太阳能在城市道路照明中的应用Word下载.docx
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3.2.2铅酸蓄电池的使用寿命及影响因素17
3.2.3蓄电池的选择18
3.3控制器的选择18
3.3.1蓄电池充电控制基本原理18
3.3.2蓄电池放电控制基本原理21
3.4太阳能路灯系统开关的选择23
3.5光源的选择233
3.6表面处理24
4太阳能路灯制作25
4.1设计制作25
4.2防雷与接地28
4.3太阳能电池组件支架28
4.3.1倾角设计28
4.3.2抗风设计28
4.4注意事项30
5太阳能路灯管理与维护32
5.1铅酸蓄电池故障及解决方法32
5.2LED发光模块故障及解决方法33
结论35
附录A36
参考文献37
致谢38
1绪论
1．1课题背景
当代已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源，主要有五类，即煤炭、石油、天然气、水和核裂变能等。
目前世界能源消耗几乎全靠这五大能源来供应，电力只是上述这些能源转化生出来的“二次能源”。
随着现代工业、农业和国家科技事业的快速发展，各国对能源的消耗量显著增加，年增长率达5％～6％。
就是说10多年就要翻一番。
近100年内，世界动力消耗的燃料增加了20倍，尤其近30年来，消耗指数直线上升。
60年代初，全球能源消耗量每年平均约为40亿吨煤当量；
70年代初已达80亿吨。
进入80年代后，消耗量增长更为迅速，1980年至1989年间增长了17.8％，达到103.3亿吨煤当量。
预计到21世纪初世界能源需求量将达200亿吨。
那时，全世界的能源消耗量将比现在增长2～3倍。
加之世界的能源资源分布极不平衡，必然导致能源危机的不断发生。
世界能源的消耗结构在近20年中发生了很大变化。
虽然，目前各种新型能源在不断开发利用，但在五大能源中，主要依靠石油、天然气和煤三大能源，其他能源消耗比重还很低，不足以根本改变原有的以石油、天然气消耗为主体的结构类型。
据统计，从第二次世界大战结束以来的50余年中，引起国际石油市扬重大变动的事件就近10次，平均每5～6年发生一次。
从1973年发生第一次石油价格危机到1989年间，煤炭消耗量由28.3％上升到31.1％；
天然气由18.1％上升到23.1％；
水力由5.4％上升到6.4％；
而核能由0.6％上升到2.3％；
唯有石油有所下降，由47.4％降至37％。
由此可见，石油、天然气占世界能源消耗总量的60％左右，煤占30％左右，其他约占10％左右。
据国际能源资料统计和专家们预言，在五大能源中，适合于经济开采的石油和天然气资源只能再开采30年，最多50年内将耗尽。
另据一些地质学的推测，全球石油资源总数的一半蕴藏在海底及地壳之下尚未发现。
近年来专家估计海底石油储量约在2500亿吨以上，但按目前的消耗量计算，即使都开采出来，也仅够人类使用270年。
煤炭是两千多年来的传统能源，它是由陆上森林掩埋在地下经长期变化而成的。
因此，它的储量基本上不会增加，只会减少，煤炭同石油、天然气相比，虽储量大，消耗少，但总储量也仅够开采300年。
铀矿资源已探明量和附加储量将在2030年以前开采完，即使包括推测储量在内，在大力发展核能的情况下，到2060年前全部铀矿资源也将用完。
水力是较为理想的自然资源，但是，在工业国家，通过传统工艺发掘的水资源已开发了3/4左右，而利用水力发电建站投资大、周期长，且受地理条件限制。
因此，能源危机即在眼前了。
正当人类加速扩大能源需求的同时，能源的可供应量和持续时间即日显危机，一场全面的能源危机摆在了人们面前。
能源，已成为制约一个国家经济、科技、军事发展的制约产业，往往严重阻滞其他行业的发展，它迫使人们必须尽早采取紧急措施，在节约能源消耗的同时，积极开发新能源，以使人类渡过目前面临的能源危机。
太阳能行业是２１世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔，在可再生能源行业中，太阳能没有污染、市场空间非常大，太阳能现已经在民用领域内广泛应用于诸如照明、空调、电话、汽车、发电等方面，太阳能应用的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。
太阳能灯作为一种新型节能灯具，它与传统灯具相比有节能、环保、安全、方便、寿命长、品位高等许多优点。
发展可持续能源和绿色能源从道路照明这种小方面入手，可节约更多的电能，技术条件和市场环境成熟后可在该领域和其他领域进行广泛推广。
1.2太阳能的利用可行性分析
太阳是一个炽热的气体球，内部不停地进行着由氢聚变成氦的热核反应，不停地向宇宙空间释放出巨大的能量，这就是太阳能。
地球上除了地热能和核能以外，所有能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人类的“能源之母”。
没有太阳能，就不会有人类的一切。
太阳能，因为它是一种辐射能，不带任何化学物质，是最洁净，最可靠的巨大能源宝库。
经测算表明，太阳能释放出相当于10万亿千瓦的能量，而辐射到地球表面的能量，虽然只有它22亿分之一，但也相当于全世界目前发电总量的八万倍。
自古以来，人们就注意利用太阳能。
早在几千年前，我们的祖先就曾用“阳燧”这种简单的器具向太阳“取火”，开辟了人类利用太阳能的新时代。
