論太陽能路燈系統的設計要點

孫若浩

摘 要：隨著太陽能電池轉換效率和生產技術的不斷提高，太陽能光伏發電的應用越來越廣泛。在照明領域，太陽能路燈作為光伏發電系統的主要應用模式，被越來越多地關注和接受。本文對太陽能路燈系統優化設計提出了自己的觀點，并針對太陽能路燈系統儲能部件——蓄電池提出了防水型閥控式鉛酸蓄電池的概念和技術發展方向。

關鍵詞：太陽能；路燈系統；設計；優化；

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-06-00-01

引言

綠色能源和可持續發展問題是21世紀人類面臨的重大課題，開發新能源，對現有能源的充分合理利用已經得到各國政府的極大重視。太陽能發電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環保能源將得到前所未有的發展。隨著產業化進程和技術開發的深化，它的效率、性價比得到不斷提高，隨著相關技術的日趨成熟，在各個領域得到了廣泛的應用。在照明領域，太陽能路燈作為光伏發電系統的主要應用模式，被越來越多的所認識并接受，同時也極大地推動著中國“綠色照明工程”的快速發展。太陽能路燈作為新能源的一個典型應用，在國內不少地區都有相應的應用實例，它的一次性投資安裝，無需日后電費開支，無需架設輸電線路或鋪設電纜，清潔環保，維護費用低等優點，受到人們的歡迎。

一、太陽能系統工作原理

太陽能路燈系統用電是使用光生伏特效應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化為電能輸出，經過充、放電控制器儲存于蓄電池內，夜晚蓄電池通過控制器給照明燈具提供電能。通常使用定時和光控兩種方法來對太陽能路燈的工作時間進行控制。控制器通過控制太陽能方陣的輸入和輸出產生所需要的電壓和電流給蓄電池充電，根據蓄電池的容量和電壓狀態對蓄電池進行相應的浮充或均充，在晚上蓄電池給負載供電。當蓄電池的電壓過高時，輸出功率將使負載脫離保護負載設備，如蓄電池電壓過低，輸出功率板也將切斷負載以保護蓄電池，控制器還具有反向放電保護、極性反接電路保護等功能。太陽能路燈由以下幾個部分組成：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電部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。太陽能是輻射能源，受氣候、地理等環境條件的影響很大，資源的不確定性導致發電系統輸入能量極不穩定，所以一般需要配置蓄電池系統才能工作。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下來，同時還要能夠存儲滿足連續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，影響蓄電池的壽命，另一方面造成浪費。蓄電池應與太陽能電池、路燈負荷相匹配。

二、系統工程設計

（一）光源選擇：目前，針對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。同時由于太陽能電池組件發電昂貴，還要求所用光源節能，光電轉換效率高，所以太陽能路燈采用 Led 光源最合適。

（二）太陽能電池板的設計應根據燈具負載要求，合理選擇確定電池板種類、輸出功率，尺寸大小等，根據電池板的轉換效率，電池板轉換效率，工作電流，工作溫度，抗風強度，有效壽命六項技術參數，確定校核其對負載和周圍環境的適應性。

（三）太陽能電池板的方位角及傾斜角設計。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電量最大。如果受屋頂、土坡、山地、建筑物結構及陰影等的限制時，則應考慮與它們的方位角一致，只要在正南±20℃之內，都不會對發電量有太大的影響，條件允許的話，應盡可能偏西南 20℃之內，使太陽能發電量的峰值出現在中午稍過后某時，這樣有利于冬季多發電。2、太陽能電池傾斜角的選擇。最理想的傾斜角一般取當地緯度或當地緯度加上幾度作為當地太陽能電池組件安裝的傾斜角。如果能采用計算機輔助設計軟件，可進行太陽能電池傾斜角的優化設計，使冬季和夏季能夠兼容就更好了，這對于高緯度地區尤為重要。高緯度地區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，求得一個均衡，使系統造價降低，設計更為合理。

（四）太陽能蓄電池組的設計。太陽能蓄電池組的容量確定取決于當地連續陰雨天數，蓄電池組容量還要與電池板的功率相適應，應確保電池板在兩個連續陰雨天數之間將電池充滿，容量過大，蓄電池長期處于欠電壓狀態，則會影響電池壽命，同時造成不必要浪費。蓄電池額定電壓應與燈具工作電壓相一致。

（五）太陽能路燈系統的抗風設計包括電池組件及支架的抗風設計和燈桿的抗風設計，選定電池板組件后，必須根據當地氣象部門提供的最大風速數據對電池板進行抗風強度驗算，所選定電池板的風壓參數不能小于當地最大風速下的風壓值，根據選定電池板組件的面積可以計算出整個電池板組件傳遞給燈桿的最大風荷載。根據選定的燈桿高度、燈桿斷面尺寸，以及燈桿基礎尺寸數據，由結構設計人員對燈桿強度以及基礎荷載進行設計校核。

三、工程設計的系統優化

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

（二）風光互補型路燈。由于風力發電系統成本低，風能和太陽能在許多地區都具有互補性，從而可以大大減少蓄電池的儲存容量，因此風-光混合系統的投資一般比獨立太陽能光伏發電系統可以減少 三成左右。

（三）太陽光追蹤發電。追蹤太陽的軌跡可以明顯增強光伏電池的日照強度。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，對著太陽進行調節。

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

參考文獻：

[1]和震環.黨國棟 太陽能路燈系統的工程應用與設計[期刊論文]-城市建設理論研究（電子版） 2012（23）

[2]孔凡建 太陽能路燈的設計和應用 2003

[3]曲豪杰 關于太陽能燈具節能方面的幾點分析[期刊論文]-大科技·科技天地 2011（5）

[4]李永杰.LI Yong-jie 太陽能路燈系統的優化配置[期刊論文]-光電技術應用 2010（1）