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太阳能路灯毕业论文
太阳能路灯的优化设计与经济性评估
摘要
全球的能源短缺、环境污染、气候变暖等问题正日益困扰着人类社会,“寻求绿色替代能源,实现可持续发展”已成为世界各国面临的共同课题。
太阳能光伏发电不排放CO2和SO2等污染性的气体,也没有常规发电的噪音、固体废物和其他污染,是当前最重要的可再生能源技术之一。
随着太阳能发电技术的不断发展,太阳能路灯以环保、节能、安全等优势成为城市道路照明行业的新宠,市场潜力巨大。
在不同地区,诸如城市或乡村,对太阳能路灯照明密度的要求不同,本论文主要通过研究太阳能路灯及太阳能电池的工作原理,太阳能电池的基本特性及太阳能路灯系统的优化设计,根据不同的要求主要从实用性和经济性方面考虑选择出适合本地区需求的相应容量的太阳能光伏电池以及太阳能光伏电池配置。
关键词:
太阳能路灯,光伏电池,优化设计
StudyontheSelectionofphotovoltaiccellssolarstreetlamp
Abstract
Global energy shortages, environmentalpollution, climatewarmingand otherissuesareincreasinglytroubledby thehuman society,"tofindthegreen alternative sourcesofenergyandachieve sustainable development"hasbecomeacommontaskfacing allcountries intheworld. Solar PVdoesnotemitCO2andSO2,thereisnonoiseof conventionalpowergeneration,solidwasteandother pollution,isthemostimportantrenewableenergytechnologies.With thecontinuous development ofsolarpower technology, solarenergystreet lamp toenvironmentalprotection,energysaving,securityand otherbenefitsto becomethenewdarlingofcityroadlightingindustry,themarkethasgreat potential.Indifferentregions,suchas cities orruralareas, thedensity of solarstreetlightingrequirementsare different,this thesis bystudyingthe solar lightsandsolarcell works,thebasiccharacteristicsof solarcells.According todifferentrequirements,mainlyfrom thepracticalandeconomicconsiderationsdemandforchoicein theregionsuitablefor thecorresponding capacityofsolarphotovoltaiccellsandsolarphotovoltaic cellsconfigured.
Keywords:
solarllight,PV,optimization
摘要ﻩI
AbstractII
1、绪论ﻩ-1-
1.1我国太阳能资源及分布ﻩ- 1-
1.2国内外光伏发电发展现状ﻩ-2-
1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点- 3-
1.2.2我国光伏产业发展现状-3-
1.2.3太阳能路灯的优势-4-
2、太阳能路灯的工作原理及组成-5-
2.1太阳能路灯照明系统的工作原理ﻩ-5-
2.2太阳能路灯系统的组成ﻩ- 5-
2.2.1太阳能电池-5-
2.2.2蓄电池ﻩ-6 -
2.2.3控制器-7-
3、太阳能路灯系统的设计ﻩ-9-
3.1太阳能路灯系统的设计原则ﻩ-9 -
3.3太阳能路灯具体设计ﻩ-12-
3.4太阳能路灯安装- 14-
4、太阳能路灯系统的技术经济评价ﻩ-17-
