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太阳能LED路灯项目实施方案

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2020年4月19日
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太阳能LED灯实施方案
一、项目实施步骤
一、需求分析（略）
二、功能分析
LED太阳能灯，具有节能、环保、寿命长，免维护等优点，光源能够采用几百颗高亮度LED组成，内置路灯控制器（光控、时控）及LED恒流驱动器，用户只需要连接灯杆、蓄电池，就能够完成太阳能路灯的组装生产。产品适用于小区道路、庭院、工业园区及新农村亮化工程的照明。
太阳能LED灯不需要外接220V电源，提高安全性。采用太阳能作为驱动。每个LED灯组都配置一个单独的太阳能电池板，该电池板能够使电池在阳光充分的条件下充电。能够将它们放置在家门口，信箱上，柱子等白天或者夜晚需要高亮度照明的地方。灯的电池不需要直接的太阳光，仅仅需要对着天空即可。只要有太阳光，灯的电池就能够自动充电，同时，日落之后灯就会自动发亮。不需要保养，不需要更换电池，不需要更换灯泡。
灯的特点：
1.采用太阳能驱动，不需要电力
2.采用LED为光源，不需要更换灯泡
3.电池在充分电之后能够维持发光
4.灯能够自动启动和关闭
5.具备良好的防水和耐环境侵蚀的性能
2.1、系统组成
太阳能LED灯指的是用太阳能电池板作为能源采集方式替代传统的市电接入方式，采集太阳能转换为电能存储到蓄电池，在需要照明时驱动照明设备，这里的照明设备采用高亮度LED替代传统的照明灯。
产品由四大部分组成，即：
1） 太阳能采集和转换部分——太阳能板；
2） 电能存储部分——蓄电池；
3） 照明部分——高亮度LED灯
4） 控制电路；
5） 其它——如支撑部件，控制箱灯。

