手动角度可调式太阳能LED照明系统的试验研究

第一篇：手动角度可调式太阳能LED照明系统的试验研究

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科技信息

○机械与电子○

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2009 年

第9期

手动角度可调式太阳能 LED 照明系统的试验研究

何 伟 周梓荣（东莞理工学院城市学院机电工程系 广东 东莞 523106）

【摘 要】太阳能是一种永不枯竭和清洁可再生的绿色能源 , 而半导体发光二极管(LED)也是一种环保、节能和高效的固态电光源。本文分 析了两者技术特点和东莞地区日照条件，对适合用于东莞地区的角度手动可调式太阳能 LED 照明系统进行了试验研究 , 结果表明该系统的可 行性和高效性。【关键词】角度可调；光伏发电；LED 照明系统

The Pilot Study Based On Manually Adjustable Angle Solar Power Semiconductor LED Lighting System HE Wei ZHOU Zi-rong(Department of Mechanical And Electrical Engineering,City College of Dong guan University of technology,Dong guan,Guangdong,523106)【Abstract 】Solar energy is an inexhaustible and clean green renewable energy, The semiconductor light-emitting diode(LED)is also a kind of environmental protection, energy saving and efficient electric solid-state light source, in which the article analyzes the technology character of them and daylight conditions of Dong guan district, and conducted a pilot study by angle adjustable solar power semiconductor LED lighting system of applying to the Dong guan district, the results show that the system's feasibility and efficiency.【Key words 】Adjustable angle;Photovoltaic power generation;The semiconductor light-emitting diode lighting system 0． 引言

在全球经济飞 速 发 展，能 源 日 趋 紧 张 的 今 天，能 源 已 经 成 为 世 界 最受关注问题。根据世界能源权威机构分析，世界已探明的主要矿物 燃料储量和开采量不容世人乐观。石油剩余可采年限仅有 41 年；天然 气剩余可采年限 61.9 年；煤炭剩余可采年限 230 年。传统能源的迅速 减少以及严重的污染问 题，已 经 危 害 到 了 全 球 的 经 济 和 环 境，提 倡 环 保、节能已是各行各业发展的趋势所在。太阳能作为地球上的清洁能 源将是 21 世纪最理想的新能源，而利用光伏发电技术将太阳能转化 为 电 能 是 太 阳 能 利 用 的 有 效 途 径 ；LED(light emitting diode)是 一 种 能 将电能转化为可见光的半导体器件，凭其节能无污染的特点现已广泛 运用于照明领域中，因此作为集成了太阳能光伏发电和 LED 固态照 明优点的太阳能 LED 照明系统，是新一代能源和新一代光源的完美 结合 [1]。

1． 太阳能光伏发电技术 1．1 太阳能光伏发电的技术特点 [1] 太 阳 能 光 伏 发 电 是 依 靠 太 阳 能 电 池 组 件(Solar cells)利 用 半 导 体 材料的 电 子 学 特 性，当 太 阳 光 照 射 在 半 导 体 PN 结 上，由 于 P-N 结 势 垒区产生一个较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子 和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动。离开势垒区，结果使 P 区 电势升高，N 区电势降低从而在外电路中产生电压和电流，实现将光 能转化成电能。1．2 太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统主要包括 ：太 阳 能 电 池 组 件(阵 列)、控 制 器、蓄电池、逆变器、用户即照 明 负 载 等 组 成，其 中，太 阳 能 电 池 组 件 和 蓄 电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。1．2．1 太阳能电源系统 1)电池板： 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电 系统中价值最高的部分，其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或 送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。2)电能储存单元 [2]： 太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响 着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受 到末端需电量，日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安 时容量由预定的连续无日照时间决定。1．2．2 控制器 控制器的 主 要 功 能 是 使 太 阳 能 发 电 系 统 始 终 处 于 发 电 的 最 大 功 率点附近，以获得最高效率，其功能分为充电控制和发电控制。1．2．3 蓄电池 蓄电池一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电 池或锂电池池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储 存起来，到需要的时候再释放出来。1．2．4 逆变器 逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。

