淺析太陽能路燈的設(shè)計(jì)*

趙恒利 李 雷 何京鴻

(楚雄師范學(xué)院物理與電子科學(xué)系，云南 楚雄 675000)

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地球資源日益貧乏，能源與環(huán)境問題越來越引起全社會(huì)的關(guān)注，可再生能源的開發(fā)與利用越來越受到人們的重視。太陽能作為一種新能源，與傳統(tǒng)的發(fā)電方式相比，具有安全、環(huán)保、維護(hù)簡單、資源永不枯竭等特點(diǎn)，在照明領(lǐng)域中得廣泛的應(yīng)用。太陽能路燈的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 太陽能路燈應(yīng)用圖

太陽能路燈系統(tǒng)具有自動(dòng)控制的特點(diǎn)，設(shè)定好該系統(tǒng)的工作模式以后，太陽能路燈就會(huì)自動(dòng)工作。太陽能路燈的主要優(yōu)點(diǎn)如下［1］:

(1)安裝簡便:不用鋪設(shè)專門、復(fù)雜、昂貴的電氣線路，每一個(gè)路燈都是一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，只要用不銹鋼螺絲固定在水泥基座上即可。

(2)無需電費(fèi)，長期使用成本低:太陽能路燈安裝調(diào)試好后除蓄電池需要4—5年更換一次之外，不需要其他維護(hù)成本和其他支出，基本屬于一次性投入，長期使用成本低，長期受益。

(3)無安全隱患:太陽能路燈是低壓產(chǎn)品，不需要考慮很嚴(yán)格的絕緣問題，運(yùn)行可靠，對人畜絕對安全。

(4)節(jié)能環(huán)保:采用太陽能發(fā)電，不浪費(fèi)傳統(tǒng)不可再生能源，符合當(dāng)今社會(huì)節(jié)能環(huán)保的要求。

(5)美觀大方:采用太陽能路燈有利于提升城市形象，樹立節(jié)能降耗與新能源的城市旗幟。

2 太陽能路燈的基本組成和工作原理

2.1 太陽能路燈的基本組成

太陽能路燈主要由太陽電池組件、支架、光源、控制器、蓄電池或電控箱 (內(nèi)裝控制器、蓄電池)、燈桿、燈具等幾部分組成［2］。太陽能路燈的基本組成如圖2所示。

圖2 太陽能路燈的基本組成

2.2 太陽能路燈的工作原理

白天在陽光的照射下，太陽電池吸收太陽光子能量而發(fā)電，通過控制器處理后對蓄電池充電，根據(jù)設(shè)定好的工作模式，當(dāng)天黑或周圍光照度較低時(shí)，蓄電池就通過控制器向光源放電而點(diǎn)亮路燈，當(dāng)放電達(dá)到設(shè)定小時(shí)數(shù)或周圍光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，控制器發(fā)生動(dòng)作使蓄電池切斷電路，結(jié)束太陽能路燈的照明［3］。

3 太陽能路燈的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)主要考慮參數(shù)

3.1.1 經(jīng)、緯度和當(dāng)?shù)貧庀筚Y源

了解當(dāng)?shù)氐慕?jīng)、緯度和當(dāng)?shù)貧庀筚Y源可以掌握當(dāng)?shù)氐钠骄鶜鉁?、風(fēng)力風(fēng)向、年太陽輻照等情況，這些條件是確定當(dāng)?shù)靥栯姵亟M件安裝的傾斜角、方位角和抗風(fēng)設(shè)計(jì)等的依據(jù)。

3.1.2 光源的參數(shù)

主要是光源的工作電壓和功率。這兩個(gè)參數(shù)的大小直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)。

3.1.3 工作時(shí)間

即路燈每天晚上需要的照明時(shí)間，這是決定太陽能路燈系統(tǒng)中太陽電池組件功率大小的最核心參數(shù)，通過確定工作時(shí)間，可以初步計(jì)算負(fù)載每天的功耗和與之相應(yīng)的太陽電池組件的充電電流的大小。

3.1.4 需要保持的連續(xù)陰雨天數(shù)

太陽能路燈要保證在連續(xù)陰雨天仍能夠正常使用，故我們要考慮需要保持的連續(xù)陰雨天數(shù)，這個(gè)參數(shù)直接決定了蓄電池容量的大小，同時(shí)還影響到太陽電池的組件功率。

3.1.5 當(dāng)?shù)胤逯等照諘r(shí)數(shù)

這是決定太陽電池板平均每天接受有效光照時(shí)間的參數(shù)，它直接決定了太陽電池組件的功率大小的選擇。

3.2 關(guān)鍵部件的選型

3.2.1 光源的選型

LED屬于低壓供電，絕緣要求不高，結(jié)構(gòu)簡單，不需要變壓器、鎮(zhèn)流器等附件，屬于固體光源，不存在氣體密封的問題，耐沖擊，耐震動(dòng)，不易破碎;LED是冷光源，可控性好，響應(yīng)時(shí)間快，可反復(fù)頻繁亮滅而不影響壽命;超低能耗，超長壽命，體積小，美觀大方;隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，LED的價(jià)格也越來越低。故與常規(guī)照明相比，LED優(yōu)勢明顯，因此，LED光源是太陽能路燈的最佳選擇。一種LED光源如圖3所示。