太阳能板
蓄电池
LED灯
控制电路
指示灯
指示灯
指示灯

图3 系统电气连接示意图

组件
功能
类型
太阳能电池板
利用光伏效应将太阳能转换为电能
单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池（总称晶体硅太阳电池）和非晶硅太阳电池
电池
存储电能
有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种，主要是第一个，普通铅酸蓄电池需要维护，而碱性镍镉蓄电池较贵
LED灯
照明
白色，彩色，单个大功率或多个小功率
电路
过充、过放保护，光控、时控，防反接，LED恒流驱动
单片机或比较器方式
其它
提供物理支撑，连线等
灯架，控制箱，连线
表1、 部件功能
2.2、系统部件指标：
1、太阳能电池板指标：
l 材料（单晶硅，多晶硅，非晶体）；非晶硅
l 光电效率；
l 价位； 30元/W
l 峰值电压；17.5
l 接口；
l 工作寿命
l 工作电流
l 太阳能板的面积、重量
l 工作条件（温度、湿度范围）-20度——80度
使用单晶和多晶的电池片，功率从 1W 到 190W 。电池片的厚度大约在 200-350 微米，使用高透光的钢化玻璃和 TPT ，保证组件在恶劣环境下的良好性能。组件用电镀的铝型材框架便于安装和携带，组件边框和电池片之间的距离确保抵御气候变化的影响，同时保证组件的最经济尺寸。
2、 电池指标：
l 过充电压14.4V+ -0.2V
l 容量 50AH
l 无电时的电压
l 接口（连线标准）
l 太阳能电池对电池充电的开关控制方式（放电-待机-充电）
l 电池的品种 免维护铅酸电池
l 价位
l 工作寿命
l 工作条件
3、 LED灯：
l 实现方式
l 色彩
l 价位 17元/W
l 功耗
l 电路形式
4、控制电路：
太阳能LED系统的控制电路需要具备以下四大功能：
l 充放电控制功能
l 路灯控制功能：时控、光控
l LED驱动
l 其它辅助功能。
另外，还需要有以下的特别功能：
1：太阳能板、蓄电池、负载反接无忧设计。 绝对不用烧保险丝的办法来保护电路。
2：智能电子保险丝设计 具有过流保护、过温保护（特有）功能。
3：大过流率TVS雷击保护
以上三项保护措施，能够使产品更可靠。
具体技术数据有：
l 12V, 24V
l 防蓄电池反接
l 防太阳能板反接
l 防负载反接
l 蓄电池过充保护
l 蓄电池过放保护
l LED灯恒流驱动
l 负载短路保护
l 智能充电算法
l 温度补偿(选件)
l 系统状态指示
l 内置微控制器
l 路灯控制－时控(4-10小时，0：无定时)，光控
三、实现
1、 类似产品资料收集，市场分析；
2、 产品分析，原理分析；
3、 电路设计；
4、 试验；
5、BOM表，询价，试生产
二、项目研制分析
太阳照在地面太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度(即大气质量)、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响,其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化,甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。
太阳能电池方阵的光电转换效率,受到电池本身的温度、太阳光强和蓄电池电压浮动的影响,而这三者在一天内都会发生变化,因此太阳能电池方阵的光电转换效率也是变量。
蓄电池组也是工作在浮充电状态下的,其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化.蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。
太阳能电池充放电控制器由电子元器件制造而成,它本身也需要耗能,而使用的元器件的性能、质量等也关系到耗能的大小,从而影响到充电的效率等。
负载的用电情况,也视用途而定,如通信中继站、无人气象站等,有固定的设备耗电量.而有些设备如灯塔、航标灯、民用照明及生活用电等设备,用电量是经常有变化的。
因此,太阳能电源系统的设计,需要考虑的因素多而复杂.特点是:所用的数据大多为以前统计的数据,各统计数据的测量以及数据的选择是重要的。
设计者的任务是:在太阳能电池方阵所处的环境条件下(即现场的地理位置、太阳辐射能、气候、气象、地形和地物等),设计的太阳能电池方阵及蓄电池电源系统既要讲究经济效益,又要保证系统的高可靠性。
某特定地点的太阳辐射能量数据,以气象台提供的资料为依据,供设计太阳能电池方阵用.这些气象数据需取积累几年甚至几十年的平均值。
地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天24h.处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有24h的周期性的变化,其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同.可是天气的变化将影响方阵的发电量.如果有几天连续阴雨天,方阵就几乎不能发电,只能靠蓄电池来供电,而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好.设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据.由于一个地区各年的数据不相同,为可靠起见应取近十年内的最小数据.根据负载的耗电情况,在日照和无日照时,均需用蓄电池供电.气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据。
对太阳能电池方阵而言,负载应包括系统中所有耗电装置(除用电器外还有蓄电池及线路、控制器等)的耗量。
方阵的输出功率与组件串并联的数量有关,串联是为了获得所需要的工作电压,并联是为了获得所需要的工作电流,适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵。
一、蓄电池组容量设计
1.1 蓄电池种类
后备式蓄电池一般见在UPS系统中，她不适合长期充放电，可是，她能够极大程度的极限放电，比如UPS在短电后，为了保持输出供应，在全速维持着系统运转，她绝对不允许蓄电池中途没电了或者放不光，否则柴油引擎等还没有来得及启动可能电力就中断了，这种事对于数据中心等场合，造成的后果可能是整个国家甚至全世界的网络瘫痪。
而动力型蓄电池，比如电动车的就是，适合经常充电和放电，而且拥有比较强的放电能力，持续大电流放电的性能的
启动型蓄电池就是一般见的那些，比如汽车等，她低温性能会比较好，能够在瞬间释放大量的电流，这样启动引擎，但启动几下就要等一会让她恢复过来，不然就没电了。事实上，除了这3类外，还有其它很多呢，比如通讯专用蓄电池，缓冲蓄电池等。
1.2 蓄电池组容量设计
太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池.与太阳能电池方阵配套的蓄电池一般工作在浮充状态下,其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化.它的容量比负载所需的电量大得多.蓄电池提供的能量还受环境温度的影响.为了与太阳能电池匹配,要求蓄电池工作寿命长且维护简单。
1.蓄电池的选用
能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多,当前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种.国内当前主要使用铅酸免维护蓄电池,因为其固有的“免”维护特性及对环境较少污染的特点,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统,特别是无人值守的工作站.普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大,因此主要适于有维护能力或低档场合使用.碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能,但由于其价格较高,仅适用于较为特殊的场合。
2.蓄电池组容量的计算
蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的.在一年内,方阵发电量各月份有很大差别.方阵的发电量在不能满足用电需要的月份,要靠蓄电池的电能给以补足;在超过用电需要的月份,是靠蓄电池将多余的电能储存起来.因此方阵发电量的不足和过剩值,是确定蓄电池容量的依据之一.同样,连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得.因此,这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。
因此,蓄电池的容量BC计算公式为:
BC=A×QL×NL×TO/CC Ah （1）
公式中:
A为安全系数,取1.1~1.4之间;
QL为负载日平均耗电量,为工作电流乘以日工作小时数;
NL为最长连续阴雨天数;
TO为温度修正系数,一般在0℃以上取1,-10℃以上取1.1,-10℃以下取1.2;
CC为蓄电池放电深度,一般铅酸蓄电池取0.75,碱性镍镉蓄电池取0.85。
二、太阳能电池
2.1、原理
太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，经过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置一般是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

