太陽能路燈系統設計匯報人：代用名日期：2018年11月目錄任務提出任務解析獨立光伏發電系統光伏控制器1234蓄電池5768任務實施系統安裝與調試應用案例1任務提出

太陽能路燈使用太陽能光伏電池提供電能，實現了真正意義的綠色環保節能照明。適用于城市道路、人行道、廣場、學校、公園、庭院、居住區、廠區以及其他需要室外照明的場所。

圖2-1太陽能路燈

本項目要求設計一套在新疆烏魯木齊使用的太陽能路燈照明系統，路燈為40W的LED燈，每天工作10個小時，

如圖2-1所示2任務解析

太陽能路燈系統的工作原理是利用太陽能光伏組件吸收太陽光并轉換為電能通過控制器存儲到蓄電池中，當夜晚來臨時（或天空亮度不夠時）控制器再控制蓄電池給高效節能LED燈光源供電，實現環境照明。系統由燈桿、太陽能光伏組件、蓄電池、太陽能控制器以及光源（燈具）組成，如圖2-2所示。本項目的重點是設計原則是考慮可靠性及經濟性，在滿足負載用電需要的前提下，確定最少的太陽能電池組件和蓄電池容量。圖2-2太陽能路燈系統結構與組成3獨立光伏發電系統獨立光伏發電系統組成獨立光伏發電系統分類

獨立光伏發電系統不與公用電網相連接，也叫離網光伏發電系統。其受日照條件、溫度、云層、風沙等氣象條件影響較大，為了太陽能光伏發電系統能穩定運行，在系統中除太陽電池組件方陣以外，還需具備一定的儲能元件，在光伏發電系統中現行使用的常規儲能元件一般為免維護鉛酸蓄電池，另外還需有其他元器件，如光伏控制器、逆變器等，如圖2-3所示:圖2-3獨立光伏發電系統組成（2）蓄電池（1）太陽能光伏組件太陽能光伏組件既是光伏發電系統中的核心部分，也是光伏發電系統中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能量轉換為電能，并送往蓄電池中存儲起來，也可以直接用于推動負載工作。蓄電池的作用主要是存儲太陽能光伏組件發出的電能，并可隨時向負載供電。目前為光伏系統配套使用的主要是免維護鉛酸電池，在小型、微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰電池或超級電容器。（4）逆變器逆變器是把太陽能電池組件或者蓄電池輸出的直流電轉換成交流電供應給電網或者交流負載使用的設備。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能發電系統，為獨立負載供電。（3）光伏控制器光伏控制器的作用是控制整個系統的工作狀態，其功能主要有防止蓄電池過充電保護、過放電保護、系統短路保護、系統極性反接保護、夜間防反充保護等。在溫差較大的地方，控制器還具有溫度補償的功能。

無蓄電池的直流光伏發電系統如圖2-4所示，該系統由光伏組件與用電負載組成。用電負載是直流負載，負載主要在白天使用，有陽光時就發電負載工作，無陽光時就停止工作。系統不需要使用控制器，也沒有蓄電池儲能裝置。

1.無蓄電池的直流光伏發電系統圖2-4無蓄電池的直流光伏發電系統圖2.有蓄電池的直流光伏發電系統

有蓄電池的直流光伏發電系統如圖2-5所示。該系統由太陽能光伏組件、控制器、蓄電池以及直流負載等組成。有陽光時，光伏組件將光能轉換為電能供負載使用，并同時向蓄電池供電儲存電能。夜間或陰雨天，則有蓄電池向負載供電。

圖2-5有蓄電池的直流光伏發電系統3.交流及交、直流混合光伏發電系統

交流及交、直流混合光伏發電系統如圖2-6所示。與直流光伏發電系統相比，交流光伏發電系統多一個交流逆變器，把直流電轉換成交流電為交流負載提供電能。交、直流混合系統既能為直流負載供電，也能為交流負載供電。

