太阳能LED路灯的课程设计-广州

课程设计说明书设计题目广州100W太阳能LED路灯系统设计
学院 ***
专业班级 ***
学生姓名 ***
学号 2012
完成日期 2015年6月19日
广州100W太阳能LED路灯系统设计
摘要
随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭"的安全、环保新能源越来越受重视。

同时，也随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在环保节能的双重优势，太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。

太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。

研究方法是设计步骤中的核心问题，最终采用了限流控制器，该控制器为结合铅酸蓄电池充放电特性和太阳电池伏安特性，专为负载LED灯具设计一款充放电控制器。

此外充电电路太阳能路灯系统是利用太阳能电池的光伏效应将太阳光能直接转换为电能，选择一个合适的蓄电池的充电管理模式，并要求对电压的实时监测。

以及配合控制器的指令控制最终能够有效的完成白天利用太阳能电池板对蓄电池的充电，晚上蓄电池释放能量点亮LED灯。

太阳能LED灯照明技术正在为照明史上继白炽灯、荧光灯之后又一场照明光源的革命。

关键词:LED、光伏技术、太阳能路灯、电池板
目录
广州100W太阳能LED路灯系统设计 (1)
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前言 .. (2)
第一章广州市的基本日照情况 (3)
1.1广州市的日照情况 (3)
第二章 LED路灯系统设备的选型 (4)
2.1系统总体框图 (4)
2.2工作原理 (4)
2.4蓄电池的选择对比 (5)
2.5太阳能控制器 (5)
2.6 LED灯的选择 (6)
2.7 LED灯灯杆的选择 (7)
第三章 LED路灯的设计 (8)
3.1 太阳电池方阵倾角和方位角的设计 (8)
3.2 LED路灯系统中蓄电池数量的设计 (8)
3.3 LED路灯系统中太阳电池组件的设计 (9)
3.3.1太阳电池方阵的输出电流的计算 (9)
3.3.2太阳电池方阵最佳电流的确定 (10)
3.3.3太阳电池方阵输出电压的计算 (10)
3.3.4太阳电池方阵的功率的计算 (10)
第四章太阳能路灯的安装示意图 (12)
参考文献 (13)
课程设计心得体会 (14)
前言
由于地球资源的日益疲乏，基础资源投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓无处不在，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的宝贵资源，我们就应该好好的利用他，让他为人类造福，然而太阳能路灯的问世，也解决了很多现实问题，如市政建设中路灯安装复杂，照明电费昂贵，以及存在诸多安全隐患，而太阳能路灯从根本上解决这些问题，况且现在技术也相当成熟，太阳能路灯节能、无消耗、绿色环保，所以将来的太阳能路灯一定可以在节能、环保这方面占有重要的一席地位，它也将主导将来的照明行业。

太阳辐射能是取之不尽、用之不竭的,是人类能够自由利用的能源。

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，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，LED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。

第一章广州市的基本日照情况
1.1广州市的日照情况
广州市是广东省省会，地处珠江三角洲北缘，素有中国的南大门之称，全市有10区和2个县级市，地理位置在东经112°57’至114°35’、北纬22°36’至24°04’之间，所辖面积7434.4平方公里，北回归线横过广州从化。

广州市区地势平坦，除东北部有较高的白云山（主峰海拔382米）外，市中心区主要建于台地和平原上。

广州地处亚热带沿海，北回归线从中南部穿过，属海洋性亚热带季风气候，以温暖多雨、光热充足、夏季长、霜期短为特征。

全年平均气温20-22为摄氏度，是中国年平均温差最小的大城市之一。

一年中最热的月份是7月，月平均气温达28.7℃。

最冷月为1月份，月平均气温为9～16℃。

平均相对湿度77%，市区年降雨量约为1720毫米。

全年中，4至6月为雨季，7至9月天气炎热，多台风，10月、11月、和3月气温适中，12至2月为阴凉的冬季。

全年水热同期，雨量充沛，利于植物生长，为四季常绿、花团锦簇的“花城”。

平均年日照数为2200-3000 小时，年辐射量为1393-1625kWh/㎡年日辐射量12702kj/㎡，维度为23.13 平均日照3.52h 最佳倾角为16.13，太阳能资源比较丰富，开发利用前景较为广阔。

第二章 LED路灯系统设备的选型
2.1系统总体框图
太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量，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。

根据各部分电路的功能不同，整体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、照明负载和时间显示电路。