4.1太阳能路灯系统初始投资费用分析-17-
4.2太阳能路灯系统收益分析-18-
4.3太阳能路灯寿命期净现值的计算-19-
4.4结论-20-
5、太阳能路灯系统投资回收期计算-21 -
5.1动态投资回收期- 21-
5.2 静态投资回收期ﻩ-21 -
6、太阳能路灯系统综合效益评价-22-
6.1节能效益ﻩ-22-
6.2社会效益-22-
6.3环境效益-22-
8、参考文献- 24-
1、绪论
1.1我国太阳能资源及分布
我国的太阳能资源是非常丰富的,但是其资源分布有很大的差异,总体上来说是“西部高于东部,高原大于平原”,按照太阳能资源分布的不同,可以将全国分为五个地区,其中一类地区也就是太阳能日辐照量最丰富的地区,包括西藏的西部,宁夏的北部,甘肃北部,新疆南部,青海西部等,太阳辐射总量6680〜8400兆焦耳/平方米,每天的辐射5.1至6.4KWh/平方米,相当于225至285kg的标准煤燃烧所释放的能量,其中西藏西部的日辐照量最大,最高可达到2333兆焦每平方米;二类地区即太阳辐照量较丰富的地区,主要包括山西西部,内蒙古南部,西藏的东南部,宁夏的南部等地区,约占全国国土的44%;三类地区即太阳辐照量为中等的地区,主要包括,广东南部,甘肃东南部,陕西北部,云南,辽宁,吉林,山西南部,新疆北部等地区,这类地区的日辐照量相当于170至200kg的标准煤燃烧所释放的能量,总面积占全国面积的29.8%。
四类地区即太阳能辐照量较差的地区,这类地区包括安徽南部,广州北部,广西,江西,浙江,湖南等地,每日的太阳辐照量相当于140-170kg的标准煤燃烧所释放的能量;五类地区即日辐照量最差的地区,主要包括四川的大部分地区,和贵州等地,这类地区的日辐照量极少,基本上不适合光伏发电。
具体详情参数见下表:
表1.1全国太阳能总量等级及分布表
图1.1全国水平面太阳能总辐射图
1.2国内外光伏发电发展现状
在1839年,贝克勒尔—位法国学者发现了光伏效应。
在1954年,三位科学家在美国贝尔实验室制研制成第一个太阳能电池——单晶硅太阳能电池。
在可再生能源中,与风能一样,太阳能光伏发电产业也是世界上发展最快的新兴产业之一。
自2000年以来,全球光伏产业连续6年以上的增长率都在30%〜60%以上,2002年全球光伏电池产量560MW/年,2003年同比增长34%,达到750MW/年。
从2004年开始,德国可再生能源法进行了修订,新法案的补贴促进了德国光伏市场的大爆发,随之而来的是发达国家和发展中国家之间的新一轮政策热潮和全球光伏市场的迅速扩张。
2004年全球光伏电池年产量达到1256MW,高达68%的年增长速度,2005年1818MW的产量,速度速率为45%。
2005至2015年全球光伏装机容量
全球光伏装机容量
时间(年)
年度累计(MW)
同比增长率(%)
2015
169,100
23.25
2014
137,200
24.28
2013
110,400
22.8
2012
89,900
33.48
2011
67,350
69.31
2010
39,778
72.63
2009
23,043
44.92
2008
15,901
66.12
2007
9,572
36.47
2006
7,014
29.27
2005
5,426
36.02
1.2.1世界光伏产业的新进展及应用特点
1997年,美国预计在2010年完成百万太阳能光伏屋顶计划。
同样是在1997年,“新阳光计划”也由日本提出,日本计划在2010年生产43亿瓦特的光伏电池。
同年,欧盟于1999年提出“百万太阳能屋顶计划”,德国“十万光伏屋顶计划”,以及低息贷款实施。
近年来,部分发达国家还组织制定了一份关于光伏研发方面的路线图。
在光伏应用和安装上,德国,日本,美国仍然是世界上三个最重要的光伏发电应用市场。
2005年全球太阳能电池组件安装1460MW,比上年同期增长34%。
德国安装了837MW,同比比起一年前增长了超过53%,全球装机容量的57%;日本安装292mw,比它去年同期增长了14%,占全球装机容量的20%;美国安装102mw,占全球装机容量的7%;在欧洲其他地方安装88MW。
世界的装机容量的6%;在世界其他地方安装了146MW,占全球装机容量的10%。
1.2.2我国光伏产业发展现状
在1958年,中国开始研究太阳能电池。
1971年,光伏电池在东方红2号卫星上的应用首次获得了成功。
在1973年,我国才开始了太阳能电池在地面上的应用。
