40W太阳能LED路灯电气部分设计

辽 宁 工 业 大 学光伏发电技术 课程设计（论文）题目： 40W 太阳能 LED路灯电气部分设计院（系） ：专业班级：学 号：学生姓名：指导教师： （签字）起止时间： 2012.12.23-2013.01.06 课程设计（论文）任务及评语院（系） ： 教研室：注：成绩：平时 40% 论文质量 60% 以百分制学 号 学生姓名课程设计（论文） 题目40w太阳能 LED路灯电气部分设计课程设计（论文）任务LED 太阳能路灯利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，白天太阳能电池板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、 太阳能电池板开路电压 4.5V 左右， 充放电控制器使蓄电池对灯头放电。 8.5 小时后蓄电池放电结束。充放电控制器的作用是保护蓄电池。主要设计内容：1. 太阳能电池板设计及选择2. 储能蓄电池设计及选择3. 充放电控制电路设计4. LED 发光电路设计进度计划第 1 天 查阅收集资料第 2 天 总体设计方案的确定第 4 天 太阳能电池板设计及选择第 5天 储能蓄电池设计及选择第 6、 7 天 充放电控制电路设计第 8 天 LED 发光电路设计第 9、 10 天 设计说明书完成指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩：总成绩： 指导教师签字：年 月 日摘要近年来能源及与之相关的环境成为全世界各国最为关注的热点，各国都在从自己本国的国情出发来解决能源与环境问题。对我国来说，由于人均能源资源短缺（尤其是油、气、谁水） ，环境容量有限，西部生态脆弱，这个问题尤为严重，它将极大地制约我国的可持续发展以及为中华民族子孙万代生生息息留有生存空间。从某种意义上讲，人类社会发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使。在当今世界，能源和环境，是世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。近年来，我国 GDP每年以 10%的速度发展，能源消耗急聚增加，环境，生态日益恶化。这种对自然无序的、掠夺性索取的发展模式已经不断地凸现出来，并还要继续加重。在这样的严峻形势下，捷能成为了社会生活的主题。本文设计主要是对太阳能电池板设计及选择、储能蓄电池设计及选择、充放电控制电路设计、 LED 发光电路设计。关键词“控制器” “蓄电池充放电控制” “太阳能电池” “ LED” “铅酸蓄电池”Summary In recent years, energy and the related environment become the focus in the world, all countries from their own national conditions to solve energy and environmental problems. For our country, because of the per capita energy resources shortage, especially oil, gas, who water), the environmental capacity is limited, the western ecological fragile, the problem is particularly serious, it will greatly restricts the sustainable development of our country and the descendants of the Chinese people for generations the byrds sing Pete Seeger left living space. In a certain sense, the human society development is inseparable from the emergence of high quality energy and advanced energy technology make. In today s world, energy and environment, is the world of mankind, and issues of common concern, is also China s social and economic development of the important problem. In recent years, China s GDP is 10% with a rate of growth, the energy consumption urgent gather increase, the environment, ecological deteriorating. This natural disordered, predatory for development pattern has been constantly salience, and will continue to increase. In such a severe situation, the social life can become the theme. This design is mainly to the solar panels design and selection, storage battery design and selection, charge and discharge control circuit design, LED lighting circuit design. Key words “Controller“ and “storage battery charging and discharging control“ “solar battery“ “LED“ “lead-acid battery“目 录第 1 章 绪论 . 错误！未定义书签。1.1 光伏发电系统概况 错误！未定义书签。1.2 本文研究内容 2 第 2 章 光伏发电装置总体结构设计 . 3第 3 章 发电装置功能电路设计 . 43.1 太阳能电池板的选择 4 3.2 蓄电池 5 3.3 过充过放控制电路 7 3.4 LED 发光电路设计 8 第 4 章 结论 . 10参考文献 . 11辽宁工业大学课设1 第一章 绪论1.1 光伏发电系统概况光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。 它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。光伏发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应。 光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式， 典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的能量。 