畢業(yè)論文--光伏發(fā)電——路燈照明系統(tǒng)設計

1、<p>　　學生畢業(yè)設計 (論文) 報告</p><p>　　設計（論文）題目：光伏發(fā)電——路燈照明系統(tǒng)設計 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要</b></p><p><b>　　Abstract</b><

2、;/p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1我國太陽能資源狀況………………………………………………………1</p><p>　　1.2太陽能路燈與普通路燈的比較……………………………………………2</p><p>　　1.3太陽能照明是發(fā)展的趨勢…………………………………………………4<

3、;/p><p><b>　　第2章 設計思路</b></p><p>　　2.1設計的思路及原則…………………………………………………………5</p><p>　　2.2設計的要求…………………………………………………………………5</p><p>　　第3章 太陽能路燈的組成原理及工作原理</p><p

4、>　　3.1太陽能路燈的組成 …………………………………………………………6</p><p>　　3.2太陽能路燈的工作原理 ……………………………………………………6</p><p>　　各部件的組成及工作原理</p><p>　　4.1太陽能電池組件的組成及工作原理 ………………………………………7</p><p>　　4.1.1太

5、陽能電池分類 ………………………………………………………7</p><p>　　4.1.2硅太陽能電池工作原理及結構………………………………………7</p><p>　　4.2蓄電池的組成及工作原理 …………………………………………………9</p><p>　　4.2.1蓄電池的種類和應用…………………………………………………9</p><p&g

6、t;　　4.2.2鉛酸蓄電池的工作原理………………………………………………9</p><p>　　4.3控制器的基本工作原理 ……………………………………………………10</p><p>　　4.3.1蓄電池充電……………………………………………………………11</p><p>　　4.3.2蓄電池給LED燈供電…………………………………………………11</p

7、><p>　　4.4光源的選擇…………………………………………………………………12</p><p>　　4.4.1各種光源的特性比較…………………………………………………12 </p><p>　　4.4.2 LED燈的特點…………………………………………………………12</p><p>　　第5章 太陽能路燈的設計及實際應用</p>

8、;<p>　　5.1太陽能電池組件的選擇……………………………………………………14</p><p>　　5.1.1太陽電池組件的基本要求……………………………………………14</p><p>　　5.1.2 單晶硅太陽能電池組件的結構及技術參數(shù) ………………………14</p><p>　　5.2系統(tǒng)設計………………………………………………………………

9、……16</p><p>　　5.2.1 電源電路 ……………………………………………………………16</p><p>　　5.2.2 太陽能電池板組件 …………………………………………………17</p><p>　　5.2.3 照明負載 ……………………………………………………………17</p><p>　　5.2.4蓄電池和太陽能板的選用

10、 …………………………………………18</p><p>　　5.2.5 過充、過放控制電路 ………………………………………………18</p><p>　　5.3 LED路燈系統(tǒng)參數(shù)設計及計算……………………………………………19</p><p>　　5.3.1 LED燈具的布局及高度計算…………………………………………19</p><p>

11、　　5.3.2 LED光源照度的計算…………………………………………………20</p><p>　　5.3.3 LED路燈配置計算…………………………………………………20</p><p>　　5.4太陽能路燈的安裝和施工…………………………………………………20</p><p>　　5.5太陽能路燈的實際應用……………………………………………………21</p

12、><p>　　結論…………………………………………………………………………………23</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………24</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………25</p><p>　　摘 要</p><p&g

13、t;　　近年來，隨著全球能源危機和環(huán)境污染的問題日益嚴重，可再生能源的開發(fā)的利用已勢在必行。太陽能是一種潛力無限的清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源，是全人類節(jié)能環(huán)保的首選。在當今世界，路燈的照明用電已占總用電量的不小比重。本文所講述的是關于太陽能發(fā)電路燈照明系統(tǒng)的設計以及應用。研究包括：太陽能路燈、太陽能電池、蓄電池、控制器、LED燈源等各器件的工作原理及其各自的基本特性，再根據(jù)不同的要求選擇出經(jīng)濟實用適合本地區(qū)需求的相應容量的太陽能光

14、伏電池、蓄電池、充放電控制器、LED燈源等配置，實現(xiàn)太陽能路燈照明系統(tǒng)的整體設計。</p><p>　　關鍵詞：太陽能路燈 太陽能電池 蓄電池 充放電控制器 LED燈源</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, with the global energy crisis an

15、d environmental pollution problem is increasingly serious, the development of renewable energy use is imperative. Solar energy is a clean, efficient and sustainable potential of renewable energy, is the first choice for

16、energy conservation and environmental protection of all mankind. In today's world, street lamp lighting has a big proportion of the total power consumption. This article is about the design and application of solar s

17、treet lighting </p><p>　　Key words: Solar street lamps PV cells lead-acid battery Controller LED light</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1我國太陽能的資源狀況</p>

