新余市太阳能LED路灯系统设计课程设计.doc

课程设计课程名称 新余市太阳能LED路灯系统设计班 级 专 业 太阳能光伏发电技术及应用 学 号： 姓 名： 指导教师： 提交日期： 2012 年 6 月 日 课程设计成绩： 目 录摘要.1关键词.1第1章 绪论.2 1.1课程设计的基本意义.2 1.2太阳能LED路灯工作原理.3第2章 新余市基本气象及地理情况.4第3章 LED路灯设计.4 3.1倾角、方位角.4 3.2蓄电池容量4 3.3太阳电池组件53.3.1工作电流.53.3.2方阵输出功率.63.3.3方阵功率.63.3.4组件的选取.63.3.5蓄电池的选取.6第4章 设备选型6 4.1 LED灯 7 4.2 蓄电池.7 4.3 太阳电池.8 4.4 控制器.94.5 路灯灯杆.10第5章 设计总费用及性价比分析.10 5.1 太阳能LED路灯系统的费用.10 5.2 性价比分析.11 5.2.1、同一使用时间LED灯与节能灯的成本差.11 5.2.2、节省电费.11 5.2.3、总的节省费用11参考文献.12心得体会13新余市太阳能LED路灯系统设计摘要：随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭”的安全、环保新能源越来越受重视。作为路灯照明设备：传统的由电网控制的普通路灯工作受电网的影响非常大，而且使用的灯管使用寿命短；而太阳能LED路灯具有独立运行的特点，不受电网的影响，并且LED灯使用寿命长。根据光伏系统的设计：选择合适的太阳电池组件（尺寸、功率）作为太阳能LED路灯系统的独立供电电源；选择合适的光伏控制器（工作电压、电流）控制蓄电池的充放电、负载的运行；选择合适容量的蓄电池（Ah），白天对蓄电池充电，晚上蓄电池放电供给负载使用；选择适量的LED灯（负载）照明，使道路交通顺畅。根据系统的需要，运用它的工作原理，通过组装，布线等建成一个具有可行性的光伏独立系统。通过比较，可得太阳能LED路灯系统与普通的节能路灯系统相比性价比较高，所以采用太阳能LED路灯系统不仅经济适用，而且节能环保。关键词：太阳能LED路灯系统、光伏系统、性价比、太阳电池组件、控制器、蓄电池、LED灯第1章 绪论太阳能作为一种清洁能源，具有取之不尽，用之不竭的特性，并且利用方便、安全。目前，太阳能利用有四种形式：光热利用、光化学利用、光生物利用，光电利用。太阳能发电就属于光电利用，随着能源的枯竭，太阳能的利用就显得尤为重要了，特别是近年来兴起的光伏产业，光伏系统的应用就更有必要了。本章节包括了太阳能LED路灯系统课程设计的基本意义和太阳能LED路灯工作原理。1.1 课程设计的基本意义在世界能源短缺，环境污染日益严重的今天，充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策。太阳能路灯以其不用专人管理和控制，安装一次性投资无需日后电费开支，无需架设输电线路或挖沟铺设电缆，可以方便安装在广场、校园、公园、街道等多方面的优点而越来越受重视。近年来随着太阳能发电技术和LED照明技术的发展，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0100%调光功能等优点，被认为是新一代的绿色照明设备。太阳能LED路灯是以太阳能作为能源，每个路灯均是独立的，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，光控定时控制，安全可靠、节能、经济、环保、使用。通过我们对太阳能LED灯系统的设计，不仅可以让我们对专业认识更深刻，而且这也是我们根据知识实践的一个很好的机会，为以后专业应用打下良好的基础；同时，通过自己的设计，我们能够知道：虽然太阳能LED路灯系统一次性投资高，但是，它稳定，使用寿命长，需要人为操作较少 ，是一种真正节能、节约、环保的具有实用性的路灯系统。1.2 太阳能LED路灯工作原理根据太阳能LED路灯工作原理图可知它的工作原理（路灯只在黑暗的条件下工作）：当太阳光照射在太阳电池上时，产生光生电流，通过控制器对蓄电池充电。黑暗中，PWM调光控制器感应光强差，蓄电池通过控制器放电供给LED路灯使用。其中PWM控制器还可以控制蓄电池过冲过放，控制负载的正常运行。第2章 新余市基本气象及地理情况新余位于北纬 2733 2805 ，东经 11429 11524 ，取纬度A=28，经度115。一般的，在我国南方地区，方阵倾角可比当地纬度增加1015；在北方地区倾角可比当地纬度增加510，纬度较大时，增加的角度可小一些。根据全国各大主要城市的纬度及辐射量，可得出与新余市相近南昌市的纬度及辐射量等情况。