光伏电池的工作原理(见图形１)
当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了跃迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。
光伏发电系统的构成：
一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、控制器、逆变器和蓄电池构成。
光伏发电系统的类型：
光伏发电系统的两大分类：并网发电和独立发电

并网发电系统(见图形２)
太阳能电池方阵发出的电经过并网逆变器将电能直接输送到交流电网上，或将太阳能所发出的电经过并网逆变器直接为交流负载供电。

独立发电系统(见图形３)
独立发电系统，太阳能电池方阵发出的电经蓄电池充电并经过逆变器直流转换成交流电。
2.2 太阳能电池材料
多晶硅是生产单晶硅的直接原料，是当代人工智能、自动控制、信息处理、光电转换等半导体器件的电子信息基础材料。被称为“微电子大厦的基石”。
在太阳能利用上，单晶硅和多晶硅也发挥着巨大的作用。虽然从当前来讲，要使太阳能发电具有较大的市场，被广大的消费者接受，就必须提高太阳电池的光电转换效率，降低生产成本。从当前国际太阳电池的发展过程能够看出其发展趋势为单晶硅、多晶硅、带状硅、薄膜材料（包括微晶硅基薄膜、化合物基薄膜及染料薄膜）。
从工业化发展来看，重心已由单晶向多晶方向发展，主要原因为；[1]可供应太阳电池的头尾料愈来愈少；[2] 对太阳电池来讲，方形基片更合算，经过浇铸法和直接凝固法所获得的多晶硅可直接获得方形材料；[3]多晶硅的生产工艺不断取得进展，全自动浇铸炉每生产周期（50小时）可生产200公斤以上的硅锭，晶粒的尺寸达到厘米级；[4]由于近十年单晶硅工艺的研究与发展很快，其中工艺也被应用于多晶硅电池的生产，例如选择腐蚀发射结、背表面场、腐蚀绒面、表面和体钝化、细金属栅电极，采用丝网印刷技术可使栅电极的宽度降低到50微米，高度达到15微米以上，快速热退火技术用于多晶硅的生产可大大缩短工艺时间，单片热工序时间可在一分钟之内完成，采用该工艺在100平方厘米的多晶硅片上作出的电池转换效率超过14％。据报道，当前在50～60微米多晶硅衬底上制作的电池效率超过16％。利用机械刻槽、丝网印刷技术在100平方厘米多晶上效率超过17％，无机械刻槽在同样面积上效率达到16％，采用埋栅结构，机械刻槽在130平方厘米的多晶上电池效率达到15.8％。
单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，可是成本较高。单晶硅电池早在20多年前就已突破光电转换效率20%以上的技术关口。
多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池，材料中的各种缺陷，如晶界、位错、微缺陷，和材料中的杂质碳和氧，以及工艺过程中玷污的过渡族金属被认为是造成多晶硅电池光电转换率一直无法突破20%的关口。德国弗劳恩霍夫协会科研人员采用新技术，在世界上率先使多晶硅太阳能电池的光电转换率达到20.3%。
从固体物理学上讲，硅材料并不是最理想的光伏材料，这主要是因为硅是间接能带半导体材料，其光吸收系数较低，因此研究其它光伏材料成为一种趋势。其中，碲化镉(CdTe)和铜铟硒(CuInSe2)被认识是两种非常有前途的光伏材料，而且当前已经取得一定的进展，可是距离大规模生产，并与晶体硅太阳电池抗衡需要大量的工作去做。
2.3、太阳能电池设计
1.太阳能电池组件串联数Ns
太阳能电池组件按一定数目串联起来,就可获得所需要的工作电压,可是，太阳能电池组件的串联数必须适当。1）串联数太少, 串联电压低于蓄电池浮充电压,方阵就不能对蓄电池充电。2）如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时，充电电流也不会有明显的增加。因此，只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时,才能达到最佳的充电状态。
计算方法如下:
Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc （2）
(2)式中:
UR为太阳能电池方阵输出最小电压;
Uoc为太阳能电池组件的最佳工作电压;
Uf为蓄电池浮充电压;
UD为二极管压降,一般取0.7V;
UC为其它因数引起的压降。
电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关,应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。
2.太阳能电池组件并联数Np
在确定NP之前,我们先确定其相关量的计算方法。
(1) 将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量Ht, 转换成在标准光强下的平均日辐射时数H:
H=Ht×2.778/10000 h （3）
式中:
2.778/10000(h·m2/kJ)为将日辐射量换算为标准光强(1000W/m2)下的平均日辐射时数的系数。
(2) 太阳能电池组件日发电量Qp：
Qp=Ioc×H×Kop×Cz Ah （4）
式中:
Ioc为太阳能电池组件最佳工作电流;
Kop为斜面修正系数;
Cz为修正系数,主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失,一般取0.8。
(3) 两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw, 此数据为本设计之独特之处,主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来,需补充的蓄电池容量Bcb为:
Bcb=A×QL×NL Ah （5）
(4) 太阳能电池组件并联数Np的计算方法为:
Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw) （6）
公式(6)的表示意为: 并联的太阳能电池组组数,在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量,不但供负载使用,还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。
3.太阳能电池方阵的功率计算
根据太阳能电池组件的串并联数,即可得出所需太阳能电池方阵的功率P:
P=Po×Ns×Np W (7)
式中:Po为太阳能电池组件的额定功率。

