太阳能路灯科研究报告doc.docx
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太阳能路灯科研究报告doc
山东蓝晶易碳新能源有限公司
LED光伏户外照明系统
可
研
究
性
分
析
报
告
山东蓝晶易碳新能源有限公司
2013-09-25
一、概述
1、太阳能发电的前景
开发新能源和可再生清洁能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定性影响的五项技术领域之一。
充分开发利用太阳能是世界各国政府可持续发展的能源战略决策,其中阳光发电则最受瞩目。
大力开拓市场应用。
面对能源的急缺与全球性的金融危机,众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划,推动光伏技术和产业的发展。
各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税收政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格,为光伏市场的发展提供了了良好的基础。
2、太阳能路灯与LED光源的优势
路灯是我们日常生活中最常见的东西,它给我们夜晚的生活带来光明。
现在美观的路灯把城市的夜晚装点得多姿多彩。
但路灯是一个耗电大户,由于路灯的低压输电线路长,不仅路灯耗电,输电线路上的耗电也很大,特别是远离电源点的市郊公路和高速公路更是耗电大户。
所以,我国很多市郊公路和高速公路都没安装路灯。
实际上,市郊公路和高速公路没有路灯带来了许多安全问题。
目前,在北京、上海、大连等发达城市正在大力推广太阳能路灯系统。
太阳能照明灯安装简便:
太阳能灯具安装时,不用铺设复杂的线路,只要做一个水泥基座,然后用防锈螺丝固定就可。
太阳能照明灯具无需电费:
太阳能照明灯具是一次性投入,无任何维护成本,长期受益。
太阳能照明没有安全隐患:
太阳能灯具是低压产品,运行安全可靠。
太阳能照明安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性,为市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。
太阳能路灯是一个自动控制的工作系统,只要设定该系统的工作模式就会自动运行工作。
太阳能路灯是理想的道路照明灯具,随着人们生活的提高和社会的不断发展,它将被广泛利用,使太阳赐给大地的光明在夜晚为人类照明。
太阳能路灯可以说是集光、电、机械、控制等技术为一体,常常与周围的优美环境融为一体。
设计时,除了要着重考虑其外观、结构合理、与环境协调以外,还要进行细致、科学的优化设计,合理地确定太阳电池组件、蓄电池的容量以及负载功率的大小,以保证系统稳定可靠地工作,又能达到最好的经济效益。
随着太阳能照明的核心产品,光伏电池组件的生产成本不断的降低,最众多的无电道路上安装太阳能照明灯具,已经是大势所趋。
众所周知,因使用传统(不可再生)能源(产生CO2、SO2及固体垃圾等)引起的南极空洞、酸雨、厄尔尼诺、大气污染、水体污染、土壤污染、海洋污染等环境问题使人类的生存环境面临巨大的挑战。
不仅如此,据世界权威机构及专家推测,作为目前传统能源结构主体的煤炭、石油、天然气等按目前速度开采下去将在百年内开采殆尽。
因此,节能和环保问题己经成为世界各国共同面对的重要问题。
在众多的节能环保技术发展应用中,在照明领域,LED照明产品的研发应用正吸引着世人的目光。
LED照明技术是上世纪60年代发明的技术,它是利用半导体芯片作为发光材料,直接将电源转换成光能的发光器件,与传统的白炽灯、节能灯相比,它具有节能、环保、寿命长、体积小、色彩丰富和安全等特性,初期仅能用于被动照明(如景观灯、信号灯、指示灯),随着技术的发展已可用于主动照明,被称为第四代照明光源或绿色光源,可以说,LED照明技术是人类照明的第三次革命,具有全面取代传统光源可能性。
因此,二十一世纪将进入LED照明光源时代。
二、项目主要目标产品及主要优势
1、项目主要目标产品
高效LED户外照明系统-----太阳能路灯
2、主要优势
LED的工作电压是直流,且工作电压较低。
当利用常规供电系统(交流电,110V,220V,380V等)作为LED电源时,必须将电源转变成抵押、直流电才能使用,这不仅增加了照明系统成本,同时又降低了能源的利用率。
太阳能组件是将光能转化为直流电能的,且太阳能电池组件可以通过串、并联的方式任意组合,得到实际需要的电压,这一点恰恰是与LED相匹配而传统供电系统所无法达到的。
如果将太阳能电池组件与LED相结合,将无需任何的逆变器进行交、直流或高、低压的转换,这种系统将获得很高的能源利用率、较高的安全性和可靠性。
所以,利用清洁的,取之不尽、用之不竭的太阳能作为能源,与功率低、寿命长(8万小时)、光效高、反应速度快、环保的LED相结合,将在直流低电压条件下实现节能、环保、安全、高效的照明系统,太阳能组件与LED可实现十分完美的结合。
LED光源用于光伏照明的独特优势:
1、太阳能组件是将太阳能转化为电能的半导体器件PN结,而LED是一种将电能转化为可见光的半导体器件PN结,因此作为集成了太阳能光伏发电和LED光源的照明系统。
从PN结发电,再到PN结发光是新一代能源和新一代光源的完美结合。
两者同为直流工作状态,具有电压低并能互相匹配的特点,使得两者结合不需要变频器和逆变器等将直流电变交流电的过程,因此大大提高了整个照明系统的效率,降低了功耗和系统成本。
2、LED光源同蓄电池的匹配还可以做到功率的自适用。
在太阳能辐射不足的几个里,由于蓄电池的充电不足,使蓄电池放电时端电压也较低,使负载工作电流较小,功率也小,这样系统能够工作较长时间。
反之,在太阳辐射比较充足的时候,负载工作电流较大,功率也大,照度会更高。
3、LED特别适合使用在太阳能路灯照明,因为LED具有较强的发光方向性,而路灯照明无需光源全立体角发光,只要将灯杆下相应面积的地面照亮即可。
全立体角发光的光源用在路灯实质是一种能源浪费,因此LED灯的效率更高。
4、LED灯具的使用寿命是普通荧光灯的20倍,开关次数是荧光灯的3倍以上。
5、通过实际实验对两种灯进行比较,16W的LED日光灯与市面上42W的荧光灯在单一方向上的照度相当,实际照明效果几乎完全一致,但LED灯具的耗电功率要比荧光灯低很多,节能效果显著。
综上所述,本项目的目标产品高效LED光伏户外照明系统的开发真正实现最大限度的绿色环保理念。
另外,太阳能LED照明产业化技术可结合城市科技、经济和城市建设、特别是能源与环境方面的发展规划,将LED照明与发展节能技术、可再生洁净能源利用和新型绿色照明灯具推广等统筹考虑,开发出更多高效的户外照明系统。
三、太阳能路灯概述
1、系统组成
太阳能路灯系统可以保障阴雨天气8天以上正常工作!