系统总体方框图如图1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1总电路方框图
2.2工作原理
太阳能路灯是利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池组件，白天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5lux 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12小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。

充放电控制器的主要作用是控制路灯打开和关闭，同时保护蓄电池，延长蓄电池使用寿命。

2.3太阳电池板的选择
太阳能电池板的选择太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。

其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。

在众多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等三种。

在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳
能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低。

在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。

非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。

综上对比可知，因广州属于阳光充足地带，故应采用非单晶硅太阳能电池。

2.4蓄电池的选择对比
铅酸蓄电池有多种充电形式，主要为:恒流充电、恒压充电和3阶段最优形式充电。

一般来讲，这种蓄电池充电时，应在外接一直流电源（充电极或整流器），使正、负极板在放电后生成的物质恢复成原来的活性物质，并把外界的电能转变为化学能储存起来。

其过充时间与充电速率有关实际工作中，可以根据电解液比重的变化来判断铅酸蓄电池的充电程度。

蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。

蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。

综上对比，以及客观条件的要求可得，铅酸蓄电池为最佳的选择。

2.5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。

太阳能控制器通常有6个标称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、600V .
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，比如一个理论值42W的LED灯，加上驱动后实际功率可能在46-50W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。

除此以外，多加了驱动就多了一个产生故障的环节。

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。

普通的控制器一般只能设置开灯后4小时或者8小时等若干个小时关闭，已经无法满足众多客户的需求。

工业版控制器可以分成3个时段，每个时段的时间可任意设置，根据使用环境的不同，每个时段可以设置成关闭状态。

比如有些厂区或者风景区夜间无人，可以把第二个时段（深夜）关闭，或者第二、第三个时段都关闭，降低使用成
本。

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，例如单颗1W的LED 7串5并合计35W的LED灯，在夜间放电，可以将深夜和凌晨的时段分别进行功率调节，如深夜调节成15W、凌晨调节成25W，并锁定电流，这样即可以满足整夜的照明，又节约了电池板、蓄电池的配置成本。

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。

有些灯厂在为了达到夜间省电的目的，把LED灯的内部做成2路电源，夜间关闭一路电源来实现输出功率的减半，但实践证明，此种方法只会导致一半的光源首先光衰，亮度不一致或者一路光源提早损坏。

线损补偿功能目前常规的控制器很难做到，因为需要软件设置，根据不同的线径与线长给予自动补偿。

线损补偿在低压系统中其实是很重要的，因为电压较低，线损相对比较大，如果没有相应的线损电压补偿，输出端的电压可能会低于输入端很多，这样就会造成蓄电池提前欠压保护，蓄电池容量的实际应用率被打了折扣。

值得注意的是，我们在使用低压系统时，为了降低线损压降，尽量不要使用太细的线缆，线缆也不要过长。

散热很多控制器为了降低成本，没有考虑散热问题，这样负载电流较大或者充电电流较大时，热量增加，控制器的场管内阻被增大，导致充电效率大幅下降，场管过热后使用寿命也大大降低甚至被烧毁，尤其夏季的室外环境温度就很高，所以良好的散热装置应该是控制器必不可少的。

2.6 LED灯的选择
太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。

根据实际情况和要求这次方案采用30WLED路灯头，可比原低压钠灯节能60%，其基本参数如下：
表1 路灯头基本参数
2.7 LED灯灯杆的选择
灯杆的选择主要根据灯杆的材料、应用环境等因素来进行确定,具体的灯杆的基本参数如下：
（1)主体材料：全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理。

（2）使用温度：-30度至70度。

（3）抗风力≥150Km/h。

(4)灯杆高度：7米。

（5）灯杆直径：上方口的直径50mm,下方口的直径120mm。

第三章 LED路灯的设计
3.1 太阳电池方阵倾角和方位角的设计
在光伏发电系统的设计中，光伏组件方阵的放置形式和放置角度对光伏系统接受到的太阳辐射有很大影响，从而影响到光伏供电系统的发电能力。

与光伏组件方阵放置的相关的有两个角度参量：太阳电池组件倾角；太阳电池组件方位角。

太阳电池组件倾角是太阳电池组件平面与水平面的夹角。

光伏组件方阵的方位角是方阵的垂直面与正南面的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。

一般地，在北半球，太阳电池组件朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，太阳电池组件的发电量是最大的。

