太陽能路燈照明設(shè)計淺談

宋偉男

摘 要：太陽能作為一種重要的綠色可再生能源技術(shù)，在民用方面首先應(yīng)用在太陽能光伏照明中。諸如城市或鄉(xiāng)村，非主干道上的吐血太陽能路燈，太陽能草坪燈與庭院燈以及太陽能裝飾燈等等方面額照明技術(shù)已經(jīng)漸漸的應(yīng)用到各個領(lǐng)域，并形成規(guī)模。在太陽能光伏照明的設(shè)計中，涉及光源、太陽能電池系統(tǒng)、蓄電池、充放電控制等許多因素，其中任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會造成產(chǎn)品的缺陷。本文從太陽能路燈方面進(jìn)行探談。

關(guān)鍵詞：太陽能路燈 光伏照明 LED 節(jié)能環(huán)保

中圖分類號：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）02（c）-0100-02

1 緒論

1.1 我國太陽能資源及分布

太陽能資源的分布與各地的維度、海拔高度、地理狀況和氣候條件有關(guān)。資源豐富度一般以全年總輻射量和全年日照總時數(shù)表示。我國屬太陽能資源豐富的國家之一，太陽能總輻射量大致在930～2330MJ/m2之間。全國總面積2/3以上地區(qū)年日照時數(shù)大于2000 h。特別是在甘肅、新疆、青藏高原、內(nèi)蒙古一帶，利用太陽能的條件尤其有利。

1.2 國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

1839年法國學(xué)者貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)，1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的三位科學(xué)家首次制成實(shí)用的單晶硅太陽能電池。2004年德國推出光伏補(bǔ)貼啟動了全球第一階段需求驅(qū)動，從2012年開始，德國率先進(jìn)入了第二階段需求驅(qū)動時期。2013年美國、日本和中國剛進(jìn)入第一階段需求驅(qū)動時期，市場完成結(jié)構(gòu)性變化后進(jìn)入一輪新的發(fā)展周期。按照中國政府的規(guī)劃，2015年前中國平準(zhǔn)化能源成本（LCOE）達(dá)到環(huán)保水平，中國將進(jìn)入第二階段需求驅(qū)動時期。太陽能是未來最清潔、安全和可靠的能源，發(fā)達(dá)國家正在把太陽能的開發(fā)作為能源革命主要內(nèi)容長期規(guī)劃，光伏產(chǎn)業(yè)正日益成為國際上繼IT、微電子產(chǎn)業(yè)之后又一爆炸式發(fā)展的產(chǎn)業(yè)。

1.3 太陽能光伏能源的優(yōu)勢

（1）照射在地球上的太陽能能源在運(yùn)用上是取不盡，用不竭的，但對于人類當(dāng)前使用的小號能量，太陽能要比其大6000倍，同時它不受地域和海拔等相關(guān)因素的限制，其應(yīng)用與分布比較廣泛。

（2）太陽能能源不管在任何時候都可以就近取得，人們供電就可以通過太陽能就近供電，不必進(jìn)行長距離的輸送供電，而這樣就避免了長距離輸電給電能帶來的損失。

（3）光伏發(fā)電能量的轉(zhuǎn)換是直接從光子到電子的轉(zhuǎn)換，這個轉(zhuǎn)換過程比較簡單，其中沒有機(jī)械運(yùn)動和中間過程這兩個方面，就不存在對機(jī)械方面的磨損。根據(jù)熱力學(xué)方面分析，光伏發(fā)電的理論發(fā)電效率很高，達(dá)到了80%以上，這就說明了這項技術(shù)開發(fā)的潛力是很大的。

（4）光伏發(fā)電是綠色環(huán)保的能源，也是最新型的、可再生的能源，它不污染空氣，不產(chǎn)生噪聲，不使用燃料，不會給燃料市場帶來不穩(wěn)定和沖擊，不會遭受能源流失的危機(jī)等特點(diǎn)。

（5）光伏發(fā)電的過程中是冷卻水是不需要的，而光伏發(fā)電可以在沒有水的荒漠戈壁安裝，同時可以與建筑物進(jìn)行有效結(jié)合，構(gòu)成先進(jìn)的光伏與建筑一體化的發(fā)電系統(tǒng)，不需要在單的占用土地進(jìn)行建設(shè)，這就給土地資源得到了節(jié)省。

（6）光伏發(fā)電無機(jī)械傳動部件，操作、維護(hù)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。一套光伏發(fā)電系統(tǒng)只要有太陽能電池組件就能發(fā)電，加之自動控制技術(shù)的廣泛采用，基本上可實(shí)現(xiàn)無人值守，維護(hù)成本低。

