太阳能路灯设计计算.docx
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太阳能路灯设计计算
目录
一、相关设备及参数1
1、设备配置清单1
2、控制器1
3、蓄电池5
3.1蓄电池配置策略5
3.2本项目蓄电池容量选择计算书6
3.3蓄电池技术性能6
4、太阳能电池组件8
5、灯具和LED光源10
5.1灯具和LED光源技术性能10
5.2灯具选型计算书10
6、路灯灯杆及部件12
6.1灯杆及板支架技术性能12
6.2灯杆及板支架设计图13
6.3路灯基础14
6.4蓄电池控制箱和电缆16
7、路灯系统接地保护及防盗保护18
7.1路灯接地系统设计18
7.2防盗措施18
7.3路灯防爆性说明19
一、相关设备及参数
1、设备配置清单
主干道及主要物流干道
名称
数量
规格
备注
太阳能组件
2
100Wp
光源
1
12V/30WLED
蓄电池
1
12V/250AH
控制器
1
12V/15A
次干道及其他位置
名称
数量
规格
备注
太阳能组件
1
140Wp
光源
1
12V/20WLED
蓄电池
1
12V/150AH
控制器
1
12V/10A
2、控制器
控制器技术
控制器设计理念
控制器作为整个太阳能路灯系统的中枢,对太阳电池的充电效率、系统运行的可靠性起致关重要的作用。
1)特殊充电管理
传统路灯控制器由于结构简单、充电电流较小,均采用PWM控制下的强充、均充和浮充三过程充电方式,但由于胶体蓄电池的本身特性,不需要均衡充电。
若采用均衡充电,将因为过高的充电电压降低胶体蓄电池的使用寿命。
因此我们针对胶体电池的特点,采用适合胶体电池的充电控制装置,避免特殊状况下充电时损坏控制器。
2)保护功能
在系统的运行可靠性方面,我公司根据二十多年的产品设计和工程经验,提出了多种保护功能,主要包括:
主电路和控制电路光耦隔离;输入输出短路保护、蓄电池短路保护;太阳电池、负载、蓄电池开路保护;二级防雷保护等功能。
就蓄电池欠压保护点设置,我们将根据路灯系统的实际工作特点,即放电电流小的特点,设置适合于蓄电池正常工作的保护点,避免蓄电池过度放电。
根据“胶体蓄电池不同放电率下的典型放电特性曲线图”,本路灯系统采用30W的LED光源,全功率照明下的工作电流为2.5A,半功率照明下的工作电流为1.25A,因此蓄电池的欠压保护点设置为11.2V。
3)负载控制
负载输出控制方面,采用光控和时控的方式保证路灯照明的正常运行。
按照照明要求,在前4小时内使用全功率照明,后面时间采用PWM方式统一将LED光源的功率降为半功率工作,而不仅仅是关闭一半光源。
这样设计的目的可以避免因LED满负荷运行时间过长、导致衰减增加。
同等使用情况下,比其它厂家的LED光源衰减要小。
4)常规控制策略
除以上根据项目特点采用的特殊控制管理策略外,本项目使用的光伏控制器是太阳能路灯系统中专业使用的控制设备,在太阳电池组件对蓄电池的充电回路中,采用串联型PWM脉宽调制控制方式,即保证充电效率的最大化,又保证充电曲线和蓄电池的充电要求保持高度一致,避免因充电对蓄电池的使用寿命产生损伤;在蓄电池对LED光源的放电控制回路中,采用DC/DC恒流控制策略,不但可以保证LED光源可以在额定功率的100%、75%、50%、25%功率下无闪光照明,而且还能根据蓄电池的实时电能状况,调整蓄电池的欠压保护点位置,以保证在连续恶劣天气条件下,蓄电池不致于过放而产生损伤。
本控制器具有短路、过载、充满、过放自动关断、恢复,分段定时控制等全功能保护措施,并具有0mv-24mv/℃/单体可调的温度补偿修正控制。
控制器技术性能
控制器控制太阳电池对蓄电池充电时,通过检测蓄电池电压和环境变化而调整太阳电池的充电电流,达到控制对蓄电池有效充电的目的;控制蓄电池对用电设备供电时,通过检测太阳电池的开路电压而达到检测夜晚或白天的目的,以实现控制照明设备的光开光断(晚上开白天断)。
1)使用环境温度
控制器在以下环境下连续工作,并满足所有性能指标。
