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1、精选优质文档-倾情为你奉上聊城大学 本科生毕业论文（设计）题 目：太阳能与LED照明系统的应用 专业代码： 作者姓名： 学 号： 单 位： 指导教师： 年 月 日目 录前言-31 太阳能LED照明系统的可行性-41.1太阳能LED灯的优点-41.2太阳能蓄电池点-41.3太阳能蓄电池的基本原理-51.4开关控制器-52 太阳能LED照明系统的应用-62.1太阳能LED灯的组成-62.2太阳能LED照明系统比较-62.2.1独立系统-62.2.2并网系统-62.2.3混合系统-72.3蓄电池的有关问题-72.4以路灯为例配置太阳能路灯注意问题-83 太阳能照明系统应用中的有关问题-93.1我国的
2、跟踪策略问题-93.2高投资晚回报的特点影响了行业的发展-93.3不仅造价偏高,受自然因素的限制也多-104 太阳能与风能混合能源-104.1太阳能风能混合照明系统-104.2控制/逆变器设计- -10结论- -11注释-13参考文献-14摘要太阳能作为极具发展前景的再生能源，它对于建设节约型社会、促进经济社会的持续健康发展具有重要的战略意义。该文阐述了太阳能及其应用的优势、原理、特点，分析了推广太阳能照明系统存在的主要障碍和需要注意的实际问题。本文主要以太阳能LED路灯为例。分析当前几种太阳能照明类型的特点。关键字： 太阳能；太阳能电池；LED；节约能源；控制器 AbstractSolar
3、energy is of the most promising renewable energy to the development of solar energy, beneficial to China and even the worlds sustainable development. This paper expounds the advantages of solar LED lights, principle, characteristics, etc. Analyzing the feasibility of solar LED lighting systems. Appl
4、ication of practical problems. Our country the solar energy industry situation and development prospect. This paper mainly solar LED lamps as an example for analysis.Key word: solar; Solar battery; LED; Save energy; Controller. 太阳能LED照明系统的应用前 言 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、5亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。而LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，并且LED灯比节能灯还要节能1/4是固体光源更伟大的改革。到2050年，世界30%电力生产将主要依靠太阳能。太阳能光电产品是通过太阳在光的作用下，转化为电能的过程，是一种利用高新技术研制的新能源，太阳能LED照明集成了太阳能与LED的优点随着地球资源的日益贫乏，基础能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
