太阳能路灯系统50W太阳能LED路灯系统设计.docx
《太阳能路灯系统50W太阳能LED路灯系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能路灯系统50W太阳能LED路灯系统设计.docx（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
太阳能路灯系统50W太阳能LED路灯系统设计
《太阳能光伏发电系统》
课程设计
课题名称：
50W太阳能LED路灯系统设计
专业班级：
新能本121
学生学号：
2012213124
学生姓名：
李灿
学生成绩：
指导教师：
高微
课题工作时间：
2014.12.29至2015.1.5
沈阳工程学院
一、课程设计的任务和要求
要求：
1、具备独立查阅光伏发电系统设计的相关文献和资料的能力；具有查阅光伏电池、蓄电池、控制器和逆变器等光伏器件参数和型号的能力；具有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。
2、具备独立设计光伏发电系统的能力，能提出并较好地实施方案，能对光伏发电系统的结构和配置进行分析研究和优化设计。
3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力。
4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。
5、报告内容简练完整、立论正确、讨论充分、论述流畅、结构严谨、结论合理；技术用语准确、符号规范统一、编号齐全、书写工整、图表完备。
6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。
7、内容不少于3000字。
技术参数：
1、光伏发电系统安装地点：
沈阳；
2、LED太阳能路灯光源功率为50W，工作电压为直流24V。
要求路灯工作9h，保证连续5个阴雨天能正常工作。
任务：
1、选择适当的光源、太阳能电池组件、蓄电池和控制器；
2、设计合理的光伏路灯发电系统，并对结果进行分析和总结；
二、进度安排
1、2014.12.29选题、分析查找相关资料
2、2014.12.30提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计
3、2014.12.31讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型
4、2015.1.4写出课程设计报告初稿
5、2015.1.5整理课程设计报告、交稿
三、参考资料或参考文献
1、杨金焕、于化丛、葛亮，太阳能光伏发电应用技术，第1版，电子工业出版社，2009
2、李钟实，太阳能光伏发电系统设计施工与维护，第1版，人民邮电出版社，2010
3、黄汉云，太阳能光伏发电应用原理，第2版，化学工业出版社，2012
4、瑞安·梅菲尔德，太阳能光伏发电系统设计及安装，第1版，人民邮电出版社，2012
5、Wenham S R,Green M A,Watt M E, Applied Photovoltaics[M]
.Australia.University of NSW.
6、HadiAghazadeh,HosseinMadadiKojabadi,AhmadYazdankhah.Stand-AlonePVGenerationSystemwithMaximumpowerTracking.InternationalConferenceonEnvironmentandElectricalEngineering（EEEIC2010）,2010,1（9）:
1-2.
指导教师签字：
年月日
教研室主任签字：
年月日
四、课程设计摘要（中文）
绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。
太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。
本次设计主要针对沈阳工程学院50W太阳能LED路灯系统进行课程设计，其内容主要包括当地气象数据分析，蓄电池容量计算和型号选择，太阳能电池板数量及型号确定，控制器型号、LED光源的选择、灯杆的选择。
本次设计基本涵盖了太阳能LED路灯系统的设计及选型，所有数据通过公式计算和软件模拟，满足理论设计的需要。
关键词：
节能环保LED光伏系统太阳能路灯
五、课程设计摘要（英文）
Abstract:
greenenergyandsustainabledevelopmentisabigproblemfacedinthiscentury,thedevelopmentofnewenergy,theenergyutilizinghavedrawngreatattentionofgovernments.Solarenergyasaninexhaustible,beinexhaustiblecleanenergywillbehithertounknowndevelopment.
ThisdesignmainlyaimsatthecoursedesignofhouseholdindependentphotovoltaicpowergenerationsystemintheShenyangarea,includingtheanalysisofthelocalmeteorologicaldata,thebatterycapacitycalculationandmodelselection,andmodeltodeterminethenumberofsolarpanels,inverterandcontrollermodelselection.
Thisdesignbasicallycoversthedesignandselectionofdomesticindependentpowersystemelectricalequipmentparts,alldatasimulatedbyformulacalculationandsoftware,satisfytheneedoftheoreticaldesign.