18、<p>　　在飛速發(fā)展的中國，能源短缺問題和環(huán)境污染問題已經(jīng)是十分突出的問題，節(jié)約能源能和環(huán)保是實現(xiàn)中國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略所急需解決的問題的重中之重。目前，照明所消耗得電力約占整個電力消耗的20%左右，減少照明用電消耗是當今節(jié)約不可再生能源的重要途徑。中國作為有限能源消耗的大國，必須要盡快尋求可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)光源的新一代節(jié)能環(huán)保型的光源。為了實現(xiàn)這一目標，科學界人士已研究開發(fā)出許多種節(jié)能照明器具，也取得了一定的成效。但是，距

19、離“綠色照明”的要求還有很長的一段距離，開發(fā)和應用的更高效性、可靠性、安全性以及耐用性的新型光源勢在必行。 </p><p>　　當今，太陽能作為一種安全、環(huán)保新能源越來越受到人們重視。太陽能是一種非常大量的可再生資源，也可說是“取之不盡，用之不竭”的。世界能源危機的日益加劇，各國都在努力尋求解決當今社會能源危機的辦法，一條道路是尋找新型能源和提高可再生能源的利用效率；另一條是尋求新的節(jié)能技術，減少不可再生能源的

20、過度消耗，大大提升能源的利用效率。而太陽能的有效開發(fā)和有效的利用就是其中一條道路。我國各地區(qū)太陽能資源情況如下：</p><p>　　我國太陽能資源分布（圖1）</p><p>　　我國太陽能資源分布（圖2）</p><p>　　隨著太陽能光伏發(fā)電技術的發(fā)展和進步，利用太陽能的光伏發(fā)電技術而可直接使用的燈具產(chǎn)品在環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，太陽能路燈、庭院燈、草坪燈等方面的光伏

21、發(fā)電應用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模，太陽能發(fā)電在路燈照明領域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。</p><p>　　1.2太陽能路燈與普通路燈的比較</p><p>　　隨著地球不可再生資源的日益缺乏，基礎能源的投資成本逐漸增高，各種安全問題和污染隱患問題可謂是隨處可見。太陽能能源作為一種"取之不盡，用之不竭"的安全型、環(huán)保型新能源越來越受到人們的重視。太陽能照明系列的產(chǎn)品跟隨著太陽能熱水器的普

22、及之后而被眾人所接受熟知以及使用，在這里就太陽能路燈和使用普通路燈的效果作實用優(yōu)勢對比。</p><p><b>　　（1）優(yōu)勢對比一</b></p><p>　　普通照明路燈的安裝比較復雜：在普通的照明路燈工程中有相對復雜的作業(yè)程序，首先要安裝的路段鋪設電纜，電纜溝的開挖、暗管的鋪設、管內的穿線以及回填等大量的基礎工程。然后再長時間的安裝燈架調試電路，如果任何一條線

23、路有問題，就需要大面積的返工。并且地勢和線路要求比較復雜、人工和輔助材料的成本高昂。太陽能路燈的安裝相對簡便：在太陽能路燈安裝時，沒有復雜的線路需要鋪設，只需要做一個水泥基座，再用不銹鋼的螺絲固定就安裝成功。</p><p><b>　?。?）優(yōu)勢對比二</b></p><p>　　普通的照明路燈是有一定的安全隱患：普通路燈在安裝的過程中施工的質量、景觀工程的改造、材

24、料的老化、供電不正常以及水電氣管道的沖突等方面帶來諸多安全隱患。</p><p>　　太陽能路燈沒有安全隱患：太陽能路燈是低壓產(chǎn)品，運行安全可靠。</p><p>　　太陽能路燈的其它優(yōu)勢：是綠色環(huán)保的新能源，能為新型的生態(tài)小區(qū)開發(fā)和推廣增加新的賣點；同時可以持續(xù)減少物業(yè)管理成本，減少業(yè)主公共分攤部分物業(yè)的費用。</p><p><b>　?。?）優(yōu)勢對比

25、三</b></p><p>　　普通照明路燈電費高昂：普通照明路燈在工作中有高昂的電費，要長期的不間斷的對線路和其它的配置進行維護或更換，維護的成本逐年遞增。太陽能路燈則免電費：太陽能路燈是一次性投入，沒有任何維護成本，三年就可收回投資的成本，可以長期受益。</p><p>　　綜上對比所述，太陽能路燈安全無隱患、節(jié)能無消耗、綠色環(huán)保、安裝簡便、自動控制免維護等特性，將為樓盤的

26、銷售、市政工程的建設直接帶來明顯可利用的優(yōu)勢。</p><p>　　1.3太陽能照明是發(fā)展的趨勢</p><p>　　太陽能照明的本質上是一個光電轉換的系統(tǒng)，專業(yè)領域稱其為“硅晶片地面光伏組件”。它的工作原理是通過硅晶片接收太陽光線后轉變?yōu)殡娔?，再儲存在蓄電池中，然后由光感開關進行控制，當天黑時就能夠自動點亮，天亮時又可以自動熄滅。太陽能照明燈是光電轉換技術的一種新型應用產(chǎn)品，憑借它的節(jié)能

