照射在半导体器件上，产生电子-空穴对，使半导体的电导率率发生改变，产生电势差的现象。它首先是由光子转变为电子，光能转换成电能的过程，其次，是形成电压的过程。如果光线照射在太阳电池上，并且光被吸收，具有足够能量的光子能够在 P型硅和 N 型硅中将电子从共价键中激发，使之产生电子-空穴对。因为 P 区产生空穴，N 区产生电子，都被势垒区阻挡住不能通过 PN 结。只有 P 区产生的电子（少子） ，N 区产生的空穴（少子）在内建电场的作用下发生漂移运动。电子向 N 区移动，空穴相 P 区移动，即电子-空穴对被内建电场分离开来。这导致在 N 区的边界附近的电子积累的越来越多，P 区积累的空穴越来越多，形成了电势差，这就是光生伏打效应。 2.2 太阳能光伏照明系统的运行方式太阳能光伏照明系统目前广泛使用的光电装换器件是晶体硅系列太阳电池组件，现在晶体硅系列太阳电池的生产工艺技术成熟，早已进入大规模商业化生产，已广泛应用于工业，农业，航天，科技，国防和人民生活的各个领域，并发挥着很大的作用。太阳能光伏照明系统以太阳能为能源，白天通过太阳电池组件为媒介利用太阳的光能进行发电，然后储存在蓄电池里，备晚上的使用，而且无需外接电源，安全可靠，绿色环保节能，充电及开关灯，无需人工操作全自动的工作系统，只要设定该系统的工作模式就能自动工作。控制模式一般分为光控方式和计时控制方式，通常采用光控或者光控和计时组合工作方式。黄昏时分当电池板没有充电电流超过 5 分钟，系统就默认为天黑，控制器启动将灯点亮，同时开始计时。当几时到设定时间时光源自动关闭。2.3 太阳能光伏照明系统的分类太阳能光伏系统根据复负载是直流还是交流，以及是否与国家电网并网等可以有多种形式。根据太阳能光伏系统是否与国家电网并网可将太阳能光伏系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。其中，并网光伏系统又可以分为逆流型，非逆流型，切换型，直、交流型，混合型和地域型等。2.3.1 独立光伏照明系统独立光伏照明系统是指其不与国家电网并网而独立存在与运行的照明系统。因为负载的种类，用途的不同，所以系统的构成也不同。独立光伏照明系统一般由太阳电池，控制器，蓄电池，逆变器，负载等构成（如图 2-1 所示） 。其工作原理是：如果负载为直流负载，太阳电池发出的电可直接供直流负载；若为交流负载，太阳电池发出的电经逆变器将直流电转换成交流电供交流负载使用。蓄电池则用来储存电能，当太阳电池发出的电能不足以供负载使用时，系统将会自动切换到蓄电池，由蓄电池向负载供电。 独立照明系统由于只有太阳电池向负载提供电力，且太阳电池输出的电能受日照，温度，气候等因素的影响，所以当太阳电池发出的电能不足以供负载使用时就需要蓄电池来为负载提供电能，保证独立光伏照明系统的稳定性。太阳电池发出的电是直流电，一般情况下可直接用于直流负载。当负载为交流负载时，需逆变器将太阳电池发出的直流电转变成交流电供交流负载使用。蓄电池在充放电的过程中都有损失，并且蓄电池的维护成本较高，因此独立光伏照明系统的容量较小，主要应用于时钟，计算器，路标灯，路灯，景观灯，庭院灯，岛屿以及山区无电地区等领域。太阳电池组件 控制器蓄电池交流负载逆变器直流负载（图 2-1）独立光伏发电系统2.3.2 并网光伏照明系统 本文的并网照明偏向于分散式小型的并网照明系统，如某住宅的并网照明系统，某办公大楼的并网照明系统，某小区的并网照明系统。 大型并网光伏系统更像一个发电站，它的功率容量可达兆瓦级以上，而分散式小型的并网照明系统功率容量在几千瓦到几百千瓦之间。大型并网光伏系统很集中，它的主要特点是系统所发的电能并到国家电网上，由电网统一调配向用户供电。大型并网光伏系统的建设，投资巨大，建设时间长，需要复杂的控制及配电设备，同时也要占用大面积的土地，发出的电成本高于现在市电的价格，其发展受到了一定的条件约束。分散式小型并网照明系统具有许多的优越性，容易建设，投资不大，国家还有相应的政策扶持，使分散式小型并网照明系统倍受青睐，发展迅速，或许在不久的将来成为主流。分散式小型并网照明系统的主要特点是太阳电池所发的电经逆变能直接分配到用电负载上，多余或不足的电能通过国家电网来调节。在这种情况下就诞生了逆潮流型和非逆潮流型两种。逆潮流型，是在太阳电池发出的电有多，将多余的电能输入电力公司电网，电力公司会给该用户相应的报酬，由于是与电网供电的方向是相反的，所以称为逆潮流型（如图 2-2 所示） 。