太阳能光伏照明系统设计.docx

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太阳能光伏照明系统设计

本科毕业设计（论文）

太阳能光伏发电系统—照明系统的设计

2010年6月

摘要

本文介绍一种基于光伏发电的多电源智能管理系统——太阳能照明系统的设计。

这个设计，从根本上对太阳能得到全面的了解，掌握太阳能照明的优势，并阐述了太阳能路灯与普通路灯的本质区别，从中了解到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。

关键字：

光伏发电，太阳能，节能环保，智能控制

Abstract

Thispaperpresentsaphotovoltaicpowergenerationbasedontheintelligentmanagementofmulti-powersystem-solarlightingsystemdesign.Thedesignofsolarenergyfromthefundamentalunderstandingofacomprehensivegraspoftheadvantagesofsolarlightingandsolarenergystreetlampandontheessentialdifferencebetweenanordinarystreetlamp,solarenergyisakindoflearnedfromtheunlimitedpotentialofclean,efficientandsustainablerenewableenergy,energysavingandenvironmentalprotectionisthefirstchoiceofallmankind.Inthispaper,solarstreetlightingonthesolarcells,batteries,frameandsoonmadeadetailedanalysis,comparison,basedontheprinciplecharacteristicsofphotovoltaicpowergenerationsystemusingtheintelligentcontroller,intelligentcontrollerprogrammedtomakeprocedurestomeettheautomaticsolar-poweredLEDstreetlampstorage,automaticlighting,automaticoutaseriesofworkprocessestoenablemoreintelligentsolarlighting.Finally,thearticlealsocitedtheexampleofsolarenergyisnowusedtocarryoutananalysisofstreetlighting,research,acleartrendinsolarenergydevelopmentandfutureprospects.

Keywords:

Photovoltaicpowergeneration,solarenergy,energysavingandenvironmentalprotection,intelligentcontrol

1．绪论

1．1太阳能照明的优点…………………………………………………………1

1．2太阳能照明是发展的趋势…………………………………………………2

1．3太阳能路灯与普通路灯的比较……………………………………………3

2．设计思路…………………………………………………………………………6

3．太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理……………………………………7

3.1太阳能路灯的组成…………………………………………………………7

3.2太阳能路灯的工作原理……………………………………………………7

4．各部件的组成及工作原理………………………………………………………9

4.1太阳能电池组件的组成及工作原理………………………………………9

4.1.1太阳能电池分类………………………………………………………9

4.1.2硅太阳能电池工作原理及结构………………………………………10

4.2蓄电池的组成及工作原理…………………………………………………13

4.2.1蓄电池的种类和应用…………………………………………………14

4.2.2铅酸蓄电池的工作原理………………………………………………15

4.3电源控制器的组成及工作原理…………………………………………16

4.3.1系统硬件结构…………………………………………………………16

4.3.2电压采集与电池管理…………………………………………………17

4.3.3负载输出控制与检测电路……………………………………………18

4.3.4硬件设计中的注意点…………………………………………………19

4.3.5系统软件设计…………………………………………………………19

4.4光源的选择…………………………………………………………………22

4.4.1各种光源的特性比较…………………………………………………22

4.4.2LED灯的特点…………………………………………………………22

4.5各数据计算…………………………………………………………………23

4.5.1太阳能电池组计算…………………………………………………23

4.5.2蓄电池计算…………………………………………………………24

4.5.3太阳能电池组件支架………………………………………………24

5.太阳能路灯的实际应用…………………………………………………………25

结论…………………………………………………………………………………27

参考文献……………………………………………………………………………28

致谢…………………………………………………………………………………29

1绪论

1.1太阳能照明的节能优点

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。

同时，使用太阳能也是一个明智的财务选择。

如果使用太阳能电池板为您的住宅供电，在收到每个月的电费单时，您就能体会到这一点。

另外，太阳能是环保的选择——如果您知道使用太阳能将为您的孩子留下一个更环保的美好世界，您一定会感到自豪。

如今，全球的光伏（Photovoltaic,PV）太阳能供不应求，是增长最快的可再生能源之一。

随着制造工艺的高效化，光伏系统的成本将继续下降。

如今，光伏系统的价格已经是20年前的1/25。

即使是商业电力公司，也正在寻求通过利用太阳能来构建更为稳定的成本结构。

研究结果显示，太阳能在北方的气候条件下更为有效。

在加利福尼亚州，电费每年上涨6.7%。

太阳能则可以用来预防未来电费的居高不下。

在许多国家，您可以将富余电力卖给电力公司，冲抵您的电费。

与高成本的化石燃料污染和全球温室效应相比，太阳能不仅使用范围广，而且更经济。

在近期的民意调查中，当受访对象被问及哪类能源最适合子孙后代时，太阳能的得分高出所有其它能源。

光伏系统在提供电力的同时，不会排放二氧化碳（CO2）。

一块光伏组件在25年的有效使用期内，可减少约7.5吨的碳排放量。

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。

到2006年底，我国可再生能源利用量总计为2亿吨标准煤（不包括传统方式利用生物质能），约占0.5个百分点，为2010年实现可再生能源占全国一次能源消费总量10%的目标迈出了坚实的一步。

