1、酒 泉 職 業 技 術 學 院畢業設計（論 文） 2011 級 太陽能應用技術 專業題 目： 太陽能LED路燈系 統的分析與設計 畢業時間： 二O一四年六月 學生姓名： 楊玉強 指導教師： 胡國武 班 級： 11太陽能 2013 年 6月20日酒泉職業技術學院 2014 屆各專業畢業論文（設計）成績評定表姓名楊玉強班級11太陽能專業太陽能應用技術指導教師第一次指導意見年 月 日指導教師第二次指導意見年 月 日指導教師第三次指導意見年 月 日指導教師評語及評分 成績： 簽字（蓋章） 年 月 日答辯小組評價意見及評分成績： 簽字（蓋章） 年 月 日教學系畢業實踐環節指導小組意見簽字（蓋章） 年 月

2、 日學院畢業實踐環節指導委員會審核意見簽字（蓋章） 年 月 日目 錄摘要1一、引言2二、太陽能LED路燈系統2（一）太陽能LED路燈系統的構成2（二）太陽能LED路燈工作原理3（三）LED燈具介紹3三、太陽能LED路燈系統分析4（一）LED路燈系統電路圖4（二）太陽能電池組件5（三）蓄電池6（四）太陽能控制器6（五）照明負載（LED燈具）6四、太陽能LED路燈系統的設計7（一）LED系統設計要求7（二）LED系統設計思路7（三）LED系統設計原理7（四）LED路燈系統設計方案選擇8（五）LED路燈系統參數設計及計算81.LED燈具的布局及高度計算82.LED光源照度的計算93.LED路燈配置計

3、算9五、設計總結10參考文獻10致謝1212太陽能LED路燈系統的分析與設計摘要：在世界能源短缺、環境污染日益嚴重的今天，充分開發利用太陽能是世界各國政府可持續發展的能源戰略決策,節能成為了社會生活的主題。道路照明與人們生產生活密切相關，隨著我國城市化進程的加快，綠色、高效、長壽命的LED路燈逐漸走入人們的視野。與傳統的照明工具相比，超高亮白光LED照明源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環保等方面有不可比擬的優越性，再加上太陽能燈具的節能性和安裝簡便，所以凡有工頻交流電燈具的地方，LED燈具的觸角就會到達，21世紀將是以固體發光材料為核心的，即以LED為代表的新型光

4、源、綠色照明的世紀。今后,隨著各國政府的高度重視和加大投入，太陽能LED路燈必將成為本世紀極具競爭力的新型綠色環保光源而掀起一次照明領域新的革命。太陽能LED道路照明燈不需要架設輸電線路或挖溝鋪設電纜，不用專人管理和控制，可安裝在廣場、停車場、高爾夫球場、校園、公園、街道和高速公路等任何地方。本文設計了一種具有時控和光控相結合的太陽能路燈控制器，利用光敏電阻實現光電控制。傍晚光線暗時控制器自動接通路燈電源，深夜行人少時根據設置的時間熄滅路燈，早上再自動接通電源點亮路燈、天亮后自動關斷。關鍵詞：太陽能電池；LED；鉛酸蓄電池；時控、光控電路一、 引言面對人類的可持續發展，從現有常規能源向清潔、可

5、再生的新能源過渡已經是必要趨勢。因為新能源是依托高新技術的發展，開辟持久可再生能源的道路，以滿足人類不斷增長的能源需求，并保護地球的潔凈。而太陽能發電，既不需要燃料，也沒有煙塵和灰渣，不污染環境，非常清潔，是新能源領域重要發展的方向，并且太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的。在世界能源短缺、環境污染日益嚴重的今天，充分開發利用太陽能是世界各國政府可持續發展的能源戰略決策。與傳統的照明工具相比，超高亮白光LED照明源體積小、重量輕、方向性好并可耐各種惡劣條件，在功耗、壽命以及環保等方面有不可比擬的優越性，再加上太陽能燈具的節能性和安裝簡便，并且不需要架設輸電線路或挖溝鋪設電纜，不用專人管理和控制。所

6、以太陽能LED燈必將成為本世紀極具競爭力的新型綠色環保光源而掀起一次照明領域新的革命。太陽能LED路燈發展狀況：當前國際常規能源價格不斷上漲，國內能源供應緊張，許多城市出現拉閘限電的尷尬，能源替代已上升到國家能源戰略安全的高度，太陽能作為無限可再生能源，逐步部分替代城市生產、生活常規能源已是大勢所趨。目前中國太陽能照明技術已經比較成熟，太陽能LED路燈的可靠性得到很大程度的提高，業界先進企業的太陽能LED照明燈具已經達到甚至超過國家照明標準，在能源緊張， 拉閘限電的城市及用電困難的邊遠地區，有著很強的可推廣性。 從長遠來看，太陽能LED照明系統的前景很好，人們的消費著眼點首先是實用、成本低，而

