太阳能LED路灯

苏州工业园区职业技术学院 2009-2010 (二)学期项目

（新能源技术在工业设备控制中的应用）

项 目 报 告

选 题： 太阳能LED路灯

学生姓名： 薛 飞 王 静

丁磊 张松 吕俊 毛文俊 张开磊

班 级： 机电08303 指导教师： 徐 宇

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新能源控制系统的设计 机电工程系制

目 录

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新能源控制系统的设计

第１章 绪论

世界各国对能源供应安全的担忧和应对气候变化的行动，推动了世界范围内可再生能源技术和产业的迅速发展，如光伏发电、风力发电等年增长速度都在２０％以上。可再生能源已成为实现能源多样化，应对全球气候变化和实现可持续发展的重要替代能源。尤其是近两年，随着国际石油价格大幅波动以及《京都议定书》的生效实施，可再生能源发展成为国际能源领域的热点，得到了世界许多国家的广泛关注。截止２００9

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新能源控制系统的设计 年底，全球可再生能源发电装机突破2亿千瓦，其中小水电约８０００万千瓦，风电７．５万千瓦，地热发电１０００万千瓦，太阳能发电７００多万千瓦，太阳能光伏发电年均增长速度超过了６０％，生产能力接近２００万千瓦。

1.1项目的背景

随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本日益攀高，各种安全和污染隐患可谓是无处不在。太阳能作为一种 “ 取之不尽，用之不竭 ” 的安全、环保新能源越来越受到重视。人所周知太阳能最重要的一个优点是它是一种取之不尽用之不竭、最清洁的可再生能源！它可以真正解决地球变暖的问题！它将最终取代所有的能源！ 然而真正要用太阳能来取代一切能源还是一个长期而艰难的任务，虽然太阳能无处不在，然而它的采集需要一定的照射面积。显然沙漠是最理想的地点，但是长距离的输配电将会消耗大量的昂贵铜材，只有紧邻沙漠的大城市才有试用的价值。而在一般人烟密集地区的大城市是很难找到这样一个空旷开阔的地点的。农村则受到经济条件的，不大可能现在就大面积推广。任何新生事物最好先从小打小闹开始，而且采用“自产自销”的方法，路灯就是一个最好的最先采用太阳能的试点工程。而且，节能和减排一样，必须先由倡导，甚至像德国那样采用补贴的方法来推广。幸好路灯工程本来就是工程，是由来进行招投标的。所以的决策人士一定要认识清楚，LED路灯是肯定要取代高压钠灯的，同时，太阳能LED路灯也是一定要取代交流电LED路灯的。

这样，太阳能照明产品随着太阳能热水器普及之后应然而生，在这里我们就太阳能灯具和使用市电灯具的效果作实用对比。

1.2 市电灯具与太阳能灯具比对

* 对比一: 市电照明灯具安装复杂：在市电照明灯具工程中有复杂的作业程序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。太阳能照明灯安装简便：太阳能灯具安装时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。

* 对比二: 市电照明灯具电费高昂：市电照明灯具工作中有固定高昂的电费，要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护成本逐年递增。太阳能照明灯具免电费：太阳能照明灯具是一次性投入，无任何维护成本，三年可收回投资成本，长期受益。

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新能源控制系统的设计 * 对比三: 市电照明灯具有安全隐患：市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面带来诸多安全隐患。太阳能照明没有安全隐患：太阳能灯具是超低压产品，运行安全可靠。

太阳能照明的其它优势：绿色环保，能为高尚生态小区的开发和推广增加新的卖点；可持续降低物业管理成本，减少业主公共分摊部分的费用。综上对比所述，太阳能照明之安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等固有的特性将为楼盘的销售、市政工程的建设直接带来明显可利用的优势。

现在可能已经很少有人怀疑LED路灯相对于高压钠灯路灯的优越性。然而遗憾的是目前大多数的LED路灯仍然采用交流电供电，一方面是交流电路灯的技术已经是十分成熟，而太阳能路灯还有很多不确定因素，另一方面主要的考虑仍然是太阳能的初始投资过大，从而忽略了太阳能供电的很多根本优越性。

