【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 25 77 6 10 95 159 41 292 83 65 2159 28 42 4 6 11 3 57 42 217 201 62 1643 30 17 3 12 79 22 125 134 302 60 1511 27 9 2 注：沈陽道義開發(fā)區(qū)位于 (123゜ 26’E,41 ゜ 46’N) 海拔高度 43 米 LED太陽能路燈系統(tǒng)的組成及功能 太陽能路燈系統(tǒng)由太陽能電池組件部分（包括支架）、 LED 燈頭、太陽能控制器 、蓄電池組（包括蓄電池保溫箱）和燈桿有的還要配置逆變器等幾部分構(gòu)成。 太陽能電池 組件一般選用單晶硅或者多晶硅太陽能電池組件； LED燈頭一般選用大功率 LED 光源；控制器一般放置在燈桿內(nèi)，具有光控、時(shí)控制、過充過放保護(hù)及反接保護(hù)，更高級(jí)的控制器更具備四季調(diào)整亮燈時(shí)間功能、半功率功能、智能充放電功能等；蓄電池一般放置于地下或則會(huì)有專門的蓄電池保溫箱，可采用閥控式鉛酸蓄電池、膠體蓄電池、鐵鋁蓄電池或者鋰電池等。太陽能燈具全自動(dòng)工作，不需要挖溝布線，但燈桿需要裝置在預(yù)埋件（混凝土底座）上。 太陽能路燈照明系統(tǒng)工作原理介紹 系統(tǒng)工作原理如圖 所示 ，利用光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲(chǔ)存在蓄電池中，夜晚當(dāng)照度逐漸降低至 10lux 左右、太陽能電池板開路電壓 左右，充放電控制器偵測(cè)到這一電壓值后動(dòng)作，蓄電池對(duì)燈頭放電。蓄電池放電 10 小時(shí)后，充放電控制器動(dòng)作，蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是天黑時(shí)自動(dòng)開燈；天亮?xí)r自動(dòng)關(guān)燈；在蓄電池電量不足時(shí)，自動(dòng)斷開負(fù)載，防止蓄電池過放電；并有短路保護(hù)、反接保護(hù)等。 7 圖 太陽能 led 路燈系統(tǒng)原理圖 設(shè)計(jì)思路及其設(shè)計(jì)原則 太陽能電池發(fā)電路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總原則是， 在保證滿足負(fù)載供電需要的前提下，確定使用最少的太陽能電池組件功率和蓄電池容量，以盡量減少初始投資。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者來說，在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中做出的每個(gè)決定都會(huì)影響造價(jià)。由于不適當(dāng)?shù)倪x擇，可輕易地使系統(tǒng)的投資成倍地增加，而且未必見得就能夠滿足使用要求。 對(duì)于照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般我們需要考慮以下幾個(gè)問題： （ 1）從功能上 ,道路照明 系統(tǒng)的主要功能是保證交通安全，提高 交通運(yùn)輸 效率、保障人身安全、提供舒適 環(huán)境、提升 工廠 形象。 （ 2） 在滿足道路照明各項(xiàng)功能需要的基礎(chǔ)上，提高道路照明系統(tǒng)的能效，降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源，減少污染，以達(dá)到節(jié)能和 環(huán)保 的目的 。 （ 3）另外還要結(jié)合當(dāng)?shù)氐?光資源情況 。 在設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要的基本數(shù)據(jù)主要有：現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔高度等；安裝地點(diǎn)的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量及散輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速及冰雹 、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無法做出長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，只能以過去10 年到 20 年的平均值作為依據(jù)。 這些氣象數(shù)據(jù)我們均可以在 NASA 上查到。若 8 是當(dāng)?shù)赜袊?guó)家標(biāo)準(zhǔn)我們以國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為主。 采取目前國(guó)際上流行的“全年均衡冬半年最大” 的接收太陽能輻射量的光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則原則，即 根據(jù)蓄電池均衡充電的要求，以夏半年和冬半年在組件面上的日輻射量相等，但同時(shí)還要使組件上冬半年的日輻射量盡量達(dá)到最大值，從而增加組件在太陽輻射強(qiáng)度較弱月份的發(fā)電量原則，來確定太陽能電池組件面的最佳傾角及其最佳發(fā)電電流值 ,同時(shí)統(tǒng)計(jì)出全年累計(jì)最大 的連續(xù)虧欠電量 ,結(jié)合適當(dāng)?shù)男铍姵胤烹娚疃?,確定出組件和蓄電池的合理搭配容量。 本次設(shè)計(jì)的主要思路為，查找沈陽當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，利用 PVsyst 軟件模擬當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，包括包括地理緯度、年平均總輻射量、平均氣溫及極端氣溫等。確定固定式太陽能方陣的安裝傾角，計(jì)算所確定傾斜面上的輻照量進(jìn)而折算等效的年平均峰值日照小時(shí)數(shù)。分析負(fù)載類型和功耗，包括直流負(fù)載、交流負(fù)載（阻性負(fù)載、感性負(fù)載）功率，運(yùn)行時(shí)間等。選擇直流系統(tǒng)電壓，進(jìn)行蓄電池容量計(jì)算、太陽電池方陣容量計(jì)算，最后進(jìn)行控制器、逆變器的計(jì)算和型號(hào)確定。 