从上世纪70年代到80年代末,由于太阳能电池在地面的应用成本高是非常有限的。
90年代以后,与降低成本的,太阳能电池在工业领域和农村电气化的发展方向。
市场稳步扩大,国家和地方政府也开始大力发展光伏计划。
2002年,国家发展和改革委员会启动了“送电到乡”工程,使中国的光伏市场迅速发展,从23500KW,总装机容量在2001年快速增长,2002年45000KW,到2003年至55000KW。
从2003年到2005年,德国巨大的市场需求使得太阳能光伏产品迅速发展,我国的光伏企业也受到了德国的巨大影响。
得到了迅速发展。
1.2.3太阳能路灯的优势
随着太阳能光伏发电技术的飞速发展,太阳能路灯已被广泛使用在许多城市和农村地区,特别是在没有电网的农村地区,并取得了成功。
太阳能路灯之所以能够发展迅速,与他的好处以及能给人们的生活带来的方便是分不开的。
与普通的常规路灯相比,太阳能路灯的好处不胜枚举,主要优势如下:
①节约能源,太阳能路灯不消耗常规能源,只消耗太阳能,将光能转换为电能使用,资源取之不尽,环境效益良好。
②环境保护,太阳能路灯在工作过程中不产生温室气体和污染性的气体
③使用过程中安全可靠
④经济效益良好,虽然太阳能路灯的相对于其他常规路灯的初始投资比较高,但是在使用过程中不再消耗电费,所以从长远的角度来看,太阳能路灯有着良好的经济效益
⑤使用寿命长,一般来说,一个普通的太阳能路灯系统的使用寿命长达二十年,而且使用过程中一般不会出现故障,所以安全有保障
⑥使用范围广,路灯系统不仅能够用于路边,还可以用作庭院灯,草坪灯等等,可以使用的范围十分广阔。
2、太阳能路灯的工作原理及组成
随着全球能源的日益紧张及越来越恶劣的环境情况,使得太阳能路灯系统在农村及城市都得到了大力的发展,早在70年代,我国就已经在航海上使用过了太阳能电池,为了解决我国西藏、新疆、青海和内蒙等地区的部分无电源地方的照明问题,太阳能路灯得到了飞速的发展,给偏远地区的人民带来了福音。
2.1太阳能路灯照明系统的工作原理
太阳能路等系统的工作原理图:
如上图所示,当太阳能路灯系统在白天时,太阳能电池板将吸收到的太阳能转化为电能,这部分的电能将会被储存在蓄电池中,到了晚上路灯正常工作时,蓄电池将电能释放出来给直流负载供电,如果是给交流负载(灯具)供电,就要通过一个逆变器,将直流电逆变成交流电,然后再给交流负载供电,如果遇到连续阴雨天的情况,蓄电池将不会被充电,直到蓄电池中的电能全部释放完之后该太阳能路灯系统才会停止工作。
2.2太阳能路灯系统的组成
在一般的太阳能路灯系统中没有交流负载,所以在太阳能路灯系统中不需要逆变器,一个完整的太阳能路灯系统主要包括以下几个部分:
(1)太阳能电池板
(2)太阳能控制器(3)蓄电池组(4)光源(5)灯杆及灯具外壳等。
2.2.1太阳能电池组件
太阳能电池的主要作用是将吸收的太阳能转换为电能,他是任何一种光伏系统的核心组成部分,目前比较常用的太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和薄膜太阳能电池,其中单晶硅太阳能电池的准换效率最大,但是造价比较昂贵,所以应用的不是特别广泛,目前应用最广泛的是多晶硅太阳能电池。
目前国际上从多晶硅原料变成适合制造太阳电池硅片的成本是1.50 美元/W,必须采用大容量的晶体生长装置和价格昂贵的多线切割机。
通过探索三种方法,即切薄硅片、扩大平面晶体或者使用聚光,至少可以降低硅片一半的成本。
今后5—10年间有望把硅片成本降到 1美元/W,并在 15—20年间将成本接近0.5美元/W。
所生产的光伏组件的成本会相应从目前的4—5 美元/W到 20年后的1.5美元/W左右。
随着光伏市场的发展,10 年后光伏系统的价格将降到 6美元/W,30年后可接近3美元/W。
如果居民用电的价格在往后的 20年里翻一番,那么民用光电系统的电价到2010年会与常规电价持平。
研究一个太阳能电池的质量就必须要了解它的参数,太阳能电池的基本参数如下:
(1)输出电压
(2)最大输出功率:
即太阳能电池在其最佳工作点工作时所输出的功率
(3)开路电压
(4)短路电流
(5)最大输出工作电压
(6)最大输出工作电流
(7)太阳能电池的效率
(8)太阳能电池的I-V特性曲线
太阳能电池的转换效率是判断一个太阳能电池好坏的根本,太阳能电池的转换效率越大,太阳能电池的性能就越好,相反,太阳能电池的转换效率越小,太阳能电池的性能就越差。
下表显示的是2015全球光伏十大组件制造商排名
