太阳能路灯照明设计

目目 录录 摘要 1 一 绪论 1 二 太阳能路灯设计思路与要求 2 三 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理 2 一 太阳能路灯的组成 3 二 太阳能路灯的工作原理 3 四 各部件的组成及工作原理 4 一 太阳能电池组件的组成及其工作原理 4 二 蓄电池的组成及工作原理 5 1 充电 5 2 放电 6 三 电源控制器的组成及工作原理 6 1 系统硬件结构 6 2 电压采集与电池管理 7 3 负载输出控制与检测电路 8 4 硬件设计中的注意点 8 四 光源的选择 9 五 各数据计算 9 1 太阳能电池组件计算 9 2 蓄电池容量计算 100 3 太阳能电池组件支架 100 五 太阳能路灯的实际应用与普通路灯的比较 111 六 结论 111 参考文献 112 致谢 13 1 太阳能路灯照明设计太阳能路灯照明设计 摘要 本文介绍一种基于光伏发电的太阳能照明系统的设计 这个设计阐述 了太阳能路灯与普通路灯的区别 从中了解到太阳能照明的优势 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 对太阳能路灯照明的太阳能电池 蓄电池 支架等各方面作了一个详细的分析 比 较 再根据光伏发电的原理特性 系统采用了智能化控制器 对智能控制器编程序 使得程序可以满足太阳能 LED 路灯的自动蓄电 自动照明 自动熄灭等一系列工作 过程 使太阳能照明更加智能化 最后 本文还举出例子 对现在正使用的太阳能 路灯进行了分析 研究 明确太阳能发展的趋势及前景 关键词 光伏发电 太阳能 节能环保 智能控制 一 绪论一 绪论 无论是现在还是将来 太阳能都拥有广阔的市场前景 潜力无限的太阳能是一 种清洁 高效而且可持续的可再生能源 随着经济发展 我国的照明用电将大幅度 提高 绿色节能照明的研究应用 将越来越受到重视 太阳能 LED 照明灯具作为冷 光源产品 具有性价比较高 绿色环保 安全可靠 质量稳定 使用寿命长 安装 维护简便等特点 可广泛应用于绿地照明 公路照明 广告灯箱照明 城市造型景 观照明及家居照明系统 但太阳能 LED 照明灯具一次性投入较高是其发展的瓶颈 目前 照明消耗约占整个电力消耗的 20 左右 降低照明用电是节省能源的重 要途径 为实现这一目标 业界已研究开发出多种节能照明器具 并取得了一定的 成效 但是 距离 绿色照明 的要求还较远 开发和应用更高效 可靠 安全 耐用的新型光源势在必行 随着科学技术的飞速发展 太阳能逐渐被开发利用 并 已成为最有发展前景的环保能源之一 太阳能照明就是利用太阳能最重要的途径 太阳能照明路灯采用高效单晶硅太阳能电池供电 采用免维护密封型蓄电池贮存电 能 用高效节能灯照明 并采用先进的充放电和照明控制电路 具有性质可靠 发光 效率高 亮度大 安装方便 无需铺设电缆电线 无需交流电能和电费 采用直流 供电 光敏控制 安全可靠 节能 经济 环保 使用寿命长 是未来户外照明的 发展方向和照明灯具中的一枝新秀 二 太阳能路灯设计思路与要求二 太阳能路灯设计思路与要求 太阳能光伏发电系统的基本原理相同 因而太阳能路灯的设计思路也可依据一 般的太阳能发电系统 先确定太阳电池组件的功率 然后计算蓄电池的容量 但太 阳能路灯又有其特殊性 需要确保系统工作的稳定与可靠 所以在设计时需要特别 注意以下几点 路灯所选用光源的功率 W 光源功率的大小直接影响着整个系 统的参数稳定性 太阳能路灯每天晚上工作的时间 H 这是决定太阳能路灯系 统中组件大小的核心参数 通过确定工作时间 可以初步计算负载每天的功耗和与 之相应的太阳电池组件的充电电流 通过已知太阳能路灯使用地来查找使用地的 经度与纬度 通过 中国不同倾斜面上太阳辐射数据库 来确定太阳电池组件的倾斜 角与方位角及计算该地区的太阳能标准峰值日照时间 太阳能路灯需要保持的连 续阴雨天数 d 这个参数决定了蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复电池容量所 需要的太阳电池组件功率 确定两个连续阴雨天之间的间隔天数 D 这是决定系统 在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率 现本人想依据酒泉地区设计一个太阳能路灯的电路 白天充电靠太阳能电池吸 收光能产生电能 而 LED 照明熄灭 夜晚 LED 点亮进行照明 并有电路保护电池不 会过充过放 三 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理三 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理 一 太阳能路灯的组成 一 太阳能路灯的组成 