太阳能LED路灯系统毕业设计-solarbe文库

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酒泉职业技术学院毕业设计（论文）2011 级太阳能应用技术专业题目太阳能 LED 路灯系统的分析与设计毕业时间二 O 一四年六月学生姓名杨玉强指导教师胡国武班级 11 太阳能2013 年 6 月 20 日酒泉职业技术学院 2014 届各专业毕业论文（设计）成绩评定表姓名杨玉强班级 11 太阳能专业太阳能应用技术指导教师第一次指导意见年月日指导教师第二次指导意见年月日指导教师第三次指导意见年月日指导教师评语及评分成绩签字（盖章）年月日答辩小组评价意见及评分成绩签字（盖章）年月日教学系毕业实践环节指导小组意见签字（盖章）年月日学院毕业实践环节指导委员会审核意见签字（盖章）年月日目录摘要 1 一、引言 2 二、太阳能 LED路灯系统 2 （一）太阳能 LED路灯系统的构成 2 （二）太阳能 LED路灯工作原理 3 （三） LED灯具介绍 . 3 三、太阳能 LED路灯系统分析 4 （一） LED路灯系统电路图 . 4 （二）太阳能电池组件 5 （三）蓄电池 6 （四）太阳能控制器 6 （五）照明负载（ LED灯具） . 6 四、太阳能 LED路灯系统的设计 7 （一） LED系统设计要求 . 7 （二） LED系统设计思路 . 7 （三） LED系统设计原理 . 7 （四） LED路灯系统设计方案选择 . 8 （五） LED路灯系统参数设计及计算 . 8 1.LED灯具的布局及高度计算 . 8 2.LED光源照度的计算 . 9 3.LED路灯配置计算 . 9 五、设计总结 . 10 参考文献 . 10 致谢 . 12 1 太阳能 LED路灯系统的分析与设计摘要在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，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 , 节能成为了社会生活的主题。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路灯逐渐走入人们的视野。与传统的照明工具相比，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、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，所以凡有工频交流电灯具的地方， LED灯具的触角就会到达， 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，太阳能 LED 路灯必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。太阳能 LED道路照明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。本文设计了一种具有时控和光控相结合的太阳能路灯控制器，利用光敏电阻实现光电控制。傍晚光线暗时控制器自动接通路灯电源，深夜行人少时根据设置的时间熄灭路灯，早上再自动接通电源点亮路灯、天亮后自动关断。关键词太阳能电池； LED；铅酸蓄电池；时控、光控电路2 一、引言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经是必要趋势。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，并保护地球的洁净。而太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁，是新能源领域重要发展的方向，并且太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的。在世界能源短缺、环境污染日益严重的今天，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。与传统的照明工具相比，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、寿命以及环保等方面有不可比拟的优越性，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便，并且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。所以太阳能 LED灯必将成为本世纪极具竞争力的新型绿色环保光源而掀起一次照明领域新的革命。太阳能 LED路灯发展状况当前国际常规能源价格不断上涨，国内能源供应紧张，许多城市出现拉闸限电的尴尬，能源替代已上升到国家能源战略安全的高度，太阳能作为无限可再生能源，逐步部分替代城市生产、生活常规能源已是大势所趋。目前中国太阳能照明技术已经比较成熟，太阳能 LED路灯的可靠性得到很大程度的提高，业界先进企业的太阳能 LED照明灯具已经达到甚至超过国家照明标准，在能源紧张，拉闸限电的城市及用电困难的边远地区，有着很强的可推广性。从长远来看，太阳能 LED照明系统的前景很好，人们的消费着眼点首先是实用、成本低，而目前采用的太阳能发电照明系统是根据中国国情和民情研发的，性价比较高，太阳能 LED照明在未来十年后将会普及，成为未来照明行业发展趋势。