排名
公司
产能(GW)
1
天合光能(TSL)
5.5-5.6
2
阿特斯(SCI)
4.6-4.9
3
晶科能源(JKS)
4.2-4.5
4
晶澳(JASO)
3.2-3.5
5
韩华QCells
3.2-3.4
6
First solar
2.8-2.9
7
协鑫集成
2.5-2.7
8
英利绿色新能源
2.5-2.6
9
无锡尚能
1.8
10
昱辉阳光
1.7-1.9
常用的太阳能电池的型号
型号
材料
峰值功率
Pm(w)
峰值电压
Vmp(V)
峰值电流
Imp(A)
开路电压
Voc(V)
短路电流Isc(A)
尺寸(mm)
APM36P5W27x27
多晶硅
5
17.5
0.29
21.5
0.32
265*265*25
APM18M5W27x27
单晶硅
5
8.75
0.57
10.5
0.66
265*265*25
APM36M8W36x30
单晶硅
8
17.5
0.46
21.5
0.52
301*356*25
APM36P8W36x30
多晶硅
8
17.5
0.46
21.5
0.52
301*356*25
APM36M15W49x29
单晶硅
15
17.5
0.86
21.5
0.97
287*487*25
APM36M20W63x28
单晶硅
20
17.5
1.14
21.5
0.97
281*627*25
APM36P20W58x36
多晶硅
20
17.5
1.14
21.5
0.94
356*576*28
APM36M25W48x54
单晶硅
25
17.5
1.43
21.5
1.61
536*477*28
APM36P30W82x36
多晶硅
25
17.5
1.43
21.5
1.61
356*676*28
APM36M35W62x54
单晶硅
35
17.5
2.00
21.5
2.26
537*617*40
APM36P40W67x58
多晶硅
40
17.5
2.29
21.5
2.58
576*670*40
APM36M50W76x54
单晶硅
50
17.5
2.86
21.5
3.23
537*758*40
APM36M65W90x54
单晶硅
65
17.5
3.71
21.5
4.20
537*899*40
APM36M75W120x54
单晶硅
75
17.5
4.29
21.5
4.84
537*1198*40
APM36P80W99x67
多晶硅
80
17.5
4.57
21.5
5.17
670*990*40
APM36P85W120x54
多晶硅
85
17.5
4.86
21.5
5.49
537*1198*40
APM72P120W148x67
多晶硅
120
35
3.43
43
3.88
670*1476*40
APM72M175W158x81
单晶硅
175
35
5.00
43
5.65
808*1580*46
2.2.2蓄电池
蓄电池是光伏发电系统中必不可少的一部分,在白天太阳能电池板正在工作时,将来自于太阳的光能抓化为电能,而蓄电池的作用就是讲这部分的电能进行储存起来,在夜间太阳能路灯系统正常工作时,蓄电池将储存的电能释放出来供给负载使用,蓄电池的技术参数有很多,主要如下:
(1)开路电压和工作电压:
蓄电池的工作电压指蓄电池的外电路有电流通过即蓄电池正常工作时的电压;开路电压指蓄电池在开路状态下时的端电压。
(2)蓄电池的容量:
蓄电池的容量一般以符号C来表示,单位为Ah,用来衡量蓄电池储存电量的大小,蓄电池的容量可以分为实际容量和额定容量。
(3)内阻:
蓄电池的内阻分为极化内阻和欧姆内阻两种。
(4)循环寿命:
蓄电池的一个周期指蓄电池完成一次充放电的过程,蓄电池的循环寿命是指蓄电池所能够承受的循环次数
(5)储存性能:
指蓄电池储存电能的能力
(6)放电速率(7)放电终止电压(8)蓄电池的输出效率
(9)自放电:
蓄电池的自放电是指蓄电池在开路时自动放电的现象
2.2.3控制器
由于太阳能产生的电流是具有波动性的,所以,如果将太阳能电池产生的电流直接供给太阳能蓄电池或者负载,就会很容易造成蓄电池和负载的损坏,会严重的影响他们的使用寿命,所以,这时需要先将电流送到太阳能控制器,采用一些列的专用芯片电路对其进行数字化的调节,并且加入多级充放电保护,这样才可以确保负载和蓄电池的正常使用,对负载供电时,也是让蓄电池的电流先流入太阳能控制器,经过它的调节后,再把电流送入负载。
这样做的目的:
①为了稳定放电电流
②为了保证蓄电池不被过放电