太阳能路灯由太阳能电池组件 蓄电池 电源控制器 光源等组成 如图 1 3 图 1 太阳能原理方框 太阳能路灯技术特点是 具有特大功率 光亮度相当于白炽灯 150W 250W 时 每天 8 小时照明 可在连续阴雨 9 天内正常工作 应用了具有充放电保护功能 光敏自控装置和时控装置的光电智能控制器 使产品可有效地节约能源 增加有效 照明时间 降低生产成本 中央控制器单元采用单片机控制 并在智能控制器中 建立了全球不同纬度的全年日照时间数据 使用时在控制器中输入所在地区纬度 调整好年 月 日和开 关机的时间 就能够长年自动跟踪环境光线 在大面积 使用后 启动和关闭的时差很小 从而比较好的克服了传统太阳能灯因启动时差过 大而产生的种种弊端 二 太阳能路灯的工作原理 二 太阳能路灯的工作原理 太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件 利用半导体材料的电子学特性 当太 阳光照射在半导体 PN 结上 由于 P N 结势垒区产生了较强的内建静电场 因而产 生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子 和空穴 在内建静电场的作用下 各自向相反方向运动 离开势垒区 结果使 P 区 电势升高 N 区电势降低 从而在外电路中产生电压和电流 将光能转化成电能 太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类 一类是并网发电系统 即和公用电网通 过标准接口相连接 像一个小型的发电厂 另一类是独立式发电系统 即在自己的 闭路系统内部形成电路 并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过 高频直流转换后变成高压直流电 经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频 同相的正弦交流电流 而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量 直接转换成电能供给负载 并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在 蓄电池中 白天的时候 太阳能电池吸收太阳光子能产生电能 通过控制器吧电能 储存在蓄电池里 当夜幕降临或者灯具周围的广度较低时 蓄电池通过控制器向光 源供电设定的时间后切断 这样就可以照明了 四 各部件的组成及工作原理四 各部件的组成及工作原理 一 太阳能电池组件的组成及其工作原理 一 太阳能电池组件的组成及其工作原理 太阳能电池根据所用材料的不同 太阳能电池可分为 硅太阳能电池 多元化 合物薄膜太阳能电池 聚合物多层修饰电极型太阳能电池 纳米晶太阳能电池四大 类 其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的 在应用中居主导地位 所以本文中选 用单晶硅太阳能电池 下面对硅太阳能电池进行详细介绍 太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应 一般的半导体主要结构 如 图 2 图 2 半导体 图 2 中 正电荷表示硅原子 负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 当硅 晶体中掺入其他的杂质 如硼 磷等 当掺入硼时 硅晶体中就会存在着一个空穴 正电荷表示硅原子 负电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子 而实心的表示掺入 的硼原子 因为硼原子周围只有 3 个电子 所以就会产生入图所示的空心的空穴 这个空穴因为没有电子而变得很不稳定 容易吸收电子而中和 形成 P 型半导体 同样 掺入磷原子以后 因为磷原子有五个电子 所以就会有一个电子变得非 常活跃 形成 N 型半导体 实心的为磷原子核 小的为多余的电子 5 当 P 型和 N 型半导体结合在一起时 在两种半导体的交界面区域里会形成一个 特殊的薄层 界面的 P 型一侧带负电 N 型一侧带正电 这是由于 P 型半导体多空 穴 N 型半导体多自由电子 出现了浓度差 N 区的电子会扩散到 P 区 P 区的空穴 会扩散到 N 区 一旦扩散就形成了一个由 N 指向 P 的 内电场 从而阻止扩散进 行 达到平衡后 就形成了这样一个特殊的薄层形成电势差 这就是 PN 结 当晶片受光后 PN 结中 N 型半导体的空穴往 P 型区移动 而 P 型区中的电子 往 N 型区移动 从而形成从 N 型区到 P 型区的电流 然后在 PN 结中形成电势差 这就形成了电源 由于半导体不是电的良导体 电子在通过 p n 结后如果在半导体中流动 