太阳能路灯照明设计浅谈

宋伟男

摘 要：太阳能作为一种重要的绿色可再生能源技术，在民用方面首先应用在太阳能光伏照明中。诸如城市或乡村，非主干道上的吐血太阳能路灯，太阳能草坪灯与庭院灯以及太阳能装饰灯等等方面额照明技术已经渐渐的应用到各个领域，并形成规模。在太阳能光伏照明的设计中，涉及光源、太阳能电池系统、蓄电池、充放电控制等许多因素，其中任何一个环节出现问题都会造成产品的缺陷。本文从太阳能路灯方面进行探谈。

关键词：太阳能路灯 光伏照明 LED 节能环保

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0100-02

1 绪论

1.1 我国太阳能资源及分布

太阳能资源的分布与各地的维度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。资源丰富度一般以全年总辐射量和全年日照总时数表示。我国属太阳能资源丰富的国家之一，太阳能总辐射量大致在930～2330MJ/m2之间。全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000 h。特别是在甘肃、新疆、青藏高原、内蒙古一带，利用太阳能的条件尤其有利。

1.2 国内外光伏产业的发展

1839年法国学者贝克勒尔发现光伏效应，1954年美国贝尔实验室的三位科学家首次制成实用的单晶硅太阳能电池。2004年德国推出光伏补贴启动了全球第一阶段需求驱动，从2012年开始，德国率先进入了第二阶段需求驱动时期。2013年美国、日本和中国刚进入第一阶段需求驱动时期，市场完成结构性变化后进入一轮新的发展周期。按照中国政府的规划，2015年前中国平准化能源成本（LCOE）达到环保水平，中国将进入第二阶段需求驱动时期。太阳能是未来最清洁、安全和可靠的能源，发达国家正在把太阳能的开发作为能源革命主要内容长期规划，光伏产业正日益成为国际上继IT、微电子产业之后又一爆炸式发展的产业。

1.3 太阳能光伏能源的优势

（1）照射在地球上的太阳能能源在运用上是取不尽，用不竭的，但对于人类当前使用的小号能量，太阳能要比其大6000倍，同时它不受地域和海拔等相关因素的限制，其应用与分布比较广泛。

（2）太阳能能源不管在任何时候都可以就近取得，人们供电就可以通过太阳能就近供电，不必进行长距离的输送供电，而这样就避免了长距离输电给电能带来的损失。

（3）光伏发电能量的转换是直接从光子到电子的转换，这个转换过程比较简单，其中没有机械运动和中间过程这两个方面，就不存在对机械方面的磨损。根据热力学方面分析，光伏发电的理论发电效率很高，达到了80%以上，这就说明了这项技术开发的潜力是很大的。

（4）光伏发电是绿色环保的能源，也是最新型的、可再生的能源，它不污染空气，不产生噪声，不使用燃料，不会给燃料市场带来不稳定和冲击，不会遭受能源流失的危机等特点。

（5）光伏发电的过程中是冷却水是不需要的，而光伏发电可以在没有水的荒漠戈壁安装，同时可以与建筑物进行有效结合，构成先进的光伏与建筑一体化的发电系统，不需要在单的占用土地进行建设，这就给土地资源得到了节省。

（6）光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。

（7）光伏发电工作性能稳定可靠，使用寿命（30年以上）。晶体硅太阳能电池寿命可达20～35年。在光伏发电系统中，只要设计合理、造型适当，蓄电池的寿命也可长达10～15年。

（8）太阳能电池组件结构简单，体积小，重量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而用根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。

2 太阳能路灯照明设计

2.1 太阳能路灯的组成、设计选配及工作原理

随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具产品在节能环保上的双重优势已经逐渐显现，太阳能路灯的应用也日见普及，太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。

2.1.1 工作原理

太阳能光伏系统的工作原理是利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度低于设定值（一般为10Lx左右）时，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电数小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。第二天白天，太阳出来后，重复前一日的过程。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。其原理如图1所示。

2.1.2 太阳能路灯的组成及设计选配

太阳能路灯主要由以下几部分组成：太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池组、光源和灯具外壳等。如输出电源为交流220 V或110 V，还要配置逆变器。

太阳能电池板是太阳能路灯的核心部分，其作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。太阳能电池主要分为以下几种：

（1）单晶硅太阳能电池。

单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%左右，最高的达到24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的。单晶硅电池的使用寿命一般可达20年左右。但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响，价格相对较高。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区宜采用单晶硅太阳能电池。

（2）多晶硅太阳能电池。

多晶硅的制作成本比单晶硅太阳能电池要便宜材料制造更简便，总的生产成本较低。多晶硅太阳能电池的光电转换效率相对较低，使用寿命也比较短。多晶硅薄膜电池由于所使用的硅远较单晶硅少，无效率衰退问题，并且有可能在廉价衬底材料上制备，其成本远低于单晶硅电池，而效率高于非晶硅薄膜电池。因此，多晶硅薄膜电池将会在太阳能电地市场上占据主导地位。在太阳光充足日照好的东西部地区宜采用多晶硅太阳能电池。endprint