27、、環(huán)保、無需布線、自動控制以及可以隨時變換的位置等優(yōu)點，在照明行業(yè)中樹立起神圣的地位。</p><p>　　因為硅晶片的價格相對來說比較昂貴，最初的太陽能僅是應用在航天事業(yè)上。在太陽能技術上有所突破后，被美國、日本、德國等發(fā)達得國家率先嘗試運用在高科技領域上。隨著太陽能光伏發(fā)電技術的發(fā)展和進步，在民用的方面首先是應用在燈具的照明上。近幾年來，太陽能燈具的產(chǎn)品由于環(huán)保和節(jié)能的雙重優(yōu)勢，太陽能的庭院燈、草坪燈和裝飾燈

28、等照明燈的應用逐漸形成規(guī)模。</p><p>　　大量的試驗表明，普通燈具和太陽能燈具對比分析后得出：在滿足同樣的照明要求條件下，兩種不同方式的供電，普通燈具的成本比太陽能燈具的成本要低的多；然而如果將整個工程的施工費用計入整個工程，則兩種燈具在初期投資時造價相當。工程量越大，普通燈具的工程施工費用越高，其初始投入大于太陽能燈具。使用的時間越長，越能顯出太陽能燈具的實惠。如果把人力、物力計算在內，普通燈具的輔助費

29、用與維護費用都將比預算的高。在后續(xù)的使用費用上（電費、維護費用等），太陽能燈具的優(yōu)勢更明顯?！叭绻谌珖茝V使用3億只太陽能燈，其節(jié)能效果相當于新建一個三峽工程。</p><p>　　太陽能的眾多優(yōu)點已被越來越多的人所接受。作為太陽能應用的系列產(chǎn)品之一的太陽能燈，其一直是各方研究和關注的焦點對象。在已有技術基礎上，技術人員與廠商集思廣益，在許多地方取得了突破性的進展，為太陽能燈最終走向千家萬戶打下了非常堅實的基礎

30、。</p><p><b>　　第二章 設計思路</b></p><p>　　2.1設計的思路及原則</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理相同，但是需要考慮的環(huán)節(jié)更多。首先是根據(jù)用電的負載用電量，確定太陽能的組件功率，再確定蓄電池的電池容量，然后進行電氣的設計、光源的設計和設備的選型，最后進行系統(tǒng)的結構設計。在設計中要確保太陽能LE

31、D路燈的運行穩(wěn)定性和可靠性，以及保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與可靠。</p><p>　　設計的原則：對于照明系統(tǒng)設計一般我們需要考慮以下幾個問題： </p><p>　　（1）從功能上來說,道路的照明系統(tǒng)主要功能是保證正常的交通安全，提高交通的運輸效率、保障人身的安全、提供舒適的環(huán)境、提升工廠的形象。</p><p>　?。?）在道路照明的基礎上，需要提高道路照明系統(tǒng)的效率

32、，降低系統(tǒng)功率的損耗，節(jié)約能源，減少污染，以達到節(jié)能和環(huán)保的目的。</p><p>　?。?）另外還要結合當?shù)氐墓赓Y源情況。 </p><p><b>　　2.2設計的要求</b></p><p>　?。?）電池板功率的計算和選用；</p><p>　　（2）蓄電池容量、充放電控制和充放電狀態(tài)顯示；</p>

33、<p>　?。?）連續(xù)陰雨天三天路燈仍能照明；</p><p>　　(4）系統(tǒng)斷電時可以保存用戶所設定的各種參數(shù)。</p><p>　　第三章 太陽能路燈的組成及工作原理</p><p>　　3.1太陽能路燈的組成</p><p>　　太陽能路燈由太陽能電池組件（太陽能電池板）、太陽能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼等組成，

34、有的還要配置逆變器。</p><p>　　3.2太陽能路燈的工作原理</p><p>　　太陽能路燈的系統(tǒng)工作原理簡單，利用光電伏特效應原理制成的太陽能電池在白天太陽能電池組件接收太陽輻射能并轉化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8小時后，充放電控

35、制器動作，蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。 </p><p>　　第四章 各部件的組成及工作原理</p><p>　　4.1太陽能電池組件的組成及工作原理</p><p>　　4.1.1太陽能電池分類</p><p>　　太陽能電池按結晶狀態(tài)結晶系薄膜式非結晶系薄膜式(表示a-)兩類前者單結晶形結晶形。其按電池組件的材料可

36、分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形機膜形化合物半導體薄膜形非結晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)磷化鋅(Zn3p2)等。太陽能電池根據(jù)所用的材料不同，太陽能電池還可以分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應用中居主導地位。</p><p&

37、gt;　　4.1.2硅太陽能電池工作原理及結構</p><p>　　太陽能電池發(fā)電原理是半導體的光電效應，一般半導體結構如（4.1.2-1）：</p><p><b>　　圖4.1.2-1</b></p><p>　　圖4.1.2-1中，正電荷表示的是硅原子，負電荷表示的是圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入