led 路燈設(shè)計(jì)要求 假設(shè) 沈陽工程學(xué)院 某道路的 LED 路燈配置在次干道，選低檔值Eav=10 lx，路面實(shí)際寬度 Ws 為 8m，人行道為 1m，單側(cè)排列， 要求路燈每天工作 9h,保證連續(xù) 5 個(gè)陰雨天能正常工作。位于 123゜ 26’E,41 ゜ 46’N ，采用截光型燈具。 9 第二章 LED路燈系統(tǒng)設(shè)備介紹 燈桿 路燈燈桿即 安裝在路旁按道路照明用的用以支撐燈具的桿子。分為：不銹鋼燈桿， 我國(guó)采取的方式是進(jìn)行熱鍍鋅表面處理，熱鍍鋅符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品壽命可以達(dá)到 15 年。否則遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到。鐵質(zhì)燈桿， 只是表面做一下 噴涂（刷漆或噴粉處理），壽命是 3~5年。鋁合金燈桿 ， 高強(qiáng)度鋁合金制造，不僅人性化地保護(hù)了人員安全，而且強(qiáng)度高，不需要任何表面處理也有超過 50年的耐腐蝕性，而且非常美觀。看起來更加高檔 。 . LED 路燈 的定義 即半導(dǎo)體照明燈，以發(fā)光二極管作為光源，因其是一種固態(tài)冷光源，具有環(huán)保無污染、耗電少、光效高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，做成的 LED 10 路燈。傳統(tǒng)的路燈常采用高壓鈉燈，高壓鈉燈整體上光效低的缺點(diǎn)造成了能源的巨大浪費(fèi) ，而 大功率 LED 路燈 以 高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、 驅(qū)動(dòng)特性好、 響應(yīng)速度快 、 抗震能力高、 顯色指數(shù)高等獨(dú)特 的 優(yōu)勢(shì)逐漸走入人們的視野、成為目前世界上最具有替代傳統(tǒng)光源優(yōu)勢(shì)的新一代節(jié)能光源，因此， LED 路燈將成為 道路照明 節(jié)能改造的最佳選擇。 圖 傳統(tǒng)高壓鈉路燈燈具（左）和 LED 路燈燈具（右） LED 的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理 LED是英文 light emitting diode（發(fā)光二極管）的縮寫， 是一種固態(tài)的 半導(dǎo)體器件 ，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。 LED 的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附 三豐 LED在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被 環(huán)氧樹脂 封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是 P 型 [1]半導(dǎo)體，在它里面 空穴 占主導(dǎo)地位，另一端是 N 型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè) “P N 結(jié) ” 。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向 P 區(qū)，在 P 區(qū)里電子跟空 11 穴復(fù)合，然后就會(huì)以 光子 的形式發(fā)出能量，這就是 LED 發(fā)光的原理。而光的 波長(zhǎng) 決定光的顏色，是由形成 PN 結(jié)材料的禁 帶寬 度決定的。它的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線的作用，所以 LED的抗震性能好， 大功率 LED，一般指大于 ， 圖 發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)圖 發(fā)光二極管的核心部分是由 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體組成的晶片，在 p 型半導(dǎo)體和 n 型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過渡層，稱為 pn 結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的 PN 結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN 結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱 LED。 當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)（即兩端加上正向電壓），電流從 LED 陽極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到 紅外不同顏色的光線，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。 LED 路燈的特點(diǎn)與應(yīng)用優(yōu)勢(shì) LED 路燈與常規(guī)高壓鈉燈路燈不同的是，大功率 LED 路燈的 12 光源采用低壓直流供電、由 GaN 基功率型高藍(lán)光 LED 與黃光熒光粉合成的高效白光二極管，具有高效、安全、節(jié)能、環(huán)保、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)速度快、顯色指數(shù)高等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于城市道路照明。外罩可用 pc管制作，耐高溫達(dá) 135 度，耐低溫達(dá) 45 度。 發(fā)光二極管 (LightEmittingDiode，簡(jiǎn)稱為 LED)是基于半導(dǎo)體PN結(jié)形成的用微弱的電能就能發(fā)光的高效固態(tài)光源，在一定的正向 偏置電壓和注入電流下，注入 P 區(qū)的空穴和注入 N 區(qū)的 按目前市場(chǎng)產(chǎn)品的輸入功率對(duì) LED 分類．其中輸入功率為幾十 mW的，稱為傳統(tǒng)的小功率芯片；其輸入功率小于 1 W 的，為功率 LED；輸入功率等于 1 W 或大于 1 W 的，則為 W 級(jí)功率 (大功率 )LED。目前大功率比較常見的有 1， 3， 5， 8， 1OW。已批量應(yīng)用的有 1 W 和 3 W LED，并正朝大電流 (300 mA～ 1． 4 A)、高效率 (60～ 1 204 lm／ W)、亮度可調(diào)的方向發(fā)展。