独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村， 如家庭系统、 村及太阳能光伏电站； 在工业范围内主要用于电讯、 卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以组成混合发电系统，如风力发电 /太阳能发电互补系统等。 并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。民用太阳能光伏发电多以家庭为单位，商业用途主要为企业、政府大楼、公共设施、安全设施、夜景美化景观照明系统等的供电，工业用途如太阳能农场。太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和太阳跟踪控制系统组成。如输出电源为交流 220V或 110V，还需要配置逆变器。太阳能的能源是来自地球外部天体的能源（主要是太阳能） ，是太阳中的氢原子核在超高温是聚变释放的巨大能量，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。我们生活所需的煤炭、石油、天然气等化石燃料都是因为各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内储存下来后， 再由埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能转换来的。辽宁工业大学课设2 1.2 文本研究内容LED太阳能路灯利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，白天太阳能电池板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、 太阳能电池板开路电压 4.5V 左右， 充放电控制器使蓄电池对灯头放电。 8.5 小时后蓄电池放电结束。充放电控制器的作用是保护蓄电池。1. 太阳能电池板设计及选择2. 储能蓄电池设计及选择3. 充放电控制电路设计4. LED 发光电路设计辽宁工业大学课设3 第二章 光伏发电装置总体结构设计1) 设计要素 : (1) 电池板功率的计算和选用；(2) 蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示；(3) 连续阴雨天三天路灯仍然照明；(4) 光线暗时路灯自动点亮，为节省电能晚上 24 点熄灯，早上 5 点亮灯，早上光线强时路灯自动熄灭（开光时间可调） ；(5) 系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。2) 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， 并将其转化为电能储蓄起来，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、 整体电路可以分成以下几个部分， 太阳能电池板组件、过充过放控制电路、 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的很快，使用寿命也会缩短，为延长蓄电池的寿命，要防止蓄电池出现过充过放，因此本电路加的有过充过放控制电路。辽宁工业大学课设4 第三章 发电装置功能电路设计3.1 太阳能电池板的选择在新能源中，公认技术含量最高、最有发展前途的是太阳能发电。太阳能发电主要有太阳能发电的两种基本方式。（ 1）太阳能热发电：将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置，可分为两类：一类是太阳能电直接转换，如温差发电等，目前功率都很小，有的尚处于原理试验阶段；另一类是太阳能热动力发电，是将热能通过热机带动发电机发电，期基本构成包括集热装置、 储能系统、 热机和发电机等。 有些国家正在研制较大功率的装置， 因此发展不快，实际应用不多。（ 2）太阳能光发电：不通过热过程，直接将太阳的光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，是将照射到太阳能电池上的光，产生光伏效应直接转换成直流电能输出，一般有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：间歇式。受气候影响；能量密度低；初始投资高。迄今已有 100 多个国家参与太阳能光电池的开发应用。近年来，产量迅速增加，生产成本开始下降。目前，光伏发电主要用于三大方面：为伍电场合提供电源；太阳能日用电子产品。如各类太阳能充电器、太阳能灯具等；并网发电。太阳能电池的基本特性太阳能电池阵列的伏安特性具有强烈的非线形， 太阳能电池阵列的额定功率是在以下下定义的：当日射 2/1000 mWs ；太阳能电池温度 CT 。25 ；大气质量 AM=1.5时，太阳能电池阵列输出的最大功率便定义为它的额定功率。 太阳电池阵列的额定功率的单位为“峰瓦” ，记以“ PW ” . 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。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。辽宁工业大学课设5 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。在不同角度倾斜面上，太阳辐照量差别较大，要为电池板选择合适的倾角使其能获得最大顶的太阳辐照量。太阳能电池板分为单晶硅和多晶硅两种，多晶面积较大，发电效率没有单晶高，因此根据需要本设计采用 178W单晶硅太阳能电池组件。1.LED 灯，单路、 40W， 24V系统；2. 当地日均有效光照以 4h 计算；3. 每日放电时间 10 小时， （以晚 7 点－晨 5 点 为例）4. 满足连续阴雨天 5 天（另加阴雨前一夜的用电，计 6 天） 。电流 = 40W÷ 24V =1.67 A 5. 每日放电时间 10 小时，调功后实际按 8.5 小时计算（调功同上蓄电池）电池板预留最少 20% hhAVWp 4%)1205.867.1(4.17wWp 74实际恒流源损耗、线损等综合损耗在 20%左右电池板实际需求 =74W × 120% =89W 实际电池板需 24V /89W，所以需要两块 12V 电池板共计： 178W 综合组件价格：正片电池板 178W 3.2 蓄电池蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置， 其作用是将方阵在有日照时发出的多余电能储存起来，在晚间或阴雨天时供负载使用。蓄电池组由若干蓄电池串并联而成。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， 重要的场合也有用镉镍蓄电池， 但价格较高， 相对来说应用没有前一种广泛。蓄电池是一种化学电源，它将直流电能转变为化学储存起来，需要时再把化学能转变为电能释放出来。能量转换过程是可逆的，前者称为蓄电池充电，后者成为蓄电池放辽宁工业大学课设6 电。在光伏发电系统中，蓄电池对系统产生的电能起着储存和调节作用。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。