目前，我国正在从以下几个方面来推动光伏发电的国内市场发展：

一、启动送电到村工程;二、在特殊工程上运用光伏发电，如世博会、奥运会等;三、在沙漠地区建光伏电站;四、动员一些城市启动屋顶计划;五、研究制定提高光伏发电竞争力的电价政策（光伏产品90%的出口以及国内市场的缺失，都可能限制中国光伏产业的长远发展。

一旦国外光伏产业政策有变或者为保护本国产业采取限制进口的措施，中国近年来大量上马的光伏项目将面临困境）。

1.2太阳能照明是发展的趋势

太阳的能源非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳光所产生的能量相当于全球人类一年消耗的能量。

可以说太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。

目前，全球能源危机日益加剧，各国都在寻找新的能源，以取代即将枯竭的煤、石油、天然气等地球上所剩无几的不可再生能源。

作为新型照明方式之一，太阳能照明能否挑起重担，在未来的照明行业中起主导作用？

这不仅仅是照明行业所关注的焦点，也是整个社会思考和关注的焦点。

利用太阳能发电的经济性在很多情况下要优于常规的供电方式。

太阳能电源系统运行成本低，几乎不需要维护，不需要备件，不需要增添燃料。

太阳能系统设备可自动运行，适于在无人职守站使用。

不包含任何运转部件，系统可连续工作、使用寿命超过数十年。

、太阳能电源系统的直流输出电压十分稳定。

无需为引接入电网而修路，在没有电网的地方，太阳能为灵活选取站址提供可能。

除了直接的经济效益以外，太阳能发电还有很多间接优点。

在其它一些供电系统，往往由于断电而立即造成巨大的经济损失。

太阳能系统仍能保证稳定可靠地工作。

太阳能照明本质上是一个光电转换系统，专业领域称为“硅晶片地面光伏组件”。

其工作原理是通过硅晶片接收太阳光线后转变为电能，然后储存在蓄电池中，再由光感开关进行控制，当天黑时能够自动点亮，天亮时又自动熄灭。

太阳能灯是光电转换技术的一种应用产品，凭借其节能、环保、无需布线、自动控制、随时变换位置等优点，在照明行业中树立起神圣的地位。

    因为硅晶片价格昂贵，最初的太阳能仅应用在航天事业上。

在技术上稍有突破后，被美国、日本、德国等发达国家率先尝试运用在高科技领域。

随着太阳能光伏技术的发展和进步，在民用方面首先应用在照明灯具上。

近几年来，太阳能灯具产品由于环保节能的双重优势，太阳能庭院灯、太阳能草坪灯和太阳能装饰灯等应用逐渐形成规模。

   大量试验表明，太阳能灯具和普通灯具对比分析后得出：

在满足同样照明要求的条件下，两种不同的供电方式，太阳能灯成本比普通灯具要高；如果将投入工程的施工费用计入整个工程，则两种灯具在初始投资时造价相当。

工程越大，普通灯具的工程施工费用越高，其初始投入大于太阳能灯具。

使用时间越长，越能彰显太阳能灯具的实惠。

如果把人力、物力计算在内，普通灯具的辅助费用与维护费用都将比预算的高。

在后续的使用费用上（电费、维护费用等），太阳能灯具的优势更明显。

“如果在全国推广使用3亿只太阳能灯，其节能效果相当于新建一个三峡工程”，中山市百特照明科技有限公司朱建平经理介绍。

   据了解，太阳能的优点已被越来越多的人所接受。

作为太阳能应用的系列产品之一，太阳能灯具一直是各方研究和关注的焦点。

在已有技术基础上，技术人员与厂商集思广益，在诸多方面取得了突破性进展，为太阳能灯最终走向千家万户打下了坚实基础。

专家预测，太阳能照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。

1.3太阳能路灯与普通路灯相比较

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，实用）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。

市电照明灯具安装复杂：

在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。

然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。

而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。

对比而言，太阳能照明绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点；可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用。

综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。

太阳能照明灯具有体积小,重量轻,低能耗,高光强,防雷击,无须其它电源,安全可靠,安装、维护方便等特点。

太阳能照明灯可广泛应用于：

家庭别墅、单位花园、公园绿地、环保小区、房前路边等户外场所的照明。

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，每年就可节省1460度电，十年可节省14600度。

1.大阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算

太阳能路灯其实并不贵。

在很多人眼里，路灯的成本不过是一根杆，一只灯泡。

但是，事实上根本不是这样子，一盏普通路灯除了这些成本，还有预埋地下的电缆申请和施工过程的费用，还可能影响、破坏周围植被和景观，日常需要专人定时维护、更换灯泡，同时每隔大约1Km要建一个升压站（防止输电线路过长，电压降低过大，影响灯光亮度），分摊下来的成本每盏大约在3万元左右，目前市政道路路灯的招标价格每盏一般也在2～3.5万元之间。