38、硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照（4.1.2-2）：</p><p><b>　　圖4.1.2-2</b></p><p>　　上圖中，正電荷表示的是硅原子，負電荷表示的是圍繞在硅原子旁邊的四個電子。其中黃色的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只能有3個電子，所以就會產(chǎn)生如上圖所示的藍色的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得極其不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，

39、形成P（positive）型半導體。    同樣的，在摻入磷原子以后，因為磷原子周圍有五個電子，所以就會有一個電子變得非?；钴S，形成N（negative）型半導體。黃色的就是磷原子核，紅色的為多余的電子。如（4.1.2-3）。</p><p>　　圖4.1.2-3   在 N型半導體中含有比較多的空穴，然而P型半導體中含有較多的電子，這樣，當兩種半導

40、體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN結。</p><p>　　當兩種半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層，界面的P型一側帶負電，N型一側帶正電。這是由于P型半導體多空穴，N型半導體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N區(qū)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是

41、PN結。</p><p>　　當晶片受光后，PN結中，N型半導體的空穴往P型區(qū)移動，而P型區(qū)中的電子往N型區(qū)移動，從而形成從N型區(qū)到P型區(qū)的電流。然后在PN結中形成電勢差，這就形成了電源。(如下圖所示） </p><p>　　由于半導體不是電的良導體，當電子在通過p－n結后，電子如果在半導體中流動，其電阻很大，損耗也就很大。但如果在上層層面上全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流也就就不能產(chǎn)

42、生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n結（如上圖），以此來增加入射光的面積。</p><p>　　另外硅的表面光滑發(fā)亮，硅的表面會反射掉大量的太陽光，這部分的太陽光不能被電池利用。正因如此，科學家們在硅的的表面涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護膜，將太陽光反射的損失減小到5％甚至更小。畢竟一個電池所能提供的電流和電壓有限，所以人們又將很多電池（一般是36個塊）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。</p>&

43、lt;p>　　4.2蓄電池的組成及工作原理</p><p>　　4.2.1蓄電池的種類和應用</p><p>　　蓄電池是電池中的一種。蓄電池的作用是能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。蓄電池的工作原理就是把化學能轉化為電能。</p><p>　　蓄電池的種類一般分為：鎳氫蓄電池、鎳氫蓄電池、鎳鎘電池、鋰離子電池、鎳鋅蓄電池、鈉硫蓄電池、鋅空氣蓄電池等。

44、同樣蓄電池的應用也涉及很廣泛，主要是用于通訊、汽車、電動車（蓄電池）以及風力和太陽能發(fā)電的電能存儲。</p><p>　　蓄電池的主要功能是：</p><p>　　(1) 能量存儲能力及自主運行。</p><p>　　(2) 電壓和電流穩(wěn)定性。</p><p>　　(3) 提供浪涌電流。</p><p>　　4.2.2

45、鉛酸蓄電池的工作原理</p><p>　　在鉛酸蓄電池中使用的電解液是H+濃度最高時的硫酸溶液，其比重大約為1.3g/cm^3。一般的蓄電池都是使用此類型的溶液。極板為用Pb作成的網(wǎng)狀結構，在其表層上敷涂化學反應的活性物質。正極板的活性物質是PbO2粉末，將電充滿以后看起來有點偏棕色。負極板的活性物質是海綿狀鉛粉末，將電充滿以后為金屬鉛的灰色。放完電時二級板均為灰白色。</p><p>　

46、　在放電時：正極板PbO2將轉化成PbSO4，酸中的H+得電子轉化為和H2O。 </p><p>　　PbO2  + 2H2SO4 +  Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4  （放電反應） </p><p>　　同時：負極板鉛粉末也將轉化為硫酸鉛，硫酸根失電子在負極產(chǎn)生電子。</p><p>　　電子

47、在外回路中產(chǎn)生電流。</p><p>　　充電時：與上面相反，PbSO4轉化為具有不同能量狀態(tài)的PbO2以及 Pb 。</p><p>　　PbSO4  + 2H2O  +  PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 +  Pb （充電反應）</p><p>　　上面的化學反應方程式中可以 看

48、出，鉛酸蓄電池在放電時，正極的活性物質PbO2和負極的活性物質金屬Pb都與硫酸電解液反應，生成PbSO4，這種反應叫做“雙硫酸鹽化反應”。在蓄電池剛放電結束時，正、負極活性物質轉化成的PbSO4是一種結構疏松、晶體細密的結晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過程中，正、負極疏松細密的PbSO4，在外界充電電流的作用下會重新還原成PbO2和金屬Pb，蓄電池就又處于充足電的狀態(tài)。正是這種可逆轉的電化學反應，使蓄電池實現(xiàn)了儲存電能和釋放電能的功

