■ 鄧敏徐冬梅趙雪凱焦富強權祥

（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院；2.常州天合光能有限公司）

太陽能路燈系統(tǒng)的優(yōu)化設計與分析

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（1.徐州工業(yè)職業(yè)技術學院；2.常州天合光能有限公司）

太陽能路燈系統(tǒng)利用太陽電池供電，與傳統(tǒng)高壓鈉燈系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有節(jié)能環(huán)保、可靠性高、使用壽命長、易維護等特點，擁有廣闊的發(fā)展前景。以徐州市平山南路太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設計為實例，綜合考慮徐州的地理位置與氣候條件，確定了路燈的安裝方式及LED光源的工作時間，并以此為依據(jù)設計計算了蓄電池組與太陽電池方陣的容量，最終對組件進行了受力分析。經(jīng)過優(yōu)化設計后，路燈系統(tǒng)能夠滿足連續(xù)最大陰雨天數(shù)的需求，同時也能滿足在大風情況下的正常使用。

太陽能路燈；優(yōu)化設計；節(jié)能環(huán)保

0　引言

當前，太陽能光伏發(fā)電的巨大潛力及社會效益愈發(fā)引人注目，在全球能源結構中的比重持續(xù)增大[1]。截至2014年年底，中國光伏累計裝機量已超過28 GW，位于世界第2。2014年《政府工作報告》中明確指出“要提高非化石能源發(fā)電比重，發(fā)展智能電網(wǎng)和分布式能源，鼓勵發(fā)展風能、太陽能”。2012年起，為引導光伏產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展，國家也陸續(xù)頒布了多項與光伏和新能源有關的法規(guī)，光伏行業(yè)朝著健康有序的方向穩(wěn)步發(fā)展。

徐州市平山南路從通車至今已有十余年，路燈維修率逐年升高，需要整修和更換。在目前政府大力支持光伏產(chǎn)業(yè)的背景下，對九里山東路到漢城東路之間的平山南路進行太陽能路燈系統(tǒng)的優(yōu)化設計，并在經(jīng)濟效益與社會效益上與傳統(tǒng)路燈進行對比分析。

1　太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設計流程

光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計要求遵守合理性、實用性、高可靠性和高性價比的原則。要做到既能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的長期可靠運行，充分滿足負載的用電需要；同時又能使系統(tǒng)的配置最合理、最經(jīng)濟，特別是確定使用最少的光伏組件功率和蓄電池的容量。需要協(xié)調整個系統(tǒng)工作的最大可靠性和系統(tǒng)成本之間的關系，在滿足需要、保證質量的前提下節(jié)省投資，達到最好的經(jīng)濟效益[2]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)設計流程一般包括容量設計和硬件配置兩大部分。對于太陽能路燈系統(tǒng)，一般采取如圖1所示的設計流程。

圖1　太陽能路燈系統(tǒng)設計流程圖

2　太陽能路燈系統(tǒng)的優(yōu)化配置

2.1氣候地理條件分析

太陽能路燈系統(tǒng)設計的基本要求是要滿足負載用電的需要，所以在進行設計時，必須考慮系統(tǒng)在最差天氣條件下的穩(wěn)定運行。

根據(jù)調查，徐州地區(qū)冬季約有14 h處于黑夜狀態(tài)，夏季的發(fā)電總量約為冬季的2.33倍(該數(shù)值并未考慮溫度和天氣變化的影響)。冬季發(fā)電量低而負載使用時間長，且氣溫較低，為了使蓄電池在冬季不至于過放電，系統(tǒng)設計時要考慮根據(jù)冬季發(fā)電用電情況進行系統(tǒng)設計與配置，兼顧系統(tǒng)穩(wěn)定性與經(jīng)濟效益。

徐州位于華北平原東南部，117.18°E，34.27°N；全年平均最高氣溫36 ℃，年平均最低氣溫-7 ℃；年輻射總量為1500 kWh/m2，日平均峰值日照時數(shù)為4.14 h。

太陽能路燈系統(tǒng)受天氣影響較大，配置蓄電池可消除或減弱不良天氣對路燈系統(tǒng)正常工作的影響。由于陰雨天光伏組件基本不發(fā)電，主要依靠蓄電池進行供電，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，一般使用全年最大連續(xù)陰雨天數(shù)作為依據(jù)。根據(jù)近幾年每月徐州最大連續(xù)陰雨天數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，為保證太陽能路燈的系統(tǒng)供電穩(wěn)定性，選取最大連續(xù)陰雨天數(shù)為9天[3]。

