1、太阳能路灯的优化设计与经济性评估 I 太阳能路灯的优化设计与经济性评估 摘要 全球的能源短缺、环境污染、气候变暖等问题正日益困扰着人类社会，“寻求绿色替代能源，实现可持续发展”已成为世界各国面临的共同课题。太阳能光伏发电不排放 CO2和 SO2 等污染性的气体，也没有常规发电的噪音、固体废物和其他污染，是当前最重要的可再生能源技术之一。随着太阳能发电技术的不断发展，太阳能路灯以环保、节能、安全等优势成为城市道路照明行业的新宠，市场潜力巨大。在不同地区，诸如城市或乡村，对太阳能路灯照明密度的要求不同，本论文主要通过研究太阳能路灯及太阳能电池的工 作原理，太阳能电池的基本特性及太阳能路灯系统的优化
2、设计，根据不同的要求主要从实用性和经济性方面考虑选择出适合本地区需求的相应容量的太阳能光伏电池以及太阳能光伏电池配置 。 关键词 ： 太阳能路灯 ,光伏电池 ,优化设计 沈阳工程学院毕业设计（论文） II Study on the Selection of photovoltaic cells solar street lamp Abstract Global energy shortages, environmental pollution, climate warming and other issues are increasingly troubled by the human soc
3、iety, “to find the green alternative sources of energy and achieve sustainable development“ has become a common task facing all countries in the world. Solar PV does not emit CO2 and SO2, there is no noise of conventional power generation, solid waste and other pollution, is the most important renew
4、able energy technologies. With the continuous development of solar power technology, solar energy street lamp to environmental protection, energy saving, security and other benefits to become the new darling of city road lighting industry, the market has great potential. In different regions, such a
5、s cities or rural areas, the density of solar street lighting requirements are different, this thesis by studying the solar lights and solar cell works, the basic characteristics of solar cells. According to different requirements, mainly from the practical and economic considerations demand for cho
6、ice in the region suitable for the corresponding capacity of solar photovoltaic cells and solar photovoltaic cells configured. Keywords :solarl light, PV, optimization 太阳能路灯的优化设计与经济性评估 III 目录 摘要 . I Abstract . II 1、 绪论 . - 1 - 1.1 我国太阳能资源及分布 .- 1 - 1.2 国内外光伏发电发展现状 .- 2 - 1.2.1 世界光伏产业的新进展及 应用特点 .- 3