49、能。</p><p>　　4.3控制器的基本工作原理</p><p>　　太陽能電池的伏安特性具有很強的非線性，即當日照強度改變時，其開路電壓不會有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流有相當大的變化，所以其輸出功率與最大功率點會隨時改變。然而當光強度一定時，太陽能電池輸出的電流一定，可認為是恒流源。因此，必須研究和設計性能優(yōu)良的光伏控制器，才能更有效的利用太陽能。太陽能電池將吸收的光能轉換成電能

50、而通過充放電控制器對蓄電池充電。充放電控制器的功能主要有兩個，一是對蓄電池的充放電保護，以避免蓄電池有過充或過放的情形發(fā)生，而蓄電池的任務則是儲能，以便在夜間或陰雨天供給負載用電；二是提供穩(wěn)定的直流電壓源供給逆變器或直流負載使用。</p><p>　　4.3.1蓄電池充電</p><p>　　當系統(tǒng)檢測到環(huán)境光充足，控制器就會進入充電模式。蓄電池充電有兩個比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮

51、充充電電壓。前者代表在正常使用情況下蓄電池電能被用完的狀態(tài)，而后者則代表蓄電池充電的最高限制電壓，這些參數(shù)應該從蓄電池產(chǎn)品手冊上可以查到。在設計電路中針對12V蓄電池，分別設置深度放電電壓為11V和浮充充電電壓為13.8V(皆為在室溫條件下的電壓值，軟件中這兩個值增加了相應的溫度補償)，具體充電模式如表所示。</p><p>　　從中可以看到涓流充電模式和恒流充電模式會用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可

52、以實現(xiàn)，業(yè)界有不少的論文對此進行了探討，總的來說各有優(yōu)劣，設計電路中采用相對簡單的擾動觀察法來實現(xiàn)。這個控制方法的基本思想是通過增大或者減少充電電路開關信號PWMCHG占空比，然后觀察輸出功率是變大還是變小，以此來決定下一步是增大還是減少占空比。由于太陽能板的輸出變化相對比較緩慢，而且是單極點，所以這種方式還是能收到比較好的效果。</p><p>　　4.3.2蓄電池給LED燈供電</p><

53、p>　　蓄電池給LED燈供電，即蓄電池放電</p><p>　　當系統(tǒng)檢測到周圍環(huán)境光線不足時，就會進入蓄電池給LED供電模式。LED電流通過高位電流檢測芯片(TSC101AILT)采樣送回MCU，由MCU通過調整開關信號PWMDRV占空比來獲得恒定輸出電流。為了達到節(jié)能的目的，LED的恒定電流值會根據(jù)系統(tǒng)檢測的環(huán)境光強度來調整：當環(huán)境光由亮變暗時，系統(tǒng)的輸出電流也會相應從小到大;當環(huán)境光完全暗下來時，系統(tǒng)

54、的輸出電流也達到預設的最大值。除了由環(huán)境光控制LED的輸出，用戶還可以通過設定開關DIP1～DIP4的狀態(tài)來開啟時間控制功能，系統(tǒng)會根據(jù)DIP1～DIP4的設定組合來控制LED從亮5分鐘到12小時不等。此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，設計電路添加了針對太陽能電池板、蓄電池和LED等一系列軟硬件的保護功能。</p><p><b>　　4.4光源的選擇</b></p><p&g

55、t;　　4.4.1各種光源的特性比較</p><p><b>　　各種光源的特性比較</b></p><p>　　光源的選型對于太陽能路燈來說是最關鍵的一步，目前針對太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和LED光源。</p><p>　　（1）低壓節(jié)能燈：功率小，光

56、效較高，但使用壽命2000小時，電壓低燈管發(fā)黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。 </p><p>　?。?）低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價格貴，整個系統(tǒng)造高，采用較少。 </p><p>　?。?）無極燈：功率小，光效較高。該燈在220V（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達到5萬小時，在太陽能燈具上使用壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不

57、多（因為太陽能燈具都是方波逆變器，太陽能電源220V輸出頻率、項位、電壓都是不能和普通市電相比的）。 </p><p>　　（4） LED：LED燈光源，壽命長，可達1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高。</p><p>　　4.4.2 LED燈的特點</p><p>　?。?）高效節(jié)能：發(fā)光效果相同的情況下，LED燈比傳統(tǒng)的日光燈節(jié)能67%。。

58、 </p><p>　?。?）超長壽命：Led節(jié)能燈采用半導體芯片發(fā)光，無燈絲，無玻璃泡，不怕震動，不易破碎，使用壽命可達50,000小時以上。 </p><p>　?。?）光線健康：led節(jié)能燈光線中不含紫外線和紅外線，不產(chǎn)生輻射。</p><p>　?。?）綠色環(huán)保：led節(jié)能燈不含汞和氙等有害元素，利于回收，而且不會產(chǎn)生電磁干擾。 </p>

59、<p>　?。?）保護視力：led節(jié)能路燈顆粒采用直流驅動，無頻閃。</p><p>　?。?）光效率高：led節(jié)能燈發(fā)熱小，80%的電能轉化為可見光。</p><p>　?。?）安全系數(shù)高：led節(jié)能路燈所需電壓、電流較小，發(fā)熱較小，不產(chǎn)生安全隱患，于礦場等危險場所。 </p><p>　?。?）防蚊蟲：LED燈由于沒有紫外線，不會像傳統(tǒng)日光燈一樣