Ø室外环境温度:
-20℃——+55℃
Ø相对湿度:
≤95%(25℃)
Ø海拔高度:
≤5500m
Ø最大风速:
12级
2)设备技术参数
型号
参数
TPKLD12/24-10
TPKLD12/24-15
额定工作电压(VDC)
12/24自动识别
12/24自动识别
额定充电电流(A)
10
15
额定输出电流(A)
10
15
允许最大电压(V)
>100
>100
蓄电池欠压保护
11.2V
11.2V
蓄电池欠压恢复
11.8V
11.8V
浮充电压电
13.5V
13.5V
充电滞回时间
0.5ms
0.5ms
充电滞回电压
0.3V
0.3V
效率
>98.5%
>98.5%
控制参数精度
±0.1
±0.1
显示参数精度
±0.1
±0.1
夜晚启动照明电压
≤3.4V
≤3.4V
次日关闭照明电压
≥3.4V
≥3.4V
供电控制方式
时控/光控
时控/光控
供电变功率控制
100%、75%、50%、25%
100%、75%、50%、25%
3)保护功能
Ø充电过流保护:
当太阳电池端充电电流大于额定值时,控制器自动立即切断充电。
此时,在实时检测中充电电流等于或小于额定值时即保持对蓄电池充电。
Ø负载过流及短路保护:
当负载输出端的电流超过控制器设定的额定输出电流时,立即切断对负载供电,故障排除后可自动恢复。
Ø不接蓄电池时,控制器能承受输入电流从零到最大允许输入电流的突变循环冲击;
Ø无其它设备接入的情况下,控制器能承受连续72小时的来自太阳电池方阵开路电压的冲击;
Ø控制器不会因蓄电池端、负载端的长期短路或断路而受到任何冲击和影响;
Ø蓄电池接反保护:
蓄电池“+”“-”极性接反,纠正后可继续使用;
Ø太阳能电池接反保护:
太阳能电池“+”“-”极性接反,纠正后可继续使用;
Ø控制器过热保护:
当控制器机柜内温度达到60℃时,控制器立即切断充电。
当温度降值40度时恢复充电;
Ø夜间防反充保护:
控制器内具有防反充电路电路,保证蓄电池不会向太阳电池端反向放电。
4)控制器高海拔降容使用
机电设备运行中,随着海拔高度的增加,导致散热等也随之困难,从而影响设备的正常工作、降低元器件的使用寿命。
因此随着海拔的增加,控制器需要降容使用,具体降容为:
海拔m
降容系数1)
1000
0.95
2000
0.90
3000
0.85
3500
0.80
4000
0.75
4500
0.70
5000
0.65
5500
0.60
6000
0.50
注:
基于干燥空气密度(于海平面+15℃)=1.225kg/m3。
1)对强迫风冷却设备,由于风扇效率随海拔高度而下降,其降额系数还要小一些。
因此,针对××地区安装的控制器设备,降容额度按照海拔高度2000米设计,在实际使用中控制器需降容10%使用。
即针对此工程,配置的控制器的标称额定工作电流为10A,实际使用中正常工作电流不应超过9A。
根据大气层外太阳辐射常数为1387W/m2,考虑地面上太阳直射、散射和地面反射因素,××地区太阳最强时约1300W/m2。
因此在不考虑温度等因素的影响,太阳辐射为1300W/m2时,此容量的路灯充电电流为8.9A,设计符合要求。
5)效率
太阳能控制器的损耗主要来自控制电路和主电路,因控制器电路部分主要工作于检测系统工作状态和处理数据,相对于主电路而言其损耗可以忽略。
因此研究控制器的损耗重要考虑主电路部分的损耗。
在主电路上,从太阳电池至蓄电池,除电缆的损耗外,主要损耗为防反充二极管(0.7V压降)和功率开关管(导通时2mΩ电阻)的损耗;从蓄电池至负载端,主要器件为DC/DC变换恒流器件,整体效率可达到94%以上。
因此控制器的损耗主要来自于防反充二极管和功率开关管。
6)其它特性
在正常充放电状态下,控制器工作无噪音。
3、蓄电池
3.1蓄电池配置策略
本项目配置太阳能路灯系统专用阀控式免维护胶体蓄电池。
通常情况下,路灯系统中配置的蓄电池容量大小主要依据以下公式计算得到:
公式中:
