太阳能路灯选型、设计及安装

摘 要：太阳能电池、控制器、储能电池及负载光源等主要组件的科学选型、匹配设计及正确安装，对太阳能系统综合电性能、使用寿命及性价比的提升起到事半功倍的效果。

关键词：系统组件 太阳能 选型 设计 安装

一、前言

近年来，我国光电产业呈现快速增长态势，已形成专业化、规模化的光电产业链条。然而系统的选型、设计及安装并没有统一的标准，各集成单位可谓“百家争鸣、百花齐放”，对初入门的光伏工作者没有规律可循；同时由于系统配置不科学，不但增加成本，甚至加速系统老化、提前失效，得不偿失。

本文综合以往各设计方法的优点，结合笔者多年来实际从事太阳能路灯系统设计工作的经验，提出了太阳能路灯的选型、设计及安装方法。

二、系统选型

1、太阳能电池

太阳能电池主要将光能通过若干块光伏组件经串、并联后可组成不同电压等级、不同电流大小、不同功率的电能。在众多太阳能电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等。在太阳光充足日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶低且转换效率在近几年不断提高；在阴雨天比较多阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因单晶硅太阳能电池电性能参数比较稳定；当然非晶硅太阳能电池在室内阳光很弱的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。

选用晶体硅光伏组件，应符合GB/T9535的规定；非晶硅光伏组件应符合GB/T18911的规定。晶体硅光伏组件必须采用太阳电池组件专用的绒面钢化玻璃封装。标准测试条件下，组件的实测功率与标称功率的负偏差不能大于5%。不能有GB/T9535或GB/T18911所规定的严重外观缺陷。对需要采用功率大于85W的太阳能电池组件，宜采用两个组件以减小风阻，提高太阳能路灯的抗风能力。

2、控制器

如图1所示，控制器是整个系统的神经中枢。由于太阳能电池的输出能量具有不稳定性和不富裕性，为了延长蓄电池和负载光源的使用寿命，必须配置控制器对充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电或深度放电，且还应具有短路、过载、过放自动关断、恢复等全功能保护措施。

控制器的充电控制宜采用PWM调制脉冲模式，带有温度补偿修正功能（图2）；对负载光源的控制除正常的光控、时控功能外，还应具有在夜间行人稀少时段实现功率调节功能，有利于节电，从而可以减少电池板的配置，节约成本。

3、储能蓄电池

由于太阳能电池输出能量具有不稳定和负载光源用电的不同时性,太阳能路灯必须配备蓄电池才能提供负载光源适时、连续、稳定的能量。当前使用较为普遍的胶体铅酸蓄电池，其不分层、阻硫化的特性非常适合太阳能路灯系统浅充浅放的工况。

蓄电池容量的选择首先在能够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。12V系列胶体蓄电池的放电容量和低温效率应满足图3、图4的电气性能要求。

受系统成本制约，加之光照强度等自然环境因素的影响，太阳能电池功率配置并不富裕，能量输出不可能象交流电一样“源源不断”，尤其表现在低温环境条件下，铅酸蓄电池应有最大的充电接受效率。GB/T 22473-2008《储能用铅酸蓄电池》的技术要求除常规性能指标外，对充电接受能力提出了要求，阀控式铅酸蓄电池充电电流Ica与C10/10的比值不应小于2。

4、负载光源

常用的太阳能负载光源有节能灯、低压钠灯和LED等，其特性比较参表2

表2：太阳能光源特性比较

通常选择太阳能负载光源的原则：①满足行业标准《城市道路照明设计标准》中城市支路标准要求；②适合环境要求、道路状况，光效高、寿命长的光源；③考虑小型逆变器存在效率不等的功率损耗，尽量选择直流输入光源。

三、系统设计

传统的系统设计方案，需考虑负载损耗系数、蓄电池放电深度系数、线路损耗系数及系统安全系数等诸多的不确定因素，技术工作者经验值都不一样，设计结果偏差较大。

科学的系统设计首先要确定所安装路灯的地理位置，全年日辐照量等因素来确定整个系统的最佳倾角和当地的峰值日照时数。现以江苏南京某支干路安装实例，来介绍光伏系统的最优化设计（简易算法）。

1、工程类型：

1.1、江苏南京某支干路，太阳能路灯40W负载；

1.2、每天工作10h，其中夜间后5h路人稀少；

1.3、保证连续3天阴雨天能正常工作。

2、方案配置

2.1、负载光源

选用24V40W LED光源，在夜间行人稀少时段可实现功率半载调节，有利于节电，从而可以减少电池板的配置

2.2、太阳能电池

查地理及气象资料，江苏南京的纬度在31014，~32036，之间；日平均峰值日照时数3.6h。

负载日用电量=40*5+20*5=300Wh。

负载日用电量

根据经验公式:太阳能电池功率= ------------ * 1.8（综合损耗系数）

当地日照时数

= 300/3.6*1.8

≈ 150W（24V系统）

考虑减小风阻，建议采用两块24V75W的光板并联使用（转换率16％以上单晶正片）。

2.3、储能蓄电池

选用2只12V系列胶体铅酸蓄电池串联模式；

满足连续阴雨天3天，需考虑另加阴雨前一夜的用电，按4天计算。

负载日用电量

根据经验公式:蓄电池容量= ------------ *阴雨天数 * 1.6（系统安全系数）

系统电压

输入最大工作电流：150W/35V=4.29A；

输出负载电流：40W/24V=1.67A。

控制器选用额定电流5A/24V的量程，PWM调制脉冲充电模式、光控+时控控制，其它参数设定参照表1 。

四、系统安装

1、光伏系统用连接导线一般选用BVR双芯护套软线，线径选择应满足压降ΔV≤3％V。

2、中国区域太阳能电池组件安装侧角一般朝向正南，且保证迎光面上尽量没有遮挡物阴影；倾角参照《我国主要城市的辐射参数表》的角度安装，其中江苏南京的最佳倾角37度；如果在北方，还得考虑冬季积雪能自由滑落的倾角。

3、光板上方不应有阳光以外的直射光源，以免控制系统误操作。

4、灯具装好吊装前，要用蓄电池再次测试一下，看灯具是否能够点亮，避免吊装完成后发现问题，增加维修成本。

5、控制器接线端子排朝下，避免淋雨顺着引线腐蚀端子、短路系统。

6、系统调试，时控时间按设计时间调整，只能等于或小于设计值。

7、控制器接线顺序:装，先接蓄电池后接光板再接负载；

拆，先拆负载后拆光板再拆蓄电池。

五、结语

太阳能路灯涉及到很多领域方面的专业知识，系统各组件的科学选型、匹配设计及正确安装，对综合电性能、使用寿命及性价比的提升起到事半功倍的效果。

参考文献：

王润波、赵文红. 太阳能灯具的电气安装与操作 [J].太阳能,2006第5期

作者简介：

朱明海，单位：江苏省储能材料工程技术研究中心。职务职称：高级经济师、全国铅酸蓄电池标准化技术委员会委员。