而太阳能路灯的最大成本就是太阳能电池板，无需预埋输电电缆及相关工程费用，一盏8～12米的太阳能路灯的造价一般在1.8～3.5万元之间。

这些太阳能路灯一般使用的光源是长寿命的LED灯或低压钠灯，使用的电压都是绝对安全的直流低电压，采用光控、时控、全自动、无触点电子开关，故障率极低，整体路灯使用寿命要长达15年。

此外，路灯与路灯之间彼此独立工作、互不干扰，可根据实际情况将某段时间设计成节能照明状态，从而有效降低造价。

只要设计合理，实际比普通路灯更划算。

2.偷盗难，也不划算，太阳能路灯灯杆一般都在8米高以上，偷盗电线不合算

近年来，由于铜以及其他金属价格的上涨，偷盗路灯电缆成为一大治安问题。

很多人担心太阳能路灯采用的都是高新技术的材料，一旦被盗的损失会更高，持这种观点的人不少，不仅仅有一些政府官员，连一些能源研究专家也认为这确实是一个问题。

小偷偷电线一般用剪或用绞轮拉，目的是为了获得金属铜谋取利益，而太阳能路灯的内部电线绝大部分都在灯杆里面且短而小，含铜量不如传统路灯，加上灯杆较高，一般都在8米以上，要开着吊车才能将太阳能电池板和电缆快速盗走，被盗可能性比传统路灯要低得多。

如果小偷真的开着吊车来偷路灯了，那不知是什么天下了，应该不是偷了而是抢了！

那我们国家能有这么乱吗？

因此，偷盗太阳能路灯内部电线是不合算的。

3.大阳能路灯的造价其实不高，因其使用寿命长，比普通路灯更划算

（1）不受地理位置限制、无需消耗燃料，无机械转动部件，建设周期短，规模大小随意；

（2）安全可靠、无污染、无噪声、环保美观、故障率极低、寿命长；

（3）拆装简易、移动方便、工程安装成本低，无需预埋架高输电线路，可免去远距离敷设电缆时对植被和环境的破坏及其所需的工程费用；

（4）广泛应用于道路照明上，非常适用于乡村、农场、山头、海岛、高速公路等输电不便的偏僻地方。

2设计思路

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。

太阳能路灯是一种利用太阳能作为能源的路灯，因其具有不受供电影响，不用开沟埋线，不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装等特点，因此受到人们的广泛关注，又因其不污染环境，而被称为绿色环保产品。

太阳能路灯即可用于城镇公园、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度较小，交通不便经济不发达、缺乏常规燃料，难以用常规能源发电，但太阳能资源丰富的地区，以解决这些地区人们的家用照明问题。

现本人想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。

3太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理

3.1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3.1

图3.1太阳能原理方框

太阳能路灯技术特点是：

①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；②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；③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；④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。

3.2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。

4各部件的组成及工作原理

4.1太阳能电池组件的组成及其工作原理

4.1.1太阳能电池的分类

太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式（以下表示为a-）两大类，而前者又分为单结晶形和多结晶形。

按材料可分为硅薄膜形、化合物半导体薄膜形和有机膜形，而化合物半导体薄膜形又分为非结晶形（a-Si:

H,a-Si:

H:

F,a-SixGel-x:

H等）、ⅢV族（GaAs,InP等）、ⅡⅥ族（Cds系）和磷化锌（Zn3p2）等。

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池还可分为：

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。

1.硅太阳能电池

硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种。

单晶硅太阳能电池转换效率最高，技术也最为成熟。

在实验室里最高的转换效率为23%,规模生产时的效率为15%。

在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位，但由于单晶硅成本价格高，大幅度降低其成本很困难，为了节省硅材料，发展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做为单晶硅太阳能电池的替代产品。

多晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅比较,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜电池，其实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。

因此，多晶硅薄膜电池不久将会在太阳能电地市场上占据主导地位。

非晶硅薄膜太阳能电池成本低重量轻，转换效率较高，便于大规模生产，有极大的潜力。

但受制于其材料引发的光电效率衰退效应，稳定性不高，直接影响了它的实际应用。

如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

下面对硅太阳能电池进行详细介绍。

2.多元化合物薄膜太阳能电池

多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III-V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等。

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

砷化镓（GaAs）III-V化合物电池的转换效率可达28%，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率,抗辐照能力强,对热不敏感，适合于制造高效单结电池。

但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

铜铟硒薄膜电池（简称CIS）适合光电转换，不存在光致衰退问题，转换效率和多晶硅一样。

具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。

唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

3.聚合物多层修饰电极型太阳能电池

以有机聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。

由于有机材料柔性好，制作容易，材料来源广泛，成本底等优势，从而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。

但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比。

能否发展成为具有实用意义的产品，还有待于进一步研究探索。

4.纳米晶太阳能电池

纳米TiO2晶体化学能太阳能电池是新近发展的，优点在于它廉价的成本和简单的工艺及稳定的性能。

其光电效率稳定在10％以上，制作成本仅为硅太阳电池的1/5～1/10．寿命能达到2O年以上。

但由于此类电池的研究和开发刚刚起步，估计不久的将来会逐步走上市场。

4.1.2硅太阳能电池工作原理与结构

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4.1。

图4.1

图4.1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，它的形成可以参照图4.2所示。

图4.2

图4.2