关于太阳能路灯技术的应用

关于太阳能路灯技术的应用

摘要：随着世界能源危机的加剧，各国都在寻找解决能源危机的办法，其中一条重要的方法就是寻求新能源和可再生能源。而太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的可再生能源。本文介绍了太阳能路灯的构件，工作原理，智能化控制及技术应用后的有益效果。

关键词：太阳能路灯可再生资源LED

一、引言

随着地球资源的日益贫乏,基础能源的投资成本日益攀高,各种安全和污染隐患可谓无处不在,太阳能作为一种“取之不尽、用之不竭的安全、环保新能源越来越受重视。同时,也随着太阳能光伏技术的发展和进步,太阳能灯具产品在环保节能的双重优势,太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模, 随着太阳电池、大容量储能元件和低功率大照度照明设备（如LED光源）的生产与制造技术的进步，太阳能路灯在技术上已经逐渐成熟和完善。

二、太阳能路灯的构成及工作原理：

太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池板、

蓄电池组、光源、太阳能路灯专用智能控制器、灯杆

及灯具外壳。如输出电源为交流220V或110V，还要

配置逆变器。如图：

1、太阳电池板和蓄电池

太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分,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。在众多太阳光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三种。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,因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单,价格比单晶低。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,因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好,因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。

由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般有铅酸蓄电池、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,影响蓄电池寿命,同时造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷(路灯)相匹配。可用一种简单方法确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上,系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20~30%,才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。

若副灯日均工作时间按12h计，主灯日均工作时间按2h计，控制器功率为0.2W，则负载日均耗电量QL＝9W×2h＋0.2W×24H＝58.8Wh

若设计最长持续阴雨天为5天，2个连续阴雨天的最短时间间隔为15天，按照太阳电池板功率和蓄电池容量的选配方法，并根据市场供货情况，路灯选用25WP多晶硅组件和40Ah阀控密封铅酸蓄电池。

2、光源

太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标,一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。

(1)低压节能灯：功率小,光效较高,但使用寿命2000小时,电压低灯管发黑,一般适合太阳能草坪灯、庭院灯。

(2)低压钠灯：低压钠灯光效高(可达200Lm/w),但需逆变器,低压钠灯价格贵,整个系统造高,采用较少。

(3)无极灯：功率小,光效较高。该灯在220V(纯正弦波,频率50赫兹)普通市

电条件下使用,寿命可以达到5万小时,在太阳能灯具上使用寿命大大减少和普通节能灯差不多(因为太阳能灯具都是方波逆变器,太阳能电源220V 输出频率、项位、电压都是不能和普通市电相比的)。

(4)LED ：LED 灯光源,寿命长,可达1000000小时,工作电压低,不需要逆变器,光效较高,国产50Lm/w,进口80Lm/w 。随着技术进步,LED 的性能将进一步提高。笔者认为LED 作为太阳能路灯的光源将是一种趋势。

选用12颗标称为1W 的超亮白色发光二级管（LED ）作为光源，其额定光通量为75lm,故路灯总光通量达90lm,相当于90W 的白炽灯，具有良好的照明效果。LED 光源具有寿命长、功耗低、反应快和低温性能好等特点，并可由低压直流电直接驱动，无需复杂的电能变换电路，即可很好地与

蓄电池匹配，使系统获得较高的能源利用率、良好的

安全性能和可靠性。反应速度快，单元体积小，绿色

环保。LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以

发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能4/5是伟

大的创举，但LED 比节能灯还要节能1/4，这是固体光源更伟大的改革。

3、智能控制器

包括传感器组件，用于检测路面上是否有运动物体，将检测到的信息传给微处理器；微处理器，用于根据所检测信息生成指示点亮LED 路灯预设时间长度的控制指令，将控制指令传给路灯开关控制接口；路灯开关控制接口，用于根据所述控制指令将所述LED 路灯点亮预设时间长度。智能控制装置还包括用于发送和接收信息的通信组件，运动图像传感器组件还用于检测运动物体的运动方向，微处理器还用于根据所述运动方向生成状态消息，以将运动方向上LED 路灯提前点亮。根据不同的环境自动智能调节亮度、颜色、角度灯，还可以对灯具的使用状况进行实时监控，实现智能化控制。

4、灯杆及灯具外壳

光源布置图

灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距,道路的照度标准确定。灯具外壳根据我们收集了许多国外太阳灯资料,在美观和节能之间,大多数都选择节能,灯具外观要求不高,相对实用就行。

1）倾角设计

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，依据本次设计参考相关文献中的资料，选定太阳能电池组件支架倾角为160。

2）抗风设计

在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。

(1)太阳能电池组件支架的抗风设计

依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s 的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。

(2)路灯灯杆的抗风设计

太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。

路灯灯杆的抗风设计路灯的参数如下：电池板倾角A=16o灯杆高度=5m 设计选取灯杆底部焊缝宽度δ=4mm灯杆底部外径=168mm焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ=[5000+（168+6）/tan16o]×Sin16o=1545mm=1.545m。所以，风

荷载在灯杆破坏面上的作用矩M=F×1.545。根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F=1.3×730=949N。所以，M=F×1.545=949×1.545=1466N.m。根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。上式中，r是圆环内径，δ