圖2-6交流及交、直流混合光伏發電系統4.市電互補型光伏發電系統

所謂市電互補型光伏發電系統，就是在獨立光伏發電系統中以太陽能光伏發電為主，以普遍220V交流電補充電能為輔，如圖2-7所示。這樣光伏發電系統中太陽能電池和蓄電池的容量都可以設計得小一些，基本上是當天有陽光，當天就用太陽能發的電，遇到陰雨天時就用市電能量進行補充。

圖2-7市電互補型光伏發電系統4光伏控制器光伏控制器基本原理控制器常用電路形式圖2-8常見的光伏控制器

光伏控制器是太陽能光伏發電系統中的核心部件之一，具有防止蓄電池過充電和過放電，延長蓄電池壽命；防止太陽能電池組件或電池方陣、蓄電池極性接反；防止負載、控制器、逆變器和其他設備內部短路；具有防雷擊引起的擊穿保護；具有溫度補償等功能。

光伏控制器可以單獨使用，也可以和逆變器合為一體，常見的光伏控制器如圖2-8所示。大功率控制器圖2-9光伏控制器的原理框圖光伏控制器的基本原理如圖2-9所示，開關1和開關2分別為充電控制開關和放電控制開關。開關1閉合時，由光伏組件通過控制器給蓄電池充電；當蓄電池出現過充電時，開關1能及時切斷充電回路，使光伏組件停止向蓄電池供電；開關1還能按預先設定的保護模式自動恢復對蓄電池的充電。當蓄電池出現過放電時，開關2能及時切斷放電回路，蓄電池停止向負載供電，當蓄電池再次充電并達到預先設定的恢復充電點時，開關2又能自動恢復供電。1.并聯型控制器

并聯型控制器也叫旁路型控制器，它是利用并聯在光伏組件兩端的機械或電子開關器件控制充電過程。當蓄電池充滿電時，把光伏電池的輸出分流到旁路電阻器或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉（泄荷）；當蓄電池電壓回落到一定值時，再斷開旁路恢復充電。

圖2-10采用并聯型充放電控制器的光伏發電系統采用并聯型控制器的光伏發電系統如圖2-10所示。控制器由檢測控制電路和開關器件Tl、T2、VD1、VD2及熔斷器FU等組成。VD1是防反充電二極管，VD2是防反接二極管。T1是控制充電回路中的開關，T2為控制蓄電池放電的開關。FU是熔斷器；R為泄荷電阻；檢測控制電路的作用是監控蓄電池的端電壓。2.串聯型控制器

串聯型控制器是利用串聯在充電回路中的機械或電子開關器件控制充電過程。串聯型控制器的電路原理如圖2-11所示。它的電路結構與并聯型控制器的電路結構相似，區別僅僅是將開關器件Tl由并聯在光伏電池輸出端改為串聯在蓄電池充電回路中。控制器檢測電路監控蓄電池的端電壓，當充電電壓超過蓄電池設定的充滿斷開電壓值時，Tl關斷，使光伏電池不再對蓄電池進行充電，起到防止蓄電池過充電的保護作用。其他元件的用和并聯型控制器相同。

圖2-11單路串聯型控制器的電路原理3.脈寬調制型控制器

脈寬調制(Pulse-WidthModulation，PWM)型控制器電路原理如圖2-13所示，該控制器通過調節脈沖寬度的大小來改變充電電流的大小，當蓄電池逐漸趨向充滿時，隨著其端電壓的逐漸升高，PWM電路輸出脈沖的寬度減小，使開關器件的導通時間減少，充電電流逐漸趨近于零。圖2-13脈寬調制型（PWM）控制器電路原理所謂最大功率點跟蹤，即是指控制器能夠實時測試太陽電池的發電電壓，并追蹤最高電壓值，使系統以最高的效率對蓄電池充電。將太陽電池的電壓

