有关太阳能照明的设计与应用

有关太阳能照明的分析与应用专业班级油气储运 1203 姓 名 于昕冉二零一四年四月题目有关太阳能照明的分析与应用作者于昕冉班级油气储运 1203 学号 12062325 摘要 主要阐述了太阳能光伏照明的系统的原理、 结构及作用， 以及在实际生活中的应用实例，以便更深入的理解太阳能的应用。关键词 太阳能 光伏 照明 组件 控制器 蓄电池引言 全球性的能源短缺、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，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。近年来，我国光电产业呈现快速增长态势， 已形成专业化、规模化的光电产业链条。1、 太阳能光伏发电技术1.1 历史 1839 年， 光生伏打效应 第一次由 法国 物理学家 A.E.Becquerel 发现1946 年 Russell Ohl 申请了现代太阳电池的专利。1950 年代，随着半导体物理性质的逐渐了解，以及加工技术的进步，在 1954 年美国贝尔实验室的研究员发现， 于硅中掺入一定量的杂质， 会使其对光更加敏感， 并制作出了第一个有实际应用价值的太阳能电池 . 1.2 原理与结构太阳电池的基本构造是运用 P 型 与 N 型半导体 接合而成的， 这种结构称为一个 PN 结 。当太阳光照射到一般的半导体 （例如硅） 时， 会产生电子与电洞对， 但它们很快的便会结合，并且将能量转换成光子 photon 或声子 phonon （热），光子和能量相关，声子则和动量相关。因此电子与电洞的生命期甚短；在 P 型 中，由于具有较高的电洞密度，光产生的电洞具有较长的生命期，同理，在 N 型半导体 中，电子有较长的生命期。在 P-N 半导体接合处，由于有效载子浓度不同而造成的扩散，将会产生一个由 N 指向P 的内建电场， 因此当光子被接合处的半导体吸收时， 所产生的电子将会受电场作用而移动至 N 型半导体 处， 电洞则移动至 P 型半导体 处， 因此便能在两侧累积电荷， 若以导线连接，则可产生电流， 而太阳能电池的挑战就在于如何将产生的电子电洞对在复合之前将其搜集起来。从太阳来的光线，能量大部份落于 1 – 3 eV 之间，因此就单一个 PN 结 而言，若经适当地设计，使吸收光能的高峰落于约 1.5 eV ，则能有最好的效率。2、太阳能光伏照明2.1 系统简介太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类， 一类是并网发电系统， 即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂 ;另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。 并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电， 经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、 同相的正弦交流电流。 而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载， 并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。 白天的时候， 太阳能电池吸收太阳光子能产生电能，通过控制器吧电能储存在蓄电池里，当夜幕降临或者灯具周围的广度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电设定的时间后切断，这样就可以照明了。2.1 太阳能路灯的组成太阳能路灯由太阳能电池组件、蓄电池、电源控制器、光源等组成。2.1.1 太阳能晶体硅电池板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力转换为电能， 或送至蓄电池中存储起来。 太阳能电池主要使用单晶硅为材料。 用单晶硅做成类似二极管中的 P-N 结。 工作原理和二极管类似。 只不过在二极管中，推动 P-N 结空穴和电子运动的是外部电场，而在太阳能电池中推动和影响 P-N 结空穴和电子运动的是太阳光子和光辐射热。 也就是通常所说的光生伏特效应原理。 目前光电转换的效率， 大约是光伏电池效率大约是单晶硅 13％－ 15 ％， 多晶硅 11％－ 13％。 目前最新的技术还包括光伏薄膜电池。2.2.1 太阳能控制器控制器是对太阳能光伏发电系统进行控制和管理的设备 。以下为控制器在照明系统中的功能及作用 。① 定时开关 。当傍晚太阳能电池板没有充电电流超过 5 分钟时，控制器自动将路灯开启，开启后系统自动计时，达到设定时间时自动关闭。② 运行状态指示 。通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。检测整套系统各种装置和各单元的状态和参数，对系统进行判断、控制和保护等提供依据。③ 对蓄电池进行最优的充电控制 。控制器根据当天的太阳能资源状况和蓄电池的状态，确定最佳的充电方式，以实现高效快速的充电，并充分充电方式对蓄电池的影响。④ 对蓄电池进行放电管理 。防止深放电，影响蓄电池使用寿⑤ 故障诊断定位 。当光伏系统发生故障时，各指示灯可显示故障类型、故障位置，为系统维护提供方便。3、蓄电池太阳能照明必须配备蓄电池才能工作，这是因为1.太阳能电池只能在白天进行光电转化工作， 电能在夜晚才能用于照明， 因此必须储备在蓄电池内，储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。2.太阳能电池板的输出能量极不稳定，配备蓄电池后，太阳能灯等负荷才能正常工作。由于太阳能路灯采用的是铅酸蓄电池，所以这里只对铅酸蓄电池进行分析3.1 铅酸蓄电池铅酸蓄电池的正极活性物质是二氧化铅 ,负极活性物质是海绵铅 ,电解液是稀硫酸溶液 ,其放电化学反应为二氧化铅、 海绵铅与电解液反应生成硫酸铅和水。 其充电反应为硫酸铅和水转化为二氧化铅、 海绵铅与稀硫酸。 