固定安装的LED路灯系统涉及两个重要的方面，即如何选择最佳倾角以及如何计算斜面上的太阳辐射。

地面应用的独立光伏发电系统，光伏组件方阵平面要朝向赤道，相对地平面有一定倾角。

倾角不同，各个月份方阵接收到的太阳辐射量差别很大。

因此，确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。

在独立光伏系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，要综合考虑率光伏组件方阵平面上太阳辐射量的：（1）连续性。

一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的。

多数是单调升降，个别也有少量起伏，但一般不会大起大落。

（2）均匀性。

选择倾角，最好使方阵表面上的全年接收的日平均辐射量比较均匀，以免夏天接收辐射量过大，造成浪费；而冬天接受的辐射量太小，造成蓄电池过放以至损坏，降低系统寿命，影响系统供电稳定性。

（3）极大性。

选择倾角时，不但要使方阵表面上的辐射量最弱的月份获得最大的辐射量，同时还要兼顾全年日平均辐射量不能太少。

（4）同时，对特定的情况要作具体分析。

如有些特殊的负载（灌溉用水泵、制冷机等）夏天消耗功率多，方阵倾角的取值当然应使得方阵夏日接收辐射量相对冬天要多才合适。

（5）在这里我们采用近似的方法来确定倾角。

一般的，在我国南方地区，方阵倾角可比当地纬度高10°—15°。

由于广州市地区纬度大约为23.13°，所以太阳电池方阵倾角Q=23.13°- 7°=16.13°
（6）方位角计算：通过广州市的基本气象调查，一天中负荷的峰值时刻为 20:00，该地区的的经度为东经112°29′～114°24′，所以方位角Q1=（一天中负荷的峰值时刻-12）³15+（经度-116）=（20-12）³15+（150-116）=154°
3.2 LED路灯系统中蓄电池数量的设计
根据以上资料，可知太阳电池方阵倾角为16.13°，假设负载每天工作7小时来算的话，那么
3.2.1负载日耗电量的大小的计算
Q= P³h/V = 30³7/12 = 20(A²h)
式中，V为蓄电池的额定电压。

3.2.2满足负载日用电的太阳能电池组件的充电电流
I1 =Q³1.05/h/0.85/0.9 = 7.04(A)
式中，1.05 为太阳能充电综合损失系数；0.85 为蓄电池充电效率；0.9 为控制器效率。

3.2.3蓄电池容量的确定及个数的计算
跟据广州市最长连续阴雨天数为五天（另加阴雨天前一夜的用电，共6天），假如蓄电池的放电深度a=75%。

则蓄电池的电池容量为
C =6³Q/a =20Ah³（5＋1）÷75% = 160(A²h)
式中，0.75 为蓄电池放电深度
每个蓄电池都有自己的标称电压，为了达到负载工作的标称电压，需要将蓄电池串联起来给负载供电，串联蓄电池的个数等于负载的标称电压除以蓄电池的标称电压。

蓄电池串联数=负载标称电压÷蓄电池标称电压=12V÷12V=1个。

蓄电池并联数=蓄电池总容量÷所选单个蓄电池的容量=160Ah÷80Ah=2个。

所以该路灯系统需要使用
12V/80Ah的蓄电池的个数为2个。

3.3 LED路灯系统中太阳电池组件的设计
3.3.1太阳电池方阵的输出电流的计算
根据基本气象资料可知,倾斜面上年辐射量为1393-1625kWh/㎡年日辐射量12702kj/㎡。

全年平均日照时数为3.52h
则太阳电池方阵应输出的最小电流为：
Imin=20÷（Tm³a1³a2）=20÷（3.52³0.85³0.9）=7.40A。

式中Q为负载每天总耗电量；a1表示蓄电池充电效率；a2表示方阵表面灰尘遮蔽损失。

同时，由于倾斜面上各月中最小的太阳总辐射量可算出各月中最少的峰值日Imin。

对应最少峰值日照数，太阳电池方阵输出的最大电流为：
Imax=20÷（Tmin³a1³a2）=20÷（7.40³0.85³0.9）=3.53A
3.3.2太阳电池方阵最佳电流的确定
方阵的最佳电流介于Imin和Imax之间，具体数值可用尝试法确定。

先选定一电流值I，然后对蓄电池全年荷电状态进行检验，方法是按月求出方阵输出的发电量： Qot=I³N³Ht³a1³a21/000w/m/m
式中：N为当月天数。

而各月负载耗电量为：
Qload=N²Q
两者相减，△Q=Qout-Qload为止，表示该月方阵发电量大于耗电量，能给蓄电池充电，若△Q为负，表示该月方阵发电量小于耗电量，要用蓄电池储存的能量来补足，但由于没有太阳电池方阵每月的辐照量而无法计算出方阵各月输出电量及负载耗电量以及蓄电池的荷电状态，因此将太阳电池方阵应输出的最小电流作为太阳电池方阵最佳电流 I=7.40。

