太阳能路灯系统设计大学课程设计 - 毕业论文

《太阳能光伏发电系统》

课程设计

课题名称 50W太阳能LED路灯系统设计 专业班级： 新能本121 学生学号： 2012213117 学生姓名： 孙俊峰 学生成绩： 指导教师： 郭瑞、高微 课题工作时间： 2014.12.29 至 2015.1.5

沈阳工程学院

一、课程设计的任务和要求 要求：1、具备独立查阅光伏发电系统设计的相关文献和资料的能力；具有查阅光伏电池、蓄电池、控制器和逆变器等光伏器件参数和型号的能力；具有收集、加工各种信息及获取新知识的能力。 2、具备独立设计光伏发电系统的能力，能提出并较好地实施方案，能对光伏发电系统的结构和配置进行分析研究和优化设计。 3、具备数值计算、仿真、绘图和文字处理等能力。 4、工作努力，遵守纪律，工作作风严谨务实，按期圆满完成规定的任务。 5、报告内容简练完整、立论正确、讨论充分、论述流畅、结构严谨、结论合理；技术用语准确、符号规范统一、编号齐全、书写工整、图表完备。 6、工作中有创新意识，对前人工作有一定改进或独特见解。 7、内容不少于3000字。 技术参数：1、光伏发电系统安装地点：沈阳； 2、LED太阳能路灯光源功率为50W，工作电压为直流24V。要求路灯工作9h，保证连续5个阴雨天能正常工作。 任务：1、选择适当的光源、太阳能电池组件、蓄电池和控制器； 2、设计合理的光伏路灯发电系统，并对结果进行分析和总结； 二、进度安排 1、2014.12.29 选题、分析查找相关资料 2、2014.12.30 提出设计方案、思路和系统框图、系统的优化设计 3、2014.12.31 讨论、修改、进一步优化方案，光伏发电系统各部件的选型 4、2015.1.4 写出课程设计报告初稿 5、2015.1.5 整理课程设计报告、交稿

三、参考资料或参考文献 1、杨金焕、于化丛、葛亮， 太阳能光伏发电应用技术，第1版， 电子工业出版社， 2009 2、李钟实， 太阳能光伏发电系统设计施工与维护， 第1版，人民邮电出版社，2010 3、黄汉云，太阳能光伏发电应用原理，第2版，化学工业出版社，2012 4、 瑞安·梅菲尔德，太阳能光伏发电系统设计及安装，第1版，人民邮电出版社，2012 5、Wenham S R,Green M A,Watt M E, Applied Photovoltaics[M] .Australia.University of NSW. 6、HadiAghazadeh,Hossein Madadi Kojabadi ,Ahmad Yazdankhah.Stand-Alone PV Generation System with Maximum power Tracking.International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC 2010),2010,1(9):1-2. 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日

四、课程设计摘要（中文） 绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。 本次设计主要针对沈阳工程学院50W太阳能LED路灯系统进行课程设计，其内容主要包括当地气象数据分析，蓄电池容量计算和型号选择，太阳能电池板数量及型号确定，控制器型号、LED光源的选择、灯杆的选择。 本次设计基本涵盖了太阳能LED路灯系统的设计及选型，所有数据通过公式计算和软件模拟，满足理论设计的需要。 关键词：节能 环保 LED 光伏系统 太阳能路灯 五、课程设计摘要（英文） Abstract:green energy and sustainable development is a big problem faced in this century, the development of new energy, the energy utilizing have drawn greatattention of governments. Solar energy as an inexhaustible, be inexhaustibleclean energy will be hitherto unknown development. This design mainly aims at the course design of household independent photovoltaic power generation system in the Shenyang area, including theanalysis of the local meteorological data, the battery capacity calculation andmodel selection, and model to determine the number of solar panels, inverter and controller model selection. This design basically covers the design and selection of domestic independentpower system electrical equipment parts, all data simulated by formula calculation and software, satisfy the need of theoretical design. Keywords: stand-alone systems,battery, PVsyst

六、指导教师评分 评价内容 具 体 要 求 权重 调查论证 能独立查阅文献和从事其他调研；能提出并较好地10 论述课题的实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。 实践能力 独立设计、计算、绘图的能力（课程设计）；能正15 确选择研究（实验）方法，独立进行研究的能力（学年论文） 分析解决问题能力 能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题（课15 程设计）；或能对课题进行理论分析，得出有价值的结论（学年论文）。 工作量、工作态度 质量 按期圆满完成规定的任务，工作量饱满，难度较大，10 工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。 综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结40 论严谨合理（或设计过程完整，设计内容完全）；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文（设计）结果有参考价值。 外语和计在课程设计或学年论文中，能够体现外语和计算机5 得分 算机应用的应用能力。 能力 创新 工作中有创新意识；对前人工作有改进或独特见5 解。 综合评语