Keywords:
stand-alonesystems,battery,PVsyst
六、指导教师评分
评价内容
具体要求
权重
得分
调查论证
能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
10
实践能力
独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文）
15
分析解决问题能力
能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。
15
工作量、工作态度
按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
10
质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。
40
外语和计算机应用能力
在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机的应用能力。
5
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见解。
5
综合评语
指导教师签字：
年月日
七、答辩记录
记录人（签字）：
年月日
答辩意见及答辩成绩
答辩小组教师（签字）：
年月日
课程设计总评成绩：
（指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）
目录
第1章绪论1
1.1设计背景1
1.2设计意义1
第2章家用独立型太阳能光伏发电系统的优化设计2
2.1设计方案2
2.2沈阳地理及气象分析3
2.3负载的计算4
2.4直流工作电压的选择7
2.4.1直流工作电压选择的原则错误！
未定义书签。
2.5蓄电池容量的计算及型号选择7
2.5.1负载用电量L测算7
2.5.2蓄电池容量的确定7
2.5.3蓄电池型号及数量错误！
未定义书签。
2.6太阳能电池方阵相关计算及型号选择7
2.6.1太阳能电池板型号的选择7
2.6.2太阳能电池板数量计算错误！
未定义书签。
2.7逆变器的选择错误！
未定义书签。
2.7.1逆变器相关计算错误！
未定义书签。
2.7.2逆变器型号的确定错误！
未定义书签。
2.8控制器的选择7
2.8.1逆变器相关计算错误！
未定义书签。
2.8.2控制器型号的确定错误！
未定义书签。
第3章心得体会错误！
未定义书签。
第1章绪论
1.1设计背景
目前，我国太阳能光伏发电生产能力已跃居世界第一位，而国际太阳能产量是应用需求量的2倍，产能过剩是光伏产业最大问题。
太阳能光伏发电利用主要有两种技术途径：
离网光伏发电和并网光伏发电两大类。
离网光伏发电又包括太阳能路灯、太阳能庭院灯、风光互补路灯、太阳能交通信号灯等。
太阳能照明由于采用先进的光源、独特数字控制和成熟储能技术系统集成技术外加安装的方便性，其应用性能价格比是目前所有光伏应用系统最具有优势的产品。
1.2设计意义
第2章50W太阳能LED的设计
2.1设计思路
太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。
首先是根据用电负载（LED光源）的用电量，确定太阳能组件的功率。
然后确定蓄电池的容量，再进行电气设计、光源设计和设备选型，最后进行系统的结构设计，设计中要确保太阳能LED路灯运行的稳定性和可靠性。
2.2设计原则
太阳能电池发电路灯系统设计的总原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽量减少初始投资。
对系统设计者来说，在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。
由于不适当的选择，可轻易地使系统的投资成倍地增加，而且未必见得就能够满足使用要求。
在设计计算中，需要的基本数据主要有：
现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。
气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。
采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则原则，即根据蓄电池均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值,同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池放电深度,确定出组件和蓄电池的合理搭配容量。
本次设计的主要思路为，查找沈阳当地气象数据，利用PVsyst软件模拟当地气象数据，包括包括地理纬度、年平均总辐射量、平均气温及极端气温等。
确定固定式太阳能方阵的安装倾角，计算所确定倾斜面上的辐照量进而折算等效的年平均峰值日照小时数。
分析负载类型和功耗，包括直流负载、交流负载（阻性负载、感性负载）功率，运行时间等。
选择直流系统电压，进行蓄电池容量计算、太阳电池方阵容量计算，最后进行控制器、逆变器的计算和型号确定。
2.2沈阳地理及气象分析
沈阳位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，辽河、浑河、秀水河等途经境内。
属于温带季风气候，年平均气温6.2～9.7℃，自1951年有完整的记录以来，沈阳极端最高气温为38.3℃（1952年7月18日），中心城区极端最低气温为-32.9℃（2001年1月15日），近郊近年来最低气温为-35.4℃（沈北新区2001年1月11日）；之前沈阳还观测到39.3℃（1920年）的高温，和-33.1℃（1950年）的低温。
