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xinyu太阳能LED路灯课程设计论文

新余市太阳能 LED 路

灯系统设计

目 录

摘要…………………………………………………………………….1

1.1LED 太阳能路灯系统设计的意义与要求 ......................................1

1.2LED 太阳能路灯系统概述 ..............................................................3

1.2.1LED 太阳能路灯系统的组成与原理 ..........................................3

1.3 LED 太阳能路灯系统发展状况 ........................................................4

2.1.1 新余市地理位置 ...........................................................................5

2.2.1 新余市气候特征 ...........................................................................5

3.1LED 灯选择 ..................................................................................6

3.1.1LED 灯发光原理 ......................................................................6

3.1.2LED 灯的基本参数 ......................................................................6

3.2.1 蓄电池的简介 ...............................................................................8

3.4.2 控制器的基本参数 .....................................................................10

3.5LED 灯杆的选择 ............................................................................11

3.5.1LED 灯杆的简介及各项参数 ..................................................11

4.1.1太阳电池方阵系统倾角和方位角的概念 ...............................12

4.2LED 路灯系统中蓄电池数量的设计 ..........................................13

4.3LED 路灯系统中太阳电池组件的设计 ......................................13

4.3.1LED 路灯系统中太阳电池组件个数的计算及布置 ................13

（2）估算太阳电池方阵输出电压 ...........................................................14

（3）最后确定功率 ...............................................................................14