指导教师签字： 年 月 日

七、答辩记录

记录人（签字）： 年 月 日 答辩意见及答辩成绩 答辩小组教师（签字）： 年 月 日 课程设计总评成绩： （指导教师评分×80%+答辩成绩×20%）

目录

目录................................................................................................................................ 1 第一章 绪论................................................................................................................ 4

1.1 沈阳地理及气象分析................................................................................... 4 1.2 LED太阳能路灯系统的组成及功能 .......................................................... 6 1.3 太阳能路灯照明系统工作原理介绍........................................................... 6 1.4 设计思路及其设计原则................................................................................. 7 1.5 led路灯设计要求 ............................................................................................ 8 第二章 LED路灯系统设备介绍................................................................................. 9

2.1 灯杆............................................................................................................... 9 2.2. LED路灯的定义........................................................................................... 9

2.2.1 LED的结构及发光原理 .................................................................... 10 2.2.2 LED路灯的特点与应用优势 ............................................................ 11 2.3 太阳能电池板............................................................................................. 12

2.3.1硅太阳电池的工作原理与结构......................................................... 13 2.3.2太阳能电池组件................................................................................. 15 2.3.3太阳能电池的基本特性..................................................................... 16 2.3.4 太阳能电池板组件构成.................................................................. 16 2.3.5 影响太阳能电池输出的因素............................................................ 16 2.4 蓄电池......................................................................................................... 17

2.4.1铅酸蓄电池的结构............................................................................. 18 2.4.2 铅酸蓄电池的工作原理.................................................................... 18 2.5太阳能控制器................................................................................................ 19

2.5.1 控制器的基本工作原理.................................................................... 19 2.5.2蓄电池充电......................................................................................... 20 2.5.3 蓄电池给LED供电 .......................................................................... 21

第三章 50W LED太阳能路灯系统的计算............................................................... 22

3.1 负载的计算................................................................................................. 22

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3.2 蓄电池容量的计算..................................................................................... 23

3.2.1、负载用电量L测算 ......................................................................... 23 3.2.2蓄电池容量的确定............................................................................. 23 3.3 直流工作电压的选择................................................................................... 24 3.4 太阳能电池方阵相关计算........................................................................... 24

3.4.1 平均峰值日照时数Tm ...................................................................... 24 3.4.2系统所需太阳能电池板的峰值总功率：......................................... 24 3.5控制器的计算................................................................................................ 25 第四章 LED太能能路灯系统设备选型................................................................... 27

4.1灯具的选择.................................................................................................... 27

4.1.1 led灯具的选择 ................................................................................ 27 4.1.2 优倍照明LED路灯灯参数： ........................................................ 27 4.2灯杆的选择.................................................................................................... 28

4.2.1 选择灯杆遵循的基本的原则............................................................ 28 4.2.2 灯杆选择应考虑的内容.................................................................. 28 4.2.3 灯杆的相关参数................................................................................ 29 4.3太阳能电池组件的选择................................................................................ 29

4.3.1 太阳能电池板的选择........................................................................ 29 4.3.2 太阳电池组件的基本要求.............................................................. 30 4.3.3 单晶硅太阳能电池组件技术参数.................................................... 30 4.4 蓄电池的选型............................................................................................. 31

4.4.1 购买免维护铅酸蓄电池注意事项.................................................. 31 4.4.2 阀控式密封免维护铅酸蓄电池技术参数...................................... 32 4.5 控制器的选型............................................................................................. 33

4.5.1太阳能路灯控制器的选择应该注意................................................. 33 4.5.2控制器的相关参数............................................................................. 34

第五章 led路灯系统的预算及分析....................................................................... 35

5.1 LED路灯（单个）系统总费用的估算 .................................................... 35 5.2 LED路灯与传统路灯综合成本对比表 .................................................... 35

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5.3 太阳能LED路灯的性价比分析 ............................................................... 36 第六章 施工和安装.................................................................................................... 38

6.1安装时需注意的问题.................................................................................... 38 6.2安装路灯的基础技术.................................................................................... 38

6.2.1 基础的设计施工的技术参数............................................................ 38 6.3太阳能LED路灯安装步骤 .......................................................................... 39

6.3.1地基浇注............................................................................................. 39 6.3.2太阳能电池组件安装......................................................................... 40 6.3.3蓄电池安装......................................................................................... 40 6.3.4灯具安装............................................................................................. 40 6.3.5控制器的安装..................................................................................... 41

参考文献...................................................................................................................... 42 心得体会...................................................................................................................... 43