全年降水量600～800毫米，1951年至2010年市区年平均降水量716.2mm，全年无霜期155～180天。
受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。
冬寒时间较长，近六个月，降雪较少，最大降雪为2007年3月4日47.0毫米的特大暴雪；夏季时间较短，多雨，1973年8月21日曾下过215.5毫米的大暴雨。
春秋两季气温变化迅速，持续时间短：
春季多风，秋季晴朗。
（1）沈阳工程学院（位于道义开发区）的（1961-1990年）基本气候资料
表3道义开发区的年平均基本气候资料（1961-1990）
月
水平
辐射
mWh/cm²
气温
（0.1℃）
最高气温（0.1℃）
最低气温（0.1℃）
极高气温（0.1℃）
极低气温（0.1℃）
相对湿度（%）
日照时数（0.1h）
平均风速（0.1m/s）
降水（mm）
降水
日数（天）
平均
382.9
81.17
138.33
30.33
256.67
-100.92
62.92
2116.00
29.75
57.08
5.08
1
196.9
-115
-52
-166
86
-305
60
1671
26
7
2
2
299.9
-78
-17
-131
149
-272
55
1809
29
8
2
3
412.7
7
64
-44
198
-217
52
2313
34
16
3
4
498.4
98
160
38
293
-125
52
2406
40
43
5
5
569.3
172
232
111
343
2
55
2672
37
55
6
6
543.7
217
271
166
352
78
67
2473
31
87
8
7
477.2
245
290
204
352
124
78
2143
26
167
11
8
455.1
236
283
193
357
80
78
2237
24
157
9
9
434.3
173
235
119
307
10
71
2355
25
77
6
10
320.7
95
159
41
292
-83
65
2159
28
42
4
11
214.9
3
57
-42
217
-201
62
1643
30
17
3
12
171.8
-79
-22
-125
134
-302
60
1511
27
9
2
遵循离网系统“全年均衡，冬半年最大”的原则，利用PVsyst软件算出的最佳太阳能电池板倾角为52度。
第3章太阳能路灯照明系统介绍
3.1系统组成与原理
3.1.1太阳能LED路灯系统组成
图2太阳能路灯接线图
太阳能LED路灯系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、太阳能控制器、蓄电池组（包括蓄电池保温箱）和灯杆、电线等几部分构成。
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灯头一般选用大功率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。
3.1.2太阳能路灯工作原理
光控单元
计时单元
太阳能电池组件
发光负载1
智能控制器
蓄电池
发光负载2
图1太阳能路灯原理方框图
如上原理图所示，利用光生伏打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10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天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并有短路保护、反接保护等。
3.2光源
3.2.1LED光源的特点
目前，白光LED在发光强度方面，轴向已达到20cd以上，光效达50-70lm／W；色温可在2000K-1OOOOK之间任意选择；显色指数在80以上。
完全能符合普通照明之需要。
LED灯与普通钠灯比较：
对比项目
高压钠灯
LED光源照明灯
功耗
高
低（比高压钠灯节电60%以上）
色温
2000～2500K
3000～7000K
显色指数
20～25
75～85
电源效率
低
高
光效
光效低，光衰严重
光效高，光衰小
光源使用寿命
短，<5000小时,光衰>60%
长，60000小时～100000小时光衰<30%
发热量
发热量大
发热量小，仅为高压钠灯的30%
防护等级
IP65
IP67
防触电保护类别
I类
I类
启动时间
5～10分钟
瞬间启动，无延时
连续启动
不允许，需要等待几分钟
允许
环保性
汞污染、紫外线辐射
好
由上表对比可明显发现，LED灯在亮度、功耗、节能、经济等方面都要大大地优于普通的钠灯，因此，白光LED被认为是21世纪最有价值的新光源，白光LED照明取代传统照明而成为人类照明的主要方式，将是大势所趋。
3.2.2LED灯用于光伏照明的独特优势
（1）太阳能电池是将太阳能转化为电能的半导体器件PN结，而LED是一种将电能转化为可见光的半导体器件PN结，因此作为集成了太阳能光伏发电和LED光源的照明系统，从PN结发电，再到PN结发光是新一代能源和新一代光源的完美结合。
两者同为直流工作状态，具有电压低并能互相匹配的特点。
使得两者结合不需要变频器和逆变器等将直流变交流的过程，因此大大提高了整个照明系统的效率，降低了功耗和系统成本。
（2）LED光源同蓄电池的匹配还可以做到功率的自适应。
在太阳辐射不足的几个月，由于
蓄电池的充电不足，使蓄电池放电时端电压也较低，使负载工作电流较小，功率也小，这样系统能够工作较长的时间。
反之在太阳辐射比较充足的时候，负载工作电流较大，功率也大，照度会更高。
