刚果太阳能路灯方案设计.doc

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1、刚果太阳能路灯方案设计1.系统组成系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制器、蓄电池、灯杆和预埋部分构成；太阳能电池板光效达到136Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以3W白光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。 地埋箱箱体以砖块、水泥为材质，美观耐用；地埋箱内放置免维护铅酸蓄电池，充放电控制器放置在灯杆内。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、调功率、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。 2.工

2、作原理系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，白天电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。控制器开始计时，蓄电池前1小时半功率放电，后6小时全功率放电，最后3小时半功率放电，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。 3. 地理环境、气象条件源自香港天文台和美国旧金山航天局的NASA数据库，刚果布拉扎维尔机场的天气情况信息如下（表1）:最大风速48公里/每小时合13.4米/秒。经纬度坐标：8 46

3、48.00N, 27 24 0.00E4. 太阳能电池组件选型 由上述可知刚果日照时数最低7.2小时每天，我们就按最低日照时数计算。 1,太阳能电池组件选型 表2 多晶硅太阳电池组件（100W）产品图片（仅供参考以实物为准）技术特征产品描述最大功率130Wp功率标准差1%3%工作电压17.5V工作电流7.42A开路电压21.2V短路电流6.13A最大系统电压1000V DC电压温度系数-15510mV/电流温度系数+0.060.01%/功率温度系数-0.50.05%/电池片品牌月儿电池类型多晶硅电池片尺寸115067035mm重量8.9Kg框架材料阳极优化铝合金边框运行温度-40+85存储环境

4、-40+85抗风能力Wind Resistance60m/s耐压AC500V DC3000V使用寿命使用寿命长达10年 抗压能力200Kg/产品认证欧盟CE抗冰雹能力25mm,80km/h公司认证ISO9001:2000太阳能板转化率17% 设计要求：非洲刚果地区，负载输入电压12V功耗40W，每天工作时数8h，保证连续阴雨天数2天。 非洲刚果地区近二十年年均辐射量在100180千卡/厘米*年范围内。经简单计算最低日照时数约为7.2/24h； 最高日照时数约为10.3/24h 负载日耗电量 = 40W6（11）20W= 280W 所需太阳能组件的总功率= 280W27.2小时功率系数0.6=1

5、30W,这里我们，所以选130WP的标准太阳能组件。(4) 在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为2天，0.85为蓄电池充电效率。列式计算得：280W12V=23.33A（21）天0.8582.4AH,我们也留一些余量，所以选90A的标准太阳能蓄电池。太阳能供电系统中，蓄电池的性能好坏直接影响系统的综合成本及运行好坏和使用寿命，本方案中选用我公司最新成果储能型胶体蓄电池， 与普通的铅酸电池相比，它在设计上和制造工艺上有以下突出特点： 使用寿命超长，正常情况下使用寿命为五到十年。 采用适合的正负极合金配方及活性物质配比，使电池更加适合储能电池循环充、放电的使用特点。 胶体电解液的设计，有效

6、的抑制活性物质的脱锈和极板的盐化现象，从而延缓了电池在使用过程中的性能衰降。大大改善了电池的深充放循环寿命。 5. 光源选用 1.外观设计：超导热月儿LED路灯采用半截光型灯具 流畅的线型设计， 分段热设计，压铸、型材、的优化配合设计，在保证品质的前题下从各个方面减轻产品的重量，有效地提高了产品的性价比和安全性能。3.低温设计根据LED的HATIZ定理:LED工作温度为25以下时,使用寿命为10万个小时,25-50时,使用寿命为5万个小时,50-75时,使用寿命为2万个小时,75-100 时,使用寿命为1万个小时, 100-125时,使用寿命为5千个小时, 125-150时,使用寿命为2千个小

