高空间利用率太阳能路灯.doc

高空间利用率太阳能路灯 目录1.1摘要12.1创意来源：22.2太阳能路灯的优势22.3薄膜太阳电池的制作材料32.3可行性论述32.31系统组成32.32工作原理42.33选用LED光源的优势42.4高空间利用率太阳能路灯的结构设计42.41倾角设计42.42抗风设计52.5控制器56北京航空航天大学“冯如杯”学生参赛作品1.1摘要下图为高空间利用率太阳能路灯结构设计的简易图示。太阳能电池板组件1的作用是提高对于空间中存在的太阳能的利用，倾角设计为16度，这一设计原理旨在应对一年四季的变化对于太阳能电池的影响。太阳能电池板是采用的新型透明薄膜材料，所以能够逐层吸收照射与该空间的太阳光，从而达到提高对太阳光的空间利用率。太阳能电池组件2 采用的是正对着LED灯成45度角而设计的，这样的设计是为了弥补太阳能电池组件1的角度，同时在夜晚吸收照射在电池板组件2上的灯光，实现能量的进一步利用，并且延长其夜晚照明的时间。透明玻璃罩的作用是固定太阳能电池组件1和太阳能电池组件2而设计的，同时也增强了太阳能电池组件的抗风性。加固支架起到一个对路灯灯柱的加固作用。储电池控制器箱中容纳了储存太阳能转化成电能的储蓄电池以及电路控制器，灯柱为空心，以便容纳电线以及各种传感器，并且对其中的部件起到一个保护的作用。2.1创意来源：现在可供人类利用的石油还有50年，煤炭还有不到100年，已经发现的天然气可以供人类使用80年左右。但是研究表明，石油的生成至少需要200万年的时间。试想如果我们不对有限的资源进行保护，合理并且节约的对其进行利用，那么在不久的将来人类将会面临一场资源的大危机。而太阳能则是被认为取之不尽用之不竭的，所以我们要将太阳释放在地球上的巨大能量进行有效的利用，进而减缓能源枯竭的问题。传统的太阳能电池板对太阳能的利用率较高对于阳光吸收率为70%左右，美国伦斯勒理工学院研究人员2008年开发出一种新型涂层，将其覆盖在太阳能电池板上能使后者的阳光吸收率提高到96.2%。但这些太阳能电池板对于空间中的利用率较低，所以导致了无法实现较大功率的运作。我将要设计的太阳能路灯在对于太阳能的高吸收率的基础上，还将要大大提高空间利用率。这种新式的太阳能路灯将会把对太阳能的利用拉伸到三维空间，而不再是像传统的太阳能电池板那样只局限于二维平面上的太阳能利用。自然界中也广泛存在这样的例子，如右图中的叶绿体内部结构图，发生生化反应的场所也就是基粒是堆叠起来的，因为这样可以增大反应面积，同样，我们也可以利用这样的一个特性来增大对于太阳光的利用率。2.2太阳能路灯的优势太阳能路灯以太阳光为能源，白天太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给负载供电使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护。同时这种新型太阳能电池相对于传统太阳能电池具有以下有点：1.相同遮蔽面积下功率损失较小(弱光情况下的发电性佳) 2.照度相同下损失的功率较晶圆太阳能电池少 3.有较佳的功率温度系数 4.较佳的光传输 5.较高的累积发电量 6.只需少量的硅原料 7.没有内部电路短路问题(联机已经在串联电池制造时内建) 8.厚度较晶圆太阳能电池薄 9.材料供应无虑 10.这是最重要的一点：大大提高了对于空间中的太阳能的利用，使其发电功率成倍增长。2.3薄膜太阳电池的制作材料薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数m，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量(厚度可低于硅晶圆太阳能电池90%以上)，目前转换效率最高以可达13%，薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的沈积(deposition)技术，一层又一层地把p-型或n-型材料长上去，常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInGaSe2 (CIGS)、和CdTe.等。2.3可行性论述2.31系统组成系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、太阳能灯具控制器 、蓄电池（包括蓄电池保温箱）和灯杆等几部分构成。太阳能电池组件一般选用单晶硅或者多晶硅太阳能电池组件；LED灯头选用大功率LED光源；控制器一般放置在灯杆内，具有光控、时控制、过充过放保护及反接保护，更高级的控制器更具备四季调整亮灯时间功能、半功率功能、智能充放电功能等；蓄电池一般放置于地下或则会有专门的蓄电池保温箱，可采用阀控式铅酸蓄电池、胶体蓄电池、铁铝蓄电池或者锂电池等。太阳能灯具全自动工作，不需要挖沟布线，但灯杆需要装置在预埋件（混凝土底座）上。2.32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，通过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。2.33选用LED光源的优势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。2.4高空间利用率太阳能路灯的结构设计2.41倾角设计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，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。根据近来物理学上的研究表明，倾角达到16度对于一年四季中的太阳能利用效率最高，所以对于顶部的透明薄膜太阳能电池板组件1，我采用的是16度的偏角。由于 该太阳能电池板是透明的，所以角度对于太阳光的利用影响减小了，但是由于太阳光在照射到电池板上后会逐层穿透，所以太阳光的作用面积是增大的，所以这种电池板的特殊设计使得其对于太阳能的利用伸展到空间中去了。2.42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。 太阳能电池组件支架的抗风设计太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。路灯灯杆的抗风设计路灯的参数如下：电池板倾角16度， 灯杆高度 = 6m 。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 = F1.545。根据27m/s的设计最大允许风速，230W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 = 1.3730 = 949N。所以，M = F1.545 = 9491.545 = 1466N.m。根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = （3r23r23）。上式中，r是圆环内径，是圆环宽度。破坏面抵抗矩W = （3r23r23） =（384243844243）= 88768mm3 =88.768106 m3 ，风荷载在破坏面上作用矩引起的应力 = M/W = 1466/（88.768106） =16.5106pa =16.5 Mpa215Mpa ，其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。 所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。（本段抗风设计参数与计算是引用光伏能源课程中的分析设计。）2.5控制器下图为该太阳能路灯的简易电路图原理。太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态，有关如何实现该功能，我在选用器件上，采用单片机实现相关自动化的操作。对任何一个太阳能照明系统来说，充放电控制电路得优劣将直接影响到系统应用的成败。由于太阳能