它的系统组成是由(包括支架)、LED灯头、太阳能灯具控制器、蓄电池(包括蓄电池保温箱)和灯杆等几部分构成。
太阳能电池板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。
LED光源
⒈发光效率高,耗电量小,使用寿命长,工作温度低。
2.安全可靠性强。
⒊反应速度快,单元体积小,绿色环保。
⒋同亮度下,耗电是白炽灯的十分之一,荧光灯的三分之一,而寿命却是白炽灯的50倍,荧光灯的20倍,是继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明产品。
⒌单颗大功率超亮度LED的问世,是LED应用领域跨至高效率照明光源市场成为可能,将是人类继爱迪生发明白炽灯后最伟大的发明之一。
电池板支架
1.倾角设计
为了让太阳能组件在一年中接收到的太阳能辐射能尽可能的多,我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。
关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨,在一些学术刊物上出现得不少。
本次路灯使用地区为日照地区,选定太阳能电池组件支架倾角为45°。
2.抗风设计
在太阳能路灯系统中,结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。
抗风设计主要分为两大块,一为电池组件支架的抗风设计,二为灯杆的抗风设计。
下面按以上两块分别做分析。
⑴太阳能电池组件支架的抗风设计
依据电池组件厂家的技术参数资料,太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。
若抗风系数选定为27m/s(相当于十级台风),根据非粘性流体力学,电池组件承受的风压只有365Pa。
所以,组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。
所以,设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。
在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。
⑵路灯灯杆的抗风设计
路灯的参数如下:
电池板倾角A=45°,灯杆高度=5m
设计选取灯杆底部焊缝宽度δ=4mm灯杆底部外径=168mm
焊缝所在面即灯杆破坏面。
灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为
PQ=[5000+(168+6)/tan16o]×Sin16o=1545mm=1.545m。
所以,风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M=F×1.545。
根据27m/s的设计最大允许风速,2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。
考虑1.3的安全系数,F=1.3×730=949N。
所以,M=F×1.545=949×1.545=1466N.m。
根据数学推导,圆环形破坏面的抵抗矩W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)。
上式中,r是圆环内径,δ是圆环宽度。
破坏面抵抗矩W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)
=π×(3×842×4+3×84×42+43)=88768mm3
=88.768×10-6m3
风荷载在破坏面上作用矩引起的应力=M/W
=1466/(88.768×10-6)=16.5×106pa=16.5Mpa<<215Mpa
其中,215Mpa是Q235钢的抗弯强度。
所以,设计选取的焊缝宽度满足要求,只要焊接质量能保证,灯杆的抗风是没有问题的。
控制器-控驱一体
太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。
基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控、防反接、充电涓流保护、欠压保护、防水保护等。
蓄电池防过充、过放保护电压。
1)器件选用
在选用器件上,目前有采用单片机的,也有采用比较器的,方案较多,各有特点和优点,应该根据客户群的需求特点选定相应的方案,在此不一一详述。
2)表面处理
该系列产品采用静电涂装新技术,以FP专业建材涂料为主,可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求,同时产品自洁性高、抗蚀性强,耐老化,适用于任何气候环境。
加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装,使产品性能大大提高,达到了最严格的AAMA2605.2005的要求,其它指标均已达到或超过GB的相关要求。
3)充电涓流保护
太阳能电池板对蓄电池充电时,蓄电池在达到峰值电压后,如果继续高压充电容易造成蓄电池的失水或失控;如果停止充电时,蓄电池又无法饱和。
此款控制器在充到峰值电压后立即降压1V,然后进入涓流充电状态,保证了蓄电池可以稳定于饱满状态,同时又避免了失水或失控,类似于对蓄电池进行循环充,不仅高效的保护了蓄电池,还提升了蓄电池的充电次数,使用寿命更长。
工作原理太阳能路灯工作原理说明:
白天太阳能路灯在智能控制器的控制下,太阳能电池板经过太阳光的照射,吸收太阳能光并转换成电能,白天太阳电池组件向蓄电池组充电,晚上蓄电池组提供电力给LED灯光源供电,实现照明功能。
直流控制器能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏,同时具备光控、时控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。
本产品无需铺设地下线缆,无需支付照明电费,太阳能庭院灯所采用的关键部件太阳能电池板、太阳能直流路灯智能控制器、免维护蓄电池、照明灯具均经过国家发改委/GEF/世界银行光伏产品认证。
主要适用于城市道路、小区广场、工业园区、旅游景区、公园绿化带等场所的亮化照明。
与市电路
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