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(wèn)題越來(lái)越引起全社會(huì)的關(guān)注，可再生能源的開(kāi)發(fā)與利用越來(lái)越受到人們的重視。太陽(yáng)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(jiǎn)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(yáng)能路燈的應(yīng)用如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能路燈應(yīng)用圖

太陽(yáng)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(yáng)能路燈就會(huì)自動(dòng)工作。太陽(yáng)能路燈的主要優(yōu)點(diǎn)如下［1］:

(1)安裝簡(jiǎn)便:不用鋪設(shè)專門(mén)、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(wú)需電費(fèi)，長(zhǎng)期使用成本低:太陽(yáng)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(zhǎng)期使用成本低，長(zhǎng)期受益。

(3)無(wú)安全隱患:太陽(yáng)能路燈是低壓產(chǎn)品，不需要考慮很?chē)?yán)格的絕緣問(wèn)題，運(yùn)行可靠，對(duì)人畜絕對(duì)安全。

(4)節(jié)能環(huán)保:采用太陽(yáng)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(yáng)能路燈有利于提升城市形象，樹(shù)立節(jié)能降耗與新能源的城市旗幟。

2 太陽(yáng)能路燈的基本組成和工作原理

2.1 太陽(yáng)能路燈的基本組成

太陽(yáng)能路燈主要由太陽(yáng)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(yáng)能路燈的基本組成如圖2所示。

圖2 太陽(yáng)能路燈的基本組成

2.2 太陽(yáng)能路燈的工作原理

白天在陽(yáng)光的照射下，太陽(yáng)電池吸收太陽(yáng)光子能量而發(fā)電，通過(guò)控制器處理后對(duì)蓄電池充電，根據(jù)設(shè)定好的工作模式，當(dāng)天黑或周?chē)庹斩容^低時(shí)，蓄電池就通過(guò)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?chē)鈴?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(yáng)能路燈的照明［3］。

3 太陽(yáng)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(yáng)輻照等情況，這些條件是確定當(dāng)?shù)靥?yáng)電池組件安裝的傾斜角、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(yáng)能路燈系統(tǒng)中太陽(yáng)電池組件功率大小的最核心參數(shù)，通過(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(jiǎn)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(wèn)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(zhǎng)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(lái)越低。故與常規(guī)照明相比，LED優(yōu)勢(shì)明顯，因此，LED光源是太陽(yáng)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(yáng)電池組件的選型

太陽(yáng)電池組件是太陽(yáng)能路燈的重要組成部分，其作用是將太陽(yáng)能能量轉(zhuǎn)換為電能后為蓄電池充電。當(dāng)前常用的太陽(yáng)能路燈電池組件按太陽(yáng)電池材料分有單晶硅太陽(yáng)電池組件、多晶硅太陽(yáng)電池組件和非晶硅太陽(yáng)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(yáng)光不是很充足的南方適宜選用單晶硅太陽(yáng)電池組件;多晶硅電池組件的優(yōu)勢(shì)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(duì)太陽(yáng)能路燈來(lái)說(shuō)，還要對(duì)路燈的點(diǎn)亮和熄滅進(jìn)行自動(dòng)控制。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，必須對(duì)蓄電池的充電放電條件加以限制，防止過(guò)充和過(guò)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(yáng)能路燈的需要，太陽(yáng)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(yáng)的能量是不穩(wěn)定的，白天能量強(qiáng)但晚上沒(méi)有能量提供，而太陽(yáng)能路燈需要在晚上工作，所以太陽(yáng)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(yáng)能組件產(chǎn)生的電能盡量存儲(chǔ)下來(lái)，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(yáng)能組件、光源、設(shè)計(jì)照明時(shí)間等相匹配，蓄電池過(guò)小不能滿足需要，過(guò)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(guò)4組。

3.3 太陽(yáng)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(yáng)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(lái)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(yáng)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(yáng)能路燈的控制方案選擇

太陽(yáng)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(guó)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(kāi)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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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?chē)?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(kāi)關(guān)時(shí)間，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。近年來(lái)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(lái)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(kāi)燈、早晨能在需要的時(shí)候自動(dòng)關(guān)燈。簡(jiǎn)單地說(shuō)，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(duì)稍高，在路燈中使用將會(huì)增加一些成本。

3.5 太陽(yáng)能路燈的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)思路

本著簡(jiǎn)單實(shí)用的原則，本部分僅闡述用簡(jiǎn)易經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單計(jì)算進(jìn)行太陽(yáng)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(yáng)電池組件的傾角的確定

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

表1 緯度和太陽(yáng)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(jiǎn)易公式確定蓄電池的容量:

式中:C為蓄電池的容量;

P為L(zhǎng)ED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(yáng)電池組件的功率的計(jì)算

可以按照以下簡(jiǎn)易公式確定太陽(yáng)電池組件的功率:

式中:W為太陽(yáng)電池組件的功率;

P為L(zhǎng)ED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(yáng)能路燈的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

抗風(fēng)設(shè)計(jì)是在太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上非常重要的一個(gè)問(wèn)題?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)分為兩個(gè)方面，一個(gè)是太陽(yáng)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(yáng)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(jí)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(yáng)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(yǔ)

隨著太陽(yáng)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(lái)越科學(xué)，維護(hù)也將進(jìn)一步簡(jiǎn)化，太陽(yáng)能將被更深入、更廣泛的利用，太陽(yáng)能路燈的發(fā)展前景將非常廣闊，潛力巨大的太陽(yáng)能路燈產(chǎn)業(yè)必將會(huì)走向真正的市場(chǎng)化。

［1］李世光，張金青，劉東紅.太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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.