太阳能照明一体化设计与应用研究

王业萍 熊忠

摘  要：村道亮化工程是新农村建设的一项重要内容。但是在一些尚未通电的偏远小道上，需要从较远的地方敷设电缆，单独架线成本较高。这种情况下使用太阳能照明一体化技术，利用太阳能板、蓄电池为LED等提供照明所需电能，从而解决了成本高、施工难的问题。该文分析了太阳能一体化设计中的核心技术，从试点应用效果来看，达到了稳定照明、节约电能的效果，具有技术推广价值。

关键词：太阳能灯塔  自适应放电  太阳能照明一体化  温度补偿

中图分类号：TM923      文献标识码：A        文章编号：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

在傳统化石能源短缺和环保要求日益严格的背景下，以太阳能、风能等为代表的新能源技术得到了快速发展。其中，基于太阳能装置的光电转化技术是现阶段比较成熟的新能源技术之一，并且在诸多领域得到了广泛运用。在电力行业，通过建设太阳能灯塔可实现就近供电，解决了偏远地区施工难度大、架线成本高的问题，应用前景广阔。太阳能照明一体化设计融合了智能控制技术，做到了“人来灯亮、人走灯灭”，节能效益良好。此外还具有自动调节亮度、自动进行温度补偿等功能，未来将有望成为偏远地区照明的主要形式[1]。

1  太阳能照明灯塔的应用现状

在我国一些偏远山区，由于人口数量少、用电需求低，存在电网覆盖率不高的情况。这种情况下要想在农村道路上户外照明装置，需要额外敷设电缆，为路灯提供电源。而太阳能照明灯塔则解决了这一问题，它不需要从外界连接电缆供电，能够利用太阳能板将光能转化成电能，并利用蓄电池存储电能，再向路灯供电。但是太阳能照明灯塔在实际应用中，也存在一些缺陷，例如：照明效果与日照强弱有密切联系，若遇到连续阴天，会出现路灯不亮的情况，无法满足照明要求。此外，普通的太阳能照明灯塔，蓄电池是安装在灯杆底部，并且为了安装、维护方便，留有带锁的门。但是经常有不法分子暴力破坏、偷窃电池的情况。因此，在偏远地区太阳能照明灯塔有显著的应用优势，但是也面临着诸多问题，亟需改进。

2  一体化太阳能灯塔的结构组成和应用优势

一体化太阳灯灯塔是在常规太阳能照明路灯的基础上，经过设计改良和结构优化后得到的，具有结构更加简单、安装更加方便、使用寿命更长、性价比更高等诸多优势。从结构组成上来看，一体化太阳能灯塔的主要构件有太阳能板、蓄电池、光伏控制器等，这些构件采用一体化设计，全部安装在灯杆顶端，这样就解决了蓄电池被偷窃的问题。另外，一体化结构设计在安装时，不需要现场组装，直接将灯杆底座固定即可完成安装，因此施工十分简便，后期维护难度也大幅度降低。另外，在太阳能板下方增加了一个可活动的扣件，支持在垂直方向上进行10°～60°的调节，以及在水平方向上360°旋转。通过PLC控制器灵活调节太阳能板的方向、角度，始终保持最佳采光，提高太阳能的利用率。基于PLC的智能控制单元，还能自动调节路灯亮度，以及利用传感器自动控制路灯的亮灭，相比普通路灯节能效果可提升60%～80%。蓄电池充满电的情况下，即便是无外部光照，也可保证7天（每天8 h）的照明需求[2-3]。

3 太阳能照明一体化设计

3.1  灯具配光设计

灯杆总高度为5.5 m，灯具安装高度有5.0 m、4.5 m和4.0 m这3种选项。具体可根据路面宽度、行人密度等来决定。路面宽度在5 m左右，行人较多的乡村主道路，可以将灯具安装在灯杆5 m处，设置灯具仰角30°，则蓄电池正常供电情况下，以灯杆为中心，周围5 m直径范围内的平均照度不低于3 lx。路面宽度在3 m左右，行人较少的乡村小径，可以将灯具安装在灯杆4 m处，设置灯具仰角为25°，在蓄电池正常供电情况下，灯杆周围3 m直径范围内的平均照度不低于2lx。

3.2  灯具智能控制设计

以PLC为核心的智能控制器，可支持温度采样、充/放电驱动、蓄电池电压采样、自适应灯光调节等功能的实现。

3.2.1  充电设计

充电设计采用PWM脉宽调制充电方式。对于12 V的系统，当蓄电池处于欠压状态时，控制器控制太阳能板以0.25 C的电流恒流充电，当蓄电池电压大于12 V后转而采用直充方式直到蓄电池电压直充电压上限设定值，之后进入浮充状态，脉宽逐渐减小，降低充电电流。当蓄电池达到14.4 V，保持低于0.1 C的电流以补偿蓄电池因自放电产生的能量损失。

