太阳能路灯的设计与应用

2008年第7期总第121期

福 建 建 筑

Fujian A rchitecture &Constructi on No7・2008

Vol ・121

太阳能路灯的设计与应用

姜祥元

(汉嘉设计集团股份有限公司厦门分公司　361001)

摘　要:本文首先提出可再生能源的利用,接着介绍太阳能路灯的组成,分析了各部分的工作原理、工作特点,介绍简要的设计方法及设计中的几点体会,最后提出太阳能路灯的应用场所,展望太阳能路灯的发展前景。关键词:可再生能源　太阳能光伏发电技术　太阳能路灯　太阳能电池板　太阳能控制器　蓄电池组中图分类号:T U9841191 文献标识码:A 文章编号:1004-6135(2008)07-0095-03

D esi gn and Appli ca ti on of sol ar power street l am p

J I A NG Xiang -yuan

(Xiamen B ranch,Hanjia Design Gr oup Co 1,L td 361001)

Abstract:I n the article,the utilizati on of a rene wable energy was raised 1Descri p ti on for the structure of the s olar power street la mp,the

theory of sub -sect ors and the whole system ’s operati on,including the directi on of design and s ome of useful experience 1Finally,the bright expectati on and suitable installati on sites f or the s olar power street la mp was als o intr oduced 。

Keywords:the renewable energy Electricity technol ogy of s olar power the s olar power street lamp the s olar module the contr oller of

s olar power battery

cell

作者简介:姜祥元,男,1973年12月出生,本科,工程师,电

气设计专业。

收稿日期:2008-05-29

1　引言

太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源,太阳能作为一种巨量可再生能源(可再生能源包括太阳能、风能、水能、生物质能、地热能、海洋能等非化石能源),可以说是取之不尽、用之不竭。同时,也随着太阳能光伏技术的发展和进步,太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。笔者就太阳能路灯与应用的一点体会供同行参考。

2　太阳能光伏发电技术

早在1839年,法国科学家贝克雷尔(BEC QURAL )发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差,这种现象后来被称为“光生伏打效应”。具体的说光生伏打效应就是当半导体材料受光照时,半导体材料内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的P N 结时,就会在P N 结的两边出现电压(叫做光生电压),使

P N 结短路,就会产生电流

[1]

。

1954年美国科学家恰宾和皮尔松在贝尔实验室首次制成

了实用的单晶硅太阳能电池,诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。

太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分,被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术。

3　太阳能路灯的组成

太阳能路灯由以下几个部分组成:太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳,如图1。如输出电源为交流220V 或110V,还要配置逆变器

。

图1

系统的工作原理是:在太阳能控制器的控制下,白天太阳能电池板向蓄电池组充电,晚上蓄电池组提供电力给直流灯负

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。如图2。

311　太阳能电池板:

图2

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,价格比单晶硅太阳能电池低。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。另外第二代太阳电池的研制,即将取得突破性进展,其核心部件是一种可粘接的薄膜,即薄膜太阳能电池材料[2]。

312　太阳能控制器

太阳能灯具中,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能,具有光控、时控功能,并应具有夜间自动切控负载功能,便于阴雨天延长路灯工作时间。

313　蓄电池

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、N i-Cd 蓄电池、N i-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。314　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LE D光源、低压节能灯、低压钠灯、无极灯。

315　灯杆及灯具外壳

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。灯具外观要求不高,相对实用就行。

4　太阳能路灯的设计

太阳能路灯的设计需要的基本数据主要有:现场的地理位置,包括地点、纬度、经度和海拔高度等;安装地点的气象资料,包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量,年平均气温和最高、最低气温,最长连续阴雨天数,最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测,只能以过去10～20年的平均值作为依据。以下做简要计算的介绍。

411　道路照度计算公式

道路照度手算公式:E=φNU K/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。

412　电池板的功率计算

W p=灯具负载功率3灯具所用时间/当地日照系数3213 (逆变器为215)

当地日照系数即为当地日均辐射量,厦门为1120。

413　蓄电池的容量计算

蓄电池容量=光源用电功率3每天所用时间/用电电压3连续阴雨天3115(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。

414　电池板安装倾角的确定

为了美观,许多太阳能灯具的工厂将太阳能电池水平放置,在这种情况下,太阳能电池的输出功率将减少15%-20%,如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩,太阳能电池的输出功率又将减少5%左右。太阳能电池价格昂贵,我们收集了许多国外太阳能路灯的资料,在美观和节能两者之