太阳能路灯的原理分析及设计思路

太阳能路灯的原理分析及设计思路
摘要:本文主要介绍了太阳能路灯的基本原理，并基于其中的组件内容提出相应的设计思路，以期更好地使其发挥节能降耗的效果。

关键词:太阳能路灯；原理分析；设计思路
1 引言
随着社会和经济的发展，地球的资源日趋匮乏，能源和环境问题也成为了社会各界普遍关心的问题。

太阳能是一种新型的能源，它具有安全、环保、维护简单、资源永不枯竭等优点，由此将其应用于路灯照明工业中，将能够更好地凸显节能环保的效果。

2 太阳能路灯的基本组成和工作原理
2.1 太阳能路灯的基本组成
太阳能路灯主要由太阳电池组件、支架、光源、控制器、蓄电池或电控箱(内装控制器、蓄电池)、灯杆、灯具等几部分组成。

太阳能路灯的基本组成如图1所示。

图1 太阳能路灯的基本组成
2.2 太阳能路灯的工作原理
在白天，太阳能电池通过吸收太阳能的光子来产生电能。

经过控制器的处理，电池按照设置的工作方式进行充电。

在夜间或环境光线不好的情况下，蓄电池会将照明装置释放到光源上，从而使路灯发光。

在放电时间达到一定时间或环境光线强度大时，控制器会启动关闭蓄电池的电源，从而终止太阳能路灯的照明。

3 太阳能路灯的设计
3.1 设计主要考虑参数
3.1.1 经、纬度和当地气象资源
通过对当地的纬度、纬度和当地的天气状况的了解，可以获得当地的平均温度、风向、每年的太阳辐射等信息，从而决定当地的太阳能电池装置的倾角、方位和防风设计。

3.1.2 光源的参数
主要是光源的工作电压和功率。

这两个参数的大小直接影响着整个系统的参数设计。

3.1.3 工作时间
也就是每个夜晚路灯所需的光照时间，是太阳能路灯系统中太阳能电池组件中最重要的参数。

通过测定工作时间，可以对日负荷的功率消耗和太阳能电池元件的充电电流进行初步的计算。

3.1.4 需要保持的连续阴雨天数
太阳能路灯要在连续多云和多雨天气下依然进行正常工作，因此要考虑到连续的阴雨天气，这一因素不仅会影响到蓄电池的容量，还会对太阳能电池的总功率产生一定的影响。

3.1.5 当地峰值日照时数
这个参数可以确定太阳能板的日平均日照时间，并能直接影响到太阳能电池的能量。

3.2 关键部件的选型
3.2.1 光源的选型
LED为低压电源，不需要变压器、镇流器等附属设备，是一种固态光源，不会产生气体密封问题，并且具有抗冲击、抗振动、不容易破裂的特点；LED为冷光源，具有良好的控制力、快速的反应速度、多次发光和熄灭而不会影响使用寿命的特点；同时其还具有超低功耗、超长使用寿命、小巧、外形美观的性能；由于半导体技术的进步，LED的成本也随之降低。

LED光源相对于传统的灯具具有显著的优越性，所以LED是目前太阳能路灯的首选。

3.2.2 太阳电池组件的选型
太阳能电池组件是太阳能路灯中的一个关键部件，它可以把太阳能转化为电能，然后对蓄电池进行充电。

目前常见的太阳能路灯组件按照太阳电池的材质分为三大类：单晶硅太阳电池组件、多晶硅太阳电池组件以及非晶硅太阳电池组件。

由于单晶硅的特性参数具有较好的稳定性和较高的转化效率，所以在南方多雨、阳光不太充足的情况下，适合选择单晶硅太阳能电池；多晶硅电池的优点在于它的成本相对低廉，适用于阳光充足或者不需要太多的地方；非晶硅电池的应用非常稀少，因为其效率低下。

3.2.3 控制器的选择
控制器的功能主要是对蓄电池的保护与控制，而对于太阳能路灯，则需要实现对其开、关的自动控制。

要提高电池的使用寿命，就需要对其进行充放电的条件进行严格的限定，避免过充、过放的问题出现，当有较大的温差时，需要有温度补偿。

为了满足太阳能路灯的需求，其控制器需要具备光控、时控等功能，从而实现对路灯开关的自动控制。

3.2.4 蓄电池的选型
太阳的能源很不稳定，白天的光源相对充足，但是到了晚上其电能将逐渐减弱，再加上太阳能路灯要在夜晚使用，因此太阳能路灯需要安装电池。

蓄电池的选型通常遵循如下的原则：白天太阳能组件所产生的电量要尽可能地储存起来，以保证夜间使用，而且要保证在连续的雨天照明，所以蓄电池的容量要与太阳能组件、光源、照明时间等相适应，如果电池体积太小，将无法满足需求，过大则无法充满，影响电池寿命，同时还会增加成本。

