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太陽能路燈方案設計

2019/4/22 21:50:51??????點擊:
1.太陽能電池板簡介


利用太陽能的能源,是一種沒有任何污染的清潔能源,利用這一能源不存在環境保護和對生態的破壞因素,是真正的綠色能源。正因如此,人類一直在致力于太陽能的開發和應用,其中將太陽的光能轉化為電能,是太陽能利用中的一個重要方面。


 


1.1光生伏特效應---光伏電池原理


    早在1839年,法國物理學家貝克勒爾首先發現“光生伏特”效應,即光致電的現象,經科技界的努力,人們發現半導體PN結在太陽光照射下,能產生電流,且效率較高,于是誕生了所謂的太陽能光伏電池,或稱半導體光伏器件,并進入了產業化的時代,當前太陽能的利用已進入商品化的階段。


半導體光伏器件是基于當太陽光的光子進入半導體P型區時,其中能量大于禁帶寬度的光子被半導體材料吸收,激發出光生截流子,P區的電子向PN結擴散,并被內建電場拉向N區,同樣在N區產生的光生空穴被拉向P區,使PN結N區與P區兩邊積累大量的光生電子與光生空穴,形成光生電動勢(即開路電壓),當P、N極兩端有回路時,便會產生光生電流,這就是光伏電池的基本工作原理。光生電動勢的開路電壓可表為:


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


e為電子電荷量,而式中Io為PN結反向飽和電流,Ie則是光伏電池的電流,當PN結兩端短路時,Ie=Ise即為短路電流。


 


1.2太陽能電池板電壓電流的構成


目前商用太陽能電池分單晶硅和多晶硅兩種,光---電轉換效率在12%---15%之間,而太陽輻射到地球的光能,在峰值日照時,平均約1kw/m2,若要產生1kw電能,需太陽能電池板的面積約為1m2/0.12=8.3m2。


    太陽能電池的基本組件是電為0.5V的電池單元,一個18V電池板可由18V/0.5V=36片電池單元串接構成。輸出電流則可用電池單元阻件并接來實現要求的數值。


 


2.太陽能路燈設計規則


2.1太陽能路燈照明系統的構成


    這里所指的太陽能供電的照明系統,是指用LED作光源的非電網供電的離網照明燈具。即白天光生電,夜晚電生光的自循環照明系統。它由:


    (1)太陽能電池板---用于將太陽能轉成電能;


    (2)蓄電池---用于儲存所轉換的電能;


    (3)充放電管理器---控制對蓄電池充電和放電;


    (4)燈具(光源) ---晚間照明的光源;


    (5)燈桿及支架---用于合適的道路。


    五個部分構成。






圖1 離網式太陽能燈具構成框圖






圖2 太陽能路燈系統組件






2.2主要部件的設計依據


離網太陽能路燈照明系統的設計,是建立在下述幾方面要求的基礎上進行的:


    (1)燈具的功率(光源功率+供電損耗功率) ;


    (2)燈具連續工作時間(每天/小時) ;


    (3)連續無光照的時間(陰雨天數) ;


    (4)蓄電池浮充、放電特性(或容量百分率) ;


(5)燈具使用地區平均峰值日照時間(小時) 。


注:燈具的功率確定由《道路照明設計國家標準》確定。


 


2.2.1燈具光源功率的確定


    以道路照明燈具為例,光源功率是按照射光場面積S(m2),平均照度E(或平均亮度L),功率密度LPD等的要求,通過計算光通量  Φ,再選用光效lm/w符合要求的LED來構成光源,確定光源功率Pd。


    本項目功率要求計算 :


       S=9m(道路單側寬度)*300m(道路長度)/9(單側安裝燈具數量)


       E=10lx,   S=300M2, 采用?=80lm/w的LED燈具,則此燈具功率可求得為:


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


                Pd=37.5W


   考慮燈具6年使用之后的光衰減70%-80%,則燈具功率為


               PL=37.5w/0.8=46.8W


   取整PL=50W


 


2.2.2太陽能電池組件功率P(so) 、電壓Vo(so)的確定


    燈具功率確定后,要查看用燈地區氣象資料,獲取太陽平均峰值日照時間t1,以及開燈時間t2,同時確定充電損耗系數ρ1,按下式求得太陽能電池板功率P(so) :


              P(so)=(PL*t2*ρ1)/t1


    本項目設計計算:


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


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


    取整   P(so)=180W--200W


    若蓄電池用12V,則要求太陽能電池工作電壓Vo(so)為18V,此時工作電流I(so)=200w/18V=11.12A。


t1=4.5h,為長江中下游附近地區日照系數。


 


2.2.3蓄電池的確定


確定了燈具、太陽能電池板的設計要求后,就可對儲能蓄電池的容量進行設計確定,即計算其伏安小時:


         Eh(Ah)=(PL*t2*ρ2*t3)/Ve


    式中:Eh---電池容量(ah),


                     t3---陰雨連續天數,


                     ρ2---放電損耗系數1.5-2,


                     Ve---電池電壓。


    本項目進行測試,可求得:


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


可選12V,320Ah--360Ah膠體鉛酸蓄電池。


 


2.2.4對控制器的要求


太陽能LED路燈的電路設計中,控制器是一個關鍵部件,這個控制器要求能實現如下功能:


(1)開關燈控制:按太陽光對太陽能電池板的照度設定開燈與關燈的自動控制電路;


(2)亮度調節:當燈點亮起,計時5小時,使光源功率減半(且時間可調);


    (3)過充保護:當蓄電池電量較足時,控制充電電流,保持維持充電電流的值,當蓄電池電量較低時,使充電電流達最大,并隨電量增高而減小,并設有過充電保護。


    (4)欠壓保護:控制器在蓄電池放電到最低允許容量時,將關閉光源供電回路,具有過放電保護功能。


 


2.2.5對蓄電池保護的要求


對于大容量鉛酸蓄電池,為延長其工作壽命(12年),不能采用過量充電或放電,亦即應處于浮充、放狀態,即充放電量在總容量的30%---40%范圍內,這就要充放電控制器來管理。


    每次放電在:320Ah*0.4≤128Ah。


    50w、12V的燈,每天工作10h的用電量為:


             (50w/12)*10*1.5=62.5Ah


    每天可充電量為:


             ( 180w/18V)*4.5h=45Ah


上述充放電量低于總容量的20%,處于浮充放狀態,可確保電池壽命,即使5天陰雨天,此時放電為62.5*5=312.5Ah≤320Ah,但過后恢復時間要長一些,好在通常控制器會設置開燈5h后燈功率減半。






圖3路燈控制器設定的功率時間曲線






3.本項目路燈太陽能路燈參數


(1)燈具功率:50W


(2)開燈時間:10h


(3)連續陰雨天亮燈天數:5天


(4)太陽能電池功率:180W--200W/18V


(5)蓄電池容量:12V,320Ah-360Ah


(6)控制器功能:根據日間亮度,定時開關燈時間7-10h可選擇;實現定時燈具亮度調節。
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