二、太阳能 LED路灯系统（一）太阳能 LED路灯系统的构成太阳能 LED路灯系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、 LED灯头、控制箱（包括控制器和蓄电池）和灯杆几部分构成，如图 1。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，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。3 图 1 LED 太阳能路灯系统的构成（二）太阳能 LED路灯工作原理系统工作原理太阳能 LED路灯在白天通过太阳能电池组件“光生伏特效应”采集太阳光的能量，并将其转化为电能存储起来，即向蓄电池充电，在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制，点亮 LED灯用于路灯照明，在夜深时由太阳能智能控制器控制其关闭。（三） LED灯具介绍LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁光辐射。按照不同半导体基本材料的物理特性，所产生的光波长是不同的，发光二极管的实质性结构是 P N 结，在半导体 P N 结通以正向电流时注入少数载流子，少数载流子的发光复合就是发光二极管的工作机理。半导体 P N 结发光实质为固体发光，而各种固体发光都是固体内不同能量状态的电子跃迁的结果，白光 LED通常是在发射蓝光的 InGaN基材上涂荧光材料，荧光材料在受到蓝光激励时会发出黄光，蓝光和黄光的混合物形成白光。4 超高亮白光 LED应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度 LED发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮 LED或平光型与束光型超高亮 LED组合使用，将多个 LED集中于一起，排列组合成一定规则的 LED发光源。超高亮白光 LED发光源既要保证有一定的照射强度，又要使其具有较高的光效，然而电流的增大，光通量虽然增大，但是，另一方面电流的增加会引起光源热损耗的增加，通常导致管温的增加，其综合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合点为最佳工作点，一般为 17.5mA 。超高亮白光 LED发光源具有如下优点 1. 寿命长。 LED的寿命长达 100000h，而白炽灯的寿命一般不超过 2000 h ，荧光灯的寿命也不过 5000 h 左右。2. 效率高。相对于传统的第一代照明光源白炽灯， LED的功耗只有前者的 10％～20％。3. 绿色环保。与广泛使用的第二代照明荧光灯相比， LED不含汞、无频闪，是一种环保光源。4. 耐低温。环境使用温度在一 40℃～ 80℃ ，环境适应性非常强 [7] 。5. LED灯输出功率调节。在太阳能应用的灯具当中， LED灯是最适合通过脉宽调节来实现输出不同的功率。限制脉宽或者限制电流的同时，对 LED灯整个输出的占空比进行调节，经长期试验证明，脉宽调节方式的 LED灯，整灯产生的热量要小的多，能够延长 LED的使用寿命。LED由于自身的特性，必须要通过技术手段对其进行恒流或限流，否则无法正常使用。常见的 LED灯都是通过另加一个驱动电源来实现对 LED灯的恒流，但是这个驱动却占到整个灯总功率的 10％ -20 ％左右，在计算电池板功率和蓄电池容量的时候，必须多加 10％－ 20％来满足驱动所造成的功耗。工业版控制器通过软件进行无功耗恒流，稳定性高，降低了整体功耗。三、太阳能 LED路灯系统分析（一） LED路灯系统电路图根据各部分电路的功能不同， LED路灯系统电路可以分为以下几个部分，太阳能电池板组件、过充过放电控制电路、 STC12C2051单片机、蓄电池、时控光控电路、5 LED灯和时间显示电路。系统电路图如图 2 所示。由太阳能电池板通过 7805 稳压电路为单片机供电，并通过为蓄电池充电，当蓄电池电压较低时其容量损耗得很快，使用寿命也会缩减，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充或过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。图 2 系统电路图（二）太阳能电池组件在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类一类是太阳能热电直接转换；另一类是太阳能热动力发电，是将太阳热能通过热机带动发电机发电，其基本构成包括集热装置、储能系统、热机和发电机等。1 太阳能光发电直接将太阳的光能转换成电能的利用方式，可分为光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电。目前应用的光伏发电，是根据“光生伏特”效应直接将照射到太阳能电池上的光能转换成电能输出，一般由太阳能电池方阵及支架、蓄电池、控制器、逆变器等部分组成。其缺点是能量密度底、转化效率底、受自然条件和气候环境因素影响大、初始投资高和间歇性工作。目前，光伏发电主要用于三大方面为无电场合提供电源；太阳能日用电子产品太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。2 太阳能电池板分为晶体硅（包括单、多晶硅）电池组件、非晶硅薄膜电池组件及砷化镓电池组件。为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。