圖3 一種LED光源

3.2.2 太陽電池組件的選型

太陽電池組件是太陽能路燈的重要組成部分，其作用是將太陽能能量轉(zhuǎn)換為電能后為蓄電池充電。當(dāng)前常用的太陽能路燈電池組件按太陽電池材料分有單晶硅太陽電池組件、多晶硅太陽電池組件和非晶硅太陽電池組件三種。因單晶硅性能參數(shù)比較穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率較高，故在陰雨天較多、陽光不是很充足的南方適宜選用單晶硅太陽電池組件;多晶硅電池組件的優(yōu)勢是價(jià)格比較便宜，適合在日照充足或要求不高的地區(qū)使用;非晶硅電池組件由于效率較低而很少使用。

3.2.3 控制器的選擇

控制器的主要作用是保護(hù)和控制蓄電池，對太陽能路燈來說，還要對路燈的點(diǎn)亮和熄滅進(jìn)行自動(dòng)控制。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對蓄電池的充電放電條件加以限制，防止過充和過度放電，在溫差較大的地方還需具備溫度補(bǔ)償功能。為配合太陽能路燈的需要，太陽能路燈的控制器還應(yīng)具備光控、時(shí)控等功能，以便自動(dòng)控制路燈的點(diǎn)亮和熄滅。

3.2.4 蓄電池的選型

太陽的能量是不穩(wěn)定的，白天能量強(qiáng)但晚上沒有能量提供，而太陽能路燈需要在晚上工作，所以太陽能路燈系統(tǒng)都需要配置蓄電池。蓄電池的選擇一般遵循以下原則:將白天太陽能組件產(chǎn)生的電能盡量存儲(chǔ)下來，以滿足夜晚用電的需要，還要考慮能夠滿足連續(xù)陰雨天照明的需要，因此蓄電池的容量應(yīng)該與太陽能組件、光源、設(shè)計(jì)照明時(shí)間等相匹配，蓄電池過小不能滿足需要，過大則不易充滿而影響蓄電池壽命，同時(shí)還會(huì)增加成本。

目前業(yè)內(nèi)一般都選用免維護(hù)防水鉛酸蓄電池或膠體蓄電池。蓄電池在進(jìn)行并聯(lián)連接時(shí)，需要考慮各單體電池間的不平衡影響，通常情況下并聯(lián)組數(shù)不宜超過4組。

3.3 太陽能路燈的設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)要求

3.3.1 設(shè)計(jì)原則

(1)從功能上講太陽能路燈道路照明系統(tǒng)主要是提供足夠照明亮度的以保證交通安全，提高交通運(yùn)輸效率，保障人身安全，提供美觀舒適的環(huán)境。

(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)在以上來兩點(diǎn)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，還要結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓赓Y源情況、當(dāng)?shù)仃幱晏鞖馇闆r、電池板受灰塵覆蓋、溫度影響、控制器、蓄電池的各種效率等實(shí)際情況進(jìn)行綜合考慮。

3.3.2 設(shè)計(jì)要求

(1)太陽電池組件電壓和功率的計(jì)算和合理選用。

(2)蓄電池容量、充放電控制和充放電狀態(tài)顯示。

(3)連續(xù)陰雨天五天左右路燈仍能照明。

(4)光線暗時(shí)路燈自動(dòng)點(diǎn)亮，早上光線強(qiáng)時(shí)路燈自動(dòng)熄滅。

(5)系統(tǒng)斷電時(shí)可以保存用戶所設(shè)定的各種參數(shù)。

3.4 太陽能路燈的控制方案選擇

太陽能路燈跟普通路燈控制電路功能基本一樣，都是為了完成晚上亮燈，早晨熄燈的作用。國內(nèi)外常用的控制器有單獨(dú)的光控制型、時(shí)鐘控器型、智能控制器型等類型［4］，由于其工作原理不同，故各有優(yōu)缺點(diǎn)。

3.4.1 單獨(dú)的光控型

單獨(dú)的光控型路燈控制器相當(dāng)于普通的光控?zé)?，一般采用光敏電阻等感光元件和其他電子元件?gòu)成電子控制電路，當(dāng)晚上光線弱時(shí)，自動(dòng)開啟路燈;早上光線較強(qiáng)時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉路燈。光控型電路簡單，成本低，但在實(shí)際使用中，感光探頭由于難以判斷各種干擾光線，經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作，而且光控型控制電路的故障率較高，現(xiàn)在已很少使用。