QB代表设计配置的蓄电池容量(单位:
安培.小时);Ib代表负载额定工作电流(单位:
安培);Hb代表负载每天工作时间(单位:
小时);D代表蓄电池自维持天数/阴雨天设计天数(单位:
天);f代表蓄电池设计放电深度(取0.7)。
依据《××市农村太阳能路灯“绿色光亮工程”技术规范》和相关路灯系统蓄电池配置容量经验,一般蓄电池的自维持天数(连续阴雨天)取3—5天为宜,最长不要超过7天。
配置过短的自维持天数,会导致蓄电池每天频繁的深度放电,大大缩短蓄电池的循环使用寿命,配置过长的自维持天数,将会增加系统的成体造价,若不同步增加光伏组件容量,将导致在××地区雨季中,因过长的持续阴雨天后,蓄电池一直处于亏电状态,加速蓄电池极板的硫酸盐化,降低使用寿命。
3.2本项目蓄电池容量选择计算书
依据3.1中的计算公式可以算出:
1)主干道及主要物流干道
故采用12V/250AH蓄电池。
2)次干道及其他位置位置
故采用12V/150AH蓄电池。
3.3蓄电池技术性能
1)使用环境温度
设备在以下环境下连续工作,并满足所有性能指标。
Ø室外环境温度:
-25℃——+55℃
Ø相对湿度:
≤95%(25℃)
Ø海拔高度:
≤5500m
2)技术指标
标称容量
150AH
250AH
能量密度
39.6Wh/KG
39.6Wh/KG
工作电压(标准条件下)
充电截止电压
13.5V
13.5V
放电截止电压
11.2V
11.2V
最大充电电流
3CA
最大放电电流
恒电流
4CA
4CA
脉冲电流
12CA
12CA
标准充放电电流
0.3CA
循环寿命
50%放电深度
1500次
1500次
壳体耐温性
≤170℃
长期耐温≤140℃
适用环境
充电
-15℃——55℃
-15℃——55℃
放电
-25℃——55℃
-25℃——55℃
低温放电率(-20℃)
≥80%
自放电率(每月)
<3%
3)其它指标
Ø
同一批次出厂的蓄电池,蓄电池间的开路电压最高与最低差值不大于100mV;
Ø运行半年后,单盏路灯中蓄电池间的端电压差值小于5%;
Ø蓄电池对地的绝缘电阻大于1MΩ(DC500V);
Ø蓄电池放电深度为95%时,12小时内可再充电到额定容量的98%;
Ø蓄电池各接线端均采用标准接头,保证安装后的蓄电池接线端口不外露,防止受腐蚀气体影响;
Ø铅酸蓄电池静置28天后,容量保存率荷电保持大于96%;
Ø新出厂蓄电池充放电效率大于85%。
4、太阳能电池组件
设备技术性能
(测试条件:
AM1.5,Ee=1000W/M²,C=25ºC)
组件型号
参数
TP100-1D
TP140-1D
备注
蓄电池电压VR(V)
12
12
峰值功率PM(W)
100
140
峰值功率电压VM(V)
18.7
18.2
峰值功率电流IM(A)
5.15
7.69
开路电压VOC(V)
22.8
22.5
短路电流ISC(A)
5.51
8.15
电池片类型
125*125单晶硅电池片
156*156单晶硅电池片
36片整片封装
B:
电池组件常规性能
Ø采用125*125/156*156单晶硅A片整片封装
Ø高透低铁钢化玻璃封装,透光率和机械强度高。
承受22.7g钢球1m高度自由落下不破碎。
Ø阳极氧化铝合金结构边框,抗腐蚀和抗机械强度高。
Ø光伏组件功率每年衰减不大于1%,使用10年后功率下降不超过使用前的10%,使用25年后功率下降不超过使用前的20%。
Ø太阳电池组件密封性按照IP65设计,接线盒按照IP55设计。
C:
绝缘性能
Ø对组件施加500V的直流电压,测量其绝缘电阻大于50MΩ。
ØTUV检测中,采用的是DC715V电压,1min无击穿闪络现象检测。
此检测我公司产品满足要求。
D:
环境条件
能经受GB9535-98地面用太阳电池组件环境试验方法和GB/T14007-92《陆地用太阳电池组件总规范》规定的各项要求和试验方法,满足标书所提要求。
E:
在下列条件下连续工作满足其所有性能指标
Ø环境温度:
-40℃--+85℃
Ø相对湿度:
≤95%(25℃)
Ø海拔高度:
≤6000米
Ø最大积雪厚度:
30cm
Ø最高风速:
60m/s(216Km/h)
F:
电性能测试方法
按GB/T6495.1-1996光伏器件第一部分光伏电流-电压特性的测量(idtIEC904-1:
1987);GB/T6495.3-1996光伏器件第三部分:
地面光伏器件的测量原理及标准光谱辐照数据(idtIEC904-3:
1987);GB/T6495.4-1996光伏器件第四部分:
晶体硅光伏器件的I-V实测特性的温度和辐照度修正方法(idtIEC891:
1987)规定进行。
G:
平均无故障时间(MTBF)
太阳电池组件在25年使用时间内,其平均无故障时间不小于100000小时。
5、灯具和LED光源
本项目太阳能路灯系统的光源采用LED光源,额定功率为20w和30W。
使用寿命大于10年,运行第一年衰减小于5%,以后每年年衰减小于3%;发光效率≧80Lm/W;灯具采用铝合金材质压铸而成,表面耐紫外线抗腐蚀处理;灯具与灯罩、灯具与灯臂等连接位置采用高性能硅胶密封圈或垫处理,防护等级为IP65。
5.1灯具和LED光源技术性能
1)使用环境温度
LED光源和灯具在以下环境下连续工作,并满足所有性能指标。
Ø室外环境温度:
-15℃——+55℃
Ø相对湿度:
≤95%(25℃)
Ø海拔高度:
≤5000m
Ø最大风速:
12级
2)主要技术指标
Ø符合GB7000.5-2005《道路与街道照明灯具安全要求》标准和Q/14100GY004《JB系列LED道路与街路照明灯》标准
Ø色温2700k-7000k
Ø显色指数>80
Ø光效>680lm/w
Ø灯罩防护等级符合IP65
Ø电器绝缘等级符合CLASSI
Ø灯具采用高纯度铝质制作反射器,高强度钢化玻璃罩;
Ø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路灯的使用寿命;
5.2灯具选型计算书
道路照明工程照度计算
现将道路照明工程关于照度计算作如下表述:
根据《电气照明》(同济大学出版社)、《电气照明设计》(复旦大学出版社)及《城市道路照明设计标准》(CJJ45-91)等有关理论并结合贵方提供的工程道路照明的道路横断面照明示意图,对平均照度计算如下(不考
虑绿化带照明,避免对绿化带造成光污染而影响到植物生长):
用容量估算法求平均照度:
Eav=(Ф×N×CU×MK)÷A式中:
Eav=平均照度
Ф=光通量
N=灯具数量
CU=利用系数
MK=维护系数
A=面积(m2)
灯具选型计算:
支次道路及其他位置
20WlED灯具光通量约2730lm
利用系数CU=0.9(光通量利用系数)维护系数MK=0.9(维护等级,按经验值选取)面积(m2)A=(7)宽度×(30)长度=210注:
此处的长度按灯杆间距执行,其灯杆间距为30m
Eav=(Ф×N×CU×MK)÷A=(2730×1×0.9×0.9)/210=10.53LX
其照度值能充分保证其在光源及灯具的光衰期间能满足照度要求。
主干道及主要物流干道
30WlED灯具光通量约3950lm
利用系数CU=0.9(光通量利用系数)维护系数MK=0.9(维护等级,按经验值选取)面积(m2)A=(7)宽度×(30)长度=210注:
此处的长度按灯杆间距执行,其灯杆间距为30m
Eav=(Ф×N×CU×MK)÷A=(3950×1×0.9×0.9)/210=15.24LX
其照度值能充分保证其在光源及灯具的光衰期间能满足照度要求。
6、路灯灯杆及部件
路灯灯杆为太阳能路灯系统专用设计,满足当地荷载条件下运行要求,同时外观设计结合了××地区的景观特点,能够很好地反映节能环保、低碳经济、绿色能源产品在生产建设中的应用。
6.1灯杆及板支架技术性能
Ø灯杆高度为7米;
Ø灯杆及板支架均采用Q235A钢材加工。
灯杆无横向焊缝,纵向焊缝应均匀、平整光滑,无虚焊、脱焊、漏焊现象;
Ø太阳能路灯总体抗风能力达8级以上,保证整杆路灯在恶劣天气状况正常工作;