7、目前采用的太陽能發電照明系統是根據中國國情和民情研發的，性價比較高，太陽能LED照明在未來十年后將會普及，成為未來照明行業發展趨勢。二、太陽能LED路燈系統（一）太陽能LED路燈系統的構成太陽能LED路燈系統由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱（包括控制器和蓄電池）和燈桿幾部分構成，如圖1。控制箱箱體以不銹鋼為材質，美觀耐用；控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器，充放電控制器在設計上兼顧了功能齊備（具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等）與成本控制，實現很高的性價比。圖1 LED太陽能路燈系統的構成（二）太陽能LED路燈工作原理系統工作原理：太陽能LED路燈在白天

8、通過太陽能電池組件“光生伏特效應”采集太陽光的能量，并將其轉化為電能存儲起來，即向蓄電池充電，在晚上光線較暗時由蓄電池經路燈控制處理器控制，點亮LED燈用于路燈照明，在夜深時由太陽能智能控制器控制其關閉。（三）LED燈具介紹LED外施電壓后在其內部會產生受激電子躍遷光輻射。按照不同半導體基本材料的物理特性，所產生的光波長是不同的，發光二極管的實質性結構是PN結，在半導體PN結通以正向電流時注入少數載流子，少數載流子的發光復合就是發光二極管的工作機理。半導體PN結發光實質為固體發光，而各種固體發光都是固體內不同能量狀態的電子躍遷的結果，白光LED通常是在發射藍光的InGaN基材上涂熒光材料，熒光

9、材料在受到藍光激勵時會發出黃光，藍光和黃光的混合物形成白光。超高亮白光LED應用于太陽能燈具，單個束光型超高亮度LED發光管其產生的光線方向性太強，綜合視覺效果較差，因此應首選平光型超高亮LED或平光型與束光型超高亮LED組合使用，將多個LED集中于一起，排列組合成一定規則的LED發光源。超高亮白光LED發光源既要保證有一定的照射強度，又要使其具有較高的光效，然而電流的增大，光通量雖然增大，但是，另一方面電流的增加會引起光源熱損耗的增加，通常導致管溫的增加，其綜合效果是光效降低，所以把光通量和光效的交合點為最佳工作點，一般為17.5mA 。超高亮白光LED發光源具有如下優點 ：1.壽命長。LE

10、D的壽命長達100000h，而白熾燈的壽命一般不超過2000 h，熒光燈的壽命也不過5000 h左右。2.效率高。相對于傳統的第一代照明光源白熾燈，LED的功耗只有前者的1020。3.綠色環保。與廣泛使用的第二代照明熒光燈相比，LED不含汞、無頻閃，是一種環保光源。4.耐低溫。環境使用溫度在一4080 ，環境適應性非常強7。5.LED燈輸出功率調節。在太陽能應用的燈具當中，LED燈是最適合通過脈寬調節來實現輸出不同的功率。限制脈寬或者限制電流的同時，對LED燈整個輸出的占空比進行調節，經長期試驗證明，脈寬調節方式的LED燈，整燈產生的熱量要小的多，能夠延長LED的使用壽命。LED由于自身的特性

11、，必須要通過技術手段對其進行恒流或限流，否則無法正常使用。常見的LED燈都是通過另加一個驅動電源來實現對LED燈的恒流，但是這個驅動卻占到整個燈總功率的10-20左右，在計算電池板功率和蓄電池容量的時候，必須多加1020來滿足驅動所造成的功耗。工業版控制器通過軟件進行無功耗恒流，穩定性高，降低了整體功耗。三、太陽能LED路燈系統分析（一）LED路燈系統電路圖根據各部分電路的功能不同，LED路燈系統電路可以分為以下幾個部分，太陽能電池板組件、過充過放電控制電路、STC12C2051單片機、蓄電池、時控光控電路、LED燈和時間顯示電路。系統電路圖如圖2所示。由太陽能電池板通過7805穩壓電路為單片

12、機供電，并通過為蓄電池充電，當蓄電池電壓較低時其容量損耗得很快，使用壽命也會縮減，為延長蓄電池的壽命，要防止蓄電池出現過充或過放，因此本電路加的有過充過放控制電路。太陽能電池池板充放電控制器太陽能蓄電池智能控制器LED路燈負載圖2 系統電路圖（二） 太陽能電池組件在新能源中，公認技術含量最高、最有發展前途的是太陽能發電。將吸收的太陽輻射熱能轉換成電能的裝置，可分為兩類：一類是太陽能熱電直接轉換；另一類是太陽能熱動力發電，是將太陽熱能通過熱機帶動發電機發電，其基本構成包括集熱裝置、儲能系統、熱機和發電機等。(1) 太陽能光發電：直接將太陽的光能轉換成電能的利用方式，可分為光伏發電、光感應發電、光