铅酸蓄电池免维护主要通过抑制充电过程中气体的产生或通过电池内的特殊材料将气体吸收转化成水。铅酸蓄电池的单格额定电压为 2V，一般串联成 12V 、 24V 使用。4、光源光源的选型对于太阳能路灯来说是最关键的一步， 目前针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失， 光源尽量选直流光源， 大多数为 LED 灯光源， 寿命长， 可达 1000000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高随着技术进步， LED 的性能将进一步提高。LED 作为太阳能路灯的光源将是一种趋势4.1 太阳能照明灯的特点①具有特大功率， 光亮度相当于白炽灯 150W-250W 时， 每天 8 小时照明， 可在连续阴雨 9天内正常工作；②应用了具有充放电保护功能、 光敏自控装置和时控装置的光电智能控制器， 使产品可有效地节约能源，增加有效照明时间，降低生产成本；③中央控制器单元采用单片机控制， 并在智能控制器中建立了全球不同纬度的全年日照时间数据。使用时在控制器中输入所在地区纬度，调整好年、月、日和开 /关机的时间，就能够长年自动跟踪环境光线；④在大面积使用后， 启动和关闭的时差很小， 从而比较好的克服了传统太阳能灯因启动时差过大而产生的种种弊端。下面以一个简单的小区的太阳能照明为例来了解一下应用。5、小区照明系统方案首先要确定所安庭院灯的地理位置，全年日辐照量等因素来确定整个系统的配置。工程类型居民小区太阳能照明工程。 地理位置北纬 28.5 ，东经 116.4 。 平均日照时数 3.8h 工程规模、要求数盏庭院灯，灯高 3.6 米，每盏 10W ，光源 LED 。连续 5 天阴雨天能正常工作。5.1 相关组件选择 24VLED 选择 LED 照明， LED 灯使用寿命长，价格合理，可以在夜 间行人稀少时段实现功率调节，有利于节电，从而可以减少电池板的配置，节约成本。每瓦 65-75lm 左右，光衰小于年≤ 5％；12V 蓄电池（串 24V ）选择铅酸免维护蓄电池，价格适中，性能稳定；24V 电池板一个小区内有多幢楼，道路较多，在楼前与楼后的道路旁安装庭院灯， 可以两盏灯共用一块电池板，选用 24V ，施工方便，转换率 15％以上单晶正片；24V 控制器 MCT 充电方式、 防过充、 过放， 光控 时控控制； 3.6M 灯杆 材料 Q235A ，杆及附件经热镀锌处理，灯杆喷塑处理。 4.2 20 瓦（两只相邻灯共用一块板）5.2 方案配置当地日均有效光照以 4h 计算；每日放电时间 10 小时，（以晚 7 点－晨 5 点 为例） 满足连续阴雨天 5 天（另加阴雨前一夜的用电，计 6 天）。 电流 ＝ 20W 24V ＝ 0.84 A （ 1） 计算蓄电池 ＝ 0.84A 10h （ 5＋ 1）天 ＝ 50.4AH 蓄电池充、 放电预留 20％容量； 路灯的实际电流损耗 （加 20％损耗， 包括恒流源、 线损等）实际蓄电池需求＝ 50.4AH 加 20％预留容量、再加 20％损耗 50.4AH 80 120 ＝ 76AH 实际蓄电池为 24V /76AH ，需要两组 12V,80AH 蓄电池。（ 2） 计算电池板WP 35.7V ＝ （ 0.84A 10h 120 ％） 4 h WP ＝ 90W 实际恒流源损耗、线损等综合损耗在 30％左右 电池板实际需求＝ 90W 120 ％ ＝ 120W 5.3 工程主要材料设备一览表6、缺点与展望太阳能电池夜间无法发电， 也容易受云层移动干扰 （夜间无法发电可以预测， 但云层移动干扰不好预测） 。 但由于太阳能电池的发电尖峰通常接近电力使用尖峰， 因此要到较高的安装量才会造成问题， 目前多采取 天然气 发电来调节， 因为天然气发电的反应速度快； 而大部分的地区， 太阳能与 风能 具有互补性， 太阳能电池与 水力发电 、 抽蓄发电厂 的互补性更高。未来的应变方案为研发高效能的电池技术以储存太阳能， 例如 蓄电池 、 飞轮装置 、 压缩空气等；若将能源储存系统与太阳能电池装置在社区或家庭，则可以大幅增加供电稳定性。利用卫星发电亦可避免此二项干扰， 例如美国和日本两国提出的 “ 卫星太阳能发电厂 ” 计划 Satellite Solar PowerStation ， SSPS [9]，目标是将具有太阳能电池或 热能发电 系统的卫星， 发射到太空中一个能够不断接受太阳光的地方， 例如在 赤道 附近上空， 便可以连续不停且稳定地接收太阳能，在转换为电能后，以 微波 的方式传回地球。参考文献[1] 杨恒． LED 照明驱动电路设计与实例精选 [M]. 北京中国电力出版社， 2008. [2] 郭廷玮，刘鉴民 .太阳能的利用 [M]. 北京 科技文献出版社 ,1987 [3] 陈维 ,沈辉 ,丁孔贤等 . 太阳能 LED 路灯照明系统优化设计 [J]. 中山大学学报 自然科学版 , 2005,S2. [4] 邱望标 ,黄志辉 ,彭秀英 . 基于蓄电池均充模式的太阳能 LED 照明系统设计 [J]. 低压电器 , 2008,02 [5] 杨晓光 ,寇臣锐 ,汪友华 . 太阳能 LED 路灯照明控制系统的设计 [J]. 电气应用 , 2009,2803. [6] 李雪梅 ,邱望标 ,李操 . 太阳能 LED 路灯照明系统设计 [J]. 电工技术 ,2009,03 [7] 科普手册。国家数字文化网。http//www.ndcnc.gov.cn/datalib/2004/Science/DL/DL-177512/[8] John D. Meakin. PHOTOVOLTAIC CONVERSION. [9] Makoto Nagatomo, Susumo Sasaki, Yoshihiro Naruo,“ Conceptual Study of a Solar Power Satellite SPS 2000“, Proceeding of the 13th International Symposium on Space Technology and Science“, May 1994, pp 469-476