主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。1．3 基于太阳能光伏发电与 LED 照明系统的结合 LED 是一种在 P-N 结上施加正向电流时能发出紫外光、可见光、红外光的半导体固体发光器件。其发光机理的核心在于 P-N 结，当外 加正向电压时，P-N 结平衡 被 打 破，P 区 空 穴 进 入 P-N 结 中 和 原 来 的 一部分负离子，N 区电子进入 P-N 结中和原来 的 一 部 分 正 离 子，这 样 就使 P-N 结变窄，由于外加电场使 P-N 结电场降低，引起电子势能的 减少，减少的势能则转化为电磁能，会以光子的形式释放出来。电子减 少的能量越多，释放的光子的能量也就越高。LED 半导体照明光源具有广泛的优越性，包括：使用寿命长、发光 效率高、体积小重量轻、环保安全可靠等优点以外，还有一个显著优点 就 是 太 阳 能 光 伏 发 电 技 术 与 LED 照 明 完 美 结 合 在 于 两 者 同 为 直 流 电、电压低并能互相匹配。两者的结合不需要变频器将太阳能电池产 生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的效率。

2． 角度手动可调式太阳能半导体照明系统设计方案

按全国太阳 能 资 源 等 级 划 分，广 东 地 区 属 于 第 三 级，年 总 辐 射 量 4200-5400 兆 焦 耳 /平方 米·年，东 莞 地 区 年 总 辐 射 量 达 到 5000 兆 焦 耳 /平方米·年 [3]。东莞地区有较好的太阳能资源，充分利用太阳能是节

约能源的有效手段。太阳光照射太阳能电池板的角度影响太阳能利用 的程度，提高太阳能转换为电能的效率是太阳能技术的重点和难点，调整太阳能电池板的被照射角度可以提高利用率。通过实验研究角度 手动可调式太阳能半导体照明系统的可行性和高效性。2．1 太阳能电池角度的计算 2．1．1 方位角 太阳电池板的方位角是电池板的垂直面与正南方向的夹角（向东 偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为 0°）时，太阳电池发电量是最大的。在 偏 离 正 南（北 半 球）30° 度 时，方 阵 的 发 电 量 将 减 少 约 10％～15％ ；在 偏 离正南（北半球）60° 时，方阵的发电量将减少约 20％～30％。负荷的峰 值时刻与发电峰值时 刻 一 致 时，其 发 电 利 用 效 率 最 高，此 时 方 位 角 计 算公式如下： 方位角 ＝{[ 一天中负荷的峰 值 时 刻（24 小 时 制）— 12]×15＋（经 度 － 116）} 2．1．2 倾斜角 倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是 方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。一年中的最佳倾斜角与 当地的地理纬度有关，当纬度较高时，相应的倾斜角也大。此外，还要 进一步考虑其它因素。对于正南（方位角为 0° 度），倾 斜 角 从 水平（倾 斜角为 0° 度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其 日 射 量 不 断 增 加 直 到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大 于 50°～60° 以后，日射量急剧下降，直 至 到 最 后 的 垂 直 放 置 时，发 电 量 下降到最小。对于方位角不为 0° 度的情 况，斜 面 日 射 量 的 值 普 遍 偏 低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。2．1．3 实际值计算 东 莞 市 城 区 纬 度 为 22.8 度，经 度 为 113.6 度，一 天 中 负 荷 的 峰 值 462 科技信息

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时刻 12.5，按照方位角计算公式： 方位角 =（12.5-12）×15＋（113.6－116）=7.5-2.4=5.1° 倾斜角 = 当地纬度 =22.8° 2．2 角度手动可调太阳能电池板设计方案 东莞某高校为教学楼楼梯间安装太阳能 LED 照明路灯系统，图 1 为角度手动可调式太阳能电池板试验装置。

表3 读数 日期 蓄电 池最 高电 压V 2008 年方位角 0°，倾斜角 5° 时蓄电池最高电压值 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-1 12.5 12.2 12 11．5 12.3 12.5 12.6 12.1 11.8 12 12 读数 日期 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 2-22 蓄电 池最 高电 压V 12.3 12.5 12.5 12.7 12.8 13 13 13.1 13.2 13.2 13 读数 均值 日期 2-23 2-24 2-25 2-26 2-27 2-28 2-29 蓄电 池最 高电 压V 12.5 12.2 12 12 12.5 12.8 13.1 12.47 图1 角度手动可调式太阳能电池板试验装置 表4 读数 日期 蓄电 池最 高电 压V 太阳能 LED 照明路灯系统所需组件如表 1 ： 表 1 太阳能照明系统组件

序号 名称

太阳能 电池 板

2009 年方位角 0°，倾斜角 65° 时蓄电池最高电压值 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-1 规格

