风光互补路灯设计.docx
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风光互补路灯设计.docx
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风光互补路灯设计
学院
学生毕业设计(论文)报告
系别:
专业:
班号:
学生姓名:
学生学号:
设计(论文)题目:
风光互补太阳能路灯设计
指导教师:
设计地点:
起迄日期:
2013.10.1-2014.6.12
毕业设计(论文)任务书
专业班级姓名
一、课题名称:
风光互补太阳能路灯设计
二、主要技术指标(或基本要求):
1、风光互补系统具有对蓄电池充电和向负载灯供电的作用;2、路灯每天使用10个小时,遇到阴雨天系统可提供备用电力应用天数为3天;3、风力发电和太阳能发电是相互独立的两个系统,不仅能够同时向负载和蓄电池提供直流电能,而且在其中某一发电系统失效时,另一个发电系统依然能够保证对负载的正常供电;4、风光互补路灯控制系统以DSP为控制核心的采用了双输入升降压斩波硬件电路实现风能和太阳能的最大功率输出
三、主要工作内容:
1、搜集相关资料并分析风光互补路灯行业的现状以及今后的发展行情;2、寻找相似案例,确定其方案的可行性;3、通过网络、书籍学习了解风光互补路灯系统的技术,4、对所需资料进行搜集、分析、总结;5、对风光互补路灯系统的整体方案进行设计;6、对风光互补路灯系统的硬件进行设计;7、撰写毕业设论文计;8、与老师和同学们进行交流、研究、讨论,对毕业设计修改
四、主要参考文献:
【1】王志新风光互补技术及应用新进展[M].2008
【2】王长贵王斯成太阳能光伏发电实用技术[M].化学工业出版社,2005中国电力,2011
【3】王双王杰阮映琴风力发电系统发展状况分析[M].华东电力,2010
学生(签名)2012年9月30日
指导教师(签名)2012年9月30日
教研室主任(签名)2012年9月30日
系主任(签名)2012年9月30日
毕业设计(论文)开题报告
设计(论文)题目
风光互补太阳能路灯设计
1.选题的背景和意义:
太阳能和风能与其他常规能源相比在利用上具有取之不尽、用之不竭、就地可取、分布广泛、不污染环境、不破坏生态、可以再生等有点。
将风能和太阳能这两种自然资源结合起来看,两者在时间上和地域上都有很强的互补性。
白天太阳光最强,风很小;夜晚光照很弱,风力加强。
夏季,太阳光强度大而风小;冬季,太阳光强度弱而风大。
晴天,阳光充足;雨天,风很大。
因此太阳能和风能结合构成互补发电系统在资源配置上是最佳的。
风光互补路灯的发展凸显了21世界节能环保型工业社会的发展方向。
建设风光互补路灯不仅与政府的保护环境、节约资源、循环经济的理念相符,而且能向国民进行新能源利用和生态环保知识的直观教育。
二.课题研究的主要内容:
1、风光互补太阳能路灯系统方案设计;
2、风光互补太阳能路灯的容量计算;
3、确定硬件选型:
太阳能电池板、控制器、逆变器、蓄电池;
4、系统安装说明。
3.主要研究(设计)方法论述:
1、文献研究法:
在开题初期,通过网络,图书,期刊收集资料;
2、市场调查法:
在设计前,对各种风光互补路灯进行市场调查;
3、对比法:
对各种风光互补路灯设计方案的优缺点进行比较,优化设计方案;
4、择优法:
对光伏路灯硬件的选型进行仔细的研究和对比,找到最适合的型号。
四、设计(论文)进度安排:
时间(迄止日期)
工作内容
2013.10.01~2013.10.04
确立研究课题,初拟毕业设计纲要
2013.10.05~2013.10.08
完成毕业设计开题报告
2013.10.09~2013.10.10
查找具体内容所涉及的资料并整合
2013.10.11~2013.10.16
系统设计方案
2013.10.17~2013.10.21
容量计算及设备选型
2013.10.22~2013.10.24
系统安装说明
2013.10.25~2013.11.17
撰写毕业设计论文,完成初稿
2013.11.18~2014.06.12
对论文进行修改,完善毕业设计
2014.06.13~2014.06.19
准备毕业答辩
五、指导教师意见
指导教师签名:
年月日
六、系部意见:
系主任签名:
年月日
风光互补太阳能路灯设计
摘要
随着科技的发展,能源需求已经成为一个非常重要的社会问题。
人们对各种可再生能源进行了研究,特别是风能和太阳能。
太阳能与风能有着很好的互补特性,因此在部分远离电网的区域可以采用小型的风光互补发电系统供电。
研究一种基于风光互补发电的路灯,对节能和城市照明具有重要的意义。
本文设计了一套独立式风光互补路灯系统,首先根据设计的要求和设计思路完成风光互补路灯的整体方案设计。
并对风力发电机、太阳能电池、蓄电池和控制器进行了选择。
然后根据设计要求进行了容量计算,根据计算的容量进一步确定硬件所需要的型号,最后根据本文设计的风光互补路灯系统进行系统安装说明的撰写。
关键词:
风光互补;路灯;LED;
Abstract
Withthedevelopmentofscienceandtechnology,energydemandhasbecomeaveryimportantsocialissue.Peopleofvariousrenewableenergyresearch,particularlywindandsolar.Solarandwindpowerhaveagoodcomplementarycharacteristics,andthereforepartofthegridcanbeusedawayfromtheareaofsmallwindandsolarpowergenerationsystem.Researchbasedonwindandsolarpowerlights,energyconservationandurbanlightinghasimportantsignificance.
