太阳能LED路灯课程设计Word下载.doc

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4.1.1太阳电池方阵倾角和方位角的概念………………………9

4.1.2太阳电池方阵倾角和方位角的计算………………………9

4.2LED路灯系统中蓄电池数量的设计………………………9

4.2.1LED路灯系统蓄电池数量的计算…………………………9

4.3LED路灯系统中太阳电池组件的设计…………………10

4.3.1LED路灯系统中太阳电池组件个数的计算及布置………10

第五章太阳能路灯的安装和施工…………………………11

第六章设计总费用及性价比分析…………………………12

6.1LED路灯系统总费用估算…………………………………12

6.2LED路灯系统与节能灯系统性价比分析………………12

主要参考文献………………………………………………………13

课程设计心得体会…………………………………………………14

新余市太阳能LED路灯课程设计

摘要：

全球性的能源短缺、环境污染、气候变暖正日益严重地困扰这人类社会。

“寻求绿色替代能源，实现可持续发展”已成为世界各国共同面临的问题。

为了响应这一政策设计一套太阳能LED路灯系统，通过介绍太阳能电池组件、光伏控制器、LED灯与节能灯，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，得出LED灯使用优于节能灯，不仅适用而且环保，同时也可以让人们提高使用LED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

第一章太阳能LED路灯设计的意义与要求

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。

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。

第二章新余市地理情况及基本气象

2.1新余市地理概况

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

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：

年

水平辐射量

斜面辐射量

气温

最低气温

相对

湿度

日照时数

最长连续

阴雨天数

平均

13094KJ/m/m

13714KJ/m/m

29.4℃

-7.2℃

74%-84%

1655h

5天

第三章LED路灯系统设备选型

3.1LED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,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。

其工作原理图如图3.1所示：

图3.1太阳能路灯系统框图

3.2系统照明负载选择

3.2.1LED灯光源

LED即发光二极管，主要由PN结芯片、电极和光学系统组成。

LED具有管线质量高、基本上无辐射、可靠耐用、维护费用极为低廉灯优势，属于典型的绿色照明光源。

超高亮度LED的研制成功大大的降低了太阳能LED照明灯具的使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统的初装成本，并且具有保护环境、安装简单。

工作安全经济节能等优点。

采用平头LED的柱式和炬式组合光源结构，通过合理控制平头LED安装倾斜角度，可使LED组合光源所发出的均匀度及照度得到大幅提升。

为太阳能LED照明系统专门研制的组合十字型和炬型组合发光源，充分发挥平头LED开光角度大、光均匀度良好和圆头LED点面积亮度高的优点，使两者取长补短，发挥最大的光照。

通过对传统LED照明灯具的结构、智能控制器、光源结构的更新及技术改革，进行最佳倾斜角设计，使平头和圆头LED的优势互补，从而使其发光更均匀，整体亮度更高，成本更低，更有利于应用推广。