在行业中，通常采用的是不需要维修的、胶态的蓄电池。

在进行并联时，要考虑到各个单元之间的不均衡效应，一般不能超过4个并联单元。

4 太阳能路灯的控制方案选择
太阳能路灯的功能和普通的路灯差不多，都是在夜晚开启，白天关闭。

目前国内外普遍采用的控制器有光控型、时钟型、智能型等，它们各自具有各自的优点和不足。

4.1 单独的光控型
单独的光控型路灯控制器就像是一盏光控灯，通常由感光元件如光敏电阻器以及其它电子元件组成，在夜晚灯光较暗时，会自动打开路灯；在早晨灯光强烈的时候，路灯会自动关闭。

光控型电路具有结构简单、造价低廉等优点，但在实际应用中，由于对各类干扰
光的识别困难，往往导致误动作，并且光控型控制电路的故障发生率高，目前已经不多见。

4.2 时钟控器型
这种利用时钟控器型的路灯控制器，其实就是一个电子计时器，可以打开和关闭。

在安装时，事先设置好的切换时间，就能使路灯准时亮起，并及时关闭。

时钟控器型具有很好的抗干扰性，除了自身的故障以外，不会出现误操作的问题；但它的缺点就是动作不灵活，只能按照一定的时间来工作，无法感应到外界的光线强度。

要经常根据季节和气候条件进行手动调节，耗费时间和精力。

尽管近几年有一些改进，可以按月调整时间，但由于灵活性不够，目前采用的方法还不多。

4.3 智能控制器型
该智能控制器也被称为经纬型控制器，利用微处理器技术模拟白天的光照，夜间可自动开启，早晨可在必要时自动关闭。

简而言之，智能控制器既具备了光控型与时控式的优势，又具备了光控型与时控式的优势。

这种控制方法是目前路灯控制的常用方法，但是由于它的造价较高，而且在路灯上应用会带来一定的费用。

5 太阳能路灯的设计思路
太阳能路灯的设计所需的基础资料包括：地点、纬度、经度、海拔等；该地区的气象数据，包含了各月份的太阳辐射总量、直接辐射量和散射量、年平均气温和最高气温、最长的连续降雨日、最大风速和冰雹、降雪等气候条件。

通常情况下，气象数据不能作出长期的预报，而仅以最近10~20年的平均数据为基础。

以下做简要计算的介绍。

5.1 道路照度计算公式
道路照度手算公式:E=φNUK/SW
E道路平均照度
φ光源的总光通量
N路灯为相对矩形排列布置时取2,单侧和交错布置时取1
U利用系数
K维护系数
W路面宽度
S灯杆间距
反之由道路类别确定需要的照度,由此可计算出光源所需
的功率。

5.2 电池板的功率计算
Wp=灯具负载功率＊灯具所用时间/当地日照系数＊2.3
(逆变器为2.5)
当地日照系数即为当地日均辐射量,厦门为1.20。

5.3 蓄电池的容量计算
蓄电池容量=光源用电功率*每天所用时间/用电电压*连续阴雨天*1.5(损耗系数)。

另外根据经验数据,太阳能电池组件额定输出功率和灯具输入功率之间关系在华东地区大约是2～4:1。

5.4 电池板安装倾角的确定
为了更好地凸显其整体美观性，很多生产太阳能设备厂家往往将太阳能电池横向放置，由此将能够使其输出功率降低15%到20%，而如果在其上方加上一层装饰膜，则会使其输出功率下降约5%。

而在外观和节能方面，大部分人都会选择节约能源。

即，在实际应用中，电池板的倾斜角度基本上以本地纬度为基准，以获得最大的光照。

结束语
随着太阳能技术的进步，发电的成本会逐渐下降，与之配套的光源及设备寿命也会大大延长，控制方式也将更加科学化，应用的范围也将逐渐扩大，由此将能够使未来的太阳能路灯行业走上市场化的道路。