大功率太阳能路灯装置照明系统设计

康 潜, 钱中阳, 袁益民

(中国市政工程西北设计研究院有限公司, 甘肃 兰州 730000)

0 引 言

太阳能路灯装置是一种由太阳能光伏发电、供电的道路照明装置,由于太阳能光伏发电为白天发电,晚上供路灯用电的特性,以及阴雨天等不利因素导致太阳能资源的不稳定性,需设置蓄电池,保证路灯用电的可靠性。本文针对采用大功率太阳能路灯装置的工程,分析道路照明设计中遇到的各种问题。提出了采用大功率太阳能路灯装置照明的一些设计原则,给今后采用太阳能路灯装置照明设计提供借鉴。

1 系统配置计算

太阳能路灯装置照明系统的计算与传统道路照明的计算主要区别是供电方案不同,其他需要计算设计的内容一致,包括光源选择、路灯布置方式、灯具安装高度、路面照度、路面亮度、眩光限制阈值增量最大初始值、环境比最小值、照明功率密度等的计算。传统道路照明供电方式采用箱式变电站供电,太阳能路灯装置照明采用太阳能发电给路灯供电[1]。太阳能路灯系统示意图如图1所示。

图1 太阳能路灯系统示意图

本文仅对太阳能路灯装置太阳能光伏发电系统进行计算分析,参考文献[1]给出的计算公式,首先通过当地气象资料测定的倾斜面的上年辐照总量计算出峰值日照时间,然后结合已知的负载功率、光源工作时间计算出在当地太阳辐照量条件下,负载正常工作所需的太阳能板容量,其次结合负载功率、负载日工作时间、存储天数、放电深度、系统电压计算出所需蓄电池容量,其中存储天数考虑了阴雨天太阳板发电量不足的情况。

1.1 峰值日照时间的计算

峰值日照时间为

T=A/(3.6×365)

(1)

式中:T——峰值日照时间;

A——倾斜面的上年辐照总量。

1.2 系统电压的确定

太阳能路灯光源通常采用LED光源,直流输入电压作为系统电压,一般为12 V或24 V,特殊情况下也可以选择交流负载,如高压钠灯光源。

1.3 太阳能光伏组件的容量计算

太阳能光伏组件功率为

WP=PT1(17/12)/T/(0.85×0.85)

(2)

式中:P——负载功率;

T1——日全功率工作时间;

T——峰值日照时间。

1.4 蓄电池容量计算

蓄电池的容量CC计算公式为:

CC=P×T1×(T2+1)/K/U

(3)

式中:P——负载功率;

T1——日全功率工作时间;

T2——存储天数;

K——放电深度,一般取0.7左右;

U——系统电压。

2 太阳能路灯装置照明系统设计原则

太阳能路灯装置适用于年度太阳能辐射总量不小于5 000 MJ/(m2·a)的地区[2],持续放电能力如下:

(1) 蓄电池在充满的状态下,在连续3～n(厂家根据应用区域条件设定上限n)个无风、阴、雨、沙、尘、雪天内,应确保每天均能够提供正常照明[2]。

(2) 在持续n个阴雨天的情况下,蓄电池的蓄电量需能维持(n+1)天。

(3) 蓄电池的放电深度不应大于75%。

3 太阳能资源对大功率太阳能路灯装置应用的影响分析

全国太阳能总辐射量与年平均日当量如表1所示。

表1 全国太阳能总辐射量与年平均日当量

按接受太阳能辐射量的大小,全国大致上可分为五类地区,其中一类 、二类、三类地区,年日照时数大于2 000 h,辐射总量高于5 000 MJ/(m2·a),是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区,面积较大,约占全国总面积的2/3以上,具有利用太阳能的良好条件。

JG/T 547—2018《风光互补路灯装置》对风光互补路灯装置的适用条件做了明确规定:“5.1.1太阳能路灯装置适用于年度太阳能辐射总量不小于5 000 MJ/(m2·a)的地区”。由表1 可以看出,太阳能辐射总量不小于5 000 MJ/(m2·a)的地区为一类、二类、三类地区。