6、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。1太阳能LED照明系统的可行性太阳能路灯应用于学校、公园、住宅小区、别墅、窄小的支路、警示照明等区域。由于安装方便、节约能源,在电力相对紧张、供电施工时间长、施工不具备基本条件的地区和部位比较受欢迎。其直接优点主要表现在：安装施工时不用预埋电缆，也不用开挖路面，降低了工程造价。用了太阳能路灯，相应就节约了电费，同普通路灯相比，使用LED 光源的太阳能路灯使用年限更长。此外，太阳能设备在全国用电高峰的时候接受光照积聚能量，在用电低谷的夜晚则照明供电，在一定程度上也起到了对用电的“调峰”作用。但因道路照明与开发应用的距离，从目前全寿命周期
7、过程考虑，太阳能路灯的全面应用还存有较多需要完善的地方。1.1太阳能LED灯的优点 太阳能作为一种新的能源具有用之不竭，可再生，环保无污染，安装简便等特点。LED光源优势 (1) 太阳能LED照明系统由于少了逆变电路，能量的中间损耗要远小于交流节能灯照明系统；(2)LED灯的寿命长达10 万小时，而普通节能灯的寿命在1 万小时以内，因此在灯具的维护上LED灯有优势；(3) LED灯不含汞、无频闪, 具有较好的环保性能；(4)LED灯耐恶劣环境能力较高，对于室外照明有较大意义； 1.2太阳能蓄电池太阳能LED灯主要由四部分组成：将光能转化为电能的光伏组件、发光二极管、太阳能电池、控制电池充电量及
8、放电量的控制器。光伏组件在白天吸收光照，将太阳能转化为电能储存在太阳能电池内，到晚上天黑时便放电照明。一般晴天时，在理想的光照强度以及满足相应条件下，充满电4 h，每次充电完成后最多可使用7天以上，连续阴雨3 天也可正常工作。充足的后勤电力保障，保障了太阳能照明系统的可应用性。1.3太阳能电池的基本原理太阳能电池板由半导体组成，主要材料是硅，也有一些其他合金。太阳能电池板表面由两个性质各异的部分组成。太阳能电池发电的原理主要是半导体的光电效应，一般的半导体主要结构如下：正电荷表示硅原，电荷表示围绕在硅原子旁边的四个电子。硅晶体中掺入(如硼、磷等) 其他的杂质，比如掺入硼时，因为硼原子周围只有三
9、个电子，硅晶体中就会存在着一个空穴，这个空穴因为没有电子而变得很不稳定，容易吸收电子而中和，形成P型半导体。掺入磷原子以后，因为磷原五个电子，所以就会有一个电子变得非常活跃，形成N 型半导体。这样，P型半导体中含有较多的空穴，而N 型半导体中含有较多的电子，当P 型和N 型半导体结合在一起时，就会在接触面形成电势差，这就是PN 结。当晶片受光后，PN结中P型半导体的空穴往N型区移动，而N型区中的电子往p型区移动，从而形成从P型区到N型区的电流，然后在PN结中形成电势差，这就形成了电源，见图1。 1.4开关控制器随着科技的发展光敏材料与声敏材料的广泛应用也为太阳能LED照明系统的可利用性提供了条
10、件。太阳能灯就是一个自动控制的工作系统。控制模式一般分为光控和计时控制方式，以及声控方式。一般采用光控或光控与计时组合工作方式。灯在光照强度低于设定值时控制器启动灯点亮，同时进行计时开始，当计时到设定时间时就停止工作。另外在楼道等地使用的是声控方式，以便节约能源。根据光控或时控和声控不同的要求，蓄电池充电和放电的时间、放电的强度大小可以得到控制。实践中一般采用5 W或7 W直流节能灯作为光源。每年冬至是我们平均有效日照时间最短的一天，太阳能路灯的单晶硅电池板的光电转换是以冬至这天的有效日照时间作为标准的。科研人员可根据使用地每日需照明的时间、需保证照明的最大天数以及所用光源等情况，由用电负荷来
11、设计蓄电池的大小，根据日照时间调整确定连续照明时间，也就是说只要不是天气出现异常，太阳能灯多能有效运行，即便连着下57 天的雨，太阳能灯储备的电量基本可维持正常。但如果出现超过这个限度或是由于安装地点的环境指标不同，对太阳能灯能否有效运行就会产生相当大的影响。2 太阳能LED照明系统的应用2.1太阳能LED灯的组成 太阳能LED路灯具由太阳能电池组件部分(包括支架)、蓄电池、光源、灯头、控制箱 (内有蓄电池)和灯杆（路灯）等几部分构成。太阳能电池组件一般选用单晶硅或者多晶硅太阳能电池组件；LED灯头一般选用大功率LED光源；控制器一般放置在灯杆内，具有光控、时控制、过充过放保护及反接保护，更高