3.2.2LED灯的基本参数

本设计采用功率为30wLED灯，其基本参数如下表所示：

品牌型号

中华灯LED

额电功率

30W

额定电压

DC12V

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

350元

光源寿命

＞50000h

3.2.3LED灯的特性

目前，照明约占世界总能耗的20%，若能以高效率的LED取代目前低效率、高耗电的传统照明，无疑对缓解当前越来越紧迫的能源和环境问题起到举足轻重的作用。

虽然LED的应用现在仍处于初期阶段，但与现行照明设备比较，LED照明优点仍然突出：

（1）发光效率高、耗能少LED的光效预计可达到200lm/W以上，而且光的单色性好、光谱窄。

在同等照明效果下，LED的耗电量是白炽灯的1/8，荧光灯的1/2。

（2）使用寿命长LED的使用寿命可以长达近十万小时，而白炽灯一般为1000～2000h，荧光灯为6000～8000h。

（3）安全环保LED为全固态发光体，耐振、耐冲击，而且发热量低，无热辐射，无污染。

（4）启动时间短LED的响应时间只有几十纳秒，因此适合用在一些需要快速响应的场合。

（5）体积小LED具有小型化、平面化、可设计性强的特点，可以使人们从传统的点线光源点局限中解放出来，实现照明的随意布置。

白光LED的发光效率现已突破150lm/W，据预测，随着LED单价的下降，白光LED照明将逐步取代白炽灯和荧光灯，成为主流的照明光源。

LED是低压驱动的冷光源，它的性能受使用条件和驱动器性能的制约。

3.3蓄电池选择

3.3.1蓄电池的简介

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。

3.3.2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：

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

12v

额定容量

65Ah

工作温度

-25℃—40℃

最低工作温度

-20℃

最大允许放电深度

80%

尺寸

350*166*175mm

重量

20Kg

工作湿度

74%—80%

3.4太阳电池组件选择

3.4.1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：

品牌

LAX

型号

LAX-80W

类型

单晶硅电池组件

1200×

540×

35mm

9Kg

480.0元

功率

80W

开路电压

21.5V

短路电流

4.91A

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）

3.5控制器选择

3.5.1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。

3.5.2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。

SDRC—20I

Sun

额定充电电流

20A

额定负载电流

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℃

140×

90.5mm

市场价格

100元/个

3.6LED灯杆的选择

3.6.1LED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,系统灯杆的基本参数：

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

650元/个

抗风力

20m/s

应用空间

户外照明

第四章LED路灯的设计

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°

05′，所以太阳电池方阵倾角Q=45°

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°

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

4.2.1LED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=Ih=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。

第五章太阳能路灯的安装和施工

太阳能路灯的硬件固然重要，太阳能路灯的安装施工、工程管理和质量控制也是非常重要的。

太阳能路灯安装在室外，应当注意如下问题：

（1）太阳能路灯所有外露部分的防腐；

（2）太阳能路灯所有连接部件的抗风；

（3）太阳电池板的防鸟；

（4）路灯进出线和控制室的防雨；

（5）蓄电池的冬季保温和夏季降温；

（6）蓄电池室的透气；

（7）蓄电池室的防水；

（8）灯具的防雨、防虫、防雹；

（9）蓄电池、电池板的防盗

（10）灯具要便于维修和更换。

图5.1是较为典型的太阳能路灯安装结构，可以兼顾上述各项功能：

图5.1太阳能路灯的安装结构

第六章设计总费用及性价比分析

6.1LED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+光伏控制器费用+LED灯杆费用=（350+460×

3+480×

2+100+650）=3440元。

6.2LED路灯系统与节能灯系统性价比分析

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0.6元/度，则节能灯10年内电费为100w×

10年×

365天/年×

10小时×

0.6/Kw.h=2190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为S=2190元+1150元+650元=3990元。

与LED系统相比，其节省的费用=3990-3440元=550元

由上述可知：

LED太阳能路灯比普通的节能灯的性价比更高。

此外普通的节能路灯还得架设输电线或铺设电缆，费用将会更大，所以选择LED路灯对于未来城市的经济，环保等相关问题有着巨大的优越性。

参考文献

（1）沈辉，曾租勤。

太阳能光伏发电技术，北京。

（2）太阳光发电协会，刘树民、宏伟译。

太阳能光伏发电系统的设计与施工，北京。

（3）李安定。

太阳能光伏发电系统工程，北京。

（4）鞠振河.沈阳工程学院新校区太阳路灯系统的优化设计，沈阳电力高等专科学校学报，2004。

（5）LED光源的应用及前景吴淑梅霍彦明灯与照明-2008年。

（6）LED灯在道路照明方面的应用侯骏安徽建筑-2008年。

课程设计心得

课程设计反映的是一个从理论到实际应用的过程，可能很多时候你认为自己会了，但在运用到实践的过程中就会发现有太多太多的不懂。

在这次课程设计中，我感触最深的就是查阅大量的设计资料，虽然遇到了很多问题，也发现了自己的不足之处，自己对这门课懂得并不多，很多基础的东西还没很好的掌握，平时又没通过有效的办法去自身理解，但这次课程设计让我对这门课产生了兴趣，让我了解了光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载用电需要的前提下，来确定最少的太阳能电池组件，以尽量减少投资，并且还要考虑它的可靠性及经济性。

在此之间遇到了很多问题，但通过老师、同学的帮忙下我都解决了。

在本次课程设计中，不仅让我懂得了怎样把理论应用到实践中，更让我懂得了怎样用理论去解决实践中遇到的问题，明白了实践和理论是相结合的。

做这个课程设计花了很多时间，但自己从中学到了更多的东西，还

锻炼了我的思考能力，加深了对专业知识的了解，明白了光伏发电系统各部分组成的工作原理，知道光伏对人类生活还是很重要的，所以要认真学习专业知识，这样才能更好的运用到实践中去，此次课