3.2.2自适应照明设计

利用光敏传感器收集外界光照强度参数，当光照强度低于设定值时，即判断为入夜。此时太阳能控制器首先检测蓄电池电池电量，若电量在1/2以上，则根据当前光照强度设定灯具亮度参数，并在30 min以内，将灯具亮度从0匀速升高至设定好的亮度。同时，光敏传感器每隔10 min采集并上传一次光照强度参数，控制器根据实时反馈参数，重新调整灯具亮度，这样就保证了随着天气逐渐从亮到暗，灯具的亮度也会实现从暗到亮的自适应调整[4]。基于自适应照明设计，一方面是满足了路灯照明的功能需要，另一方面又最大程度上节约了电能效果。除此之外，由于蓄电池放电时间延长，相当于减少了蓄电池频繁充放电的次数，对延长蓄电池使用寿命也有一定帮助。当太阳能控制器检测到蓄电池剩余电量不足20%后，会将灯具自动关闭，防止电能完全耗尽降低蓄电池寿命。

3.2.3  温度补偿与保护设计

温度变化通过影响蓄电池的性能，进而决定着太阳能路灯的照明效果。在冬季气温较低的情况下，锂电池内部的化学反应速度变慢，放电电流明显减小，使得电池电量快速下降。而蓄电池由于暴露在外，受到温度变化的影响十分明显。太阳能照明一体化中的控制器，能够提供温度补偿来保证蓄电池正常放电，满足冬季路灯照明用电需求。太阳能控制器通过AD采样，獲取负温度系数热敏电阻的阻值。当热敏电阻反馈的参数显示温度低于0 ℃时，给予温度补偿，补偿系数为-18 mV/℃。需要注意的是，为了避免出现系统过载的现象，还需要将进行温度补偿后的放电电流与设定的保护阈值进行比较。如果实际放电电流超过阈值，则关闭负载。在负载关闭的时间里，继续进行电流数据采集和对比，直到重新检测到放电电流在阈值以内，则太阳能控制器重新开通电路。此外，在蓄电池充电过程中，也提供了过充电压、欠压保护等功能，从而保证蓄电池正常充放电，延长蓄电池的使用寿命[5]。

3.2.4  蓄电池稳压设计

太阳能板将光能转化成电能的过程中，由于光照强度发生变化，产生的电能不连续、电压不稳定。这种情况下如果有蓄电池直接向灯具供电，也会导致灯具的亮度忽高忽低，不仅影响正常的照明，而且长此以往也会加速灯具的损坏。因此，在太阳能照明一体化装置设计中，还应增加稳压设计。在太阳能电池板与蓄电池之间连接一个稳压器。对于有光能转化而来的电能，在稳压器的作用下进行调节，使波动的输入电压转化为稳定的输出电压。从而保证蓄电池向LED等提供稳定电压，满足照明需要[6]。

4  太阳能照明一体化的应用

为验证太阳能照明一体化装置的实际应用效果，选择位于偏远山区的某村进行实验。根据实地调查，该村常住人口2 260人，位于两山之间，除了进村的一条主干道路为水泥路外，其他均为山间小径，没有路灯。如果要在山间小路两侧安装路灯，需要从3 km以外敷设电缆。由于山区地形复杂，架线施工难度大、成本高。基于此，决定采用太阳能照明一体化装置。整个装置可分为三大部分，各部分参数如下：（1）系统部分，工作电压为DC12V，灯杆高度5.5 m，灯具每天照明时间6～10 h，连续阴天下最大续航为5 d;（2）组件部分，太阳能板采用单晶18 V/40 V，蓄电池输出电压12 V;重量15 kg;（3）灯具部分，使用由10个功率为14.8 W的LED组成光板，色温4 000 K，重量1.8 kg。

太阳能照明一体化装置主要安装在道路交叉口，以及附近有居民的地方。白天通过太阳能板为蓄电池充满电后，在傍晚光照强度降低到一定值后，LED等自动亮起。30 min后达到设定的亮度，照射范围最大为8 m。在PLC控制器的作用下，能够做到分时段照明。在夜晚连续照明8 h的情况下，使用太阳能照明一体化装置，耗电量仅为普通路灯的45%，节能效益明显。

5  结语

村道亮化是国家出台的又一项惠民工程。在地理位置偏远的农村，使用太阳能照明一体化装置代替普通路灯，具有施工方便、成本较低、亮度可自动调节、节约电能等一系列优势，具有推广应用价值。

参考文献

[1] 温江洪.可再生能源技术在移动照明灯塔上的应用[J].智能建筑电气技术，2019，13（5）：40-41.

[2] 张恒睿.太阳能光伏发电技术现状及改进措施[J].农村电气化，2019（1）：53-55.

[3] 刘娟.钢结构住宅太阳能光伏一体化融合技术的研究[J].江苏建筑职业技术学院学报，2018，18（1）：28-32.

[4] 曾思胜.基于无线传输技术的智能校园照明控制系统的设计[D].广州：华南理工大学，2020.

[5] 艾凯旋.基于薄膜晶体管的透明触摸屏驱动电路研究[D].成都：电子科技大学，2020.

[6] 高飞.基于改进型遗传算法的风光互补发电系统储能优化研究[D].北京：华北电力大学（北京），2020.

作者简介：王业萍（1979—），女，硕士，高级讲师，研究方向为计算机控制技术。