7、- 1.2.2 我国光伏产业发展现状 .- 3 - 1.2.3 太阳能路灯的优势 .- 4 - 2、太阳能路灯的工作原理及组成 . - 5 - 2.1 太阳能路灯照明系统的工作原理 .- 5 - 2.2 太阳能路灯系统的组成 .- 5 - 2.2.1 太阳能电池 .- 6 - 2.2.2 蓄电池 .- 8 - 2.2.3 控制器 .- 8 - 3、 太阳能路灯系统的设计 .- 10 - 3.1 太阳能路灯系统的设计原则 .- 10 - 3.2 太阳能路灯系统的设计方法 .- 11 - 3.3 太阳能路灯具体设计 .- 13 - 3.4 太阳能路灯安装 .- 15 - 4、太阳能路灯系统的技术经
8、济评价 .- 18 - 4.1 太阳能路灯系统初始投资费用分析 .- 18 - 4.2 太阳能路灯系统收益分析 .- 19 - 4.3 太阳能路灯寿命期净现值的计算 .- 20 - 4.4 结论 .- 21 - 5、太阳能路灯系统投资回收期计算 .- 22 - 5.1 动态投资回收期 .- 22 - 5.2 静态投资回收期 .- 22 - 6、太阳能路灯系统综合效益评价 .- 23 - 6.1 节能效益 .- 23 - 6.2 社会效益 .- 23 - 6.3 环境效益 .- 23 - 7、致谢 .- 24 - 8、参考文献 .- 25 - 9.附录 .- 25 - 沈阳市气象资料及地理情况
9、.- 25 - 太阳能路灯的优化设计与经济性评估 - 1 - 1、 绪论 1.1 我国太阳能资源及分布 我国的太阳能资源是非常丰富的，但是其资源分 布有很大的差异，总体上来说是“西部高于东部，高原大于平原”，按照太阳能资源分布的不同，可以将全国分为五个地区，其中一类地区也就是太阳能日辐照量最丰富的地区，包括西藏的西部，宁夏的北部，甘肃北部，新疆南部，青海西部等，太阳辐射总量 6680 8400 兆焦 耳 /平方米，每天的辐射5.1 至 6.4KWh /平方米 ，相当于 225 至 285kg 的标准煤燃烧所释放的能量，其中西藏西部的日辐照量最大，最高可达到 2333 兆焦每平方米；二类地区即太
10、阳辐照量较丰富的地区，主要包括山西西部，内蒙古南部，西藏的东南部，宁夏的南部等地区，约 占全国国土的44%；三类地区即太阳辐照量为中等的地区，主要包括，广东南部，甘肃东南部，陕西北部，云南，辽宁，吉林，山西南部，新疆北部等地区，这类地区的日辐照量相当于 170至 200kg 的标准煤燃烧所释放的能量，总面积占全国面积的 29.8%。四类地区即太阳能辐照量较差的地区，这类地区包括安徽南部，广州北部，广西，江西，浙江，湖南等地，每日的太阳辐照量相当于 140-170kg 的标准煤燃烧所释放的能量；五类地区即日辐照量最差的地区，主要包括四川的大部分地区，和贵州等地，这类地区的日辐照量极少，基本上不适
11、合光伏发电。 具体详情参数见下表： 表 1.1 全国太阳能总量等级及分布表 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 2 - 图 1.1 全国水平面太阳能总辐射图 1.2 国内外光伏发电发展现状 在 1839 年，贝克勒尔 位法国学者发现了光伏效应。 在 1954 年，三位科学家在美国贝尔实验室制研制成第一个太阳能电池 单晶硅太阳能电池。在可再生能源中，与风能一样，太阳能光伏发电产业也是世界上发展最快的新兴产业之一。自 2000 年以来，全球光伏产业连续 6年以上的增长率都在 30 60以上， 2002年全球光伏电池产量 560MW /年， 2003 年同比增长 34 ， 达到 750MW /年。从
12、2004 年开始，德国可再生能源法进行了修订，新法案的补贴促进了德国光伏市场的大爆发，随之而来的是发达国家和发展中国家之间的新一轮政策热潮和全球光伏市场的迅速扩张。 2004 年全球光伏电池年产量达到1256MW，高达 68的年增长速度， 2005 年 1818MW 的产量，速度速率为 45。 太阳能路灯的优化设计与经济性评估 - 3 - 2005 至 2015 年全球光伏装机容量 全球光伏装机容量 时间（年） 年度累计（ MW） 同比增长率（ %） 2015 169,100 23.25 2014 137,200 24.28 2013 110,400 22.8 2012 89,900 33.4