2.2路燈光源的優(yōu)化設計

根據(jù)我國建設部發(fā)布的《城市道路照明設計標準》規(guī)定，次干道需使用半截光型燈具。半截光型燈具的安裝高度在燈具單向布置時，不小于路面有效寬度的1.2倍；當燈具雙側布置時，安裝高度不小于路面有效寬度的0.8倍；此時，兩盞路燈的間距不能大于路燈高度的3.5倍[4]。

設燈具高度為H，路面有效寬度為W，路燈間距為S。路燈安裝的位置在綠化帶中央，故選擇機動車道寬度加單綠化帶寬度為路面有效寬度，取W=15 m。燈具高度取設計標準規(guī)定的最小值，路燈間距取設計標準規(guī)定的最大值，即燈具安裝高度為路面有效寬度的0.8倍，路燈間距為燈具安裝高度的3.5倍。則：

設計路段全長為1105 m，則所需路燈數(shù)量n=1105/42=26.3≈27盞。因道路兩側交替布置路燈，所以，單側路燈數(shù)量為27盞，另一側為26盞，共計53盞。

平山南路設計路段為次干道，路面為瀝青路面。按照國家標準規(guī)定，次干道路面平均照度應至少為10 lx，對應的平均亮度為1 cd/m2[4]。計算路面平均照度與平均亮度時，路燈可視為點光源，路燈向外發(fā)射的光平均分布在以路燈燈頭為圓心的球面內。路燈光源發(fā)光效果以光通量來衡量，光源功率設計的目的是選擇合適的路燈來提供國家標準所需的平均照度。

設路面平均照度為E，路燈光源光通量為Φ。計算路面平均照度時，對應的球面半徑為路燈光源有效高度即燈具高度H?？色@得以下關系式：

根據(jù)式(3)可知，當E=10 lx時，對應的路燈光源光通量為：

次干道使用半遮光型燈具，光源向上射出的光線除了部分散失外，其余部分會被燈罩反射，增加了向下的光密度。考慮80%的反射率，路燈光源實際所需的光通量Φ1為：

所以，選擇光源的光通量最小應為5024 lm。

目前，LED燈因具有壽命長、能耗低、啟動快、發(fā)熱少、綠色環(huán)保等特點，常被用作太陽能路燈的光源。選取LED燈發(fā)光效率為130 lm/ W，則所需光源的功率為：

2.3蓄電池組容量的優(yōu)化設計

考慮平山南路路段的實際情況，為兼顧快車道與慢車道的照明，路燈選用雙臂式路燈，因此系統(tǒng)光源需采用兩只40 W的LED燈，燈具工作電壓為24 V。根據(jù)上文中用電量需求分析，設計系統(tǒng)采用定時工作方式，以冬季工作時長為設計標準，設計冬季路燈每天工作時間為18:00～24:00及次日5:00～7:00，每天工作時長為8 h；根據(jù)上文分析，最大連續(xù)陰雨天數(shù)取9天；峰值日照時數(shù)取4.14 h；蓄電池最大放電深度在0.5～0.8之間，考慮徐州冬季最低氣溫-7 ℃，從穩(wěn)定性角度分析，取最大放電深度為0.6 ；低溫修正系數(shù)為0.91[5]，則：

計算結果和蓄電池調研參考資料，可選擇蓄電池規(guī)格為12 V 200 Ah。

4)蓄電池串并聯(lián)的計算為：蓄電池串聯(lián)數(shù)=24/12=2；蓄電池并聯(lián)數(shù)=395.65/200=2；蓄電池組總數(shù)=2×2=4。

根據(jù)以上計算結果，共需12 V 200 Ah蓄電池4件構成蓄電池組，串并聯(lián)形式為2串2并。

2.4光伏組件方陣的優(yōu)化設計

2.4.1優(yōu)化光伏組件方陣傾角

為了達到最佳發(fā)電效率，需要進行光伏組件陣列傾斜角的設計。傾斜角是光伏陣列平面與水平地面的夾角[6]。光伏組件傾角取值與當?shù)氐木暥扔嘘P，徐州緯度為34.27°，本地最佳傾角為緯度加7°，所以徐州本地斜面最佳輻射傾角取41°[1]。