12、级的控制器更具备四季调整亮灯时间功能、半功率功能、智能充放电功能等；蓄电池一般放置于地下或则会有专门的蓄电池保温箱，可采用阀控式铅酸蓄电池、胶体蓄电池、铁铝蓄电池或者锂电池等。太阳能灯具全自动工作，不需要布线等优点。2.2太阳能LED照明系统比较太阳能照明系统可以分成三大类型:独立系统、并网系统和混合系统。2.2.1 独立系统独立系统从其字面意思便可知道它是一个独立的系统。常见于居民区路灯、停车场标志灯和电网公共照明系统，它们通常需要电池，有较高的存储修复损耗和维护费用；2.2.2 并网系统并网系统不需要电池，但是它们要连接到电网上，并且当从光伏矩阵板中采集的太阳能不能足装置需求时，系统就会从
13、电网吸取电能。在并网系统中为了将光伏矩阵板中输入能量和从公共网中输入的能量混合，需要直流负载还是交流负载、需要动力单元还是交流负荷中心取决于负载的种类。最好的情况是，当光伏矩阵板发出的能量超过需求时，一些并网系统能够将能量反馈到电网；2.2.3 混合系统混合系统将很多电力产品和储能元件结合起来，以满足能量需求，例如，将并网系统与备份电池相连。这样系统可靠性高，但复杂昂贵，很多情况下并不实用。而对于一些户外照明而言，独立发电将会有很大优势。太阳能独立发电照明系统可以分成两大类。如图1、图2 所示。目前由于主流灯具都是采用交流电源供电，因此第一类太阳能照明系统应用较多(如太阳能低压节能灯) 。但是
14、随着使用直流电源灯具的开发，特别是LED 技术的革新，直流照明系统的性价比有了很大的提高，第二类太阳能照明系统由于其自身的优越性使用的会越来越多。2.3蓄电池的有关问题太阳能路灯工作是通过蓄电池的充放电来实现的。蓄电池容量的选择要遵循一定的原则：容量过小，不能满足夜晚照明的需要；容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。普通蓄电池的经济使用寿命在23 年，它是太阳能电力系统中最薄弱的环节，也就是说太阳能LED灯在经济使用寿命期后就需要更换蓄电池。因此太阳能蓄电池是整个系统的关键部件之一，因此需要设计保护电路避免蓄电池的过充过放，延长使用寿命。由于过充电路与过放电路有
15、相似性，设计蓄电池过放电路见图3所示。电源电压正常时，调节电位器R，使口点的点位，略高于b点的点位，放大器的l脚为低电平，VT截止，VD，(绿)发光表示电源电压正常。当电源电压低于lO5 V时，b点电位高于口点电位，放大器的l脚输出高电平，调节R。，使VT饱和导通，绿灯灭，红灯亮。同时，负载与电源断开另外，蓄电池的安装、防盗损、温度对蓄电池寿命的影响也需要特别考虑。如何处理废旧蓄电池，还涉及环保方面的问题。另外，由于太阳能电池是安装在建筑物顶部，迎风面积较大，灯杆受力就增加了很多，这就对灯杆的高度、材质、灯杆基础等提出了更高的要求。对于在多台风地区，需要特别注意。2.4以路灯为例配置太阳能路灯
16、注意问题 A： 目前制约太阳能发电应用的最重要环节之一是价格，以一盏双路的太阳能路灯为例，两路负载共为60瓦（以长江中下游地区有效光照4.5h/天、每夜放电7小时、增加电池板20预留额计算）其电池板就需要160W左右，按每瓦30元计算，电池板的费用就要4800元，再加上180AH左右的蓄电池组费用也在1800左右，整个路灯一次性投入成本大大高于市电路灯，造成了太阳能路灯应用领域的主要瓶颈。 B：蓄电池的使用寿命也应该考虑在整个路灯系统应用中，一般的蓄电池保修三年或五年，但一般的蓄电池在一年、甚至半年以后就会出现充电不满的情况，有些实际充电率有可能下降到50左右，这必将影响连续阴雨天时期的夜间正