U

和電流

I檢測后相乘得到功率

P

，然后判斷太陽電池此時的輸出功率是否達到最大，若不在最大功率點運行，則調整脈寬，調制輸出占空比D

,改變充電電流，再次進行實時采樣，并做出是否改變占空比的判斷，通過這樣尋優過程可保證太陽電池始終運行在最大功率點，以充分利用太陽電池方陣的輸出能量。同時采用

PWM

調制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。4.最大功率點跟蹤型控制器

當Boost

換器工作在電流連續條件下時，從式(2-4)可以得到其變壓比僅與占空比

D有關而與負載無關，所以只要有合適的開路電壓，通過改變

Boost

換器的占空比D就能找到與太陽電池最大功率點相對應的V1

。圖2-16Boost變換器主電路

MPPT控制系統的DC_DC變換的主電路采用Boosts升壓電路。變換器主電路如圖2-16所示，由開關管

VT、二極管VD、電感

L

、電容

C組成。工作原理為在開關管

VT

導通時，二極管VD

反偏，太陽電池陣列向電感

L存儲電能，當開關管

VT斷開時，二極管導通，由電感

L

和電池陣列共同向負載充電，同時還給電容

C

充電，電感兩端的電壓與輸入電源的電壓疊加，使給出端產生高于輸入端的電壓。Boosts電路輸入輸出的電壓關系為：5.光伏控制器的主要技術參數（1）系統電壓系統電壓也叫額定工作電壓，是指光伏發電系統的直流工作電壓，電壓一般為12V和24V，中、大功控制也有48V，110V，220V等。（2）最大充電電流最大充電電流是指太陽電池組件或方陣輸出的最大電流，根據功大小分為5A，6A，8A，10A，12A，15A，20A，30A，40A，50A，70A，100A，150A，200A，250A，300A等多種規格。（3）太陽電池方陣輸入路數小功率光伏控制器一般都是單路輸入，而大功率光伏控制器都是由太陽電池方陣多路輸入，一般大功率光伏控制器可輸入6路，最多的可輸入12路、18路。（4）電路自身損耗控制器的電路自身損耗也是其主要技術參數之一。為了降低控制器的損耗，提高光伏電源的轉換效率，控制器的電路自身損耗要盡可能低。控制器的最大自身損耗不得超過其額定充電電流的1‰

或0.4W。據電路不同自身損耗一般為5~20MA。

（5）蓄電池的過充電保護電壓（HVD)

蓄電池的過充電保護電壓也叫充滿斷開或過電壓關斷電壓，一般可根據需要及蓄電池類型的不同，設定在14.1~14.5v（12v系統），28.2~29v（24V系統）和56.4~57.8（45V系統）之間，典型值分別為14.4v，28.8v，和57.6v。蓄電池過充電保護的恢復電壓（HVR）一般設定在13.1~13.4v(12v系統），26.2~26.8（24v系統），52.4~53.6（48v系統）之間，典值分別為13.2v,26.4v和52.8v。（8）溫度補償

蓄電池的過放電保護電壓也叫欠電壓斷開或欠電壓關斷電壓，一般可根據需要及蓄電池類型的不同，設定在0.8~11.4v

(12V系統）、21.6~22.8v（24V系統），和43.2~45.6v

(48v系統)之間，典型值分別為11.1v,22.2V和44.4v。蓄電池過放電保護的關斷恢復電壓(LVR）一般設定在12.1~12.6

(12v系統)、24.2~25.2v

(24v系統)和48.4~50.4V（48V系統）之間，典型值分別為12.4v，24.8v和49.6v。（6）蓄電池的過放電保護電壓（LVD)（7）蓄電池的充電浮充電壓蓄電池的充電浮充電壓一般為13.7v（12V系統），27.4v（24V系統）和54.8V（48v系統）。

控制器一般都具有溫度補償功能，以適應不同的環境工作度，為蓄電池設置更為合理的充電電壓。控制器的溫度補償系數足蓄電池的技術要求、其溫度補償值一般為-20~-40mV/℃。（9）工作環境溫度控制器的使用或工作環境溫度范圍隨廠家不同一般在-20°C~+50°C之間。