（3）非晶硅太阳能电池。

非晶硅太阳电池的制作工艺过程简化，硅材料消耗少，电耗低，它的主要优点是在弱光条件也能发电，主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减。在光照不足的地区或小型电子设备（如计算器、电子表）上宜采用非晶硅太阳能电池。

太阳能路灯系统中，一个性能良好的充放电控制器是必不可少的，其作用是保护蓄电池。基本功能是必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。即当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态，还应具有光控、时控功能，以及夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。

太阳能路灯光源的选择原则是选择适合环境要求、光效高、显色性好、寿命长的光源。同时为了提高太阳能发电的使用效率，尽量选择直流输入光源，避免由于引入逆变器而带来的功率损失（由于小型逆变器的效率比较低，一般低于80%）。

2.2 太阳能路灯设计

2.2.1 太阳能路灯系统在使用中存在的问题

在保证路灯灯具正常工作的情况下，太阳能电池板、充放电控制器、蓄电池组之间的匹配与否对于整个照明系统的正常运行、维护保养有着重要的影响。很多设计人员在进行太阳能路灯设计时不考虑当地的日照因素，只是经验性的选配光伏组件，有时为满足客户低成本的要求，配低了太阳能组件，或者只考虑了单日发电与耗电的匹配，而没有考虑蓄电池充电问题。导致路灯在使用一段时间后，经常几天不能正常工作。出现该问题的原因主要是连续几天阴雨天后，路灯系统蓄电池回过放，控制器会出现过放保护，此时如果太阳能发电量偏小，蓄电池电压达不到控制器的恢复放电电压，控制器与负载间一直断电，组件容量过小或阴雨天过长必然导致长时间不放电。因此，在组件容量计算式需要考虑蓄电池充电时间问题，尽可能2～3天充满。

2.2.2 路灯系统配置计算

太阳能路灯配置的计算一般按照独立光伏系统的设计方法进行，下面介绍太阳能路灯配置的设计步骤：

设计要求：某地区负载输入电压24 V功耗20 W，每天工作时数9 h，保证连续阴雨天数6天，年辐射量为103.6 Kcal/cm2。

（1）太阳能电池板的选型。

①峰值日照时数：A×0.0116÷365= 103.6×1000×0.0116÷365=3.3 h。

A为倾斜面的上年均辐射量，单位为Kcal/cm2；

0.0116为将辐射量（卡/cm2）换算成峰值日照时数的换算系数。

②负载日耗电量：20 W÷24 V×9 h=7.5 Ah。

③所需太阳能组件的总充电电流：1.05×7.5×1.34÷（3.3×0.85）=3.8A。

这里两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，系数为1.34，太阳能电池组件系统综合损失系数为1.05，蓄电池充电效率为0.85。

④太阳能组件的最少总功率数：17.2 V×3.8 A=65.4 W。

太阳能组件最低输出电压为17.2 V。

选用峰值输出功率70wp的标准电池组件可以满足路灯系统的正常运行。

（2）蓄电池的选型。

首先根据当地的阴雨天情况确定选用的蓄电池类型和蓄电池的存贮天数，一般北方选择的存贮天数在3～5天，西部少雨地区可以选用2天，南方的多雨地区存贮天数可以适当增加。容量计算公式如下：

蓄电池容量=负载功率×日工作时间×（存贮天数+1）÷放电深度÷系统电压

其中：蓄电池容量单位为Ah；

负载功率单位为W；

日工作时间单位为h；

存贮天数单位为d；

放电深度，一般取0.7左右；

系统电压单位为V。

根据上面计算：负载日耗电量7.5 Ah。在蓄电池充满的情况下，在阴雨天可连续正常工作6天，则需要的蓄电池容量为：7.5×10×7÷0.7÷12=63 Ah。

然后根据系统电压和容量的要求选配蓄电池。

以上计算没有考虑温度的影响，若蓄电池的最低工作温度低于-20 ℃，应对蓄电池的放电深度加以修正，具体修正系数可咨询蓄电池厂家。

（3）路灯控制器的选择

因路灯工作电压是24 V，蓄电池串联输出额定电压也是24 V，所以太阳能路灯控制器应该选择24 V额定工作电压，其光伏组件的额定输出电压为34 V。在选择控制器时还需注意过充保护、恢复充电、过放保护、恢复放电电压。如果系统配置不合理，很可能长时间不工作，因此对恢复放电电压不能设置过高，但同样的，把恢复放电电压设置过低，甚至低于23 V，很可能会出现使用寿命缩短的问题，特别对蓄电池更是如此。

3 结论

随着全球性的能源危机和大气污染问题日益突出，寻求绿色替代能源已成为世界各国面临的共同课题。因此，无论是在未来城市的建设中，还是在日常生活中更广泛、更合理的运用太阳能光伏技术是具有实际意义的，这不仅可以减轻我们对石油、煤炭等化石能源的依赖，而且可以减少对自然环境的影响。国外在这方面的研究起步较早，已出具成效，我国近年来也开始重视该问题。随着绿色工程的增多，太阳能光伏照明建设的经验会更多、技术会更加成熟，除了设计时要尽可能完善之外，工程施工也是一个非常重要的环节，有关施工方面的专业知识，这里不再赘述。

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