3.4.2 時(shí)鐘控器型

采用時(shí)鐘控器型的路燈控制器，實(shí)際也就是一個(gè)具有開關(guān)機(jī)功能的電子定時(shí)器。安裝時(shí)預(yù)先設(shè)定好開關(guān)時(shí)間，路燈就會(huì)按時(shí)亮燈、按時(shí)滅燈。時(shí)鐘控器型的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，除本身故障外不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)作;缺點(diǎn)是不夠靈活，只能嚴(yán)格按照設(shè)定時(shí)間工作，而不能感知外界光線強(qiáng)弱的變化。需要人工根據(jù)季節(jié)和特殊天氣情況經(jīng)常調(diào)整開關(guān)時(shí)間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來雖然出現(xiàn)了可以根據(jù)月份進(jìn)行設(shè)定時(shí)間的改進(jìn)型來擬補(bǔ)其缺點(diǎn)，但仍然不夠靈活，實(shí)際選用這種控制方案的仍然不多。

3.4.3 智能控制器型

智能型控制器又稱經(jīng)緯型控制器，它采用單片機(jī)技術(shù)，模擬日照規(guī)律，晚上能在需要的時(shí)候自動(dòng)開燈、早晨能在需要的時(shí)候自動(dòng)關(guān)燈。簡單地說，智能型控制器同時(shí)具有光控型和時(shí)控型的優(yōu)點(diǎn)，而不具有光控型和時(shí)控型的缺點(diǎn)。目前路燈控制常采用這種控制方式，但其價(jià)格相對稍高，在路燈中使用將會(huì)增加一些成本。

3.5 太陽能路燈的簡易設(shè)計(jì)思路

本著簡單實(shí)用的原則，本部分僅闡述用簡易經(jīng)驗(yàn)和簡單計(jì)算進(jìn)行太陽能路燈設(shè)計(jì)的思路，不涉及具體的論證和計(jì)算。

3.5.1 太陽電池組件的傾角的確定

根據(jù)計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)，太陽電池組件的傾角可根據(jù)所在地的緯度用表1簡單的確定。

表1 緯度和太陽電池組件傾角的關(guān)系

3.5.2 蓄電池容量需求的計(jì)算

可以按照以下簡易公式確定蓄電池的容量:

式中:C為蓄電池的容量;

P為LED光源的功率;

t為路燈每天的工作時(shí)間;

D為連續(xù)陰雨天數(shù);

U為系統(tǒng)的供電電壓;

η為蓄電池的放電深度。

3.5.3 太陽電池組件的功率的計(jì)算

可以按照以下簡易公式確定太陽電池組件的功率:

式中:W為太陽電池組件的功率;

P為LED光源的功率;

t為路燈每天的工作時(shí)間;

h為當(dāng)?shù)胤逯等照諘r(shí)間;

λ為系統(tǒng)安全損耗系數(shù)，一般在1.4—1.8之間根據(jù)實(shí)際情況選取。

3.6 太陽能路燈的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

抗風(fēng)設(shè)計(jì)是在太陽能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上非常重要的一個(gè)問題?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面，一個(gè)是太陽電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，一個(gè)是燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)［5］。

3.6.1 電池支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)在絕大部分的太陽電池組件的抗風(fēng)風(fēng)速都在26m/s以上，相當(dāng)于可以承受十級臺(tái)風(fēng)，故組件本身一般是不至于因?yàn)轱L(fēng)速大而損壞的。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是要考慮太陽電池組件支架與燈桿的連接要牢固，在實(shí)際施工中一般都是使用較粗的螺栓桿固定連接。

3.6.2 路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

要使路燈鋼制燈桿達(dá)到抗風(fēng)要求，鋼制燈桿的抗彎強(qiáng)度要大于風(fēng)在破壞面上的作用矩引起的應(yīng)力，并且焊接質(zhì)量和焊接寬度也要達(dá)到相應(yīng)的要求。一般市面上普通的路燈燈桿都能滿足抗風(fēng)要求。

4 結(jié)束語

隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的不斷進(jìn)步，發(fā)電的成本將逐步降低，同時(shí)相關(guān)的配套光源和設(shè)備的壽命也將大幅提高，控制也將越來越科學(xué)，維護(hù)也將進(jìn)一步簡化，太陽能將被更深入、更廣泛的利用，太陽能路燈的發(fā)展前景將非常廣闊，潛力巨大的太陽能路燈產(chǎn)業(yè)必將會(huì)走向真正的市場化。

［1］李世光，張金青，劉東紅.太陽能照明在道路的應(yīng)用［J］，湖南農(nóng)機(jī)，2011，15(9)：43—45.

［2］王健.太陽能燈具系統(tǒng)介紹及應(yīng)用探討［J］，現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2011，22(12)：91—93.

［3］張彥.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，工程建設(shè)與設(shè)計(jì)［J］，2011，14(6)：21—22.

［4］朱裕良.路燈控制用智能型定時(shí)器［J］，電氣時(shí)代，2001，18(4)：41—42.

［5］于先坤.太陽能發(fā)電在新農(nóng)村中的應(yīng)用探討［J］，節(jié)能技術(shù)，2011，15(11)：36—37.