60、吸引蚊蟲，從而有利于維護室內清潔。 </p><p>　?。?）用著省心：普通日光燈幾個月就會衰減，需要更換，從而帶來很大不便；LED燈由于壽命超長（12小時一天，可用11年），從而節(jié)省了大量的維修費。</p><p>　　第五章 太陽能路燈的設計及實際應用</p><p>　　5.1太陽能電池組件的選擇</p><p>　　太陽能電池組件

61、是發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽的輻射能直接轉換為直流電，供負載使用或存貯于蓄電池內備用。一般根據(jù)用戶需要，將若干太陽能電池板按一定方式連接，組成太陽能電池方陣（陣列），再配上適當?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成太陽能電池組件。</p><p>　　5.1.1太陽電池組件的基本要求</p><p>　　(1)防水、防冰雹、防風。一般太陽能電池組件采用鋼化玻璃封裝，采用的鋁合金邊框應具有高強度，抗機

62、械沖擊能力要強。安裝時用金屬支架固定，能抵御10級以上大風。</p><p>　　(2)標準測試條件：輻射度為1000W/㎡,電池溫度為25℃。</p><p>　　(3)絕緣電壓：≥600V。</p><p>　　(4)邊框接地電阻：≤10Ω。</p><p>　　(5)迎風壓強:2700Pa 。</p><p>　

63、　(6)填充因子：73％。</p><p>　　(7)短路電壓溫度系數(shù)：+ 0.4mA/℃。</p><p>　　(8)開路電壓溫度系數(shù)：-60mV/℃。</p><p>　　(9)工作溫度：-40℃~+85℃。</p><p>　　5.1.2 單晶硅太陽能電池組件的結構及技術參數(shù)</p><p>　?。?）單晶硅太陽

64、能電池組件的結構</p><p>　　單晶硅太陽能電池組件的實物外形如圖5-1所示，單晶硅太陽能電池組件的結構如圖5-2所示,光伏組件的I-V輸出曲線如圖5-3所示。</p><p>　　5-1單晶硅太陽能電池組件的實物外形</p><p>　　5-2單晶硅太陽能電池組件的結構</p><p>　　5-3光伏組件的I-V輸出曲線</p&

65、gt;<p>　?。?） 單晶硅太陽能電池組件技術參數(shù)如下：</p><p>　　兩塊電池板并聯(lián)正極接正極，負極接負極，中間要接二極管。兩塊輸出功率和規(guī)格不同的太陽能電池組件不可以并連在一起，因并聯(lián)會造成內部損耗，降低了太陽能電池組件的使用效率，縮短了使用壽命。</p><p><b>　　5.2系統(tǒng)設計</b></p><p>

66、　　5.2.1 電源電路</p><p>　　電源電路如圖2所示。系統(tǒng)太陽能供電，24V蓄電池電壓經(jīng)過7805穩(wěn)壓后產(chǎn)生5V電壓，作為控制器的主電源。電容C2、C3作為高頻旁路電容，將高頻信號旁路到地。同樣電容C1、C4為濾波電容。</p><p>　　5.2.2 太陽能電池板組件</p><p>　　在新能源中，公認技術含量最高、最有發(fā)展前途的是太陽能發(fā)電。將吸收

67、的太陽輻射熱能轉換成電能的裝置，可分為兩類：一類是太陽能熱電直接轉換；另一類是太陽能熱動力發(fā)電，是將太陽熱能通過熱機帶動發(fā)電機發(fā)電，其基本構成包括集熱裝置、儲能系統(tǒng)、熱機和發(fā)電機等。 </p><p>　　(1) 太陽能光發(fā)電：直接將太陽的光能轉換成電能的利用方式，可分為光伏發(fā)電、光感應發(fā)電、光化學發(fā)電和光生物發(fā)電。目前應用的光伏發(fā)電，是根據(jù)“光生伏特”效應直接將照射到太陽能電池上的光能轉換成電能輸出，一般由太陽

68、能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點是：能量密度底、轉化效率底、受自然條件和氣候環(huán)境因素影響大、初始投資高和間歇性工作。目前，光伏發(fā)電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產(chǎn)品(太陽能充電器、太陽能燈具等)；并網(wǎng)發(fā)電。 </p><p>　　(2)太陽能電池板分為晶體硅（包括單、多晶硅）電池組件、非晶硅薄膜電池組件及砷化鎵電池組件。 為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻

69、射能盡可能的多，要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。通過Hay模型的計算，可以得到的不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。</p><p>　　5.2.3 照明負載</p><p>　　由于LED是直流供電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應用于直流系統(tǒng)，如太陽能燈具產(chǎn)品。超高亮白光LED應用于太陽能燈具，單個束光型超高亮度LED發(fā)光管其產(chǎn)生的光線方向性太強，綜合視覺效果較差，因此應首選平光型超