13、8 2011 67,350 69.31 2010 39,778 72.63 2009 23,043 44.92 2008 15,901 66.12 2007 9,572 36.47 2006 7,014 29.27 2005 5,426 36.02 1.2.1 世界光伏产业的新进展及应用特点 1997 年，美国预计在 2010 年完成百万太阳能光伏屋顶计划。同样是在 1997 年，“新阳光计划”也由日本提出，日本计划在 2010 年生产 43 亿瓦特的光伏电池。同年，欧盟于1999 年提出“百万太阳能屋顶计划”，德国“十万光伏屋顶计划”，以及低息贷款实施。近年来，部分发达国家还组织制定了一份关
14、于光伏研发方面的路线图。在光伏应用和安装上，德国，日本，美国仍然是世界上三个最重要的光伏发电应用市场。 2005 年全球太阳能电池组件安装 1460MW，比上年同期增长 34。德国安装了 837MW，同比比起一年前增长了超过 53，全球装机容量的 57 ;日本安装 292mw，比它去年同期增长了 14，占全球装机容量的 20 ;美国安装 102mw，占全球 装机容量的 7 ;在欧洲其他地方安装 88MW。世界的装机容量的 6 ;在世界其他地方安装了 146MW，占全球装机容量的 10。 1.2.2 我国光伏产业发展现状 在 1958 年，中国开始研究太阳能电池。 1971 年，光伏电池在东方红
15、 2号卫星上的应用首次获得了成功。 在 1973 年，我国才开始了太阳能电池在地面上的应用。从上世纪70年代到 80 年代末，由于太阳能电池在地面的应用成本高是非常有限的。 90年代以后，与降低成本的，太阳能电池在工业领域和农村电气化的发展方向。市场稳步扩大，国家和地方政府也开始大 力发展光伏计划。 2002 年，国家发展和改革委员会启动了“送电到乡”工程，使中国的光伏市场迅速发展，从 23500KW，总装机容量在 2001 年快速增长， 2002沈阳工程学院毕业设计（论文） - 4 - 年 45000KW，到 2003 年至 55000KW。从 2003 年到 2005 年，德国巨大的市场需
16、求使得太阳能光伏产品迅速发展，我国的光伏企业也受到了德国的巨大影响。得到了迅速发展。 1.2.3 太阳能路灯的优势 随着太阳能光伏发电技术的飞速发展，太阳能路灯已被广泛使用在许多城市和农村地区，特别是在没有电网的农村地区，并取得了成功。太阳能路灯之所以 能够发展迅速，与他的好处以及能给人们的生活带来的方便是分不开的。与普通的常规路灯相比，太阳能路灯的好处不胜枚举，主要优势如下： 节约能源，太阳能路灯不消耗常规能源，只消耗太阳能，将光能转换为电能使用，资源取之不尽，环境效益良好。 环境保护，太阳能路灯在工作过程中不产生温室气体和污染性的气体 使用过程中安全可靠 经济效益良好，虽然太阳能路灯的相对
17、于其他常规路灯的初始投资比较高，但是在使用过程中不再消耗电费，所以从长远的角度来看，太阳能路灯有着良好的经济效益 使用寿命长，一般来说，一个普通的太阳能路灯 系统的使用寿命长达二十年，而且使用过程中一般不会出现故障，所以安全有保障 使用范围广，路灯系统不仅能够用于路边，还可以用作庭院灯，草坪灯等等，可以使用的范围十分广阔。 太阳能路灯的优化设计与经济性评估 - 5 - 2、 太阳能路灯的 工作原理及组成 随着全球能源的日益紧张及越来越恶劣的环境情况，使得太阳能路灯系统在农村及城市都得到了大力的发展，早在 70 年代，我国就已经在航海上使用过了太阳能电池，为了解决我国西藏、新疆、青海和内蒙等地区
18、的部分无电源地方的照明问题，太阳能路灯得到了飞速的发展，给偏远地区的人民带来了福音。 2.1 太阳能路灯照明系统的工作原理 太阳能路等系统的工作原理图： 如上图所示，当太阳能路灯系统在白天时，太阳能电池板将吸收到的太阳能转化为电能，这部分的电能将会被储存在蓄电池中，到了晚上路灯正常工作时，蓄电池将电能释放出来给直流负载供电，如果是给交流负载（灯具）供电，就要通过一个逆变器，将直流电逆变成交流电，然后再给交流负载供电，如果遇到连续阴雨天的情况，蓄电池将不会被充电，直到蓄电池中的电能全部释放完之后该太阳能路灯系统才会停止工作。 2.2 太阳能路灯系统的组成 在一般的太阳能路灯系统中没有 交流负载，