（10）其他保護功能

控制器輸入、輸出短路保護功能。控制器的輸入、輸出電路都要具有短路保護電路，提供短路保護功能。5蓄電池鉛酸蓄電池的結構與工作原理鉛酸蓄電池的性能參數圖2-17VRLA電池

光伏發電儲能裝置是獨立光伏發電系統中的關鍵設備之一，獨立光伏發電系統一般使用蓄電池作為儲能設備。白天將太陽能電池輸出的電能貯存起來，夜間為照明負載或其他用電設備供電。目前在光伏發電系統中，常用的儲能電池及元器件有鉛酸電池，堿性蓄電池，鋰離子蓄電池，鎳氫蓄電池及超級電容器等。目前應用最多、使用最廣泛的還是鉛酸電池，堿性蓄電池、鋰離子蓄電池、鎳氫蓄電池及超級電容器因成本昂貴僅僅用于特殊場合光伏電源。

鉛酸蓄電池一般由殼體、極板、隔板、電解質、安全閥和接線端子等部分組成，如圖2-18所示。圖2-18鉛酸蓄電池結構1.鉛酸蓄電池的結構（1）正負極板

極板在蓄電池中的作用有兩個：一是發生電化學反應，實現化學能與電能間的轉換；二是傳導電流。正極活性物質主要成分為深棕色的二氧化鉛（PbO2），負極活性物質主要成分為海綿狀鉛（Pb），呈深灰色。（2）隔板（膜）

普通鉛蓄電池采用隔板，而VRLA蓄電池采用隔膜。它的主要作用是：防止正負極板短路，使電解液中正負離子順利通過；阻緩正負極板活性物質的脫落，防止正負極板因震動而損傷。（3）蓄電池的殼體（電池槽、蓋）蓄電池的殼體（電池槽、蓋）是由PP塑料、橡膠等材料制成，是盛放正、負極板和電解液等的容器。（4）電解夜

電解液是蓄電池的重要組成部分，它的作用一是使極板上的活性物質發生溶解和電離，產生電化學反應；二是起導電作用，蓄電池使用時通過電解液中離子遷移，起到導電作用，使電化學反應得以順利進行。它是純濃硫酸和蒸餾水按一定的比例配制面成。（5）安全閥

安全閥是蓄電池的關鍵部件之一，位于蓄電池頂部，一般由塑料材料制成，作用有兩個：一是安全使用，即在蓄電池使用過程中內部產生氣體氣壓達到安全閥時，安全閥將壓力釋放，以防止產生電池變形、破裂等現象；二是密封作用，當蓄電池內壓低于安全閥的閉閥壓力時，關閉安全閥，對蓄電池起到密封作用，阻止空氣進入，以防止極板氧化和內部氣體酸霧向外泄露等。（6）正負接線端蓄電池各單格電池串聯后，兩端單格的正、負極樁分別穿出蓄電池蓋，形成蓄電池的正、負接線端，實現電池與外界的連接。正接線柱標“＋”或涂紅色，負接線柱標“－”號或涂藍色、綠色。2.鉛酸蓄電池的工作原理

鉛酸蓄電池的工作原理包括放電和充電兩個過程。總的化學方程式可以用如下方程式表示：（正極）（電解液）（負極）（放電）（正極）（電解液）（負極）(充電)鉛酸蓄電池的工作過程為，充電時電能轉化為化學能，放電時化學能轉化為電能。

鉛酸蓄電池的主要性能參數包括電池電動勢、額定容量、額定電壓、開路電壓、電池內阻、放電時率、放電深度、儲存壽命、自放電率等。

蓄電池的電動勢是兩個電極的平衡電極電位之差，蓄電池每單格的標稱電壓為2V，實際電壓隨充放電的情況而變化。充電結束時，電壓為2.5?2.7V，以后慢慢地降至2.05V左右的穩定狀態。

處于完全充電狀態的鉛酸蓄電池在一定放電條件下，放電到規定的終止電壓時所能給出的電量稱為電池容量，以符號C表示。常用單位為安培小時，簡稱安·時（A·h）通常在C的下角處標明放電時率，如表明10小時率的放電容量。電池容量分為理論容量、實際容量和額定容量。