电 阻非常大 损耗也就非常大 但如果在上层全部涂上金属 阳光就不能通过 电流 就能产生 因此一般用金属网格 栅线 覆盖 p n 结 以增加入射光的面积 一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限 于是人们又将很多电池 通常是 36 个 并联或串联起来使用 形成太阳能电池板 二 蓄电池的组成及工作原理 二 蓄电池的组成及工作原理 太阳能照明必须配备蓄电池才能工作 这是因为 太阳能电池只能在白天进 行光电转化工作 电能在夜晚才能用于照明 因此必须储备在蓄电池内 储备的容 量要足够当地连续几个阴天的照明需要 太阳能电池板的输出能量极不稳定 配 备蓄电池后 太阳能灯等负荷才能正常工作 由于铅酸蓄电池价格低廉 适于低温高倍率放电 因此采用铅酸蓄电池 所以 这里只对铅酸蓄电池进行分析 铅酸蓄电池充 放电化学反应的原理如下 1 1 充电充电 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 2 2 放电放电 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 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 三 电源控制器的组成及工作原理 三 电源控制器的组成及工作原理 1 1 系统硬件结构 系统硬件结构 太阳能路灯智能控制系统硬件结构 如图 3 所示 该 以 STC12C5410AD 单片机 为核心 外围电路主要由电压采集电路 负载输出控制与检测电路 LED 显示电路 及键盘电路等部分组成 电压采集电路包括太阳能电池板和蓄电池电压采集 用于 太阳能光线强弱的识别及蓄电池电压的获取 单片机的 P3 口的两位作为键盘输入 口 用于工作模式参数的设置 LED MCU STC12C5410AD 图 3 太阳能路灯智能控制系统硬件结构 STC12C5410AD 是 STC12 系列的单片机 采用 RISC 型 CPU 内核 兼容普通 8051 指令采集 片内容含有 10KBFlash 程序存储器 同时内部还有看门口 WDT 片内 7 集成 MAX810 专用复位电路 8 通道 10 位 ADC 以及 4 通道 PWM 具有可编程的 8 级 中断源 4 种优先级 具有在系统片成 ISP 和在应用编程 IAP 片内资源丰富 集成度高 使用方便 STC12C5410AD 对系统的工作进行实施调度 实现外部输入参 数的设置 蓄电池及负载的管理 工作状态的指示等 于设置状态的识别及参数设置 P3 5 T1 接 F2 键 该键用于自检及 加 1 功能 根 据程序流程 分别实现不同功能 电压采集与电池管理太阳能电池板电压采集 用于 太阳光线强弱的判断 因而可以作为白天 黄昏的识别信号 蓄电池电压采集 用于蓄电池工作电压的识别 利用微控制器的 PWM 功能 对蓄 电池进行充电管理 蓄电池开路保护 万一蓄电池开路 若在太阳能电池正常充电时 控 制器将关断负载 以保证负载不被损伤 若在夜间或太阳能电池不充电时 控制器由 于自身得不到电力 不会有任何动作 2 2 电压采集与电池管理 电压采集与电池管理 太阳能电池板电压采集用于太阳光线强弱的判断 因而可以做为白天 黄昏的 识别信号 同时本系统支持太阳能板反接 反充保护 蓄电池电压采集用于蓄电池工作电压的识别 利用微控制器 PWM 功能对蓄电 池进行充电管理 若太阳能电池正常充电时蓄电池开路 控制器将关断负载 以保 证负载不被损伤 若在夜间或太阳能电池不充电时蓄电池开路 控制器由于自身得 不到电力 不会有任何动作 当充电电压高于保护电压 15V 时 自动关断对蓄 电池的充电 此后当电压掉至维护电压 13 2V 时 蓄电池进入浮充状态 当低 于维护电压 13 2V 后浮充关不 进入均充状态 当蓄电池电压低于保护电压 11V 时 控制器自动关闭负载开关以保护蓄电池不受损坏 通过 PWM 充电电路 可使太阳能电池板发挥最大功效 提高系统充电效率 本系统支持蓄电池的反接 过充 过放 3 3 负载输出控制与检测电路 负载输出控制与检测电路 本系统设计了两路负载输出 每路输出均有独立的控制于检测 具有完善的过 流 短路保护措施 电路原理如图 4 所示 图 4 负载输出控制与检测电路 注 P1 6 为单片机 18 引脚 P1 7 为单片机 19 引脚 P3 2 为单片机 6 引脚 负载过流及短路保护 设计了两级保护 第一级采用了 R7 0 01 康铜丝 以及 运放 LM358 比较器 LM393 等器件组成的过流 短路检测电路配合单片机的 A D 转 换及外部中断响应来实现 这里使用了硬件 软件的方式 LM358 的输出送 P1 7 A D 转换 口 用作过流信号识别 当电流超过额定电流 