（7）光伏發(fā)電工作性能穩(wěn)定可靠，使用壽命（30年以上）。晶體硅太陽能電池壽命可達(dá)20～35年。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，只要設(shè)計合理、造型適當(dāng)，蓄電池的壽命也可長達(dá)10～15年。

（8）太陽能電池組件結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，便于運(yùn)輸和安裝。光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，而用根據(jù)用電負(fù)荷容量可大可小，方便靈活，極易組合、擴(kuò)容。

2 太陽能路燈照明設(shè)計

2.1 太陽能路燈的組成、設(shè)計選配及工作原理

隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，太陽能燈具產(chǎn)品在節(jié)能環(huán)保上的雙重優(yōu)勢已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)，太陽能路燈的應(yīng)用也日見普及，太陽能發(fā)電在路燈照明領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。

2.1.1 工作原理

太陽能光伏系統(tǒng)的工作原理是利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池，白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當(dāng)照度低于設(shè)定值（一般為10Lx左右）時，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電數(shù)小時后，充放電控制器動作，蓄電池放電結(jié)束。第二天白天，太陽出來后，重復(fù)前一日的過程。充放電控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池。其原理如圖1所示。

2.1.2 太陽能路燈的組成及設(shè)計選配

太陽能路燈主要由以下幾部分組成：太陽能電池板、充放電控制器、蓄電池組、光源和燈具外殼等。如輸出電源為交流220 V或110 V，還要配置逆變器。

太陽能電池板是太陽能路燈的核心部分，其作用是將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中最重要的部件之一，其轉(zhuǎn)換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價值的重要因素。太陽能電池主要分為以下幾種：

（1）單晶硅太陽能電池。

單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為15%左右，最高的達(dá)到24%，這是目前所有種類的太陽能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的。單晶硅電池的使用壽命一般可達(dá)20年左右。但由于受單晶硅材料價格及相應(yīng)的繁瑣的電池工藝影響，價格相對較高。在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)宜采用單晶硅太陽能電池。

（2）多晶硅太陽能電池。

多晶硅的制作成本比單晶硅太陽能電池要便宜材料制造更簡便，總的生產(chǎn)成本較低。多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率相對較低，使用壽命也比較短。多晶硅薄膜電池由于所使用的硅遠(yuǎn)較單晶硅少，無效率衰退問題，并且有可能在廉價襯底材料上制備，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，而效率高于非晶硅薄膜電池。因此，多晶硅薄膜電池將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。在太陽光充足日照好的東西部地區(qū)宜采用多晶硅太陽能電池。endprint

（3）非晶硅太陽能電池。

非晶硅太陽電池的制作工藝過程簡化，硅材料消耗少，電耗低，它的主要優(yōu)點(diǎn)是在弱光條件也能發(fā)電，主要問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前國際先進(jìn)水平為10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時間的延長，其轉(zhuǎn)換效率衰減。在光照不足的地區(qū)或小型電子設(shè)備（如計算器、電子表）上宜采用非晶硅太陽能電池。

太陽能路燈系統(tǒng)中，一個性能良好的充放電控制器是必不可少的，其作用是保護(hù)蓄電池?；竟δ苁潜仨毦邆溥^充保護(hù)、過放保護(hù)、光控、時控與防反接等。即當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)，還應(yīng)具有光控、時控功能，以及夜間自動切控負(fù)載功能，便于陰雨天延長路燈工作時間。

太陽能路燈光源的選擇原則是選擇適合環(huán)境要求、光效高、顯色性好、壽命長的光源。同時為了提高太陽能發(fā)電的使用效率，盡量選擇直流輸入光源，避免由于引入逆變器而帶來的功率損失（由于小型逆變器的效率比較低，一般低于80%）。

2.2 太陽能路燈設(shè)計

2.2.1 太陽能路燈系統(tǒng)在使用中存在的問題

在保證路燈燈具正常工作的情況下，太陽能電池板、充放電控制器、蓄電池組之間的匹配與否對于整個照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行、維護(hù)保養(yǎng)有著重要的影響。很多設(shè)計人員在進(jìn)行太陽能路燈設(shè)計時不考慮當(dāng)?shù)氐娜照找蛩?，只是?jīng)驗(yàn)性的選配光伏組件，有時為滿足客戶低成本的要求，配低了太陽能組件，或者只考慮了單日發(fā)電與耗電的匹配，而沒有考慮蓄電池充電問題。導(dǎo)致路燈在使用一段時間后，經(jīng)常幾天不能正常工作。出現(xiàn)該問題的原因主要是連續(xù)幾天陰雨天后，路燈系統(tǒng)蓄電池回過放，控制器會出現(xiàn)過放保護(hù)，此時如果太陽能發(fā)電量偏小，蓄電池電壓達(dá)不到控制器的恢復(fù)放電電壓，控制器與負(fù)載間一直斷電，組件容量過小或陰雨天過長必然導(dǎo)致長時間不放電。因此，在組件容量計算式需要考慮蓄電池充電時間問題，盡可能2～3天充滿。

