太陽能照明一體化設計與應用研究

王業萍 熊忠

摘 ?要：村道亮化工程是新農村建設的一項重要內容。但是在一些尚未通電的偏遠小道上，需要從較遠的地方敷設電纜，單獨架線成本較高。這種情況下使用太陽能照明一體化技術，利用太陽能板、蓄電池為LED等提供照明所需電能，從而解決了成本高、施工難的問題。該文分析了太陽能一體化設計中的核心技術，從試點應用效果來看，達到了穩定照明、節約電能的效果，具有技術推廣價值。

關鍵詞：太陽能燈塔 ?自適應放電 ?太陽能照明一體化 ?溫度補償

中圖分類號：TM923 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：1672-3791（2021）10（c）-0000-00

Research on Integrated Design and Application of Solar Lighting

WANG Yeping ? XIONG Zhong

（Jiangxi Electric Vocational and Technical College， Nanchang， Jiangxi Province， 330032 China）

Abstract： The village road lighting project is an important part of the new rural construction. However， on some remote roads that have not been electrified， cables need to be laid from places far away， and the cost of installing cables separately is higher. In this case， the integrated solar lighting technology is used， and solar panels and batteries are used to provide the power required for lighting for LED， etc.， so as to solve the problem of high cost， difficult construction. ?This article analyzes the core technology in the integrated solar energy design. From the point of view of the pilot application effect， it has achieved the effect of stable lighting and energy saving， which has the value of technology promotion.

Key Words： Solar light tower; Adaptive discharge; Integrated solar lighting; Temperature compensation

在傳統化石能源短缺和環保要求日益嚴格的背景下，以太陽能、風能等為代表的新能源技術得到了快速發展。其中，基于太陽能裝置的光電轉化技術是現階段比較成熟的新能源技術之一，并且在諸多領域得到了廣泛運用。在電力行業，通過建設太陽能燈塔可實現就近供電，解決了偏遠地區施工難度大、架線成本高的問題，應用前景廣闊。太陽能照明一體化設計融合了智能控制技術，做到了“人來燈亮、人走燈滅”，節能效益良好。此外還具有自動調節亮度、自動進行溫度補償等功能，未來將有望成為偏遠地區照明的主要形式[1]。

1 ?太陽能照明燈塔的應用現狀

在我國一些偏遠山區，由于人口數量少、用電需求低，存在電網覆蓋率不高的情況。這種情況下要想在農村道路上戶外照明裝置，需要額外敷設電纜，為路燈提供電源。而太陽能照明燈塔則解決了這一問題，它不需要從外界連接電纜供電，能夠利用太陽能板將光能轉化成電能，并利用蓄電池存儲電能，再向路燈供電。但是太陽能照明燈塔在實際應用中，也存在一些缺陷，例如：照明效果與日照強弱有密切聯系，若遇到連續陰天，會出現路燈不亮的情況，無法滿足照明要求。此外，普通的太陽能照明燈塔，蓄電池是安裝在燈桿底部，并且為了安裝、維護方便，留有帶鎖的門。但是經常有不法分子暴力破壞、偷竊電池的情況。因此，在偏遠地區太陽能照明燈塔有顯著的應用優勢，但是也面臨著諸多問題，亟需改進。

2 ?一體化太陽能燈塔的結構組成和應用優勢

一體化太陽燈燈塔是在常規太陽能照明路燈的基礎上，經過設計改良和結構優化后得到的，具有結構更加簡單、安裝更加方便、使用壽命更長、性價比更高等諸多優勢。從結構組成上來看，一體化太陽能燈塔的主要構件有太陽能板、蓄電池、光伏控制器等，這些構件采用一體化設計，全部安裝在燈桿頂端，這樣就解決了蓄電池被偷竊的問題。另外，一體化結構設計在安裝時，不需要現場組裝，直接將燈桿底座固定即可完成安裝，因此施工十分簡便，后期維護難度也大幅度降低。另外，在太陽能板下方增加了一個可活動的扣件，支持在垂直方向上進行10°～60°的調節，以及在水平方向上360°旋轉。通過PLC控制器靈活調節太陽能板的方向、角度，始終保持最佳采光，提高太陽能的利用率。基于PLC的智能控制單元，還能自動調節路燈亮度，以及利用傳感器自動控制路燈的亮滅，相比普通路燈節能效果可提升60%～80%。蓄電池充滿電的情況下，即便是無外部光照，也可保證7天（每天8 h）的照明需求[2-3]。

3 太陽能照明一體化設計

3.1 ?燈具配光設計

燈桿總高度為5.5 m，燈具安裝高度有5.0 m、4.5 m和4.0 m這3種選項。具體可根據路面寬度、行人密度等來決定。路面寬度在5 m左右，行人較多的鄉村主道路，可以將燈具安裝在燈桿5 m處，設置燈具仰角30°，則蓄電池正常供電情況下，以燈桿為中心，周圍5 m直徑范圍內的平均照度不低于3 lx。路面寬度在3 m左右，行人較少的鄉村小徑，可以將燈具安裝在燈桿4 m處，設置燈具仰角為25°，在蓄電池正常供電情況下，燈桿周圍3 m直徑范圍內的平均照度不低于2lx。

3.2 ?燈具智能控制設計

以PLC為核心的智能控制器，可支持溫度采樣、充/放電驅動、蓄電池電壓采樣、自適應燈光調節等功能的實現。

3.2.1 ?充電設計

充電設計采用PWM脈寬調制充電方式。對于12 V的系統，當蓄電池處于欠壓狀態時，控制器控制太陽能板以0.25 C的電流恒流充電，當蓄電池電壓大于12 V后轉而采用直充方式直到蓄電池電壓直充電壓上限設定值，之后進入浮充狀態，脈寬逐漸減小，降低充電電流。當蓄電池達到14.4 V，保持低于0.1 C的電流以補償蓄電池因自放電產生的能量損失。