13、化學發電和光生物發電。目前應用的光伏發電，是根據“光生伏特”效應直接將照射到太陽能電池上的光能轉換成電能輸出，一般由太陽能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點是：能量密度底、轉化效率底、受自然條件和氣候環境因素影響大、初始投資高和間歇性工作。目前，光伏發電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產品(太陽能充電器、太陽能燈具等)；并網發電。(2)太陽能電池板分為晶體硅（包括單、多晶硅）電池組件、非晶硅薄膜電池組件及砷化鎵電池組件。為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。通過Hay模型的計算，可以得到的不同傾角

14、平面的月平均太陽輻照量變化。（三）蓄電池蓄電池組是太陽能LED路燈系統的儲能裝置，其作用是將白天有日照時發出的電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負載使用。一般容量要能在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量，目前常用的是鉛酸蓄電池。蓄電池是一種化學電源，它將直流電能轉變為化學能儲存起來。需要時再把化學能轉變為電能釋放出來，由于光伏系統的功率輸出每天都在變化，在日照不足發電很少或需要維修光伏系統時，蓄電池也能夠提供相對穩定的電能，因此在太陽能LED路燈系統中，蓄電池對系統產生的電能起著儲存和調節作用。LED路燈系統采用鉛酸免維護蓄電池，不需專門的維護；即便傾倒電解液也不會溢出，不向空氣

15、中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。（四）太陽能控制器太陽能控制器采用高速CPU微處理器和高精度A/D模數轉換器，是一個微機數據采集和監測控制系統。既可快速實時采集光伏系統當前的工作狀態，隨時獲得PV站的工作信息，又可詳細積累PV站的歷史數據，為評估PV系統設計的合理性及檢驗系統部件質量的可靠性提供了準確而充分的依據。此外，太陽能LED路燈系統控制器還具有串行通信數據傳輸功能，可將多個光伏系統子站進行集中管理和遠距離控制， 而且還對蓄電池有過充放保護作用。過充控制，就是在蓄電池處于過充狀態時斷開充電電路，過放控制電路就是在蓄電池處于過放狀態時斷開放電電路。太陽能LED路燈系統控制器選擇時要特別注意

16、其額定工作電流必須同時大于太陽電池組件的短路電流和負載的最大工作電流。（五）照明負載（LED燈具）由于LED是直流供電器件，很容易制成直流燈具，廣泛應用于直流系統，如太陽能燈具產品。超高亮白光LED應用于太陽能燈具，單個束光型超高亮度LED發光管其產生的光線方向性太強，綜合視覺效果較差，因此應首選平光型超高亮LED或平光型與束光型超高亮LED組合使用，將多個LED集中于一起，排列組合成一定規則的LED發光源。四、太陽能LED路燈系統的設計（一） LED系統設計要求一個設計得好的太陽能LED路燈系統，其設計標準為： 1.能穩定、可靠的給計劃負載（LED燈源）供電；2.根據使用地的地理位置、輻射條

17、件選擇好方陣的最佳傾角，以使太陽能電池板獲得最佳的輻射度，并在一年中有時間上的均勻性； 3.太陽能電池方陣和蓄電池的選配是優化經濟的； 4. LED路燈系統的整體設計安全可靠（抗風和防雷）； 5.盡量延長提高LED路燈系統蓄電池壽命； （二）LED系統設計思路1.太陽能輻照度和LED燈距的計算。2.太陽能電池板功率及容量和蓄電池組容量的計算和選用。3.蓄電池電量、充放電控制和充放電狀態顯示。4.連續陰雨天三天LED路燈仍能照明。5.光線暗時路燈自動點亮，為節省電能晚上24點熄滅，早上5點路燈點亮，早上光線強時路燈自動熄滅（開關燈時間點可調）。6. LED路燈系統斷電時可以保存用戶所設定的各種參

18、數。7. LED路燈系統的抗風和防雷擊能力。8. LED路燈系統地基及蓄電池安裝（考慮北方冬天的凍土及防水）。（三）LED系統設計原理太陽能LED路燈系統的設計包括兩個方面：容量設計和硬件設計。太陽能LED路燈系統容量設計的主要目的就是要計算出系統在全年內能夠可靠工作所需的太陽電池組件和蓄電池的容量。同時要注意協調系統工作的最大可靠性和系統成本兩者之間的關系，在滿足系統工作的最大可靠性基礎上盡量地減少系統成本。太陽能LED路燈系統硬件設計的主要目的是根據實際情況選擇合適的硬件設備包括太陽電池組件的選型，支架設計，電纜的選擇，控制系統的設計、防雷設計、照明和照度設計等。在進行太陽能LED路燈系統