Thispaperdesignedastand-alonesolarhybridstreetlightingsystem,solarhybridstreetlightfirstcompletetheoverallprogramdesignaccordingtothedesignrequirementsanddesignideas.Andwindturbines,solarcells,batteriesandcontrollerswereselected.Thencalculatedaccordingtothedesignrequirementsofthecapacityofthemainfunctionsandspecificationsoftheparametersrequiredbythesystemhardwarecanfurtherdeterminethetypeofhardwareneeded,andfinallywritingsystemdesignedforinstallationinstructionsaccordingtowindandsolarstreetlights.
Keywords:
windandsolar;streetlights;LED;
第1章前言
自20世纪70年代全球发生石油危机以来,太阳能光伏发电技术在西方发达国家引起了高度重视,各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度出发,纷纷制定政策,鼓励和支持太阳能光伏发电技术在控制方法上。
我国在20世纪70年代也对光伏发电进行了研究,但是当时基本是没有任何外加控制的应用,随着能源危机的到来,人们对光伏发电进行了深入的研究,使光伏发电的效率得到巨大的提升。
如今,获取最大输出功率的控制方法主要有以下几种:
开环控制方法如恒定电压法、短路电流比例系数法和插值计算法等;闭环控制方法有扰动控制法、电导增量法等。
随着模糊控制在控制领域的广泛应用,基于模糊控制、基于神经网络等人工智能的控制方法也开始被研究。
如合肥工业大学教育部光伏系统工程研究中心的吴红斌,陶晓峰,丁明对光伏并网发电系统的MPPT电压控制进行了仿真,根据光伏并网系统的结构,采用外环为电压环、内环为并网电流环的双环控制。
通过abc/dq0变换将并网电流解耦为有功分量和无功分量,引入最大功率点跟踪提供的直流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的有功分量,引入交流侧电压参考量的闭环控制调节并网电流的无功分量,实现了具有MPPT和电压控制能力的三相光伏并网发电技术。
风光互补发电由于综合了风能和光伏发电的优点,弥补了风力发电和光伏发电的不足,现在国内外已经对风光互补发电展开了研究。
美国NREL实验室和ColoradoStateUniversity联合研制一种系统仿真软件hybrid2,只要输入具体的负荷性能,风能特性以及光照强度等数据,便能够对风光互补发电系统进行仿真并得到仿真结果,其功能强大,该软件的缺点是它只能够进行仿真,而不能进行优化设计。
国内的一些科研机构也对风光互补发电进行了详细的研究,应用精准的表征组件特性并通过实际的观测获取更加精确的风光资源模型,能够模拟出系统的实时状态
风光互补发电系统的设计除了在以上方向取得长足进展以外,还通过利用电力电子技术和现代控制技术的发展来推进风光互补发电的发展,进一步的提高其工作效率和可靠性。
对各种DC/DC变换技术的研究解决获取最大输出功率技术的问题。
通过传感设备采集系统的关键参数,将采集的信号传给微处理器,微处理器通过计算,产生输出信号控制电力电子设备是风光互补发电系统工作在要求的状态,使系统能够稳定的自动运行。
第2章系统方案设计
2.1系统设计要求和思路
2.1.1设计要求
1.环境要求:
(1)年平均风速大于3.5m/s,同时年太阳能辐射总量不小于500mj/㎡;
(2)工作温度:
-20℃~+45℃;
(3)相对湿度:
20%~90%;(4)海拔不超过1000m。
2.路灯每天照明时间为10个小时
3.实现风能和太阳能的最大功率输出