20 并维持 30s 以上时 确认为过 流 短路电流整定为 10A 响应时间为毫秒数量级 第二级采用了电子保险丝保护 当 流经电子保险丝的电流骤然增加时 温度随之上升 其电阻大大增加 工作电流大幅 降低 达到保护电路目的 响应时间为秒数量级 过流撤消或短路恢复后电子保险丝 恢复成低阻抗导体 无须任何人为更换或维修 系统采用了两级保护措施后 在长达 数小时时间负载短路实验后 控制器仍没出现电路烧毁现象 解决了用传统保险丝 只能对电路进行一次性保护 一旦烧毁必须人为更换的问题 同短路后需手动复位或 断电后重新开启的系统相比 也具有明显的优点 简化了维护 提高了系统的安全性 能 4 4 硬件设计中的注意点 硬件设计中的注意点 1 感应雷保护电路应设计在太阳能电池板引线入口处 保护电路周围 4mm 内 不要布置其他器件 2 防止太阳能电池板反接用的二极管必须采用快恢复二极管 这种管子导通 9 内阻小 充电时发热量小 不用散热器也可以连续充电 充电效果好 3 充电 负载放电电路的印刷线路宽度至少要 4 5mm 线路上用搪锡处理以 增加过电流能力 大电流导线在一层过渡到另一层时 要放置 3 5 个过孔 4 过流 短路保护电路选用的电流取样电阻要综合考虑电流 功率及热稳 定性三个因素 电阻增大则电路效率下降 本系统选用电阻为 0 01 过电流能力在 10A 以上的康铜丝作为电流取样电阻 来产生取样电压 取样电压最多不超过 0 2V 故采用运放 LM358 对它进行放大 5 器件的布局和 PCB 图的布线采用模块化 大电流信号与小电流信号要分离 对 放大电路的线路犹其要精心布置 数字地和模拟地分开 注意电源线和地线的布局 四 光源的选择 四 光源的选择 光源的选型对于太阳能路灯来说是最关键的一步 目前针对太阳能路灯专用的 光源较少 为减少有限能量的损失 光源尽量选直流光源 目前常见的光源有直流 节能灯 高频无极灯 低压钠灯和 LED 光源 但是由于 LED 灯光源 寿命长 可达 小时 工作电压低 不需要逆变器 光效较高等优点 所以本设计选用 LED 等光源 五 各数据计算 五 各数据计算 1 1 太阳能电池组件计算 太阳能电池组件计算 设计要求 酒泉地区 负载输入电压 24V 功耗 34 5W 每天工作时数 8 5h 保 证连续阴雨天数 7 天 1 酒泉地区近二十年年均辐射量 107 7Kcal cm2 经简单计算酒泉地区峰值 日照时数约为 3 424h 2 负载日耗电量 12 2AH 3 所需太阳能组件的总充电电流 1 05 12 2 3 424 0 85 5 9A 4 在这里 两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为 20 天 1 05 为太阳能 电池组件系统综合损失系数 0 85 为蓄电池充电效率 5 太阳能组件的最少总功率数 17 2 5 9 102W 选用峰值输出功率 110Wp 两块 55Wp 的标准电池组件 应该可以保证路灯系统 在一年大多数情况下的正常运行 2 2 蓄电池容量计算蓄电池容量计算 蓄电池容量 负载功率 工作日时间 储存天数 1 放电深度 系统电压 若蓄电池的最低工作温度低于 20 摄氏度 应对蓄电池放电深度加以修正 3 3 太阳能电池组件支架太阳能电池组件支架 1 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 我们要为太 阳能电池组件选择一个最佳倾角 关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨 近年 来在一些学术刊物上出现得不少 本次路灯使用地区为酒泉地区 选定太阳能电池 组件支架倾角为 37o 2 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 依据电池组件厂家的技术参数资料 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 路灯灯杆的设计 太阳能路灯常用的是钢制锥形灯杆 奇特点是美观 坚固 耐用 且便于做成各种造型 加工工艺简单 机械强度高 由于太阳能路灯的工作环境是室外 为了防止灯杆生锈腐蚀而降低结构强度 11 必须对灯杆进行防腐蚀处理 其主要方法是针对锈蚀原因采取预防措施 防腐蚀要 避免或减缓潮湿 高温 氧化 氯化物等因素的影响 常用热镀锌和喷塑处理 五 太阳能路灯的实际应用与普通路灯的比较五 太阳能路灯的实际应用与普通路灯的比较 一盏普通的路灯以 400W 光源 日工作 10 小时计 1 年平均耗电量是 1460 度电 还需要专人维护 更换灯泡 而太阳能路灯一般采用寿命长达 50000 小时以上的 LED 灯作为光源 日常无需增加消耗电量的费用开支 换个角度说 每装一盏太阳 能路灯 每年就