7、时产品的温升大小直接导致产品寿命的长短，散热灯壳导热系数是201，铝基板导热系数都在0.992以上，散热硅油导热系数是1.5。以上这3点确保能把温度控制在50以下来达到产品的长寿。导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用表示，单位为瓦/米度（W/mK），我们的产品用铝型材6063导热系数201，用ADC12导热系数是99.2，这说明我们的材料用得好。并且采用热辐射、热传导、热对流和自然空冷的方式散热来加速散热. 灯壳导热参数图1灯壳导热参数图23.灯珠LED 光谱图光度参数:光通量 = 128.3 lm 光效 : 11

8、8.64 lm/W e = 404.1 mW电参数:正向电压 VF = 3.090 V 正向电流 IF = 350.1 mA 功率 P = 1082 mW分级:518 白光分类:E_6700K仪器状态: 积分时间 T=69.00ms Ip=52719 (80%) PHAD=22718 STC4000_V1_USB V2.00.167产品型号:1W白光产品编号:N 66654测试人员:刘越海测试日期:2013-03-07环境温度:25.3环境湿度:65.0%制造厂商:PUSISAT备 注:-测试仪器:WY + STC4000_V1_USB远方(EVERFINE)LEDspec光色电测试报告光 源

9、 光 谱 测 试 报 告1.2色容差 13.7 SDCM1.00.8相对光谱0.60.40.20.0480580680780380x=0.337 y=0.345 5300K/ENM波 长(nm)颜色参数:色品坐标:x=0.3158y=0.3286/u=0.2002v=0.4686duv=1.410e-003相关色温:Tc=6341K 主波长:d=488.2nm 色纯度: Purity=6.3%色比:R=13.8% G=82.6% B=3.6%峰值波长:p=448.8nm半宽度:d=19.5nm显色指数:Ra=73.0R1=72R2=76R3=76R4=75R5=73R6=67R7=82R8=6

10、4R9=-17R10=41R11=72R12=41R13=72R14=87R15=69在此先得明确介绍一下，我们的LED构成：1）我们的芯片是采用台湾晶元3w高档芯片，只做0.95W使用，具有高亮、低热、低光衰的优点。2）支架采用亿润、宏磊达。3）胶水采用信越、道康宁，折射率达1.53，4）荧光粉，以上这4点都是以品质为第一核心，确保产品的长寿。从上表可知：光通量为128.3lm,光效为118.64lm/W因此总理论光通量118.64Lm/W0.95W/Pcs42pcs=4733.736Lm 灯具输出光通量4733.736Lm0.9（透镜损失）0.95（侧壁损失）0.95（灯罩损失）=3844

11、.9Lm光源功耗1.0.95/Pcs42=40W 驱动电源损耗40W （ 1-0.83）=6.8W 总功耗40W+6.8W=46.8W 根据光学公式 ：照度=光强/距离2 平均照度=光通量/面积 环境比（SR）=路边3M平均照度/屋边3M平均照度和人性道路照明标准值图得：15=3642.6Lm /面积即面积为242.8平方米，4车道即13.5米根据面积公式得17.9米5=3642.6Lm /面积即面积为728平方米，4车道即13.5米根据面积公式得53.9米由此可见灯杆的最小距离为17.9米，最大距离为54米，由于灯杆的高度制约两点的距离已知等腰三角形ABC中AB=ACm，顶角A 以余弦定理有

12、 底边BC=(m2+m2-2m*mcosA) =m2(1-cosA) =2msin(A/2)平均照度=光通量/面积圆面积公式 s圆=r得：3844.9Lm /339.6=11.32ux，符合道路照明标准。LED光源优势1.发光效率高，耗电量小，使用寿命长，工作温度低。 2.安全可靠性强。 3.反应速度快，单元体积小，绿色环保。 4.同亮度下，耗电是白炽灯的十分之一，荧光灯的三分之一，而寿命却是白炽灯的50倍，荧光灯的20倍，是继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明产品。 5.单颗大功率超亮度LED的问世，是LED应用领域跨至高效率照明光源市场成为可能，将是人类继爱迪生发明白炽灯后最伟大的

13、发明之一。 5.电池组件支架1) 倾角设计为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。 关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为非洲地区，依据本次设计参考相关文献中的资料表1，选定太阳能电池组件支架倾角为26.33。 2)抗风设计在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。 太阳能电池组件支架的抗风设计 依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700