③可对负载和蓄电池进行一系列的监测保护。
若要使用交流用电设备,还需要在负载前加入逆变器逆变为交流。
控制器的主要技术参数
①系统电压:
一般为12V和24V,一些大功率的控制器的系统电压为48V,110V.220V。
②最大充电电流:
太阳能电池方阵输出的最大电流
③电路自身损耗④蓄电池过充电保护电压 ⑤蓄电池充电浮充电压
⑥温度补偿:
一般来说都要求蓄电池具有一定的温度补偿功能,为蓄电池设置更加合理的充电电压,控制器的温度补偿系数一般为
控制器的主要功能:
①自适应式三阶段充电模式 ②充电保护③放电保护④析气调节
⑤超压保护 ⑥过流保护
3、太阳能路灯系统的设计
3.1太阳能路灯系统的设计原则
一、容量设计和硬件设计
太阳能路灯系统容量设计的主要目的是:
计算在全年的太阳能路灯系统,以便能够可靠地工作的太阳能电池板组件和电池容量。
同时,要注意协调最高的可靠性和太阳能路灯系统的成本之间的关系,以降低太阳能路灯系统的初始投资资金尽可能满足最高的可靠性。
根据实际情况,太阳能路灯系统的硬件设计选择合适的硬件设备:
包括太阳能电池组件选择的设计,配套设计,充电控制器,蓄电池,灯具,防雷设计。
在太阳能路灯系统的设计中,既要考虑容量设计和硬件设计的两个方面。
并要求太阳能路灯照明系统具有先进性,完整性,可扩展性,智能化的设计,确保系统安全,可靠,经济
二、太阳能路灯系统的设计思路
太阳能路灯系统设计,首先要根据用电量的电力负荷,判断太阳能电池组件的电源,然后计算太阳能电池,电器,光源设计及设备选型的能力,最后进行了的设计系统的结构和设计,保证了太阳能路灯系统运行的稳定性和可靠性,因此在设计时需要注意以下事项:
(1),太阳能在陆地太阳电池阵列辐射光光谱和强度由大气(空气质量)的地理位置,气候和天气,地形,在不同的时间的能量的厚度有很大的变化,甚至在之间的年辐射的年度总额也有使用的地方赢得理解当地的经度和纬度和太阳辐射变化很大,太阳能路灯照明系统。
为了了解和掌握运用气象资料和比率的数字,如年平均太阳辐射,平均气温,风和雨的数据,在这种情况下可以决定太阳能电池和倾斜角度和方位组成部分的地方标准太阳能峰值日照时数角度。
(2)由于不同的用途,功率消耗,电力消耗时间,不同的要求的可靠性,在太阳能电池的输出功率w直接影响整个系统的运行参数。
由太阳能电池,光强度和浮动电压的影响的温度,太阳能电池阵列的光电转换效率,和三个在一天会改变,因此,太阳能电池的光电转换效率是一个变量和输出与这些因素和一些波动的变化的太阳能电池和功率。
(3)太阳能路灯系统的工作时间h的确定的太阳能路灯的照明系统,太阳能电池模块的关键参数,通过确定工作时间可以是每天耗电量和相应的太阳能电池组件的载荷容量的初步计算。
(4)太阳能路灯系统的连续阴雨天确定电池容量的大小和太阳能电池组件的后阴雨天来恢复该电池的容量D.所需的容量
(5)电池工作在浮动充电状态下,与发电和用电的变化负荷变化的太阳能电池组的电压,电池能量也单独受环境的影响。
(6)太阳能电池充放电控制器的功率消耗会影响工作的效率时,控制器的性能和质量,也涉及到的能量消耗的大小,从而影响路灯系统的效率。
这些因素是非常复杂的,部分的,不能确定的参数的因素,只能用于估计系数的数目。
考虑因素和不同的复杂性,该方法是不一样的。
太阳能路灯系统的优化设计是太阳能电池的环境(即,地理位置现场,太阳辐射,气候,天气,地形等),由太阳能电池阵列,蓄电池,控制器,灯具系统的选择既具有很高的经济效益,同时也保证了系统的高可靠性。
三、太阳能路灯系统的总体设计
从当地气象局获得的太阳能资源和气候数据的太阳能路灯烯烃安装现场,其中太阳能资源,包括年太阳辐射总量或太阳辐射和每月和每日平均值的辐射强度的量,气候的国家包括年平均气温,在高气温,最低气温,一年中最长的连续阴雨天,年平均风速在最大风速,冰雹数,沙尘暴日数内。
详细太阳能路灯系统的负荷,包括负载额定功率,峰值功率,供电,供电电压,供应和使用时间,平均每天消耗,负荷特性等方面的理解。
在确保负载供电需要使用最小太阳电池分量功率和电池容量,以减少初始投资来确定。
太阳能安装位置应在太阳光线来选择没有被阻塞的地方,为了方便,应在平坦的地方进行选择的结构,应尽量避免在岩石区,从树木远,以防止热点效应的产生。
太阳能路灯系统的匹配设计
匹配的设计是对系统的可靠性和稳定性,应注意的一个重要因
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