（3）LED特别适合使用在太阳能路灯照明。
因为LED具有较强的发光方向性，而路灯照明
无需光源全立体角（
）发光。
只要将灯杆下相应面积的地面照亮即可。
全立体角发光的光源用在路灯实质是一种能量的浪费。
因此LED灯的效率要更高。
3.3蓄电池
当今国内外在光伏系统中主要使用的蓄电池有：
1、开口铅酸蓄电池（VentLeadAcidBattery）
2、阀控铅酸蓄电池（ValveRegulationLeadAcidBattery“RLA）
3、镍钙、镍氢、镉镍等碱性电池（Nickel-Calcium，Nickel_HydrogenBattery）
在这三大类电池中，开口铅酸蓄电池使用过程中存在水的易挥发、易泄漏、比容量低等缺点。
而镍钙、镍氢电池容量虽大，但价格昂贵。
阀控铅酸蓄电池（VRLA）由于其容量大、价格低、自放电率低、结构紧凑、不存在镉镍电池的“记忆效应一、寿命长、基本免维护等优越性。
对于无人值守的独立光伏系统，特别适合使用。
本文讨论的主要是VRLA蓄电池的特性。
在独立光伏系统中蓄电池起着至关重要的作用：
白天储能，夜晚它是负载的唯一能源。
在系统的初期投资中它一般占到1/4—1／2。
蓄电池又是整个光伏系统中较薄弱的环节，是整个系统长期运行中最易更换的部件。
主要由于蓄电池达不到其预定的理想使用寿命，而提前失效。
这些问题的解决除了对蓄电池本身进行性能提高外，对蓄电池的运行管理，诸如充放电控制、与太阳电池和负载的合理匹配等方面都有重要关系。
铅酸蓄电池是电能和化学能相互转换的装置。
正极板上的活性物质为二氧化铅，负极板上的活性物质为绒状铅。
铅酸蓄电池放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸，逐渐变成硫酸铅。
放电过程是负极进行氧化、正极进行还原的过程。
当两个极板上大部分活性物质都变成了同样的硫酸铅后，蓄电池的电压下降直至不能再放电。
蓄电池放完电后，应该随时对它充电，使之恢复成为原来的正极上二氧化铅和负极上的绒状铅。
充电过程是负极进行还原、正极进行氧化的过程。
这是铅酸蓄电池的“双极硫酸盐化理论”。
总的化学反应过程是可逆的，用方程式表示如下：
Pb02（正极）+2H2S04（电解液）+Pb（负极））
PbS04（正极）+2H20（电解液）+PbS04（负极）
正向是放电过程；逆向是充电。
3.4控制器
太阳能控制器应用于太阳能光伏系统中，协调太阳能电池板、蓄电池、负载的工作，是光伏系统中非常重要的组件。
使整个太阳能光伏系统高效，安全的运作。
3.4.1控制器的基本工作原理
太阳能电池的输出特性曲线如图4.10所示。
太阳能电池的伏安特性具有很强的非线性，即当日照强度改变时，其开路电压不会有太大的改变，但所产生的最大电流有相当大的变化，所以其输出功率与最大功率点会随时改变。
然而当光强度一定时，太阳能电池输出的电流一定，可认为是恒流源。
因此，必须研究和设计性能优良的光伏控制器，才能更有效的利用太阳能。
图4.11太阳能电池的输出特性曲线
太阳能电池将吸收的光能转换成电能而通过充放电控制器对蓄电池充电。
充放电控制器的功能主要有两个，一是对蓄电池的充放电保护，以避免蓄电池有过充或过放的情形发生，而蓄电池的任务则是储能，以便在夜间或阴雨天供给负载用电；二是提供稳定的直流电压源供给逆变器或直流负载使用。
本设计系统未用到逆变器。
3.5太阳能电池组件
3.5.1太阳能电池的工作原理
太阳能电池通常由半导体硅材料制成。
其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元。
由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。
实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。
光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。
太阳电池的工作原理为：
当太阳光照射PN结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子．空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴；于是就在P．N结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。
光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电、N型区带负电；于是就使得N区与P区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。
当接通外电路时，便有电能输出。
这就是太阳能电池发电的基本原理。
3.5.2太阳能电池的—V特性曲线
太阳电池的特性曲线可以表示为图2-4所示。
它表明在某一确定的日照强度和温度下，太阳电池的输出电流和输出电压之间的关系，简称I．V特性。
从图2．4可以看出，该伏安特性曲线具有非线性，不可能为负载提供任意大的功率，是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近似恒定，在接近开路电压时，电流下降率很大。
太阳电池的额定功率是在以下条件下定义的：
当日照S=1000w／m2，太阳电池温度T=25℃，大气质量AM=I．5时，太阳电池输出的最大功率便定义为它的额定功率，它对应于图中的M点。
太阳电池额定功率的单位是“峰瓦"，记以“WP”。
曲线上的M点表示在相应日照强度下太阳电池输出最大功率的位置，称“最大功率点（MPPT）”。
假定负载为纯电阻负载，
升级会员 