据说古希腊著名物理学家阿基米德曾用巨大的镜子聚集太阳光，一举烧毁了敌人的帆船队。
然而，人们对太阳能的深刻认识和开发利用，直到最近的二、三十年内才真正开始。
为了更加直观地了解各地每天太阳能辐射的平均分布。
图1.1我国不同地区太阳光照条件
表1.1给出年总辐射量与日平均峰值日照时数（太阳能电池每天可以接受到1000W/m2辐照度的等效时间）对应关系。
年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表通过上面资料可以看出，太阳能灯具的设计和灯具的使用地区有关。
太阳能电池组件额定输出功率和灯具输入功率之间关系在西南地区大约是2~4:
1，具体比例要根据灯具每天工作时间以及对连续阴雨天照明要求决定。
另外太阳能电池的输出功率大约120W/m2。
表1.1总辐射量与日平均峰值日照时数对应表
总辐射量与日平均峰值日照时数间的对应关系
年总辐射量
千焦/厘米2年
420
460
500
540
580
620
660
700
740
日平均峰值
日照时数h
3.19
3.50
3.82
4.14
4.46
4.78
5.10
5.42
5.75
表1.2全国各地区太阳能资源的分布情况
区域划分
丰富区
较丰富区
可利用区
贫乏区
≥580
500-580
420-500
≤420
全年日照时数
≥3000H
2400-3000H
1600-2400H
≤1600
地域
内蒙西部、新疆南部
甘肃西部、青藏高原
新疆北部、东北、内蒙东部、华北、陕北、宁夏、甘肃部分、青藏高原东侧、四川攀西地区、海南、台湾
东北北端、内蒙呼盟、长江下游、两广、福建、贵州部分、云南、河南、陕西
重庆、川、贵、桂、赣部分地区
特征
日照时数≥3300小时
年日照百分率≥0.75
日照时数2600-3300小时
年日照百分率≥0.6-0.75
太阳能丰富区到贫乏区的过度带
日照时数≤1800小时年日照百分率≤0.4建议不使用太阳能的地区
连续阴雨天
2
3
7
5
从图1.1和表1.2可以看出在本地（攀枝花地区）的太阳能资源是相当丰富的，极具可开发价值。
本文见将介绍太阳能在道路照明系统中的应用，从应用角度出发，分析再生能源使用的优势。
1.3太阳能能源的现状及前景
太阳能作为一种巨量的可再生能源，已被广泛应用在各个领域，是当前能源利用的补充能源，并被认为是未来人类生活的可替代能源。
每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产成或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。
不论是从经济社会走可持续发展之路，还是保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大的战略意义。
这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。
丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。
太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，中人把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×
1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。
当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。
欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。
截至2002年底，太阳能光伏发电制造能力已达56万KW，实际装机容量近400万KW，组件成本下降到3.5美元/WP。
预计，2020年光伏组件的价格将下降到1美元/WP以下，目前世界最大的光伏工厂年产36MW，价格为3－4美元/WP。
我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年１７０００亿吨标准煤。
太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。
我国地处北半球，南北距离和东西距离都在５０００公里以上。
在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。
大多数地区年平均日辐射量在每平方米４千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米７千瓦时。
年日照时数大于２０００小时。
与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。
在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。
中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。
与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家10－15年，甚至明显落后于印度。