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第一章 绪论

1.1 沈阳地理及气象分析

沈阳位于中国东北地区南部，辽宁省中部，以平原为主，山地、丘陵集中在东南部，辽河、浑河、秀水河等途经境内。属于温带季风气候，年平均气温6.2～9.7℃，自1951年有完整的记录以来，沈阳极端最高气温为38.3℃（1952年7月18日），中心城区极端最低气温为-32.9℃（2001年1月15日），近郊近年来最低气温为-35.4℃（沈北新区2001年1月11日）；之前沈阳还观测到39.3℃（1920年）的高温，和-33.1℃（1950年）的低温。全年降水量600～800毫米，1951年至2010年市区年平均降水量716.2mm，全年无霜期155～180天。受季风影响，降水集中在夏季，温差较大，四季分明。冬寒时间较长，近六个月，降雪较少，最大降雪为2007年3月4日47.0毫米的特大暴雪；夏季时间较短，多雨，1973年8月21日曾下过215.5毫米的大暴雨。春秋两季气温变化迅速，持续时间短：春季多风，秋季晴朗。

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根据PVsyst软件计算结果，最终倾角确定为53度。

沈阳工程学院(位于道义开发区)的(1961-1990)年平均基本气候资料

表3 道义开发区的年平均基本气候资料(1961-1990)

水平 月 辐射 mWh/cm2 平均 382.9 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 196.9 299.9 412.7 498.4 569.3 543.7 477.2 455.1 434.3 320.7 气温 最高气温(0.1℃) (0.1℃) 最低气温(0.1℃) 极高气温极低气温相对湿日照时数平均风速降水 降水 日数(天) (0.1℃) (0.1℃) 度(%) (0.1h) (0.1m/s) (mm) 81.17 138.33 30.33 256.67 -100.92 62.92 2116.00 29.75 57.08 5.08 -115 -78 7 98 172 217 245 236 173 95 -52 -17 64 160 232 271 290 283 235 159 -166 -131 -44 38 111 166 204 193 119 41 86 149 198 293 343 352 352 357 307 292 -305 -272 -217 -125 2 78 124 80 10 -83 60 55 52 52 55 67 78 78 71 65 1671 1809 2313 2406 2672 2473 2143 2237 2355 2159 26 29 34 40 37 31 26 24 25 28 7 8 16 43 55 87 167 157 77 42 2 2 3 5 6 8 11 9 6 4 5

11 12 214.9 171.8 3 -79 57 -22 -42 -125 217 134 -201 -302 62 60 1643 1511 30 27 17 9 3 2 注：沈阳道义开发区位于(123゜26’E,41゜46’N)海拔高度43米

1.2 LED太阳能路灯系统的组成及功能

太阳能路灯系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、太阳能控制器 、蓄电池组（包括蓄电池保温箱）和灯杆有的还要配置逆变器等几部分构成。

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，不需要挖沟布线，但灯杆需要装置在预埋件（混凝土底座）上。

1.3 太阳能路灯照明系统工作原理介绍

系统工作原理如图1.1所示，利用光生伏打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至10lux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10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天黑时自动开灯；天亮时自动关灯；在蓄电池电量不足时，自动断开负载，防止蓄电池过放电；并有短路保护、反接保护等。

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图1.1太阳能led路灯系统原理图

1.4 设计思路及其设计原则

太阳能电池发电路灯系统设计的总原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池容量，以尽量减少初始投资。对系统设计者来说，在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择，可轻易地使系统的投资成倍地增加，而且未必见得就能够满足使用要求。

对于照明系统设计一般我们需要考虑以下几个问题：

（1）从功能上,道路照明系统的主要功能是保证交通安全，提高交通运输效率、保障人身安全、提供舒适环境、提升工厂形象。

（2）在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。 （3）另外还要结合当地的光资源情况。

在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。这些气象数据我们均可以在NASA上查到。若

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是当地有国家标准我们以国家标准为主。

采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大” 的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则原则，即根据蓄电池均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值,同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池放电深度,确定出组件和蓄电池的合理搭配容量。

本次设计的主要思路为，查找沈阳当地气象数据，利用PVsyst软件模拟当地气象数据，包括包括地理纬度、年平均总辐射量、平均气温及极端气温等。确定固定式太阳能方阵的安装倾角，计算所确定倾斜面上的辐照量进而折算等效的年平均峰值日照小时数。分析负载类型和功耗，包括直流负载、交流负载（阻性负载、感性负载）功率，运行时间等。选择直流系统电压，进行蓄电池容量计算、太阳电池方阵容量计算，最后进行控制器、逆变器的计算和型号确定。

1.5 led路灯设计要求

假设沈阳工程学院某道路的LED路灯配置在次干道，选低档值Eav=10 lx，路面实际宽度Ws为8m，人行道为1m，单侧排列， 要求路灯每天工作9h,保证连续5个阴雨天能正常工作。位于123゜26’E,41゜46’N，采用截光型灯具。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/k666.html