17、常照明，所以选择一款较好的蓄电池尤为重要。 C：一些工程商常选用LED灯做为太阳能灯的照明，但是LED灯的质量层差不齐，光衰严重的LED半年就有可能衰减50光照度。所以一定要选择光衰较慢的LED灯，或者选用无极灯、低压钠灯等。 D：控制器的选择往往也是被工程商忽略的一个问题，控制器的质量层差不齐，12V/10A的控制器市场价格在100-200元不等，虽然是整个照明系统中价值最小的部分，但它却是非常重要的一个环节。控制器的好坏直接影响到太阳能路灯系统的组件寿命以及整个系统的采购成本，一：应该选择功耗较低的控制器，控制器24小时不间断工作，如其自身功耗较大，则会消耗部分电能，最好选择功耗在1毫安（
18、MA）以下的控制器。二：要选择充电效率高的控制器，具有MCT充电模式的控制器能自动追踪电池板的最大电流，尤其在冬季或光照不足的时期，MCT充电模式比其他高出20左右的效率。三：应选择具有两路调节功率的控制器，具有功率调节的控制器已被广泛推广，在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明，节约用电，还可以针对LED灯进行功率调节。除选择以上节电功能外，还应该注重控制器对蓄电池等组件的保护功能，像具有涓流充电模式的控制器就可以很好的保护蓄电池，增加蓄电池的寿命，另外设置控制器欠压保护值时，尽量把欠压保护值调在 11.1V ，防止蓄电池过放。 E： 距离市区较远的地方还应该注意防盗工作，很多工程商因
19、为施工疏忽，没有进行有效的防盗，导致蓄电池、电池板等组件被盗，不仅影响了正常照明，也造成了不必要的财产损失。目前工程案例中被盗居多为蓄电池，蓄电池埋于地下用水泥浇筑是一种有效防盗措施，在灯杆上加装蓄电池箱的最好将其进行焊接加固。 F: 控制器的防水，控制器一般装于灯罩、电池箱中，一般也不会进水，但在实际工程案例中 控制器端子的连接线往往因为雨水顺着连接线流入控制器造成短路。所以在施工时应该注意将 内部连接线弯成“U”字型并固型，外部连接线也可以固定为“U”型，这样雨水就无法淋入造成 控制器短路，另外还可在内外线接口处涂抹防水胶。 G： 在众多太阳能照明实际应用中，很多地方的太阳能灯不能满足正常
20、照明需要，尤其在阴雨天更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天照明系统无法提供照明。 3 太阳能照明系统应用中的有关问题3.1我国的跟踪策略问题我国目前多延用国外走过的技术路线，发展国的太阳能光电技术，这里的优点不言而喻。但也使我们在自主开发、制造上存在着不足。太阳能电池板的转化率相当重要，目前，太阳能电池板有多晶硅和单晶硅两种，前者转化率不及后者，但是在性价比上胜出一筹。但国内较多的企业都是以进口国外原材料进行组装，能够在国内自行生产单晶硅和多晶硅电池板的企业甚少。3.2高投资晚回报的特点影
21、响了行业的发展根据现有的技术，阳光发电设备(主要是太阳电池组件) 的生产成本，其规模效应非常明显。此外一些配套工业，如硅原材料生产也需要巨额投资。国内的太阳能光伏企业规模普遍较小，难以实现规模效应，用几亿甚至几十亿元人民币去组建一个十年甚至二十年后才能有高额回报的企业，这对政府和企业家来说，都是较难决策的。3.3不仅造价偏高,受自然因素的限制也多目前太阳能路灯由于它的造价偏高，一次性投入大，同时，太阳能作为一种自然能源，要受到光照、天气等自然因素的限制，这也在一定程度上制约着太阳能路灯的发展。我国太阳能热能资源分布分为五大类:一类为太阳能资源最丰富地区；二类、三类为较丰富地区；四类为中等地区；
