成  绩：

小区照明用太阳能灯的设计

院    部：太阳能光电工程学院     

专    业： 太阳能光电信息工程  

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指导教师：                      

二〇一一年四月

摘  要

本设计主要阐述了太阳能光伏照明的系统结构及作用，随着全球资源日益枯竭，太阳能利用越来越受人们重视。太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，作为一种巨大的可再生能源，可以说是用之不竭，取之不尽的。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。国家支持开展光电建筑应用示范，实施“太阳能屋顶计划”，对于太阳能利用实施财政扶植。太阳能光伏电站、太阳能路灯等光电利用项目，产品在全国以较快速度建成、投产，光电产品在实际中得以应用。

   本设计以南昌某小区照明要求为例，结合当地日照资源数据，根据小区照明要求，详细的计算出小区照明所需要的材料及其方案计算过程。

小区照明使用太阳能组件提供电源，该电源具有清洁，免维护，智能开关等优点，方便小区照明使用。

关键词：   光伏    照明      组件      控制器    蓄电池

Abstract

Mainly on the design of solar photovoltaic lighting system structure and function, as growing global resources dried up, solar energy use more and more people pay attention to. Solar energy is the most universal and most most directly on the planet clean energy, renewable energy as a huge, can be said to be an inexhaustible, inexhaustible. In recent years, the optoelectronics industry rapid growth in China, has become a specialized, large-scale photoelectric industrial chain. Photoelectric application building model supported countries, the implementation of " solar roofs plan ", with fiscal support policies for solar energy. Solar photovoltaic power plants, solar photovoltaic projects, products at faster speeds in the country built, production, optical product is applied in practice.

A lighting requirements in the community as an example of this design to Nanchang, the local solar resource data, according to the lighting requirements in the community, calculated in detail calculation of needed materials and lighting system in the community.

Community lighting using solar power, the power supply has a clean, maintenance-free, intelligent switches and other advantages, easy lighting used in the community.

Keywords: PV lighting component controller battery

致    谢　　　……………………………………………………………………14

参考文献　…………………………………………………………………………15

附    录　　　……………………………………………………………………16

绪 言

太阳能照明是未来照明的方向，其最大特点为：环保、节能、发光效率高，因此使它将逐步取代传统光源。更值得一提的是，LED发光效率是以每十年提高十倍的速度来提高，成本也将逐年下降。据权威预测，2010年，在日本，LED将全面取代传统光源；在美国，将有一半的传统光源被取代；而在我国，LED将占装饰照明市场的15%。着眼于未来，半导体技术将孕育着一场“照明”。

太阳能照明系统主要由太阳能电池组件、蓄电池、电源控制器、发光组件组成。白天利用太阳能电池板对蓄电池充电，晚上蓄电池释放能量点亮LED 灯，蓄电池电量满足连续3天阴雨天数需要。

太阳能照明应用于小区，具有施工简单，安装方便等优点，配合小区环境，还能起到美化小区的作用，增加小区人文气息。

1.太阳能光伏发电技术

1.1光生伏特效应

光生伏特效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。严格来讲，包括两种类型：一类是发生在均匀半导体材料内部；一类是发生在半导体的界面。虽然它们之间有一定相似的地方，但产生这两个效应的具体机制是不相同的。通常称前一类为丹倍效应，而把光生伏特效应的涵义只局限于后一类情形。当两种不同材料所形成的结受到光辐照时，结上产生电动势。它的过程先是材料吸收光子的能量，产生数量相等的正﹑负电荷，随后这些电荷分别迁移到结的两侧，形成偶电层。光生伏特效应虽然不是瞬时产生的，但其响应时间是相当短的。　1839年，法国物理学家A. E. 贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏特电池，受到阳光照射时会产生额外的伏特电势，他把这种现象称为光生伏特效应。1883年，有人在半导体硒和金属接触处发现了固体光伏效应。后来就把能够产生光生伏特效应的器件称为光伏器件。 　　当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会产生光生伏特效应。光生伏特效应使得PN结两边出现电压，叫做光生电压。使PN结短路，就会产生电流。

1.2光伏发电

光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。

2.太阳能光伏照明简介

2.1系统简介

太阳能照明系统以太阳能为能源，白天充电晚上用，无需外接电源，安全可靠，绿色节能，充电及开关灯，无需人工操作，使用寿命长。是现代生活环境中理想的照明工具。

太阳能照明系统是一个的、全自动的工作系统，只要设定该系统的工作模式就能自动工作。控制模式一般分为光控方式和计时控制方式，一般采用光控或者光控与计时组合工作方式。黄昏时分当电池板没有充电电流超过5分钟时，系统默认为天黑，控制器启动将灯点亮，同时开始计时。当计时到设定时间时光源自动关闭。