14、Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。 在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。 路灯灯杆的抗风设计 路灯的参数如下： 电池板倾角A = 16.33灯杆高度 = 6m 设计选取灯杆底部焊缝宽度 = 4mm 灯杆底部外径 = 168mm 焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W 的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为 PQ = 6000+（168+6）/tan26.33 S

15、in26.33 = 2817mm。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F2.817m。 根据27m/s的设计最大允许风速，230W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F = 1.3730 = 949N。 所以，M = F2.817 = 9492.817 = 2673N.m。 根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = （3r3r）。 上式中，r是圆环内径，是圆环宽度。 破坏面抵抗矩W = （3r3r） =（384438444）= 278732mm=278.732106m风荷载在破坏面上作用矩引起的应力 = M/W = 2673/（279106） =9.581

16、06pa =9.58 Mpa215Mpa 其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。 所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。 6.控制器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保护、过放保护、光控、时控与防反接等。系统结构如图1所示，主要分六大部分，输入采样电路、输出采样电路、DC-DC升压电路，MPPT单片机控制电路，电池充电电路，输出功率控制电路。图1系统原理框图太阳能电池板输出电压通过LM2577芯片升压，再将DCDC升压电路输出的电压传送给BQ2000电池充电系统，从而完成对蓄电池的充电。由于要完成MPPT，采用电阻分压的

17、方式采样太阳能电池板输入电压，结合霍尔电流传感器采样电流，通过LM358组成的同相比例放大电路放大采样电流，采样后的电压、电流通过单片机自身AD转换处理输出一个脉宽调制信号控制DC-DC升压电路的动态电阻，实现了对DC-DC升压电路的控制，从而达到了最大功率输出。当负载或开路电压发生变化时，MPPT控制器总能够调节电路的等效阻抗，使负载的等效电阻和电源内阻相等，进而负载上获得最大功率。当电源电压发生变化时，MPPT控制器总能够调节输出电路的等效功率，使负载输出下降为半功率工作模式，从而保护蓄电池防止过放。软件流程图7.灯杆表面处理 该系列产品采用镀锌后再静电涂装新技术，以FP专业建材涂料为主，

18、可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标更不用说。8.防雷设计路灯防雷接地设计 避雷针由接受器、接地引下线和接地体（接地极）三部分串联组成避雷针的接受器是指避雷针顶端部分的金属针头。接受器的位置都高于被保护的物体。接地引下线是避雷针的中间部分，是用来连接雷电接受器和接地体的。接地引下线的截面积不但应根据雷电流通过时的发热情况计算，使其不会因过热而熔化，而且还要有足够的机械强度。接地体是整个避雷针的最底下部分。它的作用不仅是

19、安全地把雷电流由此导入地中，而且还要进一步使雷电流在流入大地时均匀地分散开去。 避雷针的工作原理就其本质而言，避雷针不是避雷，而是利用其高耸空中的有利地位，把雷电引向自身，承受雷击。同时把雷电流泄入大地，起着保护其附近比它矮的建筑物或设备免受雷击的作用。避雷针保护其附近比它矮的建筑物或设备免受雷击是有一定范围的。这范围像一顶以避雷针为中心的圆锥形的帐篷，罩在帐篷里面空间的物体，可以免遭雷击，这就是避雷针的保护范围.避雷针在地面上的保护半径为r=1.5h式中r保护半径（米）；h避雷针高度（米）。在被保护物高度hx水平面上的保护半径为rx=（h-hx）p=haprx=（1.5h-2hx）p式中rx

20、避雷针在hx水平面上的保护半径（米）hx被保护物的高度（米）ha避雷针的有效高度（米）p高度影响系数（考虑避雷针太高时，保护半径不按正比例增大的系数）.h30米时，p=1图1中顶角称为避雷针的保护角对于平原地区取45；对于山区，保护角缩小，取37.如图路灯灯杆高6米，避雷针高出灯杆1.5米避雷针在地面上的保护半径r=1.5h=1.5（6m+1.5m)=11.25（m）避雷针对灯杆顶部水平面的保护半径rx=（h-hx）p=（7+1.5-6）1=1.5（m）太阳能组件规格为1480680，由此可见在其保护范围之内需要注意的是，雷电时期内，在避雷针接地装置附近，由于跨步电压甚高，人员接近时有触电的危

