1、 江苏城市职业学院毕业论文 太阳能发电 路灯照明系统的设计 作 者：魏 凡 学 号： 1040010120 班 级： 10 机电 指导教师：祝世华 江苏城市职业学院 二一五年四月 江苏城市职业学院 高职毕业论文 太阳能发电路灯照明系统的设计 作 者 魏 凡 指导教师 祝世华 学科级别 高职专科 培养院系 机电工程系 学科专业 机电一体化 学科类别 工学 二一五年四月 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 太阳能照明的节能优点 . 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相比较 . 3 2 设计思路及原则 . 6 3 太阳能路灯的组成原理框图及其工作原理 . 7
2、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其工作原理 . 9 4.1.1 太阳能电池的分类 . 9 4.1.2 硅太阳能电池工作原理与结构 . 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 . 13 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 . 17 4.3.4 硬件设计中的注意点 . 18 4.3.5 系
3、统软件设计 . 19 4.4 光源的选择 . 21 4.4.1 各种光源的特性比较 . 21 4.4.2 LED 灯的特点 . 22 5 光源的设计及选择 . 23 5.1 使用 LED 作为照明的理由 . 24 5.2 所选用的 LED 路灯特点 . 24 5.3 产品参数 . 24 6 太阳能电池最佳倾角的设计 . 26 7 LED 路灯工程设计 . 27 7.1 LED 路灯道路照明设计 . 27 7.2 单臂灯的工程安装步骤 . 27 7.3 太阳能路灯的安装和施工 . 28 参 考 文 献 . 30 致 谢 . 31 江苏城市职业学院 1 1 绪 论 1.1 太阳能照明的节能优点 无
4、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
5、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
6、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
7、实现可再生能源占全国一次能源消费总量 10%江苏城市职业学院毕业设计 2 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
8、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
9、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
10、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江苏城市职业学院毕业设计 3 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
11、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
12、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
13、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、江苏城市职业学院毕业设计 4 环保小区、房前
14、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
15、，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
16、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
17、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，规模大小江苏城市职业学院毕业设计 5 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
18、头、海岛、高速公路等输电不便的偏僻地方。 江苏城市职业学院毕业设计 6 2 设计思路及原则 设计思路：太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。 首先是根据用电负载（ LED 光源）的用电量，确定太阳能组件的功率，然后确定蓄电池的容量，再进行电气设计、光源设计和设备选型，最后进行系统的结构设计，设计中 要确保太阳能 LED 路灯运行的稳定性和可靠性。 设计的原则：对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题： （ 1）从功能上 ,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高 交通运输 效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升工厂形象。 （ 2）在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和 环保 的目的。 （ 3）另外还要结合当地的光资源情况。