（如下表）城市纬度日辐射量（Ht）斜面日辐射量修正值kop南昌286713094137140.9640根据新余市气象给予的条件，可得到最大连续阴雨天数取5天（d）；而且一年中最低温度不超过10C。第3章 LED路灯设计太阳能LED路灯系统的设计需要考虑组件的倾角、方位角；蓄电池的容量；以及太阳电池组件的功率。3.1 倾角、方位角倾角：取纬度A=28，方阵的倾角为B=A+12=40。方位角：太阳光的传输路线在水平面投影与入射点的正南方向夹角。一天负荷的峰值时刻为13时，经度取115。方位角=一天负荷的峰值时刻（24小时制）-12*15+（经度-116） =（13-12）*15+（115-116） =（15-1）=143.2 蓄电池容量蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷（路灯）相匹配。在太阳能LED路灯系统中选取12V/36W的路灯，以满足照明的需要，则每天耗电量：Q=I*h=36*10/12=30Ah选择蓄电池容量：选蓄电池容量为5天（最大连续阴雨天数），放电深度（最低温度不超过零下10度）a=0.8； C=10*Q/a=5*30/0.8=187.5Ah根据蓄电池的规格，取C=200Ah。已知负载电压为12V，蓄电池组的总容量为200Ah，选用12V/100Ah的免维护铅酸蓄电池。 需要串联的电池数：N1=12V/12V=1（个） 需要并联的电池数：N2=200Ah/100Ah=2（个）所以该光伏系统需要使用12V/100Ah的蓄电池个数为： N= N1 *N2=1*2=2（个）3.3 太阳电池组件3.3.1 工作电流 因为南昌市和新余市地理位置较近，斜面日辐射量取13714（南昌市全年平均太阳辐射总量HT），单位化成Wh/m2，除以标准日光强即求出平均日照时数：Tm=（HTWh/m2）/（1000W/m2）=（378.5/100）h=3.79h则方阵应输出的最小电流为：Im=Q/（Tm*n1*n2）=30/（3.79*0.9*0.9）A=9.77A3.3.2 方阵输出电压单只铅酸蓄电池工作电压为2V，故需6只单体电池串联才可满足系统的工作电压12V。每只单体铅酸蓄电池的工作电压为：2.02.35V，取线路压降：Va=0.8V，则方阵工作电压为：V=Vf+Vd=6*2.35+0.8=15V3.3.3 方阵功率设太阳电池的最高温度为60CP=Im*V/1-a（tmax-25）=9.77*15/1-0.5%（60-25）=177.6W3.3.4 组件的选取取P=200W，所以，最后取太阳电池方阵的输出功率为200W，可用2块100W/18V的组件并联组成。3.3.5 蓄电池的选取蓄电池容量为12V，200Ah，只要用2只12V/100Ah的铅酸蓄电池并联连接起来，即可满足要求。第4章 设备选型设计一个太阳能LED路灯系统，选取设备时要考虑设备的品牌、型号、使用寿命、各项参数，以及价格。4.1 LED灯LED 是英文 light emitting diode （发光二极管）的缩写，它的基本结构是一块电致发光的半导体材料，置于一个有引线的架子上，然后四周用环氧树脂密封，起到保护内部芯线的作用，所以 LED 的抗震性能好。LED灯有比较常见大功率的单颗有1、3、5、8、10W。大功率LED采用单颗功率大于1W以上的LED。由于LED路灯的发光效果比白炽灯、节能灯要好，根据城市道路照度的需要，我们选取灯杆的高度为8m（城市建设常用），根据高度和照度、亮度的需要，选取36W的LED灯。 根据需要，查阅相关资料，我们采用的LED灯为：产品品牌：36W LED太阳能道路灯 产品型号：X2-B36W产品参数： 输入电压 DC12V LED颗数3单颗功率12W 灯头功率 36W安装高度 6-8m 光斑圆形工作温度 3050 使用寿命 42000Hrs（11年多）灯体与灯罩 铝合金与钢化玻璃 规格尺寸 75*35*21cm净重 4.6Kg 防护等级 IP65一个12V/36W的太阳能道路灯的价格是500元4.2 蓄电池太阳能供电系统中，蓄电池的性能好坏直接影响系统的综合成本及运行好坏和使用寿命。蓄电池可分为：酸性蓄电池和碱性蓄电池。在光伏发电系统中，目前最受欢迎的是免维护铅酸蓄电池，正规名称叫阀控式密封铅酸蓄电池。该蓄电池具有的特点是：密封性、免维护、安全可靠、长寿命设计、性能高、温度适应性强、使用和运输安全简便、经济实惠。