通过 Hay模型的计算，可以得到的不同倾角平面的月平均太阳辐照量变化。太阳能电池充放电控制器太阳能蓄电池智能控制器LED 路灯负载6 （三）蓄电池蓄电池组是太阳能 LED路灯系统的储能装置，其作用是将白天有日照时发出的电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。一般容量要能在无太阳辐射的日子里，满足用户要求的供电时间和供电量，目前常用的是铅酸蓄电池。蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学能储存起来。需要时再把化学能转变为电能释放出来，由于光伏系统的功率输出每天都在变化，在日照不足发电很少或需要维修光伏系统时，蓄电池也能够提供相对稳定的电能，因此在太阳能LED路灯系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。LED路灯系统采用铅酸免维护蓄电池，不需专门的维护；即便倾倒电解液也不会溢出，不向空气中排放氢气和酸雾；安全性能更好。（四）太阳能控制器太阳能控制器采用高速 CPU微处理器和高精度 A/D 模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得 PV站的工作信息，又可详细积累 PV站的历史数据，为评估 PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，太阳能 LED路灯系统控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制，而且还对蓄电池有过充放保护作用。过充控制，就是在蓄电池处于过充状态时断开充电电路，过放控制电路就是在蓄电池处于过放状态时断开放电电路。太阳能 LED路灯系统控制器选择时要特别注意其额定工作电流必须同时大于太阳电池组件的短路电流和负载的最大工作电流。（五）照明负载（ LED灯具）由于 LED是直流供电器件，很容易制成直流灯具，广泛应用于直流系统，如太阳能灯具产品。超高亮白光 LED应用于太阳能灯具，单个束光型超高亮度 LED发光管其产生的光线方向性太强，综合视觉效果较差，因此应首选平光型超高亮 LED或平光型与束光型超高亮 LED组合使用，将多个 LED集中于一起，排列组合成一定规则的 LED发光源。7 四、太阳能 LED路灯系统的设计（一） LED 系统设计要求一个设计得好的太阳能 LED路灯系统，其设计标准为1. 能稳定、可靠的给计划负载（ LED灯源）供电；2. 根据使用地的地理位置、辐射条件选择好方阵的最佳倾角，以使太阳能电池板获得最佳的辐射度，并在一年中有时间上的均匀性；3. 太阳能电池方阵和蓄电池的选配是优化经济的；4. LED 路灯系统的整体设计安全可靠（抗风和防雷）；5. 尽量延长提高 LED路灯系统蓄电池寿命；（二） LED系统设计思路1. 太阳能辐照度和 LED灯距的计算。2. 太阳能电池板功率及容量和蓄电池组容量的计算和选用。3. 蓄电池电量、充放电控制和充放电状态显示。4. 连续阴雨天三天 LED路灯仍能照明。5. 光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上 24 点熄灭，早上 5 点路灯点亮，早上光线强时路灯自动熄灭（开关灯时间点可调）。6. LED 路灯系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。7. LED 路灯系统的抗风和防雷击能力。8. LED 路灯系统地基及蓄电池安装（考虑北方冬天的冻土及防水）。（三） LED系统设计原理太阳能 LED路灯系统的设计包括两个方面容量设计和硬件设计。太阳能 LED路灯系统容量设计的主要目的就是要计算出系统在全年内能够可靠工作所需的太阳电池组件和蓄电池的容量。同时要注意协调系统工作的最大可靠性和系统成本两者之间的关系，在满足系统工作的最大可靠性基础上尽量地减少系统成本。太阳能 LED路灯系统硬件设计的主要目的是根据实际情况选择合适的硬件设备包括太阳电池组件的选型，支架设计，电缆的选择，控制系统的设计、防雷设计、照明和照度设计等。8 在进行太阳能 LED路灯系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据太阳能 LED路灯系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔，还有该地区的气象资料等。（四） LED 路灯系统设计方案选择太阳能 LED路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用 , 还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型等，但由于其工作原理不同，各有优缺点。单独的光控型一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启路灯；早上光线较强时，自动关闭路灯，达到自动控制的作用。优点是系统通过光照强度来控制灯开、关，不用根据季节的变化和特殊的天气情况自动变换开关时间。但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作，产生一定的浪费 [1] 。单独的时钟控型的控制器，要预先设定开关时间，使路灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，费时费力，不利于节省电力。