2

5.1LED 路灯系统总费用估算 ..........................................................15

5.2LED 路灯系统与节能灯系统性价比对比分析 ..........................15

新余市太阳能 LED 路灯系统设计

摘要：

为积极响应国家节能减排、大力开发利用新能源的号召，

以实际应用为目的，围绕太阳能光伏发电技术和 LED 照明技术，设

计了一套太阳能 LED 路灯系统。

介绍了太阳能电池组件、光伏控制

器、LED 灯，蓄电池组的相关技术参数、选取原则及相互之间的容

量匹配。

根据各个器件的工作原理及工作环境，构建成一个具有可行性的小

型光伏系统。

通过与节能灯系统的相互比较，得出 LED 灯使用优于

节能灯。

不仅适用，而且环保。

让我们提高使用 LED 灯的理念。

关键词：

太阳能 LED 路灯系统、太阳电池组件、光伏控制器、蓄电

池组、LED 灯、节能灯、性价比

第 1 章 绪论

1.1LED 太阳能路灯系统设计的意义与要求

面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新

能源过渡已提到议事上来了，因为新能源是依托高新技术的发展，

开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，利

用太阳能发电，不需要燃料，不污染环境、清洁，而且太阳电池组

件在一般情况下的使用寿命可达 20 年以上，性能稳定，同时维护费

用较低。

3

太阳能是取之不尽、用之不竭的，是人类能够自由利用的能源，

在世界能源短缺、环境污染日日益严重的今天，充分开发利用太阳

能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策，与传统的的照明灯

相比，超高亮白光 LED 照明源体积小、重量轻、方向性好并可耐各

种恶劣条件。

在功耗上，寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，

再加上太阳能灯的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯的地

方，LED 灯的触角就会到达。

21 世纪将是以固体发光材料为核心的，

即以 LED 为代表的新型光源、绿色照明的世纪。

今后，随着各国政

府的高度重视和加大投入，LED 灯必将成为本世纪极具竞争力的新

型绿色环保光源从而掀起照明领域新的革命。

LED 太阳能路灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专

人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、

街道、和高速公路等任何地方。

道路照明与人们生产生活密切相关，

随着我国城市化进程的加快，绿色、高效、长寿命的 LED 路灯逐渐

走进了人们的视野。

新型高效、节能、寿命长、显色指数高、环保

的 LED 路灯系统不仅对城市照明节能有着重大意义，而且还与城市

人民的健康生活水平，经济发展息息相关。

设计出合理的 LED 路灯

系统既是我们对专业知识学习综合性的考察，同时也是对整个地区

的发展贡献一份绵薄之力。

因此，如何为某地区设计出合理的 LED

路灯系统是我们不容忽视的问题。

我想，对于设计太阳能 LED 路灯

系统要有以下基本要求：

（1）了解该地区的基本气象状。

2）选择

性价比高的太阳电池板，控制器，蓄电池等一系列组件。

（3）采取

4

有效的措施对系统进行保护。

只有这样通过综合性考虑，最终才能

设计出合理的方案，实现它的价值意义。

1.2LED 太阳能路灯系统概述

1.2.1LED 太阳能路灯系统的组成与原理

太阳能路灯由以下几个部分组成：

太阳能电池板、光伏控制器、

蓄电池组、直流负载。

在光伏控制器的控制下，白天太阳电池组件

向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给直流负载。

其工作原理

图如图所示：

光控单元计时单元

太阳电池方阵智能控制器

直 流 负 载

蓄 电 池 组

1.3 LED 太阳能路灯系统发展状况

（1）世界照明工业巨头 ——通用电气、飞利浦、奥斯拉姆纷

纷与半导体公司合作，成立照明企业。

（2）日本日亚化工、丰田和成、 SONY、佳友电工都已有 LED

照明产品问世。

5

（3）台湾 目前 LED 产量仅次于日本，位居第二 ，列美国之前。

（4）广东省从 2009 年起，开始大规模实施 “千里十万 ”LED

路灯产业化示范推广工程，建设总里程 1500 公里左右、规模约

10 万盏的 LED 路灯示范推广工程。

（5）扬州计划两年投入 3.3 亿元应用 5 万盏 LED 灯具升级城

市道路照明。

（6）厦门计划两年推广 3 万盏 LED 路灯推广项目。