4.在连续阴雨天里能够正常工作(满足3天不充电且每天可靠亮灯10h)
5.风力发电和太阳能发电是相互独立的两个系统,不仅能够同时向负载和蓄电池提供直流电能,而且在其中某一发电系统失效时,另一个发电系统依然能够保证对负载的正常供电
2.2.2系统设计思路
对风光互补路灯的设计要求进行分析,其主要由LED灯源、电池板、风机、控制器、蓄电池和灯杆构成。
根据设计环境要求在设计过程中应充分考虑实际情况如:
道路宽度、当地气候、有无遮挡物等。
由系统的设计要求进行容量的计算并选用适合的硬件类型,一般遵循性能好、质量好、简单易安装、经济适用等。
最后进行系统安装的简要说明。
2.2系统总体设计方案
风光互补路灯框架如图2-1包括风力发电机、太阳能电池板、智能控制器、蓄电池组和LED路灯。
由于本文设计的风光互补路灯初步设定假设的地点是常州信息职业技术学院,所以对校园环境进行了勘察并测初校园道路两边的树高灯遮掩物的数据。
综合测定遮掩物的高度为6.5m,因此设计其路灯灯高8m,灯杆高10m,灯具间距30m,灯杆采用Q235优质钢结构标准灯杆,灯头采用60WLED路灯。
图2-1风光互补路灯框架
2.2.1光源的选择
光源选用路灯专用LED光源,该光源具有以下特点:
首创散热器与灯壳一体化设计,LED直接与外壳紧密相接,通过外壳散热翼与空气对流散热,充分保证了LED路灯50000小时的使用寿命。
按照每天工作10个小时计算,其寿命也在12年以上,维护费用极低;
灯壳采用铝合金压铸成型,可以有效的散热和防水、防尘。
灯具表面进行了耐紫外线抗腐蚀处理,整体灯具达到IP65标准;
采用单体椭圆反射腔配合球状孤面来设计,针对性地将LED发出的光控制在需要范围内,提高了灯具出光效果的均匀性和光能的利用率,更能凸显LED路灯节能优点。
与传统的钠灯相比,可节电60%以上;
无不良眩光、无频闪。
消除了普通路灯不良眩光所引起的刺眼、视觉疲劳与视线干扰,提高驾驶的安全性;
启动无延时,通电即达正常亮度,无须等待,消除了传统路灯长时间的启动过程;
绿色环保无污染:
不含铅、汞等污染元素,对环境没有任何污染;
与太阳能结合是绝好搭档,充分发挥LED直流低压工作与节能环保的优点,太阳能光伏板与LED光源相结合,为客户实现最佳性价比和高可靠性。
2.3.2风机的选择
本系统选用磁悬浮风力发电机,风机输出三相交流电,经过风光智能控制器给蓄电池充电。
全永磁悬浮风力发电机是专门为低风速区应用而研发的,用全永磁悬浮推力轴承平衡由于风压作用在叶轮上引起的轴向压力增加而产生的轴向摩擦力,以减少传统风机因叶轮在超大风速作用下旋转时的轴向摩擦力,这对提高风机旋转速度,减小轴向摩擦,增加发电量,意义重大;同时风机转子系统在旋转时的径向摩擦力可减小70%以上,极大地减少了摩擦阻力,起动风速为1.5米/秒,明显优于普通风力发电机。
a、在性能方面:
采用新一代专利技术的径向磁路永磁转子结构,无滑环,无励磁绕组,定、转子气隙大,使发电机具有中、低速发电性能好,效率高、比功率大的特点,能适应高转速的使用场合;
b、在可靠性方面:
使用全永磁悬浮轴承,使整个转子处于微摩擦状态,辅助轴承则采用专用的宽系列双橡胶圈密封进口轴承(内含长寿命、耐高温润滑脂);以先进真空沉浸工艺使发电机具有可靠性高、寿命长、结构简单、免维护的特点,同时能使发电机在极恶劣的环境条件下可靠工作。
2.3.3太阳能电池板的选择
对于较小型电站电池组件选型遵循以下原则:
在兼顾易于搬运条件下,选择大尺寸,高效的电池组件;
选择易于接线的电池组件;
组件各部分抗强紫外线(符合GB/T18950-2003橡胶和塑料管静态紫外线心能测定);
2.3.4蓄电池的选择
蓄电池采用地表下安装方式。
由于蓄电池在低温或高温环境工作都会影响其工作性能,尤其是在低温下,其工作容量将会下降很多,这是蓄电池特性所决定的。
在地表下1米-1.5米处,其环境温度受地温的影响较明显,起到一定的“恒温”作用,使其在冬季温度觉地表以上高,在夏季炎热时又比地表上温度低,有利于蓄电池性能的发挥
第3章容量计算及设备选型
3.1容量计算
3.1.1发电量与用电量计算