22、五类为较差地区。因此，各地要结合这个自然大环境来考虑太阳能路灯的实际应用问题。4 太阳能风能混合照明系统4.1太阳能风能混合照明系统为克服太阳能的单一能源利用率低，现在有很多的风能与太阳能混合的路灯，既保障了路灯的使用时间又增加了对能源的利用如下图4.2控制/逆变器设计控制/逆变器是风光混合发电系统的关键设备，直接关系到系统的可靠性。由于小型户用系统大部分是应用于电网无法达到的偏远地区，这些地区大部分交通困难，维修不便，因此系统要求高可靠性。(1)控制器/逆变器具有防止蓄电池过充电及过放电、短路、过载、泄荷和自动恢复的保护功能，采用了新型的电路和新型器件，使控制/逆变器的保护速度提高到微秒级，
23、提高了保护功能的可靠性。(2)我们改变了变流方式，首先通过CD-CD高频斩波器(频率2030kHz)，将输入逆变器的不可控直流低电压变流为可控的直流高电压，然后再通过DC-AC 变换桥电路，实现50Hz 方波或正弦波交流输出，取消了工频输出变压器。由于变流方式的改变，使逆变器实现了小型化、高频化，提高了技术指标和降低了成本，并采用1GBT,VDMOS器件和非晶-微晶合金材料制作斩波升压线圈的磁芯。由于采用了二步逆变法，所以输入电压适用范围被大幅度展宽了，逆变器的超压均能在额定值100%以上。配有泄荷器的控制$ 逆变器，可承受风力机的悬浮电压和光伏电池的开路电压，当电能足够时，可脱离蓄电池组，直
24、接实现变流转换，并向用电器正常稳定供电，解决了风力发电机对控制/逆变器的要求。该控制/逆变器提高了感性负载的启动与运行能力，改善了感性负载的运行状态，使控制/逆变器的安全使用寿命达到10 年。结束语目前太阳能LED 灯已成为太阳能照明的一个主力发展方向。结合太阳能与高亮度LED 的集成技术，可以改善当前的能源结构，再加上太阳能灯具的节能性和安装简便性，相信太阳能高亮度LED 照明会有着广阔的发展前景。但目前太阳能LED 还存在不少问题，包括太阳能电池的转化效率、LED 灯的亮度与效率、蓄电池的性价、中间控制环节的能耗与稳定性等。但随着新材料、光伏技术及半导体技术的飞速发展，太阳能电池的转化效率
25、将进一步提高,高亮度白光LED 的发光产成本低，利于推广。注释 (1)发光效率：发光体把受激发时吸收的能量转换为光能的能力。它是表征发光体功能的重要参量，可有三种表示方法，即功率效率（或能量效率）、光度效率（或流明效率）及量子效率。(2)控制器: 太阳能控制器全称为太阳能充放电控制器，是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。(3)逆变器：太阳能逆变器是太阳能交流发电系统：电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成，逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。(4)空穴: 在电子挣脱价键的束缚成
26、为自由电子后，其价键中所留下的空位。一个空穴带一个单位的正电子电量。(5)日照系数: 根据日照标准确定的房屋间距与遮挡房屋檐高的比值。 日照间距的计算方法： 以房屋长边向阳，朝阳向正南，正午太阳照到后排房屋底层窗台为依据来进行计算。 日照间距系数=D/H,由此得日照间距应为：D=(H-H1)/tanh； 式中： D房屋间距 H前幢房屋檐口至地面高度； H1后幢房屋窗台至地面高度。(6)MCT充电方式就是追踪电池板的最大电流，不造成浪费，通过检测蓄电池的电压以及计算温度补偿值，当蓄电池的电压接近峰值的时候，再采取脉冲式的涓流充电方法，既能让蓄电池充满也防止了蓄电池的过充。参考文献1 华成英著. 模拟电子技术基础（第四版）. 北京：北京高等教育出版社，2 康华光著. 电子技术基础数字部分（第四版）. 北京：北京高等教育出版社，3 陈 维著. 太阳能LED照明系统优化设计. 中山大学学报2005（11），4 金步平著. 家用太阳能光电照明系统. 照明工程学报2001（01），5 余发平著. LED光伏照明系统优化设计2006. 专心-专注-专业