70、高亮LED或平光型與束光型超高亮LED組合使用，將多個LED集中于一起，排列組合成一定規(guī)則的LED發(fā)光源。</p><p>　　5.2.4蓄電池選用 </p><p>　　蓄電池 蓄電池組是太陽能LED路燈系統(tǒng)的儲能裝置，其作用是將白天有日照時發(fā)出的電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量，目前常用的是鉛酸蓄電池

71、。 蓄電池是一種化學電源，它將直流電能轉變?yōu)榛瘜W能儲存起來。需要時再把化學能轉變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?，由于光伏系統(tǒng)的功率輸出每天都在變化，在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時，蓄電池也能夠提供相對穩(wěn)定的電能，因此在太陽能LED路燈系統(tǒng)中，蓄電池對系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲存和調節(jié)作用。 LED路燈系統(tǒng)采用鉛酸免維護蓄電池，不需專門的維護；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。</p><p>

72、;　　5.2.5 過充、過放控制電路</p><p>　　過充控制，就是在蓄電池處于過充狀態(tài)時斷開充電電路，過放控制電路就是在蓄電池處于過放狀態(tài)時斷開放電電路。過充、過放控制都是為了保護蓄電池，</p><p>　　延長蓄電池的使用壽命。過充、過放控制電路如圖5-6。過充、過放判斷的依據(jù)主要是蓄電池電壓的高低，其工作原理如下：</p><p>　　過充控制電路中將繼

73、電器J1的開關串聯(lián)在充電電路中，當白天有太陽光時處于正常充電狀態(tài)時，由太陽能板吸熱經(jīng)繼電器開關常閉點向蓄電池充電，當蓄電池的電壓高于26V時，認為蓄電池處于過充狀態(tài)，U1A“-”端電壓高于“+”端電壓時U1A輸出“-”，低電平，使Q1截止，同時Q2導通，繼電器線圈J1通電，則繼電器常閉點斷開，常開點閉合，充電電路斷開過充指示燈亮，停止向蓄電池充電，達到過充保護功能。</p><p>　　圖5-6 過充過放控制電

74、路</p><p>　　過放控制電路中將繼電器J2的開關串聯(lián)在放電電路中，當處于正常放電狀態(tài)時，放電電路正常工作。在晚上由蓄電池向負載供電時，當蓄電池的電壓低于22V時，認為蓄電池處于過放狀態(tài)，此時U1B“+”端電壓低于其“-”端電壓時，U1B輸出“-”低電平，使Q3截止，同時Q4導通，繼電器線圈J2通電，繼電器開關由常閉點轉到常開點，放電電路就斷開，過放指示燈亮停止向負載供電。達到過放保護功能。</p&g

75、t;<p>　　5.3LED路燈系統(tǒng)參數(shù)設計及計算</p><p>　　LED路燈系統(tǒng)容量的設計及計算是整個系統(tǒng)的重要一步，是關乎系統(tǒng)能否正常運行及系統(tǒng)整體的使用問題。</p><p>　　5.3.1 LED燈具的布局及高度計算 </p><p>　　根據(jù)道路的寬度、照明要求不同，一般有三種安裝布燈方式：單側布制；雙側交錯布置；雙側對稱布置。 LE

76、D燈具的安裝高度（H）、間距（S）、與路寬（W）和布置方式間的關系如表</p><p>　　LED道路燈燈桿的安裝高度要根據(jù)燈具的高度、道路周圍樹木和建筑物高度以及電池組件的形狀、尺寸等確定，一般要比燈具的高度高1-1.5米。燈具的懸臂長度不宜超過安裝高度的1/4，燈具的仰角不宜超過15º。 </p><p>　　5.3.2 LED光源照度的計算 </p>&l

77、t;p>　　光源功率要根據(jù)道路照明照度要求及光源效率確定。光源照度計算公式為；</p><p>　　其中，E為光源照度；?為總光通量；U為利用系數(shù)（有LED燈具利用系數(shù)曲線查出）；K為維護系數(shù)；W為道路寬度；S為路燈安裝間距；N為與排列方式有關的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　5.3.3 LED路燈配置計算 （1）系統(tǒng)電壓的確定。 太陽能路燈光源的直流輸入電壓作為系統(tǒng)電壓，一般為12

78、V或24V，在條件容許的條件下，要盡量提高系統(tǒng)電壓，以減少線路損耗。 (2)光伏組件的容量計算。 組件容量計算公式為：</p><p>　　其中，P為光伏組件功率；1.43是太陽電池組件峰值工作電壓與系統(tǒng)電壓的比值；兩個0.85分別為蓄電池的庫倫效率和光伏組件衰減、方陣組合損失、塵埃遮擋等綜合系數(shù)。</p><p>　　例如；光源功率為30W，每天工作8h，當?shù)孛刻烊照諘r數(shù)為6.0h，則