大功率 LED 路燈采用單顆功率大于 1 W 以上的 LED。選用美國(guó) CREE 公司的 3 W LED 將 多個(gè)芯片集成于印刷電路板上排列為一定間距的點(diǎn)陣作為平面發(fā)光源，組合成一個(gè)大功率 LED 單體模塊，裝入路燈燈具中，借此提高芯片面積，并增加發(fā)光量。 將多個(gè) LED 集中在一起設(shè)計(jì)道路照明，除足夠的光通量和合理的光學(xué)設(shè)計(jì)保證合理的光分布外，更為重要的是散熱問題。由于路燈具有戶外夜間使用，散熱面位于側(cè)上面以及體型受限制較小等特點(diǎn)，有利于空氣自然對(duì)流散熱，所以 LED 路燈選擇自然對(duì)流散熱方式，同時(shí)整燈采用高導(dǎo)熱系數(shù)鋁作為散熱主體，解決了 LED 的散熱問瞬 。我們這個(gè)太陽能設(shè)計(jì)采用的是 50w 的 LED 燈。 太陽 能電池板 太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來。太陽能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的 PN 結(jié)。工作原理和二極管類似。只不過在二極管中，推動(dòng) PN 結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是外部電場(chǎng)，而在太陽能電池中推動(dòng)和影響 PN 結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是太陽光子和光輻射熱。也就是通常所說的光生伏特效應(yīng)原理。目前光電轉(zhuǎn)換的效率，大約是光伏電池效率大約是單晶硅 13％－ 15％，多晶硅 11％－ 13％。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電 池。 13 硅太陽電池的工作原理與結(jié)構(gòu) 太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu) ，如圖 。 圖 圖 中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)含硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照?qǐng)D 所示。 圖 圖 中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而 實(shí)心 的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥?3 個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的 空心 的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆] 有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成 P（ Positive）型半導(dǎo)體。 同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌€(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非常活躍，形成 N（ Negative）型半導(dǎo)體。 實(shí)心 的為磷原子核，小 的為多余的電子 ，如圖 所示 。 14 圖 N 型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而 P 型半導(dǎo)體中含有較多的電子， 這樣，當(dāng) P 型和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面 形 成電勢(shì)差，這就是 PN 結(jié) 。如圖 所示 。 PNE空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng) 圖 當(dāng) P 型 和 N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會(huì)形成一個(gè)特殊的薄層 )，界面的 P 型一側(cè) 帶負(fù)電， N 型一側(cè) 帶正電。這是由于 P 型半導(dǎo)體多空穴， N 型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。 N 區(qū)的電子會(huì)擴(kuò)散到 P 區(qū)， P 區(qū)的空穴會(huì)擴(kuò)散到 N 區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由 N指向 P的 “ 內(nèi)電場(chǎng) ” ，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后，就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢(shì)差，這就是 PN結(jié)。 當(dāng)晶片受 到 光后， PN 結(jié)中， N 型半導(dǎo)體的空穴往 P 區(qū)移動(dòng)，而 P 區(qū)中的電子往 N 區(qū)移動(dòng)，從而形成從 N 區(qū)到 P 區(qū)的電流。然后在 PN結(jié)中形成 電勢(shì) 差 ，這就形成了電源 ， 如圖 所示 。 15 前電極（ ）后電極（ + ）n 型（ p+ ）p 型（ B ）太陽光防反光涂層電流 圖 由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過 P－ N 結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋 P－ N 結(jié) ， 如圖 所示 ，以增加入射光的面積。 另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。 為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射 ,將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜 ，使太陽能電池板的表面呈紫色， 將反射損失減小到 5％甚至更小。一個(gè)電池所能提供 的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。 太 陽 能電池組件 太 陽能電池組件由進(jìn)口（或國(guó)產(chǎn)）