（7）成都 计划实施 1.5 万盏 LED 路灯推广项目。

（8）山东省潍坊市于 2006 年开始实施 LED 照明示范工程，安

装 LED 路灯已超过 3 万盏。

今后，新建道路和公共场所一律安装

LED 灯，到 2011 年累计安装 LED 路灯 10 万盏。

（9）石家庄 将推广使用 8000 盏 LED 路灯。

其他城市 LED 道

路照明项目都已经陆续启动。

（10）美国洛杉矶计划 5 年内设置 14 万盏 LED 路灯；纽约州，

犹他州已经启动 LED 路灯的招标；台湾地区宣示三年内更换 128

万盏 LED 路灯。

由此可见， LED 太阳能路灯系统已经成为了当今社会照明系

统中的发展趋势，它的发展 标志着我国半导体照明产业发展将进

入一个新的里程。

第 2 章新余市地理情况及基本气象

6

2.1 新余市地理概况

2.1.1 新余市地理位置

新余市位于江西省中部偏西，袁河中下游，鄱阳湖平原边缘，

浙赣铁路西段，地处北纬 27°33′～28°05′，东经 114°

29′～150°24′。

全境东西最长处 101.9 公里， 南北最宽处 65 公

里，东距省会南昌市 150 公里，土地总面积 3164 平方公里，占全省

总面积的 1.9 %。

东临樟树市、新干县，西接宜春市袁州区，南连

吉安市青原区、安福县、峡江县，北毗上高县、高安市。

赣粤高速

公路、沪瑞高速公路分别自北向南、自东向西穿越市境。

地理环境

优越，交通便利，经济发展迅速，工业化水平较高，是江西省的钢

铁工业基地。

具有建设现代工业经济中心城市的得天独厚的条件。

2.2 新余市基本气象

2.2.1 新余市气候特征

新余市属亚热带湿润性气候，雨量充沛，气候温和，无霜期长，

严冬期短，土层肥厚。

既适宜喜温作物的栽培，也有利秋播作物的

越冬。

目前新余为全省商品粮基地，也是全国优质棉区之一。

新余

市历年平均基本气象资料如下表所示：

相对

最长连续

年水平辐射量斜面辐射量气温最低气温

日照时数

湿度

阴雨天数

7

品牌型号

Xs—30LEDL

额电功率

30W

额定电压

DC12V

平

均13094KJ/m/m 13714KJ/m/m 29.4℃

-7.2℃   74%-84%   1655h       5 天

第 3 章LED 路灯系统设备选型

3.1LED 灯选择

3.1.1LED 灯发光原理

LED 即发光二极管，主要由 PN 结芯片、电极和光学系统组成。

其发光体——晶片的面积为 10.12mil（1mil=0.0254 平方毫米），目

前国际上出现大晶片 LED，晶片面积达 40mil。

　　其发光过程包括三部分：

正向偏压下的载流子注入、复合辐射

和光能传输。

微小的半导体晶片被封装在洁净的环氧树脂物中，当

电子经过该晶片时，带负电的电子移动到带正电的空穴区域并与之

复合，电子和空穴消失的同时产生光子。

电子和空穴之间的能量

（带隙）越大，产生的光子的能量就越高。

光子的能量反过来与光

的颜色对应，可见光的频谱范围内，蓝色光、紫色光携带的能量最

多，桔色光、红色光携带的能量最少。

由于不同的材料具有不同的

带隙，从而能够发出不同颜色的光。

3.1.2LED 灯的基本参数

本设计采用功率为 30w  LED 灯，其基本参数如下表所示：

8

相关色温

6500K±500K

LED 发光效率

75-100lm/w

环境温度

-25℃～65℃

相对湿度

10%～80%

防尘防水等级

IP65

外形尺寸

400*360*132（mm）

价    格

760 元

光源寿命

＞50000h

3.1.3  LED 灯的优缺点

优点：

（1）使用寿命长；

（2）显色性好；（3）快速启动；

（4）便于光学设计；（5）造型可塑性强，结构牢固；（6）低碳环

保，尤其适合采用太阳能光伏技术；（7）具有潜在总成本优势。

缺点：

（1）实际发光效率低于高压钠灯路灯，在照明效果上路

面亮度偏低，均匀性差，“斑马效应”比较明显，只能满足照明级别

比较低的道路，例如灯杆在 8 米以下的次干道。

（2）色温过高，刺

眼，无舒适感。

（3）散热性能差，温升过高，致使光衰比较严重，

可靠性变差。

（4）驱动电源性能差，故障层出不穷，从 LED 路灯早

期失效的情况下，有 95%以上的故障都是由驱动电路损坏所致。

（5）成本太高，一次性投入太大，成为推广应用一大瓶颈。

（6）由

于尚无统一的 LED 路灯技术标准，不同厂家的产品通用性极差，维

护十分困难。

3.2蓄电池选择

3.2.1 蓄电池的简介

9

型      号

NP-XA1265CH

品    牌

NIDEL 铅酸免维护封闭式蓄电池

价格

460 元/个

使用寿命

8 至 10 年

额定电压

12v

额定容量

65Ah

工作温度

-25℃—40℃

最低工作温度

-20℃

由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要

