論太陽能路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

孫若浩

摘 要：隨著太陽能電池轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛。在照明領(lǐng)域，太陽能路燈作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要應(yīng)用模式，被越來越多地關(guān)注和接受。本文對(duì)太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了自己的觀點(diǎn)，并針對(duì)太陽能路燈系統(tǒng)儲(chǔ)能部件——蓄電池提出了防水型閥控式鉛酸蓄電池的概念和技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：太陽能；路燈系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；優(yōu)化；

中圖分類號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-3520（2015）-06-00-01

引言

綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是21世紀(jì)人類面臨的重大課題，開發(fā)新能源，對(duì)現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽能發(fā)電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環(huán)保能源將得到前所未有的發(fā)展。隨著產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)開發(fā)的深化，它的效率、性價(jià)比得到不斷提高，隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在照明領(lǐng)域，太陽能路燈作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要應(yīng)用模式，被越來越多的所認(rèn)識(shí)并接受，同時(shí)也極大地推動(dòng)著中國“綠色照明工程”的快速發(fā)展。太陽能路燈作為新能源的一個(gè)典型應(yīng)用，在國內(nèi)不少地區(qū)都有相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，它的一次性投資安裝，無需日后電費(fèi)開支，無需架設(shè)輸電線路或鋪設(shè)電纜，清潔環(huán)保，維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的歡迎。

一、太陽能系統(tǒng)工作原理

太陽能路燈系統(tǒng)用電是使用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池，白天電池板接受太陽能輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充、放電控制器儲(chǔ)存于蓄電池內(nèi)，夜晚蓄電池通過控制器給照明燈具提供電能。通常使用定時(shí)和光控兩種方法來對(duì)太陽能路燈的工作時(shí)間進(jìn)行控制。控制器通過控制太陽能方陣的輸入和輸出產(chǎn)生所需要的電壓和電流給蓄電池充電，根據(jù)蓄電池的容量和電壓狀態(tài)對(duì)蓄電池進(jìn)行相應(yīng)的浮充或均充，在晚上蓄電池給負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池的電壓過高時(shí)，輸出功率將使負(fù)載脫離保護(hù)負(fù)載設(shè)備，如蓄電池電壓過低，輸出功率板也將切斷負(fù)載以保護(hù)蓄電池，控制器還具有反向放電保護(hù)、極性反接電路保護(hù)等功能。太陽能路燈由以下幾個(gè)部分組成：太陽能電池板、控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。太陽能電池板是太陽能路燈中的發(fā)電部分，也是太陽能路燈中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來。太陽能是輻射能源，受氣候、地理等環(huán)境條件的影響很大，資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。蓄電池一般可選擇鉛酸蓄電池、Ni—Cd蓄電池、Ni—H蓄電池。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池的壽命，另一方面造成浪費(fèi)。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、路燈負(fù)荷相匹配。

二、系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)

（一）光源選擇：目前，針對(duì)太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。同時(shí)由于太陽能電池組件發(fā)電昂貴，還要求所用光源節(jié)能，光電轉(zhuǎn)換效率高，所以太陽能路燈采用 Led 光源最合適。

（二）太陽能電池板的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)燈具負(fù)載要求，合理選擇確定電池板種類、輸出功率，尺寸大小等，根據(jù)電池板的轉(zhuǎn)換效率，電池板轉(zhuǎn)換效率，工作電流，工作溫度，抗風(fēng)強(qiáng)度，有效壽命六項(xiàng)技術(shù)參數(shù)，確定校核其對(duì)負(fù)載和周圍環(huán)境的適應(yīng)性。

（三）太陽能電池板的方位角及傾斜角設(shè)計(jì)。1、太陽能電池方位角的選擇。在我國，太陽能電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發(fā)電量最大。如果受屋頂、土坡、山地、建筑物結(jié)構(gòu)及陰影等的限制時(shí)，則應(yīng)考慮與它們的方位角一致，只要在正南±20℃之內(nèi)，都不會(huì)對(duì)發(fā)電量有太大的影響，條件允許的話，應(yīng)盡可能偏西南 20℃之內(nèi)，使太陽能發(fā)電量的峰值出現(xiàn)在中午稍過后某時(shí)，這樣有利于冬季多發(fā)電。2、太陽能電池傾斜角的選擇。最理想的傾斜角一般取當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃由蠋锥茸鳛楫?dāng)?shù)靥柲茈姵亟M件安裝的傾斜角。如果能采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，可進(jìn)行太陽能電池傾斜角的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使冬季和夏季能夠兼容就更好了，這對(duì)于高緯度地區(qū)尤為重要。高緯度地區(qū)的冬季和夏季水平面太陽輻射量差異非常大，輻射量之差變小，蓄電池的容量也可以減少，求得一個(gè)均衡，使系統(tǒng)造價(jià)降低，設(shè)計(jì)更為合理。

（四）太陽能蓄電池組的設(shè)計(jì)。太陽能蓄電池組的容量確定取決于當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天數(shù)，蓄電池組容量還要與電池板的功率相適應(yīng)，應(yīng)確保電池板在兩個(gè)連續(xù)陰雨天數(shù)之間將電池充滿，容量過大，蓄電池長期處于欠電壓狀態(tài)，則會(huì)影響電池壽命，同時(shí)造成不必要浪費(fèi)。蓄電池額定電壓應(yīng)與燈具工作電壓相一致。

（五）太陽能路燈系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)包括電池組件及支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，選定電池板組件后，必須根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的最大風(fēng)速數(shù)據(jù)對(duì)電池板進(jìn)行抗風(fēng)強(qiáng)度驗(yàn)算，所選定電池板的風(fēng)壓參數(shù)不能小于當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速下的風(fēng)壓值，根據(jù)選定電池板組件的面積可以計(jì)算出整個(gè)電池板組件傳遞給燈桿的最大風(fēng)荷載。根據(jù)選定的燈桿高度、燈桿斷面尺寸，以及燈桿基礎(chǔ)尺寸數(shù)據(jù)，由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員對(duì)燈桿強(qiáng)度以及基礎(chǔ)荷載進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。

三、工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)優(yōu)化

（一）市電互補(bǔ)型路燈。市電互補(bǔ)型太陽能路燈，用于有市電電源的區(qū)域，目前在城市太陽能路燈改造中的應(yīng)用比較多。

（二）風(fēng)光互補(bǔ)型路燈。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本低，風(fēng)能和太陽能在許多地區(qū)都具有互補(bǔ)性，從而可以大大減少蓄電池的儲(chǔ)存容量，因此風(fēng)-光混合系統(tǒng)的投資一般比獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以減少 三成左右。

（三）太陽光追蹤發(fā)電。追蹤太陽的軌跡可以明顯增強(qiáng)光伏電池的日照強(qiáng)度。為了更好地追蹤太陽的軌跡，不但要知道太陽的方位角和高度角，還要知道太陽運(yùn)行的軌跡。這就要求追蹤裝置以固定的傾角從東往西跟蹤太陽的軌跡。為了降低成本提高效率，可以采用人工跟蹤，每天每隔2小時(shí)，對(duì)著太陽進(jìn)行調(diào)節(jié)。

上述三種方式皆為有其他輔助照明電源，此時(shí)電池容量可不考慮連續(xù)陰雨天數(shù)的影響。只考慮當(dāng)天一晚的用電量，連續(xù)陰雨天時(shí)，由輔助電源供電，這樣可大大減少蓄電池容量。但相應(yīng)輔助電源的成本會(huì)增加，需要通過測算評(píng)估后確定。

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