如果蓄电池全年荷电状态低于原电的放电深度，就应增加方阵输出电流；如果荷电流状态始终大大高于放电深度的值，则可减少方阵电流。

当然也可以相应的增加或减少蓄电池的容量。

如果有必要，还可以修改方阵倾角，以求得最佳的方阵输出电流Im。

3.3.3太阳电池方阵输出电压的计算
方阵的电压输出要足够大，以保证全年能有效地对蓄电池充电。

方阵在任何季节的工作电压应满足：
V = Vf + Vd
式中Vf表示蓄电池浮充电压，Vd表示因线路（包括阻塞二极管）损耗引起的电压降）。

若单只铅酸蓄电池工作电压为12V，故需6个单体电池串联才可满足系统的工作电压12V。

每只单体铅酸电池的工作电压为：2.0—2.35，取线路压降：Vd=0.8V，则方阵工作电压为：V = Vf + Vd =6³2.35+0.8=14.9V
3.3.4太阳电池方阵的功率的计算
由于温度升高时，太阳电池的输出功率将下降，要求系统即使在最高温度下也能确保正常运行，所以在标准测试温度下（25°）方阵的输出功率应为： P=IV/[1-a(tmax-25)]=6.86³14.9/[1-0.5%(60-25)]=98.90W
式中：a为太阳电池功率的温度系数，对一般硅太阳电池，a=0.5%，设tmax=60°
为太阳能电池最高工作温度。

根据上述太阳电池板的规格，取P=100W，用两块50W的单晶硅太阳能电池通过串联的方式连接起来就能满足要求。

第四章太阳能路灯的安装示意图
太阳能led路灯是新农村建设中常用到的路灯，在进行安装的时候，需要先进行筑基，打下良好坚实的基础，然后再将线杆树起，链接上led灯具和太阳能电池板，并且将太阳能电池板与蓄电池相连接，然后再进行调控。

调控完毕后即可进行使用。

图2 太阳能路灯安装示意图
参考文献
1．美国国际太阳能协会. 太阳能光伏发电设计与安装指南(修订版)[M]. 长沙: 湖南科学技术出版社, 2013.
2．斯泰普尔顿, 尼尔, 王一波. 太阳能光伏并网发电系统[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.
3．Elena, Papadopoulou, 连晓峰等. 光伏工业系统环境方针[M]. 北京: 机械工业出版社, 2013.
4．周志敏, 纪爱华. 太阳能光伏发电系统设计与应用实例(第2版)[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.
5．沈文忠. 太阳能光伏技术与应用[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2013.
6．王长贵, 王斯成. 太阳能光伏发电实用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009. 7．房海明. LED灯具设计与案例详解[M]. 北京: 机械工业出版社, 2014.
8．房海明. LED灯具设计、组装与施工[M]. 北京: 电子工业出版社, 2014.
9．周志敏, 纪爱华. 新能源LED路灯设计与工程应用[M]. 北京: 电子工业出版社, 2013.
10．杨清德. LED照明设计及工程应用实例[M]. 北京: 化学工业出版社, 2013.
课程设计心得体会
经过了一个星期的学习和查找资料，在老师的悉心指导和严格要求下，我们终于完成了《广州市的太阳能LED路灯设计》的课程设计。

记得在刚接到这个课题时，老师就告诉我们要我们好好准备，因为这个课程设计还是有一定的难度的，需要我们每个人花大量的时间和精力去完成，由于对课程设计的具体格式及内容不是很了解，我们都有些茫然不知所措。

于是我们给自己提出了第一个问题：设计好一个课程设计需要什么具体的专业知识？带着这个疑问我们开始了独立地学习。

去图书馆查阅相关资料、上网去了解太阳能路灯光伏发电系统的最新动向，渐渐头脑中关于该论题的概念清晰了起来。

通过这次课程设计，体会到学以致用的道理以及事必躬亲的做事态度，在这次设计当中能将以前所学习的专业知识进一步消化，并且努力吸收新知识，扩增了知识面。

我相信通过这次的课程设计的经历，给予我更多是的积极向上的态度，将对我以后无论是继续深造还是步入社会都会起到很深刻的影响。