1. 所有路灯改为太阳能路灯可以节省一个三峡水电站的发电量

LED路灯比高压钠灯要节能，早已为人们所认识。不过可能还缺乏一些定量的概念。现在公认100瓦的LED路灯可以取代250瓦的高压钠灯，所以可以简单地认为，每一盏LED路灯可以节约150瓦电。

然而，如果改成用太阳能供电的话，那么连这100W的电也能节省下来，也就是说，每盏路灯可以节省250瓦电。据有关方面估计，中国现有路灯总数大约在一亿盏以上，

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新能源控制系统的设计 并以每年20%的速度增长，2008年就新增路灯2000万盏。假如这一亿盏路灯可以折合成为6000万盏250瓦的路灯，再假定这6000万盏路灯全部改成太阳能LED路灯，那么总共可以节约1500万千瓦的功率。假定每盏路灯每天工作12小时，在1年内将节约657亿度电。而三峡水电站在2007年的发电总量为616.03亿度电。因此把全国的路灯全部改为太阳能路灯后所节省的电量将超过一个三峡水电站一年的发电量。这是一个极其惊人的数字。

不仅如此，太阳能是一种清洁的可再生能源，它不仅节约了电能，而且减少了二氧化碳的排放量。每一盏250瓦的高压钠灯在一年之内将会产生1290公斤的二氧化碳，所以6000万盏路灯全部改成太阳能路灯以后，将可以减少7740万吨二氧化碳。所以改成太阳能以后，不但节省了电费，而且还节约了二氧化碳的减量成本。每吨二氧化碳的减量成本为345-404美元。减少7740万吨二氧化碳就相当于节省了310亿美元的二氧化碳减量成本！

前面的数字只是LED路灯和高压钠灯的比较。对于同为100W的LED路灯，采用交流电和采用太阳能的节能比较，只需要把上面的数据除以2.5就可以得到。也就是说，6000万盏的100瓦LED路灯，假如全部采用太阳能供电的话，可以比全部采用交流电供电时节省262.8亿度电，而二氧化碳的减排成本为124亿美元。

2．交流电供电时的效率将会比太阳能供电时的效率低15%

因为采用交流电供电时必须采用开关电源将其变为直流。一般开关电源的效率大约在80%左右。所以对于100W的LED路灯，其交流输入功率就大约需要120W（下面的比较表中就采用120W）。而采用太阳能供电时只要采用DC/DC恒流源，其效率高达95%。因此合计后采用交流电的总效率约低15%。所以上述的数字还应该增加15%。

3．交流供电还有功率因素问题

在比较低档的开关电源中没有采用功率因素的补偿，大量采用以后，将会引起电网的总体效率降低。

4．采用交流供电的最大问题是使整个灯具的寿命降低

因为交流电必须经过整流滤波才能变成直流电，因而所有开关电源中都必须采用电解电容来滤波。人所周知，电解电容的寿命是很低的，一般的电解电容寿命只有1000小时，长寿命的电解电容寿命也只有10,000小时。而且，周围环境温度每升高10度，寿命就降低一半。在大功率LED路灯的灯具中温升是很高的，所以电解电容的寿命也就更短了。而通常对LED路灯的寿命要求为5万小时以上。整个灯具的寿命必然会受到电解电容寿命短的拖累。可以认为过去很多低质量LED路灯的很快失效，除了因为没有处理好LED本身的散热问题而加速其光衰以外，交流电源中的电解电容失效也是一个重要的因素。而太阳能供电的系统中是没有电解电容的。所以其恒流源的寿命可以保证和LED的寿命相匹配。

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新能源控制系统的设计 5．太阳能电池供电的LED路灯的总体成本要比交流供电的LED路灯系统的总体成本低很多。

虽然太阳能路灯的初次安装成本要高，但是交流供电的电缆铺设成本和长期的电费支出就远远高出太阳能系统。

下面我们来做一个详细分析。 （1）两种系统的LED灯头和灯杆成本是大体相同的，主要差别是太阳能电池板。通常太阳能电池板的功率大约是LED灯具功率的3倍。如果LED为100瓦，那么就要求使用300瓦的太阳能电池板。目前太阳能电池板的价钱已经降低到23元/瓦，300瓦就是6900元。此外，太阳能系统还需要蓄电池，但是其成本相当于交流供电中的开关电源成本。所以二者可以抵消。所以灯具本身成本的差别主要是太阳能电池板。