1.蓄電池的電動勢2.蓄電池的容量3.蓄電池的放電率

根據蓄電池放電電流的大小，分為時間率和電流率，時間率是指一定放電條件下，放電至放電終了電壓的時間長短。常用時率和倍率表示。根椐IEC標準，放電的時間率有20，10，5，3，1，0.5小時率，分別標識為20h，10h，5h，3h，1h，0.5h等。電池放電倍率越高，放電電流越大，放電時間就越短，放出的相應容量越少。

電池在常溫下的放電時率是指蓄電池在設計標準條件（如溫度、放電率、終止電壓等）下，蓄電池放電到終止電壓時的時間長短，常用時率和倍率兩種表示法。時率是以充放電時間表示的允放電速率，數值上等于電池的額定容量（安·時）除以規定的充放電電流所得的小時數。電池的放電速率是以經某一固定電阻放電到終止電壓的時間來表示。放電速率對電池性能的影響較大，根據IEC標準，蓄電池的放電時率有20小時率、10小時率、5小時率、3小時率、1小時率、0.5小時率，分別表示為20h、10h、5h、3h、lh、0.5h。放電時率越大，放電電流越小，放電時間越長。反之，放電時率越小，放電電流越大，放電時間越短。4.放電時率5.蓄電池的終止電壓

終止電壓是指電池放電時電壓下降到不宜再放電時（至少能再反復充電使用）的最低工作電壓。為了防止損害極板，各種標準中在不同放電倍率和溫度下放電時，都規定了電池的終止電壓。后備電源系列電池10小時率和3小時率放電的終止電壓為1.80V/單體，1小時率終止電壓為1.75V/單體。由于鉛酸蓄電池本身的特性，即使放電的終止電壓繼續降低，電池也不會放出太多的容量，但終止電壓過低對電池的損傷極大，尤其是放電達到0V而又不能及時充電時將大大縮短電池的壽命。6.蓄電池的循環壽命

蓄電池經歷一次充電和放電，稱為一次循環（一個周期）。在一定放電條件下，電池使用至某一容量規定值之前，電池所能承受的循環次數，稱為循環壽命。后備電源一般采用浮充壽命來衡量電池的使用壽命。影響電池循環壽命的主要因素是產品的性能和質量，其次是維護工作的質量。7.蓄電池的內阻

蓄電池的內阻不是常數，在充放電過程中隨時間不斷地變化，因為活性物質的組成、電解液濃度和溫度都在不斷變化。鉛酸蓄電池內阻很小，在小電流放電時可以忽略，但在大電流放電時，電壓降損失可達數百毫伏，必須引起重視。蓄電池的內阻有歐姆內阻和極化內阻兩部分。歐姆內阻主要由電極材料、隔膜、電解液、接線柱等構成，也與電池尺寸、結構及裝配因素有關。極化內阻是由電化學極化和濃差極化引起的，是電池放電或充電過程中兩電極進行化學反應時極化產生的內阻。6任務實施系統方案設計光伏組件的選型與計算蓄電池選型計算光伏控制器的選型

在本項目系統設計中太陽能路燈系統包括太陽能組件、蓄電池、控制器、LED燈、支架系統及其各種配件等，需要進行的設計內容如圖2-23所示，在本項目中主要介紹光伏電池組件的選型與計算、控制器的選型、蓄電池的計算與選型等相關內容。圖2-23太陽能路燈設計方案1.現場勘查

太陽能路燈由于采用太陽電池組件進行發電，對于路燈安裝的具體地點有特殊的要求，太陽能路燈安裝前必須對安裝地點進行現場勘查。2.光資源分析圖2-24RETScreen軟件查詢光資源