配置蓄电池，系统才能工作。

一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd 蓄电池、

Ni-H 蓄电池。

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。

太阳能电池功率必须比负载

功率高出 3—4 倍以上，系统才能正常工作。

太阳能电池的电压要超

过蓄电池的工作电压 20~30%，才能保证给蓄电池正常负电。

蓄电池

容量必须比负载日耗量高 6 倍以上为宜。

3.2.2 蓄电池的基本参数

通过一系列综合考虑，选择 NP-XA1265CH 型号蓄电池，其基本

参数为：

10

品牌

Sun

型号

SNM-M10

类型

单晶硅系列

尺寸

1106×403×5mm

重量

8Kg

价格

879.00 元

功率

80W

开路电压

21V

最大允许放电深度

80%

尺寸

350*166*175mm

重量

20Kg

工作湿度

74%—80%

3.3  太阳电池组件选择

3.3.1 太阳电池组件简介及其参数

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。

在阴

雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能

电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。

非晶硅太阳

能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对

太阳光照条件要求比较低。

太阳电池组件的基本参数如下表所示：

11

短路电流

5.12A

填充因子

73%

最大工作电压

17.5V

最大工作电流

4.6V

工作温度范围

-40℃～+80℃

表面可以承受的最大压

60/m/s（200kg/sq.m）

型号

SDRC—20I

品牌

Sun

3.4控制器选择

3.4.1 控制器的简介

无论太阳能灯大小，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，防止蓄电池过充放电及深度充放电。

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。

3.4.2 控制器的基本参数

太阳能控制器选型：

根据电源系统电压和方阵最大充电电流来

选择控制器。

防止蓄电池和太阳电池接反、蓄电池开路、蓄电池过

充和过放、负载过压或过流，夜间反充电。

12

额定充电电流

20A

额定负载电流

20A

工作电压

12V

过放保护电压

10.8V

过放恢复电压

12.4V

使用环境温度

-20℃~+50℃

外形尺寸

140×90.5mm

市场价格

145 元/个

主体材料

圆锥形钢灯杆热镀锌静电喷塑

灯杆高度

7 米

灯杆壁厚

3.0mm

直 径

上口直径 60mm 下口直径 140mm

价格

580 元/个

抗风力

20m/s

应用空间

户外照明

3.5  LED 灯杆的选择

3.5.1LED 灯杆的简介及各项参数

灯杆的选择主要根据灯杆的材料、应用环境等因素来进行确定

的。

一般道路路灯对灯杆的要求有下：

1）主体材料：

为全钢结构、

整体热镀锌/喷塑处理。

（2）使用温度：

-30 度至 70 度。

（3）抗风

力≥150Km/h。

（4）灯杆高度：

5—11 米。

（5）灯杆的基本参数：

第 4 章   LED 路灯的设计

13

4.1太阳电池方阵倾角和方位角的设计

4.1.1太阳电池方阵系统倾角和方位角的概念

在光伏发电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角

度对光伏系统接受到的太阳辐射有很大影响，从而影响到光伏供电

系统的发电能力。

与光伏组件方阵放置的相关的有两个角度参量：

太阳电池组件倾角；太阳电池组件方位角。

太阳电池组件倾角是太阳电池组件平面与水平面的夹角。

光伏

组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南面的夹角（向东偏设定为

负角度，向西偏设定为正角度）

4.1.2 太阳电池方阵倾角和方位角的计算

固定安装的 LED 路灯系统涉及到如何选择最佳倾角以及如何计

算斜面上的太阳辐射。

对于其倾角的选择应结合以下要求进行综合

考虑；

（1）连续性

（2）均匀性（3）极大性，在这里我们采用近似

的方法来确定倾角。

一般的，在我国南方地区，方阵倾角可比当地

纬度高 10°—15°。

由于新余地区位于北纬 27°33′～28°05′，

因此取当地的纬度大约为 28°，所以太阳电池方阵倾角 Q=28°+

15°=43°

方位角计算：

通过新余基本气象调查，一天中负荷的峰值时刻

为 20:

00，该地区的的经度为东经 114°29′～150°24′，所以方

位角 Q1=（一天中负荷的峰值时刻-12）×15+（经度-116）=（20-

12）×15+（150-116）=154°

4.2LED 路灯系统中蓄电池数量的设计

14

4.2.1 LED 路灯系统蓄电池数量的计算

（1）根据 LED 灯有关的参数和负载每天工作 10h 确定负载的

大小：

每天的耗电量 Q=I h=30w×10÷12=25Ah；

（2）新余市最长

连续阴雨天数为 5 天（另加阴雨前一夜的用电，计 6 天）蓄电池放

电深度 a=80% ，所以蓄电池容量 C=6×Q/a =25Ah×（5＋1）÷80%

=187.5Ah；（4）根据蓄电池的规格：

取 C=65Ah；（5）每个蓄电池都有

自己的标称电压，为了达到负载工作的标称电压，需要将蓄电池串

联起来给负载供电，串联蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄

电池的标称电压。

蓄电池串联数=负载标称电压÷蓄电池标称电压

=12V÷12V=1 个。

蓄电池并联数=蓄电池总容量÷所选单个蓄电池的

容量=187.5Ah÷65Ah=3 个。

所以该路灯系统需要使用 12V/65Ah 的

蓄电池的个数为 3 个。

4.3LED 路灯系统中太阳电池组件的设计

4.3.1LED 路灯系统中太阳电池组件个数的计算及布置

（1）估算太阳电池方阵电流

由基本气象资料可知，倾斜面上全年平均辐射量为

13714KJ/m/m =3809.4Wh/m/m。

所以全年平均日照时数：

Tm=HTWh/m/m÷1000w/m/m=3809.4Wh/m/m÷1000w/m/m=3.81h；则太

阳电池方阵应输出的最小电流为：

Imin=25÷（Tm×a1×a2）

=25÷（3.81×0.9×0.9）=8.1A。

（算式中 a1 表示蓄电池充电效率

a2 表示方阵表面灰尘遮蔽损失，Q 为负载每天总耗电量）

方阵的最佳电流介于 Imin 和 Imax 之间，但由于没有太阳电池方

15

阵每月的辐照量而无法计算出方阵各月输出电量及负载耗电量以及

蓄电池的荷电状态，因此将太阳电池方阵应输出的最小电流作为太

阳电池方阵最佳电流I=8.1A。

（2）估算太阳电池方阵输出电压

方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。

方阵在任何季节的工作电压应满足：

V = Vf + Vd（算式中 Vf 表

示蓄电池浮充电压，Vd 表示因线路（包括阻塞二极管）损耗引起的

电压降）。

单只铅酸蓄电池工作电压为 12V，故需 6 个单体电池串联

才可满足系统的工作电压 12V。

每只单体铅酸电池的工作电压为：

2.0—2.35，取线路压降：

Vd=0.8V，则方阵工作电压为：

V = Vf +

Vd=6×2.35+0.8=14.9V

（3）最后确定功率

设太阳电池的最高工作温度为 60℃，则方阵的输出功率为：

P=IV/[1-a（tmax-25）]=8.1×14.9/[1-0.5%（60-25）]=155.7W （式中：

a 为太阳电池功率的温度系数，对一般硅太阳电池，a=0.5%，tmax

为太阳能电池最高工作温度）。

（4 根据太阳电池板的规格，取 P=160W，用两块 80W 的单晶硅太

阳能电池通过串联的方式连接起来就能满足要求。

第 5 章设计总费用及性价比分析

5.1LED 路灯系统总费用估算

通过整体的选择与计算，最终得出 LED 照明路灯系统的总体费

用 T=LED 光源的费用+蓄电池的费用+太阳电池组件费用+光伏控制器

16

费用+LED 灯杆费用=（760+460×3+879×2+145+580）元=4623 元。

5.2LED 路灯系统与节能灯系统性价比对比分析

据相关资料显示，通常节能灯的功率大约是 LED 灯功率的 3 倍

多，当 LED 灯的功率为 30w 时，节能灯的功率大约为 90——

100w（这里取 100w）

设两种类型的灯每天工作时间为 10h，节能灯的电费为 1 元/度，

则节能灯 10 年内电费为 100w×10 年×365 天/年×10 小时×1 元

/Kw.h=3650 元。

据相关资料显示 100w 的节能灯大约为 115 元，通

过 LED 灯和节能灯的使用寿命比较，在同等的环境下，使用同样 10

年的时间，节能灯的更换个数为 10 个，所以更换节能灯的费用为

115×10=1150 元。

又因为节能灯和 LED 灯都使用灯杆。

因此，节能灯使用灯杆的

价格为 580 元（与 LED 灯杆相同），所以用在节能灯整个系统的费用