论太阳能路灯系统的设计要点

摘 要：随着太阳能电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用越来越广泛。在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统的主要应用模式，被越来越多地关注和接受。本文对太阳能路灯系统优化设计提出了自己的观点，并针对太阳能路灯系统储能部件――蓄电池提出了防水型阀控式铅酸蓄电池的概念和技术发展方向。

关键词：太阳能；路灯系统；设计；优化；

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1674-3520（2015）-06-00-01

引言

绿色能源和可持续发展问题是21世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着产业化进程和技术开发的深化，它的效率、性价比得到不断提高，随着相关技术的日趋成熟，在各个领域得到了广泛的应用。在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统的主要应用模式，被越来越多的所认识并接受，同时也极大地推动着中国“绿色照明工程”的快速发展。太阳能路灯作为新能源的一个典型应用，在国内不少地区都有相应的应用实例，它的一次性投资安装，无需日后电费开支，无需架设输电线路或铺设电缆，清洁环保，维护费用低等优点，受到人们的欢迎。

一、太阳能系统工作原理

太阳能路灯系统用电是使用光生伏特效应原理制成的太阳能电池，白天电池板接受太阳能辐射能并转化为电能输出，经过充、放电控制器储存于蓄电池内，夜晚蓄电池通过控制器给照明灯具提供电能。通常使用定时和光控两种方法来对太阳能路灯的工作时间进行控制。控制器通过控制太阳能方阵的输入和输出产生所需要的电压和电流给蓄电池充电，根据蓄电池的容量和电压状态对蓄电池进行相应的浮充或均充，在晚上蓄电池给负载供电。当蓄电池的电压过高时，输出功率将使负载脱离保护负载设备，如蓄电池电压过低，输出功率板也将切断负载以保护蓄电池，控制器还具有反向放电保护、极性反接电路保护等功能。太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池板、控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳，有的还要配置逆变器。太阳能电池板是太阳能路灯中的发电部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。太阳能是辐射能源，受气候、地理等环境条件的影响很大，资源的不确定性导致发电系统输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。蓄电池一般可选择铅酸蓄电池、Ni―Cd蓄电池、Ni―H蓄电池。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池的寿命，另一方面造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、路灯负荷相匹配。

二、系统工程设计

（一）光源选择：目前，针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。同时由于太阳能电池组件发电昂贵，还要求所用光源节能，光电转换效率高，所以太阳能路灯采用 Led 光源最合适。

（二）太阳能电池板的设计应根据灯具负载要求，合理选择确定电池板种类、输出功率，尺寸大小等，根据电池板的转换效率，电池板转换效率，工作电流，工作温度，抗风强度，有效寿命六项技术参数，确定校核其对负载和周围环境的适应性。

（三）太阳能电池板的方位角及倾斜角设计。1、太阳能电池方位角的选择。在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。如果受屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等的限制时，则应考虑与它们的方位角一致，只要在正南±20℃之内，都不会对发电量有太大的影响，条件允许的话，应尽可能偏西南 20℃之内，使太阳能发电量的峰值出现在中午稍过后某时，这样有利于冬季多发电。2、太阳能电池倾斜角的选择。最理想的倾斜角一般取当地纬度或当地纬度加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。如果能采用计算机辅助设计软件，可进行太阳能电池倾斜角的优化设计，使冬季和夏季能够兼容就更好了，这对于高纬度地区尤为重要。高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，辐射量之差变小，蓄电池的容量也可以减少，求得一个均衡，使系统造价降低，设计更为合理。

（四）太阳能蓄电池组的设计。太阳能蓄电池组的容量确定取决于当地连续阴雨天数，蓄电池组容量还要与电池板的功率相适应，应确保电池板在两个连续阴雨天数之间将电池充满，容量过大，蓄电池长期处于欠电压状态，则会影响电池寿命，同时造成不必要浪费。蓄电池额定电压应与灯具工作电压相一致。

（五）太阳能路灯系统的抗风设计包括电池组件及支架的抗风设计和灯杆的抗风设计，选定电池板组件后，必须根据当地气象部门提供的最大风速数据对电池板进行抗风强度验算，所选定电池板的风压参数不能小于当地最大风速下的风压值，根据选定电池板组件的面积可以计算出整个电池板组件传递给灯杆的最大风荷载。根据选定的灯杆高度、灯杆断面尺寸，以及灯杆基础尺寸数据，由结构设计人员对灯杆强度以及基础荷载进行设计校核。

三、工程设计的系统优化

（一）市电互补型路灯。市电互补型太阳能路灯，用于有市电电源的区域，目前在城市太阳能路灯改造中的应用比较多。

（二）风光互补型路灯。由于风力发电系统成本低，风能和太阳能在许多地区都具有互补性，从而可以大大减少蓄电池的储存容量，因此风-光混合系统的投资一般比独立太阳能光伏发电系统可以减少 三成左右。

（三）太阳光追踪发电。追踪太阳的轨迹可以明显增强光伏电池的日照强度。为了更好地追踪太阳的轨迹，不但要知道太阳的方位角和高度角，还要知道太阳运行的轨迹。这就要求追踪装置以固定的倾角从东往西跟踪太阳的轨迹。为了降低成本提高效率，可以采用人工跟踪，每天每隔2小时，对着太阳进行调节。

上述三种方式皆为有其他辅助照明电源，此时电池容量可不考虑连续阴雨天数的影响。只考虑当天一晚的用电量，连续阴雨天时，由辅助电源供电，这样可大大减少蓄电池容量。但相应辅助电源的成本会增加，需要通过测算评估后确定。

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