根据设计要求,路灯功率为60W,工作10h系统总功率P=60W/85%=71W,根据所查阅的气象资料:
风力发电机与太阳能电池组件同时不能发电的最大连续时间为3d,太阳能电池组件不能发电的最大连续时间为12d,风机不能发电的最大连续时间为6d。
(1)发电量计算。
经查阅资常州属于Ⅲ类太阳能资源,每年风速3m/s以上时间超过3500h地区,。
在太阳能资源属Ⅲ类可利用区,lWh太阳能电池转换太阳能辐射量为4500~5500MJ/年,为安全计,取转换太阳能辐射总量为4500MJ/年,配置的太阳能电池组件的日均发电量应为
Q1=4500÷365÷3.6×0.15×0.8=0.411KWh,式中:
0.8为安全系数。
由于道路照明灯具的安装地点的障碍物状况不确定性,灯具安装地点的年平均风速为4m/s,配置的风力发电机的平均功率为0.1kW,日均发电量应为
Q2=0.1×3500÷365×0.8=0.767KWh,式中:
0.8为安全系数。
风光路灯配置的日均总发电量为1.178kWh,考虑到蓄电池的转换效率为0.7,则实际有效日均发电量为1.178KWh×0.7=0.82KWh鉴于风能与太阳能的良好互补性,以年均资源换算而得的日均资源的可靠性良好,加之风光发电的计算值均取低值,并各考虑了0.8的安全系数,所得的日均发电量数据是安全可靠的。
(2)用电量计算。
按配置选用60W的LED灯,以每天亮灯10h计算,灯具每天耗用电量为0.60kWh。
配置的蓄电池容量为Q=(140×24)/1000=3.36KWh蓄电池充满的情况下放电量按60%计算,连续放电的时间为3.36×0.06÷0.6=33.6H,即蓄电池能满足3天不充电且每天可靠亮灯10h。
3.1.2设备参数确定
(1)蓄电池组的确定
由C×24V×70%×90%/P=3×10h,式中:
24V为蓄电池充放电电压,70%为放电深度,90%为蓄电池误差余量。
已知P=60W/85%=71W,得C=140.87Ah
根据蓄电池的实际规格以及尽量减少蓄电池数量的原则,取C=140Ah,实际配置为2V/140Ah蓄电池12块
组。
(2)风力发电机功率确定
在太阳能电池不能发电的天气里,通常是连续阴雨天,此时风速和持续时间均大大超过年平均风速和时间,根据气象资料以及该站点的自然环境,在此取该时段内4级风,(C×24V×70%×90%+P1×4×12)/P=12×10h将C和P代人该式,计算得P1=133.4W,根据风力发电机的规格和实际安装和使用的可靠性,取P1=150W。
实际配置为:
1台150W风力发电机。
(3)太阳能电池板功率确定
太阳能电池功率的确定。
在风力发电机不能发电的天气里,通常是连续晴天,而且每天日照时数大大高于年平均日照时数,根据气象数据和自然环境,取6h/d。
(C×24V×70%×90%+P2×6×6)/P=6×10h代入C和P可计算得P2=59.53W,
根据太阳能电池板的规格以及安装的方便美观,取P2=75W,实际配置为:
75W×2块。
3.2设备选型
3.2.1灯源的选型
本设计的路灯选用凯明KW-LA60W灯源如图3-1所示
图3-1凯明KW-LA60W
凯明KW-LA60灯源特性:
•1、超高亮,低光衰
•2、防尘防水等级高达IP65。
•3、造型美观大方,安装简单。
•4、LED的寿命长,发光时间长达5万小时以上。
•5、适用范围广,不容易损坏。
灯源的规格参数如下表3-1所示:
表3-1灯源参数
输入电压
AC90-265V|DC12V|DC24V
光源功率
54*1W
总功率
60W
功率因数
>0.92
电源效率
>90%
环境温度
-40℃~50℃
相对湿度
20%~99%
防护等级
IP65
使用寿命
>5万小时(>50000Hrs)
散热系统
自然散热
3.2.2太阳能电池板选型
本设计的电池板选用拓阳TY-SM75单晶硅太阳能电池板如图3-2所示
图3-2拓阳TY-SM75太阳能电池板
太阳能电池板规格参数如下表3-2所示
表3-2太阳能电池板参数
最大功率
75(W)
开路电压
22.61(V)
工作电流
4.17(A)
工作电压
18(V)
短路电流
5.01(A)
外形尺寸
1070*540*35(mm)