路灯的智能控制这一课题己有研究者，但目前尚未有成熟的产品上市。本设计是结合以上几种控制方式的优点，综合从节电、经济和实用等方面考虑，利用定时控制和光敏电阻控制相结合的方式，实现太阳能 LED路灯系统的设计。（五） LED路灯系统参数设计及计算LED路灯系统容量的设计及计算是整个系统的重要一步，是关乎系统能否正常运行及系统整体的使用问题。1.LED 灯具的布局及高度计算根据道路的宽度、照明要求不同，一般有三种安装布灯方式单侧布制；双侧交错布置；双侧对称布置。LED灯具的安装高度（ H）、间距（ S）、与路宽（ W）和布置方式间的关系如表 1 灯具布置方式安装高度（ H）间距（ S）单侧布制（ 0.8-1 ） W 4-5H 双侧对称布置 0.4-0.5W 4-5H 双侧交错布置（ 0.6-0.7 ） W 4-5H 表 1 灯具安装方式9 LED道路灯灯杆的安装高度要根据灯具的高度、道路周围树木和建筑物高度以及电池组件的形状、尺寸等确定，一般要比灯具的高度高 1-1.5 米。灯具的悬臂长度不宜超过安装高度的 1/4 ，灯具的仰角不宜超过 15o。2.LED 光源照度的计算光源功率要根据道路照明照度要求及光源效率确定。光源照度计算公式为；WSUKNE其中， E为光源照度；为总光通量； U为利用系数（有 LED灯具利用系数曲线查出）； K 为维护系数； W为道路宽度； S 为路灯安装间距； N 为与排列方式有关的数据。3.LED 路灯配置计算（ 1）系统电压的确定。太阳能路灯光源的直流输入电压作为系统电压，一般为 12V或 24V，在条件容许的条件下，要尽量提高系统电压，以减少线路损耗。2 光伏组件的容量计算。组件容量计算公式为85.085.043.1峰值日照时数光源工作时间光源功率P其中， P为光伏组件功率； 1.43 是太阳电池组件峰值工作电压与系统电压的比值；两个 0.85 分别为蓄电池的库伦效率和光伏组件衰减、方阵组合损失、尘埃遮挡等综合系数。例如；光源功率为 18W，每天工作 8h，当地天日照时数为 4.0h ，则需要的光伏组件功率为85.085.0443.1818hhw 71.25W 具体功率选择要根据光伏组件规格进行，如选择 75W。（ 3）蓄电池组容量的计算。首先根据当地的阴雨天情况确定选用的蓄电池类型和蓄电池的存储天数，一般北方的存储天数为 3-5 天，西部少雨地区可以选择 2 天，南方的多雨地区可以适当的增加存储天数，容量计算公式10 系统电压放电深度）（存储天数日工作时间负载功率蓄电池容量 1例如；光源功率为 18W，每天工作 8h，蓄电池存储天数为 3 天，放电深度一般取为 0.5-0.7 ，则需要的蓄电池容量为vhw127.013818 68Ah 根据系统电压和容量的要求选配蓄电池，如选择 12V/65Ah 或 12V/75Ah。五、设计总结本次毕业设计的太阳能路灯设计是针对已经存在的路灯进行改进，首先采用了太阳能电池作为能源，以达到环保节约的目的。设计中使用了光控和时控相结合的方法，避免了光控方法易受干扰，时控需频繁设置时间的麻烦，为了节约用电，在深夜行人较少时路灯根据设置的熄灯时间熄灭，早上行人多时根据设置的开灯时间亮灯，其次内部设置有蓄电池，用于保证在阴雨天气供电。本设计需要改进的地方有由于蓄电池自身的容量限制，不能保证在阴雨天长时间对外供电，为了保证一些重要场合的照明要求，特对 LED 路灯系统进行了优化设计（风光互补）。太阳能风光互补发电系统是一种风能和光能转化为电能的装置，工作原理是利用自然风作为动力 , 风轮吸收风的能量 , 带动风力发电机旋转 , 把风能转变为电能 ,经过控制器的整流 , 稳压作用 , 把交流电转换为直流电 , 向蓄电池组充电并储存电能。利用光伏效应将太阳能直接转化为直流电，供负载使用或者贮存于蓄电池内备用。优点是可以弥补在只有光发电的情况下，连续阴雨天不能满足负载工作，其系统可以在没光照的情况下利用风力发电来供负载工作。参考文献 [1] 李钟实 . 太阳能光伏发电系统的设计与施工 [M]. 北京人民邮电出版社 ,2010 [2] 李朝青 . 单片机原理及接口技术 [M]. 北京北京航空航天出版社 ,1999 [4] 岳静 , 黄文轩 . 太阳能电源的应用与展望 [J]. 北京通讯世界， 2002（ 02） 7 [5] 江雪山 . 智能路灯控制电路 [J]. 天津家庭电子 ,2006.2 [6] 赵贵顾 , 雷英豪 . 时钟控制器 [J]. 北京新颖实用电路 ,2004.8 [7] 冯昌 , 徐进明 . 超高亮度 LED在太阳能城市灯光系统中的应用 [J] ．武汉武汉科技学院学报， 2003年（ 16）11 [8] 赵争鸣 , 刘建政等 . 太阳能光伏发电及其应用 [M]. 北京科学出版社 ,2005.10 [9] 李建海 . 太阳能的开发与我国的可持续发展 [J]. 兰州兰州教育学院学报 ,2003 （ 3）12 致谢经过这次毕业设计，使我对太阳能电池板的工作原理有了进一步的了解。在设计中我得到了胡老师的悉心指导，他的渊博知识、严格要求、严谨作风都给我留下了很深刻的印象，将使我受用一生，授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导 , 经由您悉心的点拨 , 再经思考后的领悟 , 常常让我有“山重水复疑无路 , 柳暗花明又一村” 。在此对老师表示感谢，另外在设计当中也得到了很多同学的支持，在此感谢他们。鉴于水平有限，难免存在一些错误和漏洞，望各位老师、同学不吝赐教，在此向大家表示衷心的感谢。