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太阳能路灯方案设计

2019/4/22 21:50:51??????点击:
1.太阳能电池板简介


利用太阳能的能源,是一?#32622;?#26377;任何污染的清洁能源,利用这一能源不存在环境保护和对生态的破坏因素,是真正的绿色能源。正因如此,?#27515;?#19968;直在致力于太阳能的开发和应用,其中将太阳的光能转化为电能,是太阳能利用中的一个重要方面。


 


1.1光生伏特效应---光伏电池原理


    早在1839年,法国物理学家贝?#27515;?#23572;首先发现“光生伏特”效应,即光致电的现象,经科技界的努力,人们发现半导体PN结在太阳光照射下,能产生电流,且效率较高,于是诞生了所谓的太阳能光伏电池,或称半导体光伏器件,并进入了产业化的?#36125;?#24403;前太阳能的利用已进入商品化的阶段。


半导体光伏器件是基于当太阳光的光子进入半导体P型区?#20445;?#20854;中能量大于禁带宽度的光子被半导体材料吸收,激发出光生截流子,P区的电子向PN结扩散,并被内建电场拉向N区,同样在N区产生的光生空穴被拉向P区,使PN结N区与P区两边积累大量的光生电子与光生空穴,形成光生电动势(即开路电压),当P、N极两端有回路?#20445;?#20415;会产生光生电流,这就是光伏电池的基本工作原理。光生电动势的开路电压可表为:


                  Vo=β*K*T/[e*InIe/(Io+1)]…………………………………(1)


e为电子电荷量,而式中Io为PN结反向饱和电流,Ie则是光伏电池的电流,当PN结两端短路?#20445;琁e=Ise即为短路电流。


 


1.2太阳能电池板电压电流的构成


目前商用太阳能电池分单晶硅和多晶硅两种,光---电转换效率在12%---15%之间,而太阳辐射到地球的光能,在峰值?#29031;?#26102;,平均约1kw/m2,若要产生1kw电能,需太阳能电池板的面积约为1m2/0.12=8.3m2。


    太阳能电池的基本组件是电为0.5V的电池单元,一个18V电池板可由18V/0.5V=36片电池单元串接构成。输出电流则可用电池单元阻件并接?#35789;?#29616;要求的数值。


 


2.太阳能路灯设计规则


2.1太阳能路灯照明系统的构成


    这里所指的太阳能供电的照明系统,是指用LED作光源的非电网供电的离网照明灯具。即白天光生电,夜晚电生光的自循环照明系统。它由:


    (1)太阳能电池板---用于将太阳能转成电能;


    (2)蓄电池---用于储存所转换的电能;


    (3)充放电管理器---控制对蓄电池充电和放电;


    (4)灯具(光源) ---晚间照明的光源;


    (5)灯杆及支架---用于合适的道路。


    五个部分构成。






图1 离网式太阳能灯具构成框图






图2 太阳能路灯系统组件






2.2主要部件的设计依据


离网太阳能路灯照明系统的设计,是建立在下述几方面要求的基础上进行的:


    (1)灯具的功率(光源功率+供电损耗功率) ;


    (2)灯具连续工作时间(每天/小时) ;


    (3)连续无光照的时间(阴雨天数) ;


    (4)蓄电池浮充、放电特性(或容量百分率) ;


(5)灯具使用地区平均峰值?#29031;?#26102;间(小时) 。


注:灯具的功率确定由《道路照明设计国家标准》确定。


 


2.2.1灯具光源功率的确定


    以道路照明灯具为例,光源功率是按照射光场面积S(m2),平均照度E(或平均亮度L),功率密度LPD等的要求,通过计算光通量  Φ,再选用光效lm/w符合要求的LED来构成光源,确定光源功率Pd。


    本项目功率要求计算 :


       S=9m(道路单侧宽度)*300m(道路长度)/9(单侧安装灯具数量)


       E=10lx,   S=300M2, 采用?=80lm/w的LED灯具,则此灯具功率可求得为:


           Pd=Φ/?=(E*S)/?=(300m2*10lx)/(80lm/w)


                Pd=37.5W


   考虑灯具6年使用之后的光衰减70%-80%,则灯具功率为


               PL=37.5w/0.8=46.8W


   取整PL=50W


 


2.2.2太阳能电池组件功率P(so) 、电压Vo(so)的确定


    灯具功率确定后,要查看用灯地区气象资料,获取太阳平均峰值?#29031;?#26102;间t1,以及开灯时间t2,同时确定充电损耗系数ρ1,按下式求得太阳能电池板功率P(so) :


              P(so)=(PL*t2*ρ1)/t1


    本项目设计计算:


        PL=50w,t2=10h,t1=4.5,ρ=1.5-2,则可得:


            P(so)=(50w*10h*1.5)/4.5h=166W


    取整   P(so)=180W--200W


    若蓄电池用12V,则要求太阳能电池工作电压Vo(so)为18V,此时工作电流I(so)=200w/18V=11.12A。


t1=4.5h,为长江中下游附近地区?#29031;?#31995;数。


 


2.2.3蓄电池的确定


确定了灯具、太阳能电池板的设计要求后,就可?#28304;?#33021;蓄电池的容量进行设计确定,即计算其伏安小?#20445;?/span>


         Eh(Ah)=(PL*t2*ρ2*t3)/Ve


    式中:Eh---电池容量(ah),


                     t3---阴雨连续天数,


                     ρ2---放电损耗系数1.5-2,


                     Ve---电池电压。


    本项目进行测试,可求得:


          Eh(Ah)=(50w*10h*1.5*5day) /12V=312Ah


可选12V,320Ah--360Ah胶体铅酸蓄电池。


 


2.2.4对控?#30772;?#30340;要求


太阳能LED路灯的电路设计中,控?#30772;?#26159;一个关键部件,这个控?#30772;?#35201;求能实现如下功能:


(1)开关灯控制:按太阳光对太阳能电池板的照度设定开灯与关灯的自动控制电路;


(2)亮度调节:当灯点亮起,计时5小?#20445;?#20351;光源功率减半(且时间可调);


    (3)过充保护:当蓄电池电量较足?#20445;?#25511;制充电电流,保持维持充电电流的值,当蓄电池电量?#31995;褪保?#20351;充电电流达最大,并随电量增高而减小,并设有过充电保护。


    (4)欠压保护:控?#30772;?#22312;蓄电池放电到最低允许容量?#20445;?#23558;关闭光源供电回路,具有过放电保护功能。


 


2.2.5对蓄电池保护的要求


对于大容量铅酸蓄电池,为延长其工作寿命(12年),不能采用过量充电或放电,亦即应处于浮充、放状态,即充放电量在总容量的30%---40%?#27573;?#20869;,这就要充放电控?#30772;?#26469;管理。


    每次放电在:320Ah*0.4≤128Ah。


    50w、12V的灯,每天工作10h的用电量为:


             (50w/12)*10*1.5=62.5Ah


    每天可充电量为:


             ( 180w/18V)*4.5h=45Ah


上述充放电量低于总容量的20%,处于浮充放状态,可确保电池寿命,?#35789;?天阴雨天,此时放电为62.5*5=312.5Ah≤320Ah,但过后?#25351;词?#38388;要长一些,好在通常控?#30772;?#20250;设置开灯5h后灯功率减半。






图3路灯控?#30772;?#35774;定的功率时间曲线






3.本项目路灯太阳能路灯?#38382;?/span>


(1)灯具功率:50W


(2)开灯时间:10h


(3)连续阴雨天亮灯天数:5天


(4)太阳能电池功率:180W--200W/18V


(5)蓄电池容量:12V,320Ah-360Ah


(6)控?#30772;?#21151;能:根据日间亮度,定时开关灯时间7-10h可选择;实现定时灯具亮度调节。
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