3.2.3风机选型
本设计的风机选用绿电康公司生产的150W-B风力发电机如图3-3所示
图3-3150W-B风力发电机
150W-B风力发电机优点:
1、采用盘式结构,与垂直磁悬浮同理,起动风速低,1.5米/秒便可启动,无需任何辅助启动装置。
2、叶片采用特殊复合材料,合理的气动外型,使整机低噪音运行。
3、采用稀土永磁部件,缩小了整机体积和重量。
4、电源输出采用防缠绕装置。
5、尽量简少了运行部件,提高了伏质运动率。
6、调向采用阻尼及“防摇”设计,调向平稳准确。
7、塔杆装配采用“重力锥度”装置,可靠易于装配。
8、壳体采用特殊铸造材料,其金属组合具有高耐腐蚀性可用于高腐蚀地区。
9、整机出厂为严格密封,沙尘、盐雾,雨水无法侵入电机内部,风机内部和外部均采用了独特的散热结构,确保本机达到15-20年的设计寿命
150W-B风力发电机规格参数如下表3-3
表3-3风力发电机参数
额定功率
150W
额定电压
直流12V/24V
额定电流
25A/12.5A
额定转速
1850r/m
允许最大功率
200W
启动风速
1.5米/秒
切入风速
2.5米/秒
切出风速
18米/秒
安全风速
45米/秒
额定风速
12.5米/秒
发电机工作形式
永磁三相交流发电机
叶轮直径
1170mm
叶片数
3片
3.2.4控制器选型
本系统选用的控制器为风光互补智能控制器,
具有高效充电及多种自我保护功能。
具体的技术参数如下:
●规格型号:
EPFG24V-20
●风机输入:
三相AC≤50V,P≤300W
●光伏电池输入:
DC50.0Vpm,I≤15A
●输出电压:
DC28.0V
●输入过压保护值:
AC50±5V
●输出过流保护值:
DC20A±1A
●蓄电池欠压保护启动电压:
DC21.0±0.3V
●蓄电池欠压保护恢复电压:
DC23.0±0.3V
●蓄电池充满保护启动电压:
DC28.0±0.2V
●风机卸载箱功率:
400W
●外形尺寸:
310×200×120mm
●工作环境:
环境温度-45℃~+65℃,相对湿度0~90%。
EPFG24V-20控制器系统工作原理:
风光互补发电系统主电路主要由充电部分和放电部分两块组成,电路见图3-4。
充电部分分别由光伏系统和风电系统给蓄电池充电,放电部分则由蓄电池通过继电器的控制给负载供电。
光伏电池发出的电能首先通过开关管T1,然后通过防反二极管D2,然后经过buck电路给蓄电池充电。
防止二极管D2防止电流倒灌损坏光伏电池板,T1管控制着光伏电池的接入与关断,buck电路是DC/DC电路的核心,本系统的控制重点就是对buck电路的控制。
风力发电系统发出的电能首先经过不可控整流装置整流,然后经过滤波稳压之后,通过T3管,送往buck电路,通过buck电路给蓄电池充电。
开关管T3控制风力发电机的接入和切除,电阻R3和开关管T5构成了风机的卸荷支路,当风能过剩时,通过控制开关管T5导通,是风机的能量消耗在卸荷负载上,防止损坏设备。
同样风电系统的DC/DC转换电路的核心也是buck电路。
放电部分主要是蓄电池给控制器,LED照明部分等提供电能,为了防止过度放电,通过TMS320F2812的一个GPIO引脚来控制光耦的通断,从而控制放电回路上的继电器的通断,从而防止蓄电池过度放电而损坏蓄电池。
整个主电路由德州仪器的DSP芯片TMS320F2812来进行控制,系统的工作流程如下:
当蓄电池电压正常即没有过充和过放的条件下,蓄电池正常对控制器和LED路灯供电,同时风光互补发电系统给蓄电池充电。
如果蓄电池的电压低于规定的最低电压,则此时DSP通过I/O管脚发送一个低电平信号控制光耦导通,是继电器动作切除LED照明部分,直到检测到蓄电池电压恢复正常值,在控制继电器动作接入负载。
如果蓄电池电压过高,超过充电电压上限值,则通过控制开关管T1和T3断开光伏电池板和房里发电机的输入,停止对蓄电池充电。
图3-4系统主电路图
3.2.5蓄电池选型
本设计的蓄电池选用2V/140AhGFM600-2铅酸免维护蓄电池如图3-4所示
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