19、的設計之前，需要了解并獲取一些進行計算和選擇必需的基本數據：太陽能LED路燈系統現場的地理位置，包括地點、緯度、經度和海拔，還有該地區的氣象資料等。（四） LED路燈系統設計方案選擇太陽能LED路燈跟普通路燈控制電路功能基本一樣，都是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈的作用,還有就是對蓄電池的充電管理。國內外常用的控制器有單獨的光控制型、時鐘控器型等，但由于其工作原理不同，各有優缺點。單獨的光控型一般采用感光探頭，當晚上光線弱時，自動開啟路燈；早上光線較強時，自動關閉路燈，達到自動控制的作用。優點是系統通過光照強度來控制燈開、關，不用根據季節的變化和特殊的天氣情況自動變換開關時間。但在實際使用中，感光

20、探頭難以判斷各種干擾光線，經常會產生誤動作，產生一定的浪費1。單獨的時鐘控型的控制器，要預先設定開關時間，使路燈按時亮燈、準時熄燈，從而達到自動控制的目的。優點是定時開關預先設定的開關時間不受外界干擾，除本身故障外不會產生誤動作。缺點是不能根據季節變化和特殊的天氣情況自動變換開關時間，需人工經常調整開關時間，費時費力，不利于節省電力。路燈的智能控制這一課題己有研究者，但目前尚未有成熟的產品上市。本設計是結合以上幾種控制方式的優點，綜合從節電、經濟和實用等方面考慮，利用定時控制和光敏電阻控制相結合的方式，實現太陽能LED路燈系統的設計。（五）LED路燈系統參數設計及計算LED路燈系統容量的設計及

21、計算是整個系統的重要一步，是關乎系統能否正常運行及系統整體的使用問題。1.LED燈具的布局及高度計算根據道路的寬度、照明要求不同，一般有三種安裝布燈方式：單側布制；雙側交錯布置；雙側對稱布置。LED燈具的安裝高度（H）、間距（S）、與路寬（W）和布置方式間的關系如表1燈具布置方式安裝高度（H）間距（S）單側布制（0.8-1）W(4-5)H雙側對稱布置(0.4-0.5)W(4-5)H雙側交錯布置（0.6-0.7）W(4-5)H表1 燈具安裝方式LED道路燈燈桿的安裝高度要根據燈具的高度、道路周圍樹木和建筑物高度以及電池組件的形狀、尺寸等確定，一般要比燈具的高度高1-1.5米。燈具的懸臂長度不宜超

22、過安裝高度的1/4，燈具的仰角不宜超過15º。2.LED光源照度的計算光源功率要根據道路照明照度要求及光源效率確定。光源照度計算公式為； 其中，E為光源照度；為總光通量；U為利用系數（有LED燈具利用系數曲線查出）；K為維護系數；W為道路寬度；S為路燈安裝間距；N為與排列方式有關的數據。3.LED路燈配置計算（1）系統電壓的確定。太陽能路燈光源的直流輸入電壓作為系統電壓，一般為12V或24V，在條件容許的條件下，要盡量提高系統電壓，以減少線路損耗。(2)光伏組件的容量計算。組件容量計算公式為：其中，P為光伏組件功率；1.43是太陽電池組件峰值工作電壓與系統電壓的比值；兩個0.85分別

23、為蓄電池的庫倫效率和光伏組件衰減、方陣組合損失、塵埃遮擋等綜合系數。例如；光源功率為18W，每天工作8h，當地天日照時數為4.0h，則需要的光伏組件功率為=71.25W具體功率選擇要根據光伏組件規格進行，如選擇75W。（3）蓄電池組容量的計算。 首先根據當地的陰雨天情況確定選用的蓄電池類型和蓄電池的存儲天數，一般北方的存儲天數為3-5天，西部少雨地區可以選擇2天，南方的多雨地區可以適當的增加存儲天數，容量計算公式：例如；光源功率為18W，每天工作8h，蓄電池存儲天數為3天，放電深度一般取為0.5-0.7，則需要的蓄電池容量為=68Ah根據系統電壓和容量的要求選配蓄電池，如選擇12V/65Ah或12V/75Ah。五、設計總結本次畢業設計的太陽能路燈設計是針對已經存在的路燈進行改進，首先采用了太陽能電池作為能源，以達到環保節約的目的。設計中使用了光控和時控相結合的方法，避免了光控方法易受干擾，時控需頻繁設置時間的麻煩，為了節約用電，在深夜行人較少時路燈根據設置的熄燈時間熄滅，早上行人多時根據設置的開燈時間亮燈，其次內部設置有蓄電池，用于保證在陰雨天氣供電。本設計需要改進的地方有由于蓄電池自身的容量限制，不能保證在陰雨天長時間對外供電，為了保證一些重要場合的照明要求，特對LED路燈系統進行了優化設計（風光互補）。太陽能風光互補發電系統是一種風能和