2.2.2 路燈系統(tǒng)配置計算

太陽能路燈配置的計算一般按照獨(dú)立光伏系統(tǒng)的設(shè)計方法進(jìn)行，下面介紹太陽能路燈配置的設(shè)計步驟：

設(shè)計要求：某地區(qū)負(fù)載輸入電壓24 V功耗20 W，每天工作時數(shù)9 h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)6天，年輻射量為103.6 Kcal/cm2。

（1）太陽能電池板的選型。

①峰值日照時數(shù)：A×0.0116÷365= 103.6×1000×0.0116÷365=3.3 h。

A為傾斜面的上年均輻射量，單位為Kcal/cm2；

0.0116為將輻射量（卡/cm2）換算成峰值日照時數(shù)的換算系數(shù)。

②負(fù)載日耗電量：20 W÷24 V×9 h=7.5 Ah。

③所需太陽能組件的總充電電流：1.05×7.5×1.34÷（3.3×0.85）=3.8A。

這里兩個連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計最短天數(shù)為20天，系數(shù)為1.34，太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)為1.05，蓄電池充電效率為0.85。

④太陽能組件的最少總功率數(shù)：17.2 V×3.8 A=65.4 W。

太陽能組件最低輸出電壓為17.2 V。

選用峰值輸出功率70wp的標(biāo)準(zhǔn)電池組件可以滿足路燈系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（2）蓄電池的選型。

首先根據(jù)當(dāng)?shù)氐年幱晏烨闆r確定選用的蓄電池類型和蓄電池的存貯天數(shù)，一般北方選擇的存貯天數(shù)在3～5天，西部少雨地區(qū)可以選用2天，南方的多雨地區(qū)存貯天數(shù)可以適當(dāng)增加。容量計算公式如下：

蓄電池容量=負(fù)載功率×日工作時間×（存貯天數(shù)+1）÷放電深度÷系統(tǒng)電壓

其中：蓄電池容量單位為Ah；

負(fù)載功率單位為W；

日工作時間單位為h；

存貯天數(shù)單位為d；

放電深度，一般取0.7左右；

系統(tǒng)電壓單位為V。

根據(jù)上面計算：負(fù)載日耗電量7.5 Ah。在蓄電池充滿的情況下，在陰雨天可連續(xù)正常工作6天，則需要的蓄電池容量為：7.5×10×7÷0.7÷12=63 Ah。

然后根據(jù)系統(tǒng)電壓和容量的要求選配蓄電池。

以上計算沒有考慮溫度的影響，若蓄電池的最低工作溫度低于-20 ℃，應(yīng)對蓄電池的放電深度加以修正，具體修正系數(shù)可咨詢蓄電池廠家。

（3）路燈控制器的選擇

因路燈工作電壓是24 V，蓄電池串聯(lián)輸出額定電壓也是24 V，所以太陽能路燈控制器應(yīng)該選擇24 V額定工作電壓，其光伏組件的額定輸出電壓為34 V。在選擇控制器時還需注意過充保護(hù)、恢復(fù)充電、過放保護(hù)、恢復(fù)放電電壓。如果系統(tǒng)配置不合理，很可能長時間不工作，因此對恢復(fù)放電電壓不能設(shè)置過高，但同樣的，把恢復(fù)放電電壓設(shè)置過低，甚至低于23 V，很可能會出現(xiàn)使用壽命縮短的問題，特別對蓄電池更是如此。

3 結(jié)論

隨著全球性的能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，尋求綠色替代能源已成為世界各國面臨的共同課題。因此，無論是在未來城市的建設(shè)中，還是在日常生活中更廣泛、更合理的運(yùn)用太陽能光伏技術(shù)是具有實(shí)際意義的，這不僅可以減輕我們對石油、煤炭等化石能源的依賴，而且可以減少對自然環(huán)境的影響。國外在這方面的研究起步較早，已出具成效，我國近年來也開始重視該問題。隨著綠色工程的增多，太陽能光伏照明建設(shè)的經(jīng)驗(yàn)會更多、技術(shù)會更加成熟，除了設(shè)計時要盡可能完善之外，工程施工也是一個非常重要的環(huán)節(jié)，有關(guān)施工方面的專業(yè)知識，這里不再贅述。

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