2.2太阳能照明灯的现状

现在的太阳能灯一般选用高效、节能的光源，应用在太阳能灯上的光源（灯泡）主要有：高效直流节能灯、超高亮半导体 LED 灯、无极电磁感应灯 (LVD) 、低压钠灯（ LPS ）和高压钠灯（ HPS ）等。目前灯多选用LED 和 12V 直流节能灯作光源；最新的LED寿命长，可以达100000小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。而庭园灯一般采用12V直流节能灯，直流节能灯电压为直流，无需逆变，方便安全。 

现在的太阳能灯在晴朗天气下的照明时间长短可以根据用户要求进行设定。而对于同一地点来说，其与太阳能电池组件和蓄电池的选择配比有直接关系。在光源功率确定的前提下，选择太阳能电池组件功率和蓄电池容量越大，可以保证的照明时间越长，反之则缩短。系统配置一般应保证每天 5 ～ 10 小时的照明时间。通常，在遇到连续阴雨天气时，应满足不低于 2 天（每天 5 ～ 10 小时）的照明时间。

2.3太阳能照明灯的特点

1.采用国际名牌元件制造的太阳能光伏电池组件，光电转换效率大于17%，使用寿命20—25年

2.选配专用晶体LED光源，光源使用寿命大于30年。

3.采用自主知识产权技术，专用微电脑自动控制系统，自动检测和调节充放电控制及保护系统。

4.每天使用10—14小时左右，并可连续阴雨10—15天。

5.选择高容量免维护专用蓄电池族，使用寿命5—12年以上。

6.灯杆、灯架、灯头经氧化、抗腐蚀处理，环境适应能力强、抗结霜、抗阳光暴晒。

7.安装方便、结构件采用标准件，没有外电路连接。直接安装于地面，不需要挖沟和专业铺电缆。

8.工作在安全电压下，不会发生触电事故。一次投资安装，长期受效，无需缴纳电费。

9.灯内采用智能控制，晚间自动开启，天亮自动关闭。不需专人送电和管理。

10.整体属于移动电源，可以随意选择安装方位。

2.4太阳能照明灯的优势

由于太阳能照明存在光电转换率较低，成本价格较高等因素，使得目前其应用范围仅限于交通信号灯、景观照明、装饰照明等范围，以草坪灯、庭园灯、小功率路（非主干道）灯等为主。太阳能照明光源以ＬＥＤ发光二极管、三基色高效节能灯为主，也可能使用低压钠灯、无极灯，个别情况采用小功率ＨＩＤ灯。

ＬＥＤ与节能灯相比，前者寿命较长、光效较低；后者寿命较短、光效较高。在不同情况下，要经过经济技术比较，从中选择合适的光源。

    太阳能交通信号灯光源采用ＬＥＤ发光二极管，寿命长，发光性能符合信号灯的要求。

    有调节明暗、频繁开关功能的１Ｗ以下的小功率太阳能草坪灯，一般应该使用ＬＥＤ作为光源。对于功率较大的太阳能草坪灯，目前使用三基色高效节能灯比较合理。

    庭院灯和路灯以装饰为主时，建议选择ＬＥＤ发光二极管；以照明为主时，建议选择三基色高效节能灯或低压钠灯。随着ＬＥＤ发光二极管光效的提高，太阳能照明的配套光源将越来越多地使用ＬＥＤ发光二极管。

3.太阳能光伏照明系统的组成部分

3.1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。

多晶硅电池组件     单晶硅电池组件     透明电池组件 

3.2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 。主要控制蓄电池的充放电，对蓄电池的过充过放进行保护，从而延长蓄电池的使用寿命。

3.2.1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。

3.3蓄电池

照明系统中蓄电池的作用是将组件产生的电量进行存储，当负载需要用电时蓄电池输出电量提供给负载，供负载使用。

3.3.1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。

3.3.2胶体蓄电池

胶体电池属于铅酸蓄电池的一种发展分类，最简单的做法，是在硫酸中添加胶凝剂，使硫酸电液变为胶态。电液呈胶态的电池通常称之为胶体电池。

胶体电池与常规铅酸电池的比较其最重要的区别就胶体电池比传统的的铅酸电池放电曲线平直，寿命一般也比常规铅酸电池长一倍左右，耐高温及低温特性要比铅酸电池好得多。

3.4  光源

太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。

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，国产50Lm/w，进口80Lm/w。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。笔者认为LED作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。

目前多数草坪灯选用LED作为光源，主要利用太阳能电池的能源来进行工作。当白天太阳光照射在太阳能电池上，把光能转变成电能存贮在蓄电池中，再由蓄电池在晚间为草坪灯的LED(发光二极体)提供电源。LED节能、安全、寿命长，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。特别是LED技术已经经历了其关键的突破，并且其特性在过去5年中有很大提高，其性能价格比也有较大的提高。

4.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。现以南昌某地一个居民小区安装实例，来介绍光伏系统中的容量设计（简易算法）。 

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。 

4.1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）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.工程主要材料设备一览表

内容（小四、宋体、行距1.5倍）

参考文献

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