我国光伏产业正以每年30%的速度增长，国内光伏电池生产能力已达100MW。
在国家各部委立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达21%，可商业化光伏组件效率达14－15%，一般商业化电池效率10－13%。
目前太我国阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从2000年的40元/瓦降到2003年的33元/瓦，2004年已经降到27元/瓦。
这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。
2太阳能路灯系统结构
太阳能作为21世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。
太阳能产业是新兴的朝阳行业，再加上良好的政策环境、行业本身的特性，使得太阳能产业具有较高的投资价值和发展潜力。
目前，太阳能产业成长性好，是比较好的投资机会，但要注意控制客观存在的经营风险，竞争风险等以取得良好的投资收益。
节能与开源齐头并进，是解决能源问题的根本途径，而太阳能路灯就是“节能开源”的充分展示。
2.1太阳能路灯的构造
太阳能LED大功率路灯的基本构造，如图2.1和图2.2所示。
图2.1太阳能路灯实物图图2.2太阳能路灯基本构造
系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；
太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；
灯头部分以1W白光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。
控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；
控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。
本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；
充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。
2.2太阳能路灯的工作原理
系统工作原理简单，利用光生伏特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8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。
图2.3即为太阳能路灯系统的基本原理框图。
图2.3太阳能路灯系统基本原理图
2.3太阳能路灯的优点
太阳能路灯优特点：
1、节能：
以太阳能光电转换提供电能，取之不尽、用之不竭；
2、环保：
无污染、无噪音、无辐射；
3、安全：
绝无触电、火灾等意外事故；
4、方便：
安装简洁，不需要架线或“开膛破肚”挖地施工、也没有停电限电顾虑；
5、寿命长：
产品科技含量高，控制系统、智能化设计，质量可靠；
6、品位高：
科技产品、绿色能源，使用单位重视科技、绿色形象提高、档次提升；
7、投资少：
一次性投资与交流电等价（交流电投资从变电、进电、控制箱、电缆、工程起），一次投资、长期受用；
8、适用广：
太阳能源源于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用，特别适合于绿地景观灯光配备，高档次住宅及室外照明，旅游景点海岸景观照明及点缀，工业开发区、工矿企业路灯，各大院校室外灯光照明。
与传统路灯的比较
整体设计基本上考虑到了各个环节；
光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；
抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；
表面处理采用了目前最先进的技术工艺；
路灯整体结构简约而美观；
经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。
根据本人调查，太阳能灯具与普通灯具性能价格对比参考如下：
以本地某个房地产开发项目5公里长20米宽主路，需安装次干道路灯为例说明。
按两灯间距40米，采用两侧对称排列布灯，共需路灯250盏：
普通灯具报价8000元/套，每个杆灯设1个检查井；
太阳能路灯报价19500元/套，按使用寿命15年进行分析对比。
见下表：
表2.1太阳能灯具与普通灯具性能价格对比参考表
具类别对比项目
太阳能灯具
普通灯具
灯具价格
19500×
250=4875000（487.5万）
8000×
250=2000000（200万）
安装费用
400×
250=100000（10万）
2000000×
10%=200000（20万）
配套费用
无
1、地埋电缆：
35×
40×
250=350000（35万）
2、挖沟回填：
15×
250=150000（15万）
3、100mm布纹管：
25×
250=250000（25万）
4、检查井：
300×
250=75000（7.5万）
5、配电设备（开关、定时器、保险器、机箱、电力增容、架设电力变压器等）每盏均摊3000元，3000×
250=750000（75万）
总计：
157.5万元
维护费用