本次设计
光源电压12V，功率为21W，每天工作6h，最长连续阴雨天为3d， 两最长连续阴雨天最短间隔天数为15d，
太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的WBG40（P）型组件, 组件标准功率为40W, 工作电压17.2V, 工作电流2.32A,
蓄电池采用铅酸免维护蓄电池, 浮充电压为(144±2)V. 其水平面太阳辐射数据参照表, 成都地区其水平面的年平均日辐射量为10392(kJ/m2), Kop值为0.7553,计算太阳能电池方阵功率及蓄电池容量。

1. 蓄电池容量Bc：
Bc=A×QL×NL×To/CC=1.2×(21/12)×6×3×1/0.75≈50Ah
2. 太阳能电池方阵功率P:
太阳能电池组件串联数Ns：
Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+UC)/Uoc=(14+0.7+)/17.1=0.88≈1
太阳能电池组件日发电量Qp:
Qp=Ioc×H×Kop×Cz=2.32×10392×(2.778/10000)×0.7553×0.8≈4.05Ah
需补充的蓄电池容量Bcb:
Bcb=A×QL×NL=1.2×21/12×6×3=37.8Ah， 其中QL=(21/12)×6=10.5Ah
太阳能电池组件并联数Np：
Np=(Bcb+Nw×QL)/(Qp×Nw)=(37.8+15×10.5)/(4.05×15)≈3故太阳能电池方阵功率为:
P=Po×Ns×Np=40×1×3=120W
3. 计算结果该地面卫星接收站需太阳能电池方阵功率为120W,蓄电池容量为50Ah

上述设计所需：
50Ah蓄电池：
NS＝1，NP=3, 功能为120W太阳能电池：
序号
器件名称
产品型号
数量
单价（元）
金额小计（元）
1
太阳能板
WBG*(P)
120W
30元/W
3600
2
免费维护铅酸电池

50Ah
640
560

三、LED灯
灯头部分采用1W的白光LED灯，以3个一串，共并联7组，共27颗,分布在散热板上作为平面光源
序号
器件名称
产品型号
数量
单价（元）
金额小计（元）
1
大功率LED
1W
21
14
294
2
LED透镜

21
3
63
3
散热片

1
100~250
100~250
4
路灯灯头
DD10
1
200
200
5
其它器件

10
10
总计
667~817元

四、控制电路
控制电路分为两大部分，即：太阳能充放电控制器和LED灯供电电路。
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、过防保护，防反接等。
而LED灯供电电路则需要具有光控、时控功能。
蓄电池过充、过放保护电压一般参数如表1，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路状态。
表1 蓄电池充放电保护
标称电压
防过充电压
防过放电压
6V
7.2+-0.1V
5.5+-0.1V
12V
14.4+-0.2
10.8+-0.2V
24V
28.6+-0.1V
22V
选用器件上，有用比较器，也有用单片机的，具体依情况而定。
序号
器件名称
产品型号
数量
单价（元）
金额小计（元）
1
控制器
12V21W
1
100
100
五 路灯组件
路灯灯杆高6M，厚度为5MM
序号
器件名称
产品型号
数量
单价（元）
金额小计（元）
1
6M灯杆

1
800-1000
800-1000
2
蓄电池箱

1
100
100
3
线缆

15米
30
30