21、险，一般在避雷针接地装置附近约10米的范围内是比较危险的。因此路灯接地体要考虑直击雷产生的跨步电压 由于路灯多安装于人行道内，所以必须考虑灯杆遭受直击雷时跨步电压对行人的危害。根据民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92中第12.9.7条规定人行道内，人工接地装置水平接地体局部埋深不应小于1m。在实施过程中必须严格按照规范要求施工，避免跨步电压对行人的危害。在太阳能路灯系统中，根据建筑物防雷设计规范(GB50057-94）第五节第3.5.4条，我们将其定性为3类防雷设施，采用单灯防雷接地。 路灯一般落雷的几率很小，路灯大多数是装设在街道两旁的，道路两旁的建筑物，或树木等都比路灯要高。因此，路灯

22、直接遭受雷击的可能性极小，在极端情况下，路灯落雷也是有可能的，但是路灯本身是金属，即导体，本身接了地，就是一个避雷装置 LED路灯防雷 要从两方面考虑：一是直击雷防护，空旷、偏远地区，独立架设的LED路灯，都要考虑给架杆上安装避雷针做为LED路灯的直击雷防护，防止其遭受直接雷击而损坏。这里用我们用太阳能路灯金属灯杆做接闪泄流器，路灯的根脚距地150mm焊接接地耳，接地线采用热镀扁铁或者圆钢，每个路灯旁边打入一根接地极，1.5米长。（太浅的话地表电阻高）接地耳与热镀扁铁用螺丝联接1、 二是感应雷（也叫而二次雷）防护，感应雷主要是雷电活动时在LED的电源和信号线路上由于静电感应或者电磁感应而在线路

23、上产生一个突峰电压或突峰电流从而影响或破坏LED路灯设备。感应雷主要是通过线路来侵害设备，所以防护就要从设备的进线端考虑， LED路灯的电源防雷可根据其进线电压我们（以及当地雷暴日）选择相应的防雷产品，一般做两级防护即可； 信号防雷可在LED路灯的信号线路串联相应的信号防雷器（信号防雷器的选择主要根据信号线路的类型选择），一般安装在LED路灯信号线进入设备前端和信号线路进入控制室设备端。(控制器电路设计时已包含该电路） 防雷器主要根据电源电压来设计,由于雷电天气时LED路灯的电路会由静电感应或者电磁感应产生一个突峰电压或突峰电流穿过，从而影响和破坏LED路灯设备。因此需要选择适合的LED专用防

24、雷器对电源线路浪涌过电压保护，避免同一地区出现大面积LED路灯雷击损坏现象。一、接闪器接闪器位于防雷装置的顶部，其作用是利用其高出被保护物的突出部位把雷电引向自身，承接直击雷放电。在尼泊尔路灯系统中我们采用1.5m长25mm的不锈钢管加工而成的避雷针作为接闪器二、引下线引下线指连接接闪器与接地装置的金属导体。防雷装置的引下线应满足机械强度、耐腐蚀和热稳定的要求。根据建筑物防雷设计规范(GB50057-94）第4.,2.3条，我们采用路灯灯杆作为引下线三、接地装置 接地装置能否符合规程要求，主要指标为接地电阻。接地电阻实际是两部分电阻之和，一部分是接地体金属物的电阻，另一部分是整个大地的电阻也称

25、流散电阻。由于金属接地体的电阻很小，因此接地电阻主要决定于流散电阻的大小。流散电阻主要由接地装置的结构和土壤电阻率决定，土壤的电阻率越低，流散电阻也就越低。 根据建筑物防雷设计规范(GB50057-2010）第4.,2.3条的第5款 规定：架空金属管道，在进出建筑物处，应与防闪电感应的接地装置相连。距离建筑物 100 m内的管道，应每隔 25 m接地一次，其冲击接地电阻不应大于 30（20），并应（宜）利用金属支架或钢筋混凝土支架的焊接、绑扎钢筋网作为引下线，其钢筋混凝土基础宜作为接地装置。鉴于路灯的安装地理位置的原因, 原来的常规人工接地极已经变得较困难, 特别是一些于城区核心地段的杆位,