（2）交流供电LED路灯在初次安装时的最大支出是电缆的铺设。

一般人以为主要就是电缆本身的成本，但是除了电缆本身外，它的铺设、辅助设施（检查井、配电设备）等，要比电缆本身贵很多。现在假定以10公里长的道路为例，每隔30米一盏,对面放置,一共需要666盏LED路灯，如果采用太阳能路灯的话，五年内就可以回收成本还可以节省43万元，五年以后每年的电费就可以节省122万元

10 公里（ 666 盏） 交流供电LED路灯 太阳能电池板费用 ( 元 ) 电缆费用 ( 元 ) PE波纹管 电缆铺设费用 检查井 配电设备 5年的电费 ( 元 ) 变压器费用 ( 元 ) 五年维护费用 ( 元 ) （更换蓄电池） 合计 ( 元 ) 太阳能LED路灯五年所节省费用 ( 元 ) 150x10,000米=1,500,000 25x10,000米=250,000 300元/10米，300,000 300元/盏，199,800 3000元/盏，1,998,000 120Wx12x365=525,525度x0.7元/度=367.9元/年，367.9x666x5年=1,225,107 6台100KVA变压器，6x15300=91,800 5,5,707 436,507 太阳能LED 路灯 4,595,400 0 0 0 0 0 0 无 666x800=532,800 5,128,200 费用名称

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新能源控制系统的设计 6．交流电路灯电缆是被偷窃的最好目标

这已经不是什么耸人听闻的新闻了，网上到处都可以见到路灯电缆被盗的报道，武汉市仅长丰大道一条路从2005年投入运行至今已经被盗电缆三万六千余米。杭州全市共1900公里路灯电缆，已经被盗140公里，甚至上海内环线高架和沪宁高速的路灯电缆也都被盗。连北京的五环路上的路灯电缆也经常被盗。可见这种事并不是仅仅发生在穷乡僻壤的边远地区，而是到处都发生的常事。可能是因为路灯电缆电压比较低，电流比较大，电缆比较粗，含铜量比较大的原因。这在选用交流供电时这是一个必须要考虑的重要问题。

7．交流供电的安全性是一个隐患

除了对偷电缆和电器的小偷造成人身安全的隐患以外，对于附近农民挖土也会造成一定的安全隐患。

8．交流供电对于设备安全也会存在问题

交流电是联网运行的，由于雷击等原因网上会经常出现高压浪涌，这对设备的安全也造成一定的威胁。

而太阳能LED路灯则完全没有上述的缺点，其构成十分简单只有五个部分构成：

而且它的安装十分简单，只要做一个水泥基座，立起灯杆，安上地脚螺钉就可以了，尤其是不用麻烦电力系统的人员来设计安装和施工，挖地沟、铺设电缆、挖检查井、安装变压器，„ 。这是一个非常重要的优点。

太阳能路灯的一个唯一的问题就是太阳能电池板的造价问题，然而目前它的价格正在以惊人的速度降低。就在2008年，它已经降价1/3。它的最主要的原料多晶硅的价格

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新能源控制系统的设计 已经从2007年的每公斤300美元，降低到2008年的200美元，预计到2009年多晶硅的价格将会降低到每公斤100美元。尤其是中国的多晶硅的产量正在快速成长，在建的33个项目全部投产以后，其产量将达到14万6千余吨，而目前国内需求只有8000吨，此如何扩大内需是当务之急。大力发展太阳能LED路灯无疑是一个最好的途径。

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新能源控制系统的设计

LED路灯与常规高压钠灯路灯不同的是，大功率LED路灯的光源采用低压直流供电、由GaN基功率型蓝光LED与黄色荧光粉合成的高效白光二极管，具有高效、安全、节能、环保、寿命长、响应速度快、显色指数高等独特优点，可广泛应用于城市道路照明。外罩可用PC管制作，耐高温达135度.耐低温达-45度

发光二极管(LightEmittingDiode,简写为LED)是基于半导体PN结形成的用微弱的电能就能发光的高效固态光源，在一定的正向偏置电压和注入电流下，注入P区的空穴和注入N区的电子在扩散至有源区后经辐射复合而发出光子，将电能直接转化为光能。 优点