太阳电池输出的电能受天气的影响很大，用户为了保持系统的稳定，大多会与电力公司电网保持并网运行。当太阳电池输出的电能不能满足负载需求的情况下，不足的部分由电力公司的电网补充（如图 2-3 所示） 。现在的分散式小型光伏照明系统几乎都采用逆潮流型。交流负载电力系统太阳电池组件 逆变器（图 2-2）非逆潮流型太阳电池组件 逆变器电力系统（图 2-2）逆潮流型交流负载三. 太阳能光伏照明系统的基本构成3.1 太阳能光伏照明系统的特点太阳能光伏照明作为一种新兴的绿色能源，以其无可比拟的优势（1.清洁，环保 2.长寿命 3.高效率 4.高亮度 5.便捷管理 6.安全可靠 7.施工快捷，方便)得到迅速的推广应用。作为第四代新光源，在城市亮化美化、道路照明、庭院照明、室内照明以及其他各领域的照明和应用中得到了有效的利用。 3.2 太阳电池组件3.2.1 太阳电池的分类目前商用的太阳电池主要有以下几种类型：单晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池，非晶硅太阳电池，微晶硅薄膜太阳电池，碲化镉太阳电池，铜铟硒太阳电池，铜铟镓硒太阳电池等。目前在研究的还有染料敏化钠太阳电池，多晶硅薄膜太阳电池以及有机太阳电池。但实际上应用最广泛的还是硅系太阳电池，特别是晶体硅太阳电池。3.2.2 太阳电池组件的组成具有封装及内部连接，能够单独提供直流电输出，不可分割的最小太阳电池组合装置，称之为太阳电池组件。单体太阳电池片是太阳电池的最小单元。一块电池片的输出电压在0.5V0.7V，但是在实际应用中，电压的需求在几十伏到几百伏不等，那么就需要将大量电池片串并联起来，这样极为不方便。另外，由于太阳电池在户外使用，存在温度，湿度，盐分，灰尘，强风，雨水以及冰雹等自然环境因素的影响，因此必须保护太阳电池片，使太阳电池长久的发挥其发电的功能。常见的太阳电池组件由前罩（低铁超白绒面钢化玻璃） ，保护膜，上电极与下电极，密封材料，填充材料，后罩（背板 PET） ，框架，接线盒，互联条等组成。太阳电池组件的构造方法多种多样，一般要考虑以下问题：1. 为了防止太阳电池的通电部分被腐蚀，保证其稳定性和可靠性，必须使太阳电池具有较好的耐候性；2. 为了防止由于漏电引起的发电性能降低，必须消除其对外围设备以及人的不良影响；3. 防止由于冰雹，强风等自然气象因素的队组件造成的损伤；4. 除了应避免太阳电池在搬运，按装过程中的损伤外，还必须使电气配线比较容易；5. 增加保护功能，以防止由于组件的损伤，破损等引起的系统电气故障。3.2.3 太阳电池的工作原理太阳电池的工作原理就是“光生伏打效应”光照射在半导体器件上，产生电子-空穴对，使半导体的电导率率发生改变，产生电势差的现象。它首先是由光子转变为电子，光能转换成电能的过程，其次，是形成电压的过程。如果光线照射在太阳电池上，并且光被吸收，具有足够能量的光子能够在 P 型硅和 N 型硅中将电子从共价键中激发，使之产生电子-空穴对。因为 P区产生空穴，N 区产生电子，都被势垒区阻挡住不能通过 PN 结。只有 P 区产生的电子（少子） ，N 区产生的空穴（少子）在内建电场的作用下发生漂移运动。电子向 N 区移动，空穴相 P 区移动，即电子-空穴对被内建电场分离开来。这导致在 N 区的边界附近的电子积累的越来越多，P 区积累的空穴越来越多，形成了电势差。3.3 蓄电池蓄电池为光伏系统点的蓄能装置，由于太阳能光伏照明系统的输入量不够稳定，一般都需要配置储能装置。蓄电池的作用是将太阳电池所发出的直流电储存起来，在太阳电池的输出不足时，蓄电池将储存的电能供负载使用。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。目前光伏系统中最常用的蓄电池就是铅酸蓄电池。3.3.1 铅酸蓄电池的组成铅酸蓄电池由正极板，负极板，隔板，电池槽，电解液组成。3.3.2 铅酸蓄电池的工作与原理由于太阳能光伏照明系统几乎都是采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析。铅酸蓄电池放电过程反应物负极是海绵状铅，正极板是多孔状二氧化铅，而两电极产物都是硫酸铅和水。在理想条件下，充电过程两电极上的硫酸铅和水分别可恢复为原来的物质。