是圆环宽度。破坏面抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）=88768mm3 =88.768×10－6m3风荷载在破坏面上作用矩引起的应力

=M/W=1466/（88.768×10－6）=16.5×106pa=16.5Mpa＜＜215Mpa其中，215Mpa是Q235钢的抗弯强度。所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。

(3)表面处理

该系列产品采用静电涂装新技术，以FP专业建材涂料为主，可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标均已达到或超过GB 的相关要求。

5、太阳能路灯的工作原理及图示：

太阳能路灯原理图

工作原理：太阳能路灯采用LED光源，它不但发光效率高而且使用寿命长。在智能控制器的控制下，白天太阳能电池组件向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提

供电力给固体灯负载。直流控制器能够在任何条件下（阳光充足或长期阴雨天）都能确保蓄电池组不因过充或过放而被损坏，同时具备光控、时控、声控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。控制器一般采用先进的无触点控制技术，先进的光控功能可以实现晚上自动点亮，白天自动关灯；也可以实现光控开灯定时关灯，而且具有夜间自动切换负载的功能。

三、智能化控制策略

太阳能路灯智能化流程

路灯智能化控制流程（见上图）：控制器主要通过实时检测电池电压，完成对蓄电池的充放电控制。当蓄电池达到过充电压，断开充电回路；当降到恢复电压，接通充电回路；当达到过放电压，断开放电回路；当达到恢复电压，接通放电回路。

路灯设置有主副两个照明回路，当夜晚有人在路灯附近时，同时接通两个照明回路，进行高亮度照明，否则只接通副灯照明回路，此时路灯仅起到指示路标的作用。当环境照度较低时，接通照明回路；当环境照度较高时，断开照明回路。

环境照度控制的照明回路开关接通后，实时探测感应区域内是否存在行人。当有行人进入感应区域时，接通主灯照明灯回路；行人在探测感应区域期间，主灯照明灯回路一直接通；当行人离开后，延时30秒断开此照明回路。当探测到有人或车辆进入探测感应区域的同时，通过无线通信装置向与其相邻路灯发送信号。

路灯无线通信装置发送信号的时机和形式如上所述。路灯无线通信装置在接收到相邻路灯（前或后）发出的信号，接通主灯照明灯回路，并延时30秒。

夜晚蓄电池进入过放保护后，控制器自动接通市电供电回路，使路灯能够正常照明。同时，控制器还将通过市电以小电流为蓄电池充电，弥补蓄电池的自放电损失，待蓄电池电压恢复到过放恢复电压后，控制器自动切断市电供电回路，此时由蓄电池为光源提供电能。

四、太阳能路灯的优势

1、对比一：市电照明灯具安装复杂：市电照明灯具工程中有复杂的作业顺序，首先要铺设电缆，这里就要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的装置调试，如任何一条线路有问题，则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。

太阳能照明灯安装简便：太阳能灯具装置时，不用铺设复杂的线路，只要做一个水泥基座，然后用不锈钢螺丝固定就可。

2、对比二：市电照明灯具电费高昂：市电照明灯具工作中有固定高昂的电费，要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换，维护利息逐年递增。

太阳能照明灯具免电费，它是一次性投入，无任何维护成本，三年可收回投资成本，长期受益。

3、对比三：市电照明灯具有安全隐患：市电照明灯具由于在施工质量、景观工程的改造、资料老化、供电不正常、水电气管道的抵触等方面带来诸多安全隐患。

太阳能路灯没有安全隐患，它是低压产品，运行安全可靠。

4、对比四：市电照明灯需经常更换光源，管理维护成本巨大。

太阳能路灯采用高科技的智能控制系统，自动控制，完全智能化，无需专人管理。

五、技术应用后的有益效果

1、节能效益：太阳能作为一种绿色环保的新能源，“取之不竭、用之不尽”。充分利用太阳能资源，对缓解常规能源紧张的情况有有着深远的示范性作用。

2、环境效益：利用太阳能发电原理来工作的，不消耗化石燃料，无二氧化碳、二氧化硫等有害气体的排放，清洁干净，环境效益良好，特别是对于保护相关联地区的自然生态环境有着特殊的意义。

3、社会效益：太阳能路灯的建设，对于一个城市甚至一个国家来说，标志着物质文明和精神文明的进步、人们观念的更新和环保意识的增强，对于带动一个城市的科技文化进步、经济发展意义重大，它也是社会稳定、经济繁荣的重要标志，其社会效益显著。

六、结束语

太阳能路灯及相关技术正以出乎人们意料的惊人速度在发展，根据科学家的保守估计，在未来10年里，太阳能电池的效率将达到20%，同时价格将降低近一半，相关配套光源及设备的寿命也将大幅提高，控制也将越来越科学，维护也将进一步简化，太阳能将被更深度、更广泛的利用，使太阳恩赐给大地的光明在夜晚为人类提供照明，真正意义上的绿色照明即将来临！

参考文献：伊世明，徐贵生，高瑞林，一种智能型太阳能路灯的设计[J];；太阳能；2009年