3.2.2自適應照明設計

利用光敏傳感器收集外界光照強度參數，當光照強度低于設定值時，即判斷為入夜。此時太陽能控制器首先檢測蓄電池電池電量，若電量在1/2以上，則根據當前光照強度設定燈具亮度參數，并在30 min以內，將燈具亮度從0勻速升高至設定好的亮度。同時，光敏傳感器每隔10 min采集并上傳一次光照強度參數，控制器根據實時反饋參數，重新調整燈具亮度，這樣就保證了隨著天氣逐漸從亮到暗，燈具的亮度也會實現從暗到亮的自適應調整[4]。基于自適應照明設計，一方面是滿足了路燈照明的功能需要，另一方面又最大程度上節約了電能效果。除此之外，由于蓄電池放電時間延長，相當于減少了蓄電池頻繁充放電的次數，對延長蓄電池使用壽命也有一定幫助。當太陽能控制器檢測到蓄電池剩余電量不足20%后，會將燈具自動關閉，防止電能完全耗盡降低蓄電池壽命。

3.2.3 ?溫度補償與保護設計

溫度變化通過影響蓄電池的性能，進而決定著太陽能路燈的照明效果。在冬季氣溫較低的情況下，鋰電池內部的化學反應速度變慢，放電電流明顯減小，使得電池電量快速下降。而蓄電池由于暴露在外，受到溫度變化的影響十分明顯。太陽能照明一體化中的控制器，能夠提供溫度補償來保證蓄電池正常放電，滿足冬季路燈照明用電需求。太陽能控制器通過AD采樣，獲取負溫度系數熱敏電阻的阻值。當熱敏電阻反饋的參數顯示溫度低于0 ℃時，給予溫度補償，補償系數為-18 mV/℃。需要注意的是，為了避免出現系統過載的現象，還需要將進行溫度補償后的放電電流與設定的保護閾值進行比較。如果實際放電電流超過閾值，則關閉負載。在負載關閉的時間里，繼續進行電流數據采集和對比，直到重新檢測到放電電流在閾值以內，則太陽能控制器重新開通電路。此外，在蓄電池充電過程中，也提供了過充電壓、欠壓保護等功能，從而保證蓄電池正常充放電，延長蓄電池的使用壽命[5]。

3.2.4 ?蓄電池穩壓設計

太陽能板將光能轉化成電能的過程中，由于光照強度發生變化，產生的電能不連續、電壓不穩定。這種情況下如果有蓄電池直接向燈具供電，也會導致燈具的亮度忽高忽低，不僅影響正常的照明，而且長此以往也會加速燈具的損壞。因此，在太陽能照明一體化裝置設計中，還應增加穩壓設計。在太陽能電池板與蓄電池之間連接一個穩壓器。對于有光能轉化而來的電能，在穩壓器的作用下進行調節，使波動的輸入電壓轉化為穩定的輸出電壓。從而保證蓄電池向LED等提供穩定電壓，滿足照明需要[6]。

4 ?太陽能照明一體化的應用

為驗證太陽能照明一體化裝置的實際應用效果，選擇位于偏遠山區的某村進行實驗。根據實地調查，該村常住人口2 260人，位于兩山之間，除了進村的一條主干道路為水泥路外，其他均為山間小徑，沒有路燈。如果要在山間小路兩側安裝路燈，需要從3 km以外敷設電纜。由于山區地形復雜，架線施工難度大、成本高。基于此，決定采用太陽能照明一體化裝置。整個裝置可分為三大部分，各部分參數如下：（1）系統部分，工作電壓為DC12V，燈桿高度5.5 m，燈具每天照明時間6～10 h，連續陰天下最大續航為5 d;（2）組件部分，太陽能板采用單晶18 V/40 V，蓄電池輸出電壓12 V;重量15 kg;（3）燈具部分，使用由10個功率為14.8 W的LED組成光板，色溫4 000 K，重量1.8 kg。

太陽能照明一體化裝置主要安裝在道路交叉口，以及附近有居民的地方。白天通過太陽能板為蓄電池充滿電后，在傍晚光照強度降低到一定值后，LED等自動亮起。30 min后達到設定的亮度，照射范圍最大為8 m。在PLC控制器的作用下，能夠做到分時段照明。在夜晚連續照明8 h的情況下，使用太陽能照明一體化裝置，耗電量僅為普通路燈的45%，節能效益明顯。

5 ?結語

村道亮化是國家出臺的又一項惠民工程。在地理位置偏遠的農村，使用太陽能照明一體化裝置代替普通路燈，具有施工方便、成本較低、亮度可自動調節、節約電能等一系列優勢，具有推廣應用價值。

參考文獻

[1] 溫江洪.可再生能源技術在移動照明燈塔上的應用[J].智能建筑電氣技術，2019，13（5）：40-41.

[2] 張恒睿.太陽能光伏發電技術現狀及改進措施[J].農村電氣化，2019（1）：53-55.

[3] 劉娟.鋼結構住宅太陽能光伏一體化融合技術的研究[J].江蘇建筑職業技術學院學報，2018，18（1）：28-32.

[4] 曾思勝.基于無線傳輸技術的智能校園照明控制系統的設計[D].廣州：華南理工大學，2020.

[5] 艾凱旋.基于薄膜晶體管的透明觸摸屏驅動電路研究[D].成都：電子科技大學，2020.

[6] 高飛.基于改進型遺傳算法的風光互補發電系統儲能優化研究[D].北京：華北電力大學（北京），2020.

作者簡介：王業萍（1979—），女，碩士，高級講師，研究方向為計算機控制技術。