為某個地區設計光伏發電系統首先應確認該地區的地理位置，太陽光輻射強度以及平均峰值日照時數。新疆烏魯木齊市位于新疆中部，地處天山北麓、準噶爾盆地南緣，北緯43.45、東經87.36，屬于我國太陽能資源較豐富區（Ⅱ區），采用RETScreen軟件進行光資源查詢，本項目路燈安RETScreen裝地點新疆烏魯木齊1到12月份的峰值日照時數均有詳細查詢數據，平均峰值日照時間為4.56小時。3.最長連續陰雨天確定

最長連續陰雨天數是指需要蓄電池向負載維持供電的天數，也稱為系統自給天數。對于非重要用戶或帶有發電機的光伏/風力互補系統，最長連續陰雨天數的選擇范圍為2~3天。對于沒有備用電源的重要負載（如移動通信這樣的設備電源），可定為5-7天。項目中新疆烏魯木齊屬于溫帶大陸性干旱氣候，因此烏魯木齊的最長連續陰雨天數選擇2天進行計算。4.系統工作電壓確定

太陽能路燈光源的直流輸入電壓作為系統工作電壓，一般為12V或24V，特殊情況下也可以選擇交流負載，但必須增加逆變器才能工作。選擇交流負載時，在條件允許的情況下，盡量提高系統電壓，以減少線損。直流輸入電壓的選擇也要兼顧控制器、逆變器等元器件的選型，在本項目中選擇12V系統工作電壓進行設計。5.光伏組件選型計算

這里采用以峰值日照時數為依據的簡易計算方法，此種方法主要用于小型獨立光伏發電系統的快速設計與計算。

式中，光伏組件功率、負載功率單位為瓦（W）；用電時數、當時峰值日照時數為小時（h）。損耗系數主要有線路損耗、控制器接入損耗、光伏組件玻璃表面臟污及安裝傾角不能照顧冬季和夏季等因素損耗，可根據需要在1.6~2進行選取。這里損耗系數取1.4，峰值日照時間為4.56小時，路燈功率為40W，每天工作5小時，因此代入公式計算得到電池板功率為

具體電池組件的功率要根據生產廠家組件的規格進行選擇，這里可以選擇70W的晶體硅電池板，如圖2-25所示。圖2-25電池組件圖片及參數

項目中使用的電池組件需要安裝在路燈上，應該力求電池板面積最小,所以選擇轉換效率較高、占用面積較小的晶體硅電池組件。

首先根據當地的陰雨天情況確認選用的蓄電池類型和蓄電池的存儲天數，一般北方選擇的存儲天數為3~5天，西部少雨地區可以選擇2天，將負載需要的用電量乘以根據實際情況確定的連續陰雨天數得到初步蓄電池容量。

（2-5）式中電量的單位是A﹒h，如果電量的單位是W﹒h，先將W﹒h折算成A﹒h，折算關系如下：

負載為40W，每天工作5小時，系統工作電壓12V，陰雨天選擇兩天，這里選擇放電深度為80%的蓄電池，帶入公式得到蓄電池的容量為40W×5h×2天/0.8/12V=41.67Ah，為了保證系統運行，一般選擇蓄電池要保持一定的余量，蓄電池的電壓與系統工作電壓一致，因此可以選擇12V60Ah的蓄電池，具體型號選擇還需要根據廠家提供的參數而定。1.蓄電池容量的計算2.蓄電池串并聯數的確定

對于蓄電池的電壓與系統工作電壓不一致的系統，則需要將蓄電池串聯，串聯的蓄電池的個數等于負載的標稱電壓除以蓄電池的標稱電壓，即

假設上訴方案中選擇6V的蓄電池，則蓄電池的串聯數為12V/6V=2，即需要串聯兩塊蓄電池。如果選擇的一塊蓄電池容量達不到系統需要，則需要將蓄電池并聯。蓄電池并聯數的計算公式為：假設上訴方案中選擇的蓄電池為30Ah，則蓄電池的并聯數=41.67Ah/30Ah=1.39，選擇2塊。

①具有深循環放電性能；②循環使用壽命長；③對過充電、過放電耐受能力強；④具有免維護或少維護的特點；