Ø灯杆和板支架内外全部采用热镀锌、喷塑工艺,塑粉为室外粉,防护等级≥IP65;
Ø灯杆套接方式采用穿钉加顶丝固定或采用大小活动(能旋转)套接方式套接;
Ø灯杆设计电气导线全部采用隐蔽穿管设计,各连接构件之间连接牢固、无松动现象;
Ø灯杆立好后进行结构调试校正、保证垂直度大于89.5度,并用双螺母加弹簧垫片拧紧固定;
Ø灯杆颜色由采购人指定。
6.2灯杆及板支架设计图
6.3路灯基础
制作基础包含的材料分为:
C25混凝土、预埋件。
其中安装路灯的基础预埋件采用直径为20mm的Q235钢材加工。
6.4蓄电池控制箱和电缆
1)蓄电池控制箱
控制箱主要放置控制器和蓄电池,安装位置在灯杆的灯臂焊接处。
采用2mm厚的钢板,按照放置设备需要的尺寸加工。
加工完毕后热镀锌碰素处理。
2)电力电缆
根据太阳电池组件的充电电流和LED光源的供电电流值和电压值,路灯安装的所有电缆使用RVV铜芯电缆线。
具体技术参数为:
环境温度:
-15℃—60℃
承受工作电压额定值:
500V
绝缘电阻:
1MΩ(DC500V)
太阳能路灯接线示意图
7、路灯系统接地保护及防盗保护
7.1路灯接地系统设计
由于××地处多雷区,防雷方式和设计措施须比较齐全。
因此,我公司针对此工程设计的防雷系统主要从以下几个方面进行:
为保证太阳能路灯系统的安全可靠运行,太阳能路灯设计了防雷和接地装置。
防雷方面,在光伏控制器的太阳电池板引线入口处,装置了具备过电压保护的防雷器件,并且控制器电路板其它器件与该防雷器件的设计位置间距满足雷电感应和过电压耐压距离要求,保证了电气线路系统防止雷电入侵的可能;
接地方面,将光伏组件边框、光伏组件支架、灯具灯臂和灯杆通过工厂焊接和现场可靠地螺栓及接地线的连接,保证的构件之间可靠地接地电阻值。
并且在接地网制作方面,在灯杆混泥土基础的下方,将采用扁钢、圆钢等热镀锌金属件作为垂直接地体,根据现场土壤导电率,设计一定深度的垂直接地体,灯杆在基座部分与基础的垂直接地装置连接,保证单盏路灯的接地电阻值小于10Ω。
7.2防盗措施
自2008年××市绿色光亮工程实施至今,在近6年的项目运行过程中,发现路灯系统中偷盗问题较为突出的设备主要是铅酸蓄电池,其它设备至今未发现过偷盗事件。
由于铅酸蓄电池本身价值高,而且使用中要求的技术门槛低,很容易在使用中发生偷盗事件。
对于蓄电池的使用运行管理,除日常加强路灯系统管理维护人员的责任意识,增强运行过程中的管控外,更重要的是从设计源头截住偷盗的可能。
在如何降低铅酸蓄电池偷盗事件的考虑上,我们主要是从提升偷盗人员偷盗过程中操作的难度,增强防偷盗使用工具的专业性等方面出发,加强防盗措施。
在提升偷盗人员盗窃过程中的操作难度方面,将蓄电池箱放置在灯杆较高位置,并且蓄电池箱设计较高厚度和硬度,保证其难以破坏。
同时,将蓄电池箱与灯杆的连接采用隐蔽连接,保证常规偷盗工具无法操作;在控制箱正门上,我们弃除传统锁具防盗的方式,采用工程非标定制的高强度螺栓,保证只有特定专用工具才能打开控制箱。
从目前工程中运行情况看,该方法大大降低了铅酸蓄电池的偷盗问题。
7.3路灯防爆性说明
本项目中甲类仓库释放源为第二级释放源,爆炸介质为II级。
硫间爆炸介质为粉尘,依据《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-92相关规定需对太阳能路灯做防爆处理。
本项目中我公司使用的太阳能路灯,采用12V直流系统供电,整个系统可靠接地,接地电阻值小于10Ω,电缆采用双层绝缘外皮的RVV铜芯电缆,路灯控制器部件采用mos管,蓄电池充放电放热温度小于60摄氏度,在系统运行中,系统电路无火花、无电弧、无高温、无静电产生,满足《爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范》GB50058-92对于粉尘爆炸的相关规定。
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