1、LED路灯本身的特性——光的单向性，没有光的漫射，保证光照效率；

2、LED路灯有独特的二次光学设计，将LED路灯的光照射到所需照明的区域，进一步提高了光照

效率，以达到节能目的；

3、LED的光源效率目前已达90-110lm/W，而且还有很大的发展空间，理论值达250lm/W。而高压

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新能源控制系统的设计 钠灯的发光效率是随功率增加才有所增加，因此，总体光效LED路灯比高压钠灯强；(这个总体光

效是理论上的，实际上250W以上高压钠灯的光效高于LED）。

4、LED路灯的光显色性比高压钠灯高许多，高压钠灯显色指数只有23左右，而LED路灯显色指数达到75以上，从视觉心理 角度考虑，达到同等亮度，LED路灯的光照度平均可以比高压钠灯降低20%以上，（参照英国道理照明标准）；

5、LED路灯的光衰小，一年的光衰不到3%，使用10年仍达到道路使用照度要求，而高压钠灯光衰大，一年左右已经下降30%以上，因此，LED路灯在使用功率的设计上可以比高压钠灯低；

6、LED路灯有自动控制节能装置,能实现在满足不同时段照明要求情况下最大可能的降低功率，节省电能

7、LED是低压器件，驱动单颗LED的电压为安全电压，系列产品单颗LED功率都为1瓦，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所（例如：路灯照明、厂矿照明、汽车照明、民用照明等）

8、每个单元LED小片只有很小体积，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合

于易变的环境。

9、寿命长：能使用5万小时以上，提供三年的质量保证。不足之处就是电源的寿命得不到保证。

大功率LED路灯

10、光效高：采用≥100LM以上的芯片，相对于传统高压钠灯能节能75%以上。

11、安装简便：无需加埋电缆无需整流器等，直接将路灯灯头安装于灯杆接上或者将光源嵌套原有灯壳。

12、散热控制出色：夏天温度控制在45度以下，并采用被动散热方式，夏天的散

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新能源控制系统的设计 热保障不足。

13、质量可靠：电路电源全部采用高质量元器件，每颗LED都有单独过流保护，无需担心损坏。

14、光色均匀：不加透镜，不以提高亮度而牺牲均匀光色，从而保证无光圈光色均匀。

综合上述原理，大功率LED路灯的节能效果显著，代替高压钠灯可节电60%以上。有待考究

维护成本低：相对于传统路灯，LED路灯维护成本极低，经过比较，不到6年即可收回全部投入成本。 案例

例：据悉，这是大渡口区安装的首批LED路灯，每盏150瓦，与原来的450瓦的钠灯相比，不但节约电量66.6%，而且更亮了。 “路灯已安上了4个多月了，每天亮灯11小时，迄今还没有坏过一盏。”区城建办游副主任说，这一试点工程，还是市经委和市财政局的“节能减排”示范工程。若试点成功后，将在全区进行推广。 技术指标

目前，LED照明技术日趋成熟，大功率LED光源功效已经达到100lm/W以上，这使得城市路灯照明节能改造成为可能。LED路灯，特别是大功率LED路灯，正以迅猛的速度冲击传统的路灯市场。

大功率LED路灯顾名思义是功率大于30瓦以上，采用新型LED半导体光源的路灯。目前LED路灯的标准一般是路面照度均匀度（uniformity of road surfaceilluminance)的平均照度0.48。光斑比值1：2，符合道路照度。（实际1/2中心光斑达到25LUX,1/4中心光强达到 15LUX，16米远的最低光强4LUX，重叠光强约6LUX。目前市场路灯透镜材料为改良光学材料，透过率≥93％，耐温-38－+90度，抗UV紫外线`黄化率30000小时无变化等特点。它在新型城市照明中有非常好的应用前景。对深度的调光，且颜色和其他特性不会因调光而变化。太阳能LED路灯就是指采用太阳能硅板为供应电源的LED路灯。 标准：

1. 光的转化率17%，（每平方太阳能量为1000W，实际利用效率为170W）

2. 目前市场路灯透镜材料为改良光学材料，透过率≥93％，耐温-38－+90度。 3.LED路灯透镜 ，主要用于LED路灯的透镜，光斑为矩形，材料是PMMA光学材料，透过率≥93％，耐温-38－+90度，抗UV紫外线`黄化率30000小时无变化等，