4 大功率太阳能路灯装置设计中主要问题

4.1 太阳能光伏组件参数规格的影响分析

目前市场上太阳能光伏组件参数规格多,由于光伏板自身重量、体积、安装角度等限制影响,目前应用的太阳能路灯装置中太阳能光伏组件最大容量为150 W,尺寸为1.4 m(长)×0.67 m(宽)左右,重量10.2 kg,单套路灯最多可架设4块,即600 W。因此,大功率太阳能路灯装置太阳能板容量不宜大于600 W。

太阳能光伏组件最大容量4×150 W的前提下,依据式(1)和式(2)计算得出各类地区峰值日照时间和理论最大负载功率。各类地区峰值日照时间和负载功率如表2所示。其中,光源日全功率工作时间按8 h计算(前4 h全功率,后8 h半功率,折合全功率工作时间为8 h)。

表2 各类地区峰值日照时间和负载功率

因此在大功率太阳能路灯装置照明系统设计中,根据不同地区,光源日照全功率8 h条件下,负载功率理论值不应大于表2中的数据。具体设计时应以当地气象部门提供的日照气象资料作为具体设计依据。

从表2可以看出,在四类、五类地区虽然太阳能资源条件较差,但仍有一定利用价值。

4.2 蓄电池参数规格的影响分析

阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池使用中不需要维护,可3～4年不需补加蒸馏水,极桩腐蚀极少,自放电少,在太阳能路灯中得到普遍使用。但其也有体积大、重量大,废弃处理存在污染环境的风险,放电过深对电池有害等缺点。JB/T 22473—2008《储能用铅酸蓄电池》[3]规定,额定电压为12 V的铅酸蓄电池10 h率额定容量最大为200 Ah,最大外形尺寸为521 mm×(长)278 mm(宽)×270 mm(总高)。

近年来,磷酸铁锂电池在太阳能路灯中应用凸显,其最大的优点是比能量(Wh/kg)远远高于铅酸电池,因此体积、质量均比铅酸电池小,且无记忆性,无有害物质。但其价格相对铅酸电池高昂。

大功率太阳能路灯装置计算蓄电池容量应充分考虑容量上限和外形尺寸。若采用阀控式密封铅酸(VRLA)蓄电池,由于其重量及体积较大,挂杆难度大,一般采用埋地安装,对于南方城市地下水位高、潮湿的情况,应充分考虑防水问题。资金充分的情况下,宜采用磷酸铁锂电池,一般采用挂杆安装。

4.3 其他影响要求

大功率太阳能路灯装置所需的大面积太阳能光伏组件以及大容量蓄电池挂杆安装的情况下,由于自身荷载和抗风影响,对灯杆强度和路灯基础有较高的要求,需严谨计算[4-7]。

大功率太阳能路灯装置的大面积太阳能光伏组件在挂杆安装的情况下,对路灯基础的要求也高,传统路灯基础无法满足要求。若大容量蓄电池挂杆安装,对路灯基础要求则更高。过大的路灯基础会提高工程造价,施工难度也相应增加。若埋地安装,则需要一定的地下空间,且不能有地埋电缆和管道通过[8-9]。

太阳能路灯装置及路灯基础示意图如图2所示。

图2 太阳能路灯装置及路灯基础示意图

大功率太阳能路灯装置的应用还应考虑道路环境情况,如道路绿化树木树枝树叶对太阳能板的遮挡,以及后期道路两侧是否有高层建筑对太阳能板的遮挡等,均会导致太阳能板发电量降低,达不到路灯所需用电量要求。架空线缆也不应经过太阳能板。若有树木遮挡,应合理布置路灯位置,采取支撑太阳能板的悬挑延展等方式躲避树木遮挡。

5 结 语

太阳能路灯装置有其局限性,包括太阳能资源因素、太阳能路灯装置相关产品的参数规格因素以及对路灯灯杆强度的要求、路灯基础的更高要求等。因此,城市主干道或快速路甚至次干道路幅较宽、路灯功率较大的项目,或当地太阳能资源一般的情况,应谨慎计算分析,慎重考虑采用太阳能路灯装置。应尽量选用光效高的灯具应用于大功率的太阳能路灯装置照明项目。也可以采用并网系统,或集中供电方式(集中敷设光伏板)等供电可靠性高的方案。