蓄电池更换：
1500×
250=375000（37.5万）
灯光源为500W钠灯，每天工作8小时则每天耗电为4度，按每度电1元计算，则15年共耗电费为：
4×
250×
365×
1=547.5万元
维护费用：
灯光源70元×
8次×
250=14万元.此外还包括控制系统的部件更换，及专门的管理送电人员的工资等费用计为10万元
共计571.5万
安全性能
工作电压为直流12V、24V，绝对安全，性能稳定，不会发生触电事故。
工作电压为交流220V，能较稳定，需常年维护。
但存在遇洪涝灾害及阴雨天易发生漏电亡人事故。
同时易受停电、限电影响。
费用合计
497.5+37.5=535万元
377.5+571.5=949万元
由上表得出如下结论：
1、就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能灯具比普通灯具造价要高。
2、若按使用寿命15年把运行费用和路灯维护费用考虑进去的话，太阳能灯具在寿命周期内所发生的总费用要比普通灯具的总费用要低。
且规模越大，普通灯具安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及灯具开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于本表预计费用。
3、运行维护费用，普通灯具明显高于太阳能灯具，而且会随着使用时间的增长而越来越高（电费、人工等）。
4、安全稳定性，太阳能灯具免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。
而普通灯具相对安全，性能较稳定，需常年维护，且存在遇洪涝灾害及阴雨天易发生漏电亡人事故。
同时易受停电、拉闸限电等因素影响而不能正常使用，且随着我国能源电力供应日益紧缺，这种情况今后会频繁发生且日益突出。
3太阳能路灯零部件选用
3.1太阳能电池
3.1.1太阳电池概念
太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。
这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。
太阳能电池是利用硅等半导体的光伏效应通过p-n结构直接把太阳光转化为电能。
由于太阳电池本身易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气中，光电转化效率会由于潮湿、灰尘、酸雨等影响而下降，以至损坏失效。
因此，太阳电池一般都必须通过胶封、层压等方式封装成平板式构造再投入使用。
其中以层压封装的方法最为普遍，即将太阳电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、粘结性好的热熔性EVA胶膜包封，采用透明率高、耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的Tedlar复合薄膜（聚氟乙烯复合膜）或玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺使EVA胶膜将电池片、正面盖板和背板黏合为一个整体，从而构成一个实用的太阳电池发电器件，一般称为太阳电池组件或组件，俗称太阳电池板或电池板（为分区也称单体太阳电池为太阳电池片或电池片）。
3.1.2太阳能电池原理与特性
一、太阳能电池的结构。
图3.1太阳能电池构形图
常规硅太阳能电池（如图3.1），是一个p型硅材料制成的n+/p型结构常规太阳能电池的示意图。
①p层为基体，厚度为0.2~0.5mm。
基体材料称为基区层，简称基区。
②p层上面是n层。
它又称为顶区层，有时也称为发射区层，简称顶层。
它是在同一块材料的表面层用高温掺杂扩散方法制得的，因而又称为扩散层。
由于它通常是重掺杂的，故标记为n+。
n+层的厚度为0.2~0.5μm。
扩散层处于电池的正面。
所谓正面，就是光照的表面，所以也称为光照面。
③p层和n层的交界面处是p-n结。
④扩散层上有与它形成欧姆接触的上电极。
它由母线和若干条栅线组成。
栅线的宽度一般为0.2mm左右。
栅线通过母线连接起来。
母线宽度为0.5mm左右，视电池面积大小而定。
⑤集体下面有与它形成欧姆接触的下电极。
⑥上下电极均由金属材料制作，其功能是将由电池产生的电能引出。
⑦在电池的光照面有一层减反射膜，其功能是减少光的反射，使电池接受更多的光。
常见的太阳能电池有：
单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
1、单晶硅太阳电池
单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。
这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求99.999％。
为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。
有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。
将单晶硅棒切成片，一般片厚约0.3毫米
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