4. 路面照度均匀度（uniformity of road surfaceilluminance)的平均照度0.48。光斑比值1：2

5.符合道路照度。（实际1/2中心光斑达到25LUX,1/4中心光强达到15LUX，16米

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新能源控制系统的设计 远的最低光强4LUX，重叠光强约6LUX。

6.它在新型城市照明中有非常好的应用前景。对深度的调光，且颜色和其他特性不会因调光而变化。 7.适应湿度：≤95

尽管LED路灯的发展速度迅猛，但led路灯的标准却相对滞后。在全球范围内，LED的路灯标准也不是都没有，像LED路灯的欧洲标准现在就有。事实上，各地区对LED路灯的标准，在指标上不尽相同，LED路灯要在标准上符合销售区的要求，因此投标LED路灯工程要深入研究当地的LED路灯标准，只有这样才会在激裂的市场竞争中占有一席之地。

散热设计 传统LED路灯设计主要设计重点在LED的流明数上，而对LED灯具的散热则的关注较少。实际上，LED的流明数正在迅速的增加。2009年量产LED的单瓦流明数已经达到100流明，而且这一数值还在快速地增长。与之对应的传热学理论体系已经成熟，我们可以使用的传热手段也基本明确：传导、对流、辐射和相变传热。因此，在传热或者说散热问题上，我们可以采取的措施是可见的、有限的。

LED路灯散热技术，一般使用多为导热板方式，是一片5mm厚的铜板，实际上算是均温板，把热源均温掉；也有加装散热片来散热，但是重量太大。重量在路灯系统上十分重要，因为路灯高有9米，若太重危险性就增加，尤其遇到台风、地震都可能产生意外.国内有厂家采用全球首创的针状散热技术，针状散热器的散热效率要比传统片状散热器有很大幅度提高，能使LED结温比普通散热器低15℃以上，并且防水性能比普通铝型材散热器要好，同时在重量和体积上也有所改进。

LED路灯的散热方式主要有：自然对流散热、加装风扇强制散热、热管和回路热管散热等。加装风扇强制散热方式系统复杂、可靠性低，热管和回路热管散热方式成本高。而路灯具有户外夜间使用、散热面位于侧上面以及体型受较小等有利于空气自然对流散热的优点，所以LED路灯建议尽可能选择自然对流散热方式。

LED路灯散热设计中存在的问题有：散热翅片面积随意设定，散热翅片布置方式不合理，灯具散热翅片的布置没有考虑到灯具的使用方式，影响到翅片效果的发挥，强调热传导环节、忽视对流散热环节，尽管众多的厂家考虑了各种各样的措施：热管、回路热管、加导热硅脂等等，却没有认识到热量最终还是要依靠灯具的外表面积散走，.忽视传热的均衡性，如果翅片的温度分布严重不均匀，将会导致其中一部分的翅片没有发挥作用或作用很有限。

综上所述，路灯采用太阳能是有百利而无一弊。何乐而不为？太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其无可比拟的优势得到迅速的推广应用。作为新光源，在城市亮化美化、道路照明、庭院照明、室内照明以及其他各领域的照明和应用中得到了有效的利用。尤其是在偏远无电地区，太阳能照明灯具更具有广泛的应用前景。一般人认为，节能灯可节能４／５是伟大的创举，但ＬＥＤ比节能灯还要节能１／４，这是固体光源

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新能源控制系统的设计 伟大的革新。除此之外，ＬＥＤ还具有光线质量高，基本上无辐射，可靠耐用，维护费用极为低廉等优势，属于典型的绿色照明光源。超高亮ＬＥＤ的研制成功，大大地降低了太阳能灯具使用成本，使之达到或接近工频交流电照明系统初装的成本报价，并且具有保护环境、安装简便、操作安全、经济节能等优点。由于ＬＥＤ具有的光效率高，发热量低等优势，已经越来越多地应用在照明领域，并呈现出取代传统照明光源的趋势。在我国西部，非主干道太阳能路灯、太阳能庭院灯渐成规模。随着太阳能灯具的大力发展，“绿色照明”必将会成为一种趋势。 我们的设计

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