2.4.2估算組件輸出電流

根據(jù)經(jīng)驗取蓄電池充電效率為0.9，組件損耗系數(shù)也為0.9。

2.4.3確定估算功率

設光伏組件的最高工作溫度為60 ℃，則：

根據(jù)以上計算結果，功率取整為240 W。2 塊120 W的光伏組件板可滿足使用要求(120 W光伏組件板理論面積為1200 mm×800 mm)。

2.5太陽電池方陣的抗風設計

根據(jù)路燈燈桿行業(yè)標準[7]，路燈燈桿材料需選用Q235鋼。標準規(guī)定，高12 m的燈桿鋼管壁厚為3.5 mm、鋼管上端口直徑為75 mm、下端口直徑為195 mm。

為減少周圍環(huán)境對光伏組件的遮擋，光伏組件裝配于燈桿頂端，設計中必須考慮光伏組件能否承受在此高度上的風壓。標準光伏組件經(jīng)受靜態(tài)載荷的最低值為2400 Pa[8]，而在大風情況下其承受的壓強需要大于該值。

風壓是指垂直于氣流方向的平面所受到的風的壓力[9]，當重力為9.8 m/s2時，根據(jù)伯努利方程可推導出此時垂直于氣流方向的平面所受的風壓為：

式中，P為風壓，Pa；u為風速，m/s。

12級臺風的風速是36.9 m/s，光伏組件在此情況下迎風放置，垂直面的面積需要進行折算。則：

光伏組件承受得風壓為558.26 Pa，遠低于標準規(guī)定的2400 Pa，故組件本身可以滿足抗壓需求。

3　經(jīng)濟效益分析

傳統(tǒng)高壓鈉燈市場均價為1950元/套，每套燈具設一個檢查井[10]。太陽能路燈市場均價為6300元/套，全套太陽能路燈包含：LED燈頭(40 W)、Q235燈桿(12 m)、光伏組件(120 W、2塊)、免維護鉛酸蓄電池(12 V 200 Ah、4件)，以及路燈用控制器1套。燈具安裝費用參考市場平均價格，按燈具使用年限20年，使用期間平均每套燈具更換1次光源，其中蓄電池更換2次，進行對比分析。結果見表1。

表1　經(jīng)濟效益對比分析表

通過表1數(shù)據(jù)及以上分析可知，太陽能路燈在運行成本、環(huán)境維護、效益回流、安全性及維護等方面均優(yōu)于普通路燈，更加適合推廣，更符合國家可持續(xù)發(fā)展原則。

4　結論

本文利用太陽能系統(tǒng)設計的基本原理與步驟，結合實地考察及市場調研獲得的信息，從路燈的高度與間距、光源功率、蓄電池容量、太陽電池板容量、燈桿支架等方面進行了統(tǒng)一的設計與計算，并對比傳統(tǒng)高壓鈉燈，對設計系統(tǒng)進行了經(jīng)濟效益分析。

本文設計的太陽能路燈系統(tǒng)采取分時工作方式，在滿足應用的情況下，較大程度節(jié)約了系統(tǒng)投資。系統(tǒng)所帶的控制器可以精確控制系統(tǒng)的運行與停止，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。光源采取LED路燈，既能提供高亮度，同時耗能遠低于高壓鈉燈，符合國家關于節(jié)能減排的號召。

通過經(jīng)濟效益分析可看出，太陽能路燈的價格雖然要高于傳統(tǒng)路燈，但由于其安裝簡單、維護方便，整體費用遠低于傳統(tǒng)路燈，使用更加經(jīng)濟；市政相關部門也給予了本設計的可用性評價。

[1] Global market outlook for photovoltaics 2014–2018 [EB/OL]. http://www.epia.org/fileadmin/user_upload/ Publications/EPIA_Global_Market_Outlook_for_ Photovoltaics_2014-2018_-_Medium_Res.pdf, 2014-04-17.

[2]王長貴, 王斯成.太陽光伏發(fā)電實用技術[M].北京：化學工業(yè)出版社, 2005.

[3]徐州歷史天氣. [EB/OL]. http://lishi.tianqi.com/xuzhou/index. html, 2011-01/2014-12

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[5]彭路明.新型太陽能路燈控制器設計與實現(xiàn)[D].新疆大學, 2004.

[6]詹新生. 光伏發(fā)電工程技術[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2014.

[7] Q/KKAW001-2004, 路燈燈桿行業(yè)企業(yè)標準[S].

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2015-11-20

鄧敏(1984—)，女，講師、工程師，碩士，主要從事光伏材料生產(chǎn)、光伏系統(tǒng)應用方面的研究。dengmin8404@126.com