26、这种接地极布置方式完全是不容许的, 或者投资太大。鉴于以上情况,我们根据大多数钢管杆采用挖孔桩基础的特点, 提出灯杆可采用深埋复型人工接地极的布置方式。深埋复合型人工接地极是在钢管杆的挖孔桩基础开挖完后, 在沿基础壁采用1根沿基础壁垂直辅助接地极和灯杆构成。 接地电阻定义及物理概念定性地说, 电流通过接地极向周围大地无穷远处流散时, 大地土壤所呈现的总电阻, 称为接地电阻。接地电阻的定量定义是: 假设在某个电极上流入接地电流I, 而接地极的电位比周围大地无穷远处高出U 时, 则接地极电位U 对接地电流I的比值U / I称为接地电阻。接地电极的接地电阻包括以下三种电阻(见图1)( 1)接地电极自

27、身的电阻。( 2)接地电极表面与大地土壤接触处的接触电阻。( 3)接地电极周围土壤所具有的电阻。 图1􀀁 接地电极的接地电阻以上3点是接地电阻的本质, 也就是接地电阻的基本物理意义。在接地技术中所定义的接地极的接地电阻, 一般都是忽略接地极的自身电阻和接触电阻, 实际上就是只考虑接地极周围大地土壤的电阻。 我这里没有刚果的实际土壤电阻，无法进行接地电阻精确计算，可在实际勘察后再进行。9.总结湖南月儿太阳能自主研发生产太阳能LED路灯、太阳能路灯、太阳能风能互补路灯。在设计-研发-生产太阳能LED路灯方面突破了太阳能路灯常见的三大问题（功率高，LED光衰快，无功耗输出多）等严重

28、影响路灯造价与效率的问题。大大减少了成本，增长了使用寿命。更久远的售后服务与质保使太阳能路灯的推广工作，节约能源事业进一步发展。以下是本公司太阳能路灯方面的设计方案：整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。 太阳能路灯设计中配置产品参数*主体材料：灯杆为全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理 *太阳能电池组件：晶体硅130WP*系统工作电压：直流12V*控制器：太阳能灯

29、具专用控制器,光控+时控，智能调光恒流*储能电池：全封闭免维护铅酸蓄电池12V90Ah(根据负载配置) *光源类型：节能高功率LED灯具*防护等级：IP65 *使用温度：-30度至70度，抗风力150Km/h *照明时间：414小时（可根据需要调节） *灯杆高度：6米（可以按客户要求制作） *阴雨天保证：可连续工作45个阴雨天（区域/季节不同有差异）（可按客户要求制作） 本产品无需铺设地下线缆，无需支付照明电费，太阳能路灯和太阳能庭院灯所采用的关键部件太阳能电池板、太阳能智能控制器、免维护蓄电池、照明灯具均经过国家发改委/GEF/世界银行光伏产品认证。主要适用于城市道路、小区广场、工业园区、旅游景区、公园绿化带等场所的亮化照明。均已达到或超过GB的相关要求。 刚果太阳能路灯（配置）价格表图例YEFG001质量保证产品名称太阳能路灯产品寿命光源24V /LED晶体管(使用寿命10万小时)3年光源功率LED ：40W（路灯）光通量4480太阳能电池130WP/12V单晶硅 5年太阳能控制器5A光控、时控（智能调光）、无线传输3年照明风力时间 日工作时间8小时连续阴雨天可照明3天蓄电池太阳能专用全密封免维护电池,12 V80AH1个（含地埋箱）3年灯杆 168 85mm4mm厚6000mm高热镀锌，喷塑5年预埋件钢C45湖南月儿太阳能科技有限公司 2010年7月1日