单位 块 个 个 个 套 个

数量

75Wp 12V100AH 12V15A 12V7W 2 1 1 6 1 1 200 6 11 11.8 12.2 12.2 12 12.3 11.5 11.5 11.7 11.7 11.7 蓄电池 控制器 直流节能灯

角度可 调支 架

读数 日期 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 2-22 蓄电 池最 高电 压V 11.8 11.8 11.8 12 12.2 12.2 12.2 12.3 11.9 11.9 11.9 电控箱 电线 开关 4mm2 米 个

读数 均值 日期 2-23 2-24 2-25 2-26 2-27 2-28 蓄电 池最 高电 压V 角度可调装 置 原 理 ：太 阳 能 电 池 安 装 在 电 池 板 架 上，板 架 围 绕 支 撑横杆转动，调 节 角 度 范 围 在 0 度 到 180 度 之 间，实 现 太 阳 能 电 池 板 与太阳光线夹角的连续调节，调节后通过紧定螺钉固定。板架侧壁装 有刻度盘，以便读出 电 池 板 相 对 于 安 装平面 的 角 度，实 现 倾 斜 角 角 度 调节。支撑架可绕底座作圆周运动，并配有刻度盘，可直接读取数据，同时可通过紧定螺钉固定方位实现方位角角度调节，底座通过地脚螺 栓实现与地面牢固连接。此装置能够实现倾斜角与方位角角度的调节 和读数，对室外环境适应性好，使用年限长。11.2 11.5 12 12 12 11.9 11.86 3． 试验数据及分析

根 据 东 莞 地 区 经 纬 度，方 位 角 选 取 正 南 方 向（角 度 为 0°），夏 季 6 至 8 月份方位角可以稍偏向西 5°，是能保证 最 大 照 射 量 的 方 位 角 度 ； 倾斜角理论计算值在 20°-25° 之间，为验证倾斜角理论值是否最适合 本地区，我们选取了小于理论值、介于理论值和大于理论值的 5°、23°、65° 进行试验。表 2 至表 4 为 2007 年、2008 年、2009 年 2 月份太阳能 装置充电试验数据： 表 2 2007 年方位角 0°，倾斜角 23° 时蓄电池最高电压值

读数 日期 蓄电 池最 高电 压V 本系统空载时蓄电池理论最高充电电压 15V，试验数据表明当倾 斜角 23° 略等于当地纬度时 2 月份蓄电池的平均最高电 压 13.85V，达 到 92.3% ； 倾 斜 角 5° 时 2 月 份 蓄 电 池 的平均 最 高 电 压 12.47V，达 到 83.1% ； 倾 斜 角 65° 时 2 月 份 蓄 电 池 的平均 最 高 电 压 11.86V，达 到 79.1%。说明调整接受太阳光照射的太阳能电池板的角度可以提高太 阳能的利用率。4． 结束语

文章通过设计角度可调式太阳能 LED 照明系统、调整太阳能 电 池板角度进行试验，结果表明太阳能、LED 照明系统、角度可调装置的 结合是提高太阳能利用率的有效手段。目前太阳能利用技术和半导体 照明产业已经 由 技 术 开 拓 时 期 开 始 步 入 商 业 化 阶 段，太 阳 能 电 池 板 “自动追光”是家用太阳能发展的一个趋势，通过对系统技术特点和可 行性分析的基础上，我们完全能相信集合了新一代能源和新一代光源 优点的太阳能半导体照明系统定会以前所未有的速度发展，引领我们 进入一个绿色节能新时代。科 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 ●

14 14 14.1 14.3 12.5 13.3 13.7 13.7 13.5 13.8 【参考文献】

读数 日期 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 2-22 蓄电 池最 高电 压V ［1 ］高逸峰.太阳能 LED 照明 [J].照明工程学报 , 2007,(01):60-62.［2 ］王建华.太阳能发电技术与绿色照明 [J].农村电气化 , 2003,(10): 12-13.［3 ］沈辉.太阳能光伏发电技术 [M].北京 :化学工业出版社 ,200509.23． 作者简介：何伟（1981 —），男，汉族，重庆人，东莞理工学院城市学院机电工 程系教师、东莞市机电工程学会副秘书长，主要从事机械制造、太阳能利用技术 的研究。13.8 13.8 13.9 13.9 13.9 14 14 14.1 13.8 13.7 13.7 读数 均值 日期 2-23 2-24 2-25 2-26 2-27 2-28 蓄电 池最 高电 压V ［责任编辑：张艳芳］ 13.9 14 14.1 14.2 14 14 13.85 463 1