依据双硫化理论，铅酸蓄电池平衡电极反应式为：负极：Pb+HSO 4- PbSO4+H+2e-正极: PbO 2+3H+HSO4-+2e- PbSO4+2H2O合并正负极的反应式，可得出平衡状态下的电池反应式为：PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4+2H2O电池在开路状态，负极上的 Pb 具有释放出 Pb2+ 离子并与电解液生成 PbSO4铅酸蓄电池充、放电化学反应的原理方程式如下： 1.充电： 蓄电池从其他直流电源获得电能叫做充电。充电时，在正、负极板上的硫酸铅会被分解还原成硫酸、铅和氧化铅，同时在负极板上产生氢气，正极板产生氧气。电解液中酸的浓度逐渐增加，电池两端的电压上升。当正、负极板上的硫酸铅都被还原成原来的活性物质时，充电就结束了。 在充电时，在正、负极板上生成的氧和氢会在电池内部“氧合”成水回到电解液中。化学反应过程如下： PbSO4 +2H2O + PbSO4 PbO2 + 2H2SO4 + Pb2.放电 蓄电池对外电路输出电能时叫做放电。蓄电池连接外部电路放电时， 硫酸会与正、负极板上的活性物质产生反应，生成化合物“硫酸铅” ，放电时间越长，硫酸浓度越稀薄，电池里的“液体”越少，电池两端的电压就越低。 化学反应过程如下： PbO2 + 2H2SO4 + Pb 2PbSO4 + 2H2O 从以上的化学反应方程式中可以看出，铅酸蓄电池在放电时，正极的活性物质二氧化铅和负极的活性物质金属铅都与硫酸电解液反应，生成硫酸铅，在电化学上把这种反应叫做“双硫酸盐化反应” 。在蓄电池刚放电结束时，正、负极活性物质转化成的硫酸铅是一种结构疏松、晶体细密的结晶物，活性程度非常高。在蓄电池充电过程中，正、负极疏松细密的硫酸铅，在外界充电电流的作用下会重新还原成二氧化铅和金属铅，蓄电池就又处于充足电的状态。正是这种可逆转的电化学反应，使蓄电池实现了储存电能和释放电能的功能。3.4 控制器在太阳能光伏系统中控制器是用于太阳能光伏系统中，控制一路或者多路太阳电池对蓄电池充电以及蓄电池给逆变器或者负载供电（即放点）的自动设备。3.4.1 控制器的组成在太阳能光伏照明系统中，根据光伏发电照明系统实际需求的不同，控制器的复杂程度也不同。控制器可以由相对简单的比较电路组成，也可以由单片机或者 DSP 处理器来控制，但不管控制器由什么组成，其基本原理都相同。充放电控制器主要由控制电路，开关元件，和其他基本电子元件组成。开关元件包括充电开关，放电开关，充电开关用来切断或者接通太阳电池组件和蓄电池，使太阳电池对蓄电池进行充电或者避免蓄电池过充；放电开关用来切断电源或者接通蓄电池与负载，使系统电压供负载使用或者避免蓄电池过放。此处讲的充放电开关是一个广义上的开关元件，它可以是一个继电器，三极管等元件，也可以是 MOS 管、晶闸管或者是机械等类的元件，用来接通或者切断输电线路的元件。3.4.2 控制器的功能为了延长蓄电池的寿命，必须对它过放电、过充电、深度充电、负载过流和反充电等情况加以限制。在温差较大的地方，控制器应该具备温度补偿功能，同时能依照负载的电源需求来控制太阳电池和蓄电池对负载电能的输出。由此控制器的作用非常重要，其具体作用如下：（1）防过充电当电池充满电后要停止对电池进行充电，如果过多的充电就会有大量的气体析出，这是正极板的活性物质受到大量的气体冲击，这种冲击会促进活性物质脱落；此外，正极板珊合金也遭受严重的阳极氧化而腐蚀，所以蓄电的过充电会使蓄电池的使用寿命缩短。（2）防过放电当蓄电池的电量不足时要停止对外放电，过深的放电也会影响到电池的容量和寿命。因为正极活性物质二氧化铅本身的结合不牢，放电时生成硫酸铅，充电时又回复二氧化铅。由于两者的膨胀系数不同，必然会在不断充放电时体积反复收缩和膨胀，就使二氧化铅逐渐松弛，易于脱落。因此，放电深度越深，其循环寿命越短。（3）防反充电防止夜晚或者阴天没有太阳光照时，蓄电池对太阳电池放电（反充电） ，这样不仅消耗电能，而且还会损坏系统。（4）温度补偿蓄电池温度低，硫酸电解液的黏度和电阻都会增大，参加反应的原子扩散困难，浓度差急剧增加，电阻增大，使活性物质内部的化学反应难以进行，蓄电池容量减小。所以需要控制器来监视蓄电池的温度，对充放电值进行修正，让电池工作在理想状态。（5）光控多用于自动灯具，当环境足够亮时，控制器就会自动切断负载输出；而环境暗下来后又会自动启动，使负载运行，以实现自动控制的功能。（6）防短