19、所以在太阳能路灯系统中不需要逆变器，一个完整的太阳能路灯系统主要包括以下几个部分： 沈阳工程学院毕业设计（论文） - 6 - （ 1）太阳能电池板（ 2）太阳能控制器（ 3）蓄电池组（ 4）光源（ 5）灯杆及灯具外壳等。 2.2.1 太阳能电池组件 太阳能电池的主要作用是将吸收的太阳能转换为电能，他是任何一种光伏系统的核心组成部分，目前比较常用的太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池，其中单晶硅太阳能电池的准换效率最大，但是造价比较昂贵，所以应用的不是特别广泛，目前应用最广泛的是多晶硅太阳能电池。 目前国际上从多晶硅原料变 成适合制造太阳电池硅片的成本是 1.50
20、美元 /W,必须采用大容量的晶体生长装置和价格昂贵的多线切割机。通过探索三种方法，即切薄硅片、扩大平面晶体或者使用聚光，至少可以降低硅片一半的成本。今后 5 10 年间有望把硅片成本降到 1 美元 /W,并在 15 20 年间将成本接近 0.5 美元 /W。所生产的光伏组件的成本会相应从目前的 4 5 美元 /W 到 20 年后的 1.5 美元 /W 左右。随着光伏市场的发展，10 年后光伏系统的价格将降到 6 美元 /W， 30 年后可接近 3 美元 /W。如果居民用电的价格在往后的 20 年里翻一番，那么民用光电系统的电价到 2010 年会与常规电价持平。 研究一个太阳能电池的质量就必须要
21、了解它的参数，太阳能电池的基本参数如下： （ 1） 输出电压 （ 2） 最大输出功率：即太阳能电池在其最佳工作点工作时所输出的功率 （ 3） 开路电压 （ 4） 短路电流 （ 5） 最大输出工作电压 （ 6） 最大输出工作电流 （ 7） 太阳能电池的效率 （ 8） 太阳能电池的 I-V特性曲线 太阳能电池的转换效率是判断一个太阳能电池好坏的根本，太阳能电池的转换效率越大，太阳能电池的性能就越好，相反，太阳能电池的转换效率越小，太阳能电池的性能就越差。下表显示的是 2015 全球光伏十大组件制造商排名 太阳能路灯的优化设计与经济性评估 - 7 - 排名 公司 产能（ GW） 1 天合光能（ TS
22、L） 5.5-5.6 2 阿特斯（ SCI） 4.6-4.9 3 晶科能源（ JKS） 4.2-4.5 4 晶澳（ JASO) 3.2-3.5 5 韩华 Q Cells 3.2-3.4 6 First solar 2.8-2.9 7 协鑫集成 2.5-2.7 8 英利绿色新能源 2.5-2.6 9 无锡尚能 1.8 10 昱辉阳光 1.7-1.9 常用的太阳能电池的型号 型号 材料 峰值功率 Pm（ w） 峰值电压 Vmp（ V） 峰值电流 Imp（ A） 开路电压 Voc（ V） 短路电流Isc(A) 尺寸（ mm） APM36P5W27x27 多晶硅 5 17.5 0.29 21.5 0.
23、32 265*265*25 APM18M5W27x27 单晶硅 5 8.75 0.57 10.5 0.66 265*265*25 APM36M8W36x30 单晶硅 8 17.5 0.46 21.5 0.52 301*356*25 APM36P8W36x30 多晶硅 8 17.5 0.46 21.5 0.52 301*356*25 APM36M15W49x29 单晶硅 15 17.5 0.86 21.5 0.97 287*487*25 APM36M20W63x28 单晶硅 20 17.5 1.14 21.5 0.97 281*627*25 APM36P20W58x36 多晶硅 20 17.5 1.14 21.5 0.94 356*576*28 APM36M25W48x54 单晶硅 25 17.5 1.43 21.5 1.61 536*477*28 APM36P30W82x36 多晶硅 25 17.5 1.43 21.5 1.61 356*676*28 APM36M35W62x54 单晶硅 35 17.5 2.00 21.5 2.26 537*617*40 APM36P40W67x58 多晶硅 40 17.5 2.29 21.5 2.58 576*670*40 APM36M50W76x54 单晶硅 50 17.5 2.86 21.5 3.23 537*758*40