根据以上条件查阅资料，选取合适的蓄电池：产品品牌：德国 3A 产品型号：12V/100Ah额定电压:12V 额定容量:100Ah参考重量:约32.00 Kg 工作温度: -1550使用寿命: 810年 充电时间:612h内阻小4.4，大电流放电性能好；外形尺寸:长: 407mm宽: 173mm总高: 240mm该德国 3A 12V/100Ah蓄电池的价格是450元。4.3 太阳电池组件太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。根据需要，查阅相关资料，选取合适的组件：品牌：兆天太阳能 型号：100W/18V多晶输出电压：18（V） 主机输出容量：100W规格：1150*675MM 使用寿命：2530年峰值电压：17.8伏 峰值电流：6.29安开路电压：21.6伏 短路电流：6.91安实物重量：10.5KG 包装重量：12.0KG标准测试条件下（温度25度，AM1.5, 1000w/m2下测试出来的）因此，一个100瓦/18伏太阳电池的费用是1050元。4.4 PWM控制器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。 无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。根据需要，查阅相关材料，选取合适的控制器：（因为太阳能路灯是在可照度不高的环境下工作的，所以对控制器的要求具有一定的感光性）SW-10 /12V30A双路双负载PWM调光太阳能控制器品牌:胜伟 型号:SW-10技术指标：型号:SW-10 总额定充电电流:30A总额定负载电流:30A 系统电压: 12V AUTO；空载损耗:4.5mA 超压保护:17V，2/24V；工作温度:工业级：-35至+55 欠压电压:12.0V；2/24V 负载调光模式：正脉冲PWM调光选择一个12V/30A的绿色环保节能 SW-10 /12V30A双路双负载PWM调光太阳能控制器需要160元。（由于太阳电池输出的最小电流19.5V，为了系统的安全，故选取较大的30A光伏控制器）4.5 路灯灯杆品牌：仙居县宇光照明器材厂灯杆高度灯型臂长(m)灯杆口径(mm)壁厚(mm)配用法兰(mm)配用罗栓(mm)报价（元）8米单臂1.270-1603.512*300M18880第五章 总费用及性价比考虑太阳能LED路灯系统和节能路灯系统的总费用，比较它们的总费用和使用寿命，以及对工作环境的要求，对它们进行定量的分析，得出可靠的性价比，以确定以后路灯的建设。5.1 太阳能LED路灯系统的费用总费用等于光伏系统（太阳电池组件2块、蓄电池2箱、控制器1台）、LED灯、灯杆费用的总和，即 S=（2*1050+2*450+160）+500+880=4540（元）5.2 性价比分析5.2.1 同一使用时间LED灯与节能灯的成本太阳能LED路灯系统可以使用10年，而6U/120W (黄光）E40节能灯路灯（120W，5000h，115元。灯壳120元，使用寿命10年以上）的使用寿命是5000h。（最短寿命设备蓄电池：10年）。成本差：S1=10*365*10/5000*115+120-500=540（元）5.2.2 节省电费S2=节能灯功率*工作时间*1元=120*10*365*10/1000*1=4380（元）电费收取10年，1度=1000Wh，一元钱一度电5.2.3 总的节省费用 S3=节能灯价格总的价格-LED灯价格+节省电费-LED灯系统建设费用-LED灯和灯杆系统建设费用=4380+540-（4540-500-880）=1760元另解：节省费用用节能路灯系统的10年费用减去太阳能LED路灯系统的10年费用，即：S节能灯=节能灯的费用+灯杆的费用+电费=1040+880+4380=6300元SLED=LED灯的费用+灯杆的费用+光伏系统的费用（太阳电池组件、控制器、蓄电池）=500+880+2100+160+900=4540元所以，节省费用= S节能灯-SLED=6300-4540=1760元太阳能LED路灯系统、节能路灯（10年）性价比一览表：太阳能LED路灯系统节能路灯系统灯（10年）12V/36W，500元120W，5000H，8只，1040元灯杆8m， 880元8m，880元蓄电池12V/100Ah，2箱，900元PWM调光控制器12V/30A， 1台，160元太阳电池组件100W/18V，2块，2100元电费（10年）4380元总费用（10年）4540元6300元节省费用（10年）1760元由上表可知，各种光伏设备组成的太阳能LED路灯系统费用为4540元左右。比节能路灯系统性价比高，节省1760元。由此可见，太阳能LED路灯系统节约、节能、使用寿命长，而且环保。参考文献1 鞠振河，太阳能路灯系统的优化设计，辽宁沈阳工程学院 110138，2