在光伏发电系统中， 蓄电池处于浮充放电状态， 夏天日照量大， 方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出，在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给，因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。蓄电池的循环寿命主要工艺结构与制造质量所决定。 但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时。产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减少，这样使用也会受到影响。本电路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。但是对蓄电池的过冲过放更为敏感，因此对过充保护要求高；当长时间反复过充电后，蓄电池极板易变性。满足连续阴雨天 5 天（另加阴雨前一夜的用电，计 6 天） 。电流 = 40W÷ 24V=1.67 A 计算蓄电池 = 1.67A × 8.5h ×（ 5+1）天 = 1.67A × 51h=85AH 蓄电池充、放电预留 20%容量；路灯的实际电流在 2A 以上（加 20%损耗，包括恒流源、线损等）实际蓄电池需求 =85AH 加 20%预留容量、再加 20%损耗85AH ÷ 80% × 120% =128AH 实际蓄电池为 24V /128AH，需要两组 12V蓄电池共计： 256AH 辽宁工业大学课设7 3.3 过充、过放控制电路过充控制，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。过充，过放控制都是为了保护蓄电池，延长蓄电池的使用寿命。 过充、 过放控制电路如图 2. 过充、 过放判断的依据主要是蓄电池电压的高低，其工作原理如下：过充控制电路中将继电器 1J 的开关串联在充电电路中， 当白天有太阳时处于正常充电状态时， 由太阳能板吸热经继电器开关常闭点向蓄电池充电， 当蓄电池的电压高于 26V时，认为蓄电池处于过充状态时， AU 1 “ - ”端电压高于“ +”端电压时 AU 1 输出“ - ” ，低电平，使 1Q 截止，同时 2Q 导通，继电器线圈 1J 通电，则继电器常闭点闭合，充电电路断开过充指示灯亮，停止向蓄电池充电，达到过充保护功能。图 2 过充过放控制电路过放控制电路中将继电器 2J 的开关串联在放电电路中， 当处于正常放电状态时， 放电电路正常工作，在晚上由蓄电池向负载供电时，当蓄电池的电压低于 22V时，认为蓄电池处于过放状态，此时 BU 1 “ +”端电压低于“ - ”端电压时， BU 1 输出“ - ”低电平，使 3Q 截止，同时 4Q 导通，继电器线圈 2J 通电，继电其开关由常闭点转到常开点，放电电路断开，过放指示灯亮停止向负载供电，达到过放保护功能。辽宁工业大学课设8 3.4 LED 发光电路设计LED外施电压后在其内部会产生受激电子跃迁辐射。按照不同半导体基本材料的物理性质，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级管的工作机理。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。 半导体材料的发光机理决定了单一 LED芯片不可能发生连续光谱的白光，必须以其她的方式合成白光。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。由于 LED是直流供电器材，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，因此应首选平光性超高 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，广通量虽然增大，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 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 2000h，荧光灯的寿命也不过 5000h 左右。(2) 效率高。 相当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 - C。40 ~ C。80 ，环境适应性非常强。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压比较点， 再加上发光二级管构成的充放电状态指示电路，便成了一个具有实用功能的智能控制器，具有辽宁工业大学课设9 防蓄电池过放电、过充电功能。在太阳辐照不足的几个月，由于蓄电池的充电状态通常较低，使蓄电池放电时端电压也较低，这样负载工作电流较小、功率小，系统也能工作更长的时间。反之在太阳辐照比较充足时，负载工作电流较大、功率大、也更亮。太阳能 LED发光源：在太阳能 LED灯具中，发光源所用的 LED数量，从 1 个到上千个不等，一定数量的 LED组成一个发光源时，其排列和组合是一个非常重要的关键点。既不同的排列和组合对整体的亮度都有影响。 在 LED排列组合上依据光学原理及数学推导建立数学模式，最有效地发挥超高亮白 LED的发光效率，并使得单位面积 LED的数量少降低成本。本设计采用的单个高亮度的开路电压为 4.5V，共采用 40 个 1W高亮管，每 10 个高亮管串联一组，共四组并联在电路中，这样也可以减少当电路中的某一高亮管出现故障时对其他高亮管的影响，由于高亮管的直射效果好，所以灯具的体积要尽量小一些，这样可以使高亮管的照射范围更大一些，亮度管尽量选用照射角度大一些的高度管。图 3 显示电路辽宁工业大学课设10 第四章 结论通过这次的课程设计，它锻炼了我的思考能力，用所学的知识设计生活中的东西，加深了对光伏系统的了解，并对一些光伏组件、蓄电池、光伏控制器， LED等有了一个全面的认识，也认识到了小小的 LED路灯系统对人类生活的影响，使人们逐渐在走入绿色环保的时代。在本次设计过程中，感受到了科学的严谨性，同时发现很多自身存在的不足之处，对上课所学的知识不能够很好的融会贯通， 证明了一切理论知识都必须与实践相结合才能深刻的理解和掌握。在查阅的过程中，并不是把所查的资料都一一的采纳，要判断优劣， 适当的取舍相关知识。 就这样， 不知不觉的我查阅资料的能力也的到了很好的锻炼。在设计过程中，总是遇到这样或那样的问题，有时发现一个问题的时候，需要花大量的时间来解决。自然而然，我的耐性在其中建立起来。辽宁工业大学课设11 参考文献(1) 于海生 编著 微型计算机控制技术 清华大学出版社 2003.4 (2) 杨金焕 编著 太阳能光伏发电应用技术 电子工业出版社 2009.1 (3) 李瑞生 编著 地面光伏发电系统及应用 中国电力出版社 2011.9 (4) 周志敏 编著 风光互补发电实用技术 电子工业出版社(5) 赵书安 编著 太阳能光伏发电及应用技术 东南大学出版社 2011.5 (6) 瓦格曼 编著 太阳能光伏技术 西安交通大学出版社 2011.11(7) 郭连贵 编著 太阳能光伏学 化学工业出版社 2012.9 (8) 施钰川 编著 太阳能原理与技术 西安交通大学出版社 2009.8 (9) 王君一 编著 太阳能利用技术 金盾出版社 2008.1 (10) 黄健华 编著 太阳能光伏理化基础光伏应用 化学工业 2011. 辽宁工业大学课设12