79、需要的光伏組件功率為30w*8h*1.43/（6h*0.85*0.85）=79.17W</p><p>　　5.4太陽能路燈的安裝和施工</p><p>　　太陽能路燈的硬件固然重要，太陽能路燈的安裝施工、工程管理和質量控制也是非常重要的。太陽能路燈安裝在室外，應當注意如下問題：</p><p>　?。?）太陽能路燈所有外露部分的防腐； ’</p>&

80、lt;p>　?。?）太陽能路燈所有連接部件的抗風；</p><p>　?。?）太陽電池板的防鳥；</p><p>　?。?）太陽電池板的防盜；</p><p>　?。?）路燈進出線和控制室的防雨；</p><p>　?。?）蓄電池的冬季保溫和夏季降溫；</p><p>　　（7）蓄電池室的透氣；</p>

81、;<p>　?。?）蓄電池室的防水；</p><p>　?。?）蓄電池的防盜；</p><p>　?。?0）燈具的防雨、防蟲、防雹；</p><p>　?。?1）燈具要便于維修和更換。</p><p>　　下圖是較為典型的太陽能路燈安裝結構，可以兼顧上述各項功能：</p><p>　　5.5太陽能路燈的實

82、際應用</p><p>　　由天津工業(yè)大學海宇半導體照明有限工司研制、天津科技援建項目“太陽能LED路燈系統(tǒng)示范工程”中的最后一根路燈在村民貢秋巴丁家門口安裝調試完成。天津市科委援建的“太陽能LED路燈系統(tǒng)示范工程”項目，是專門針對西藏高原地區(qū)氣候、日照條件、土壤溫度的特點，以解決用電缺口較大和通電困難地區(qū)較多的實際問題為目標，研究開發(fā)出適用于高原地區(qū)的新能源LED路燈系統(tǒng)。項目承擔方—天津工大海宇半導體照明有限

83、公司經(jīng)過前期大量實驗論證，開發(fā)出針對高原氣候的系統(tǒng)性關鍵技術。</p><p>　　本次設計的太陽能路燈的總電路圖如圖5.1所示，其工作原理：太陽照射在硅光板上，太陽能電池開始工作，使二極管D1跟三極管Q1工作，蓄電池開始蓄電，待蓄電池蓄電完畢后，根據(jù)程序的設定，Q1反作用，停止蓄電；到晚上天色昏暗時，設定的程序啟動，使蓄電池開始放電，二極管D2，D3， D4，D5，導通，三極管Q2，Q3工作，使LED燈照明，直

84、到第二天早上，預先設定的程序又作用，使LED燈熄滅；當有太陽照射硅光板的時候，蓄電池又開始蓄電，這樣，無限的循環(huán)，就可以使路燈自動蓄電，自動照明，自動熄滅，大大減少了人力物力，而且這樣的設計，能節(jié)約更多的電能。</p><p>　　圖5.1 太陽能路燈的總電路圖</p><p><b>　　結 論</b></p><p>　　整體設計基

85、本上考慮到了各個環(huán)節(jié)；光伏組件的峰瓦數(shù)選型設計與蓄電池容量選型設計采用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學；抗風設計從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面；路燈整體結構簡約而美觀；經(jīng)過實際運行證明各環(huán)節(jié)之間匹配性較好。 目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及L

86、ED的環(huán)保節(jié)能相比，常規(guī)化石能源日趨緊張，并且使用后對環(huán)境會造成了日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現(xiàn)給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。</p><p>　　參 考 文 獻</p><p>　　1、周志敏，紀愛華.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計與應用實例.北京：電子工業(yè)出版社，2013.9.

87、 </p><p>　　2、何朝陽，戴君，吳立琴.太陽能路燈控制器的設計.電子技術，版次：2006.12. </p><p>　　3、楊希，等． 匹配設計LED 太陽能

88、路燈系統(tǒng)［J］． 現(xiàn)代電子技術，版次：2009. </p><p>　　4、王長貴，王斯成. 太陽能光伏發(fā)電實用技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社 版次：2009. </p><p>　　5、沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術[M]. 北京：化學工業(yè)出版社 版次：2005. </p><p>　　6、趙爭鳴 劉建政. 太陽能光伏發(fā)電及其

89、應用[M].北京：化學工業(yè)出版社 版次：2005. </p><p>　　7、張存彪，黃建華.光伏電站建設與施工 .北京：化學工業(yè)出版社 版次：2013.10 </p><p>　　8、譚浩強.C語言程序設計.北京：清華大學出版社，版次：2000. </p><p><b>　　致

90、 謝</b></p><p>　　歷時多個月,在我參考,收集大量資料的研究之下,太陽能路燈這一畢業(yè)設計總算完成了。</p><p>　　期間，我花了較多的時間去收集相關資料，對其進行學習了解。在寫這一設計的時候，我對我們的專業(yè)有了更深一層的了解和認識，同時也使我對太陽能光伏發(fā)電這個領域有了初步的了解。</p><p>　　畢業(yè)設計（論文）成績評定表&