太阳能路灯问题分析

关于太阳能路灯若干问题的研究我国照明用电量目前占总用电量的13% 左右[3]。

路灯是一个耗电大户，目前我国城市照明(包括道路照明和景观照明)的年用电量约占全国总发电量的4％～5％，已超过三峡水电站发电量[5]。

近几年太阳能在光伏方面的应用及产业发展异常迅速，年增长率均超过40％，体现了世界各国对气候变化及环境保护的重视。

我国在广大城乡开展了太阳能路灯的安装，目前全国累计安装太阳能路灯的太阳能电池容量超过10MW 。

但是在太阳能路灯安装中也存在一些问题[14]。

本文通过太阳能路灯的工程实践，针对云南省太阳能路灯安装的现状及安装中存在的问题进行了研究和分析，提出了一些创新性的建议。

随着世界能源危机日趋严重，为满足不断扩大的能源需求，光伏产业的发展步伐不断加快，光伏发电系统的应用范围也越来越广泛[17]。

1 太阳能路灯存在的问题通过太阳能路灯的工程实践，我发现在实际安装中，没有一个较为方便简洁的方法来解决太阳电池板方位角的确定。

因此，实现太阳电池板方位角由空中定位向地面定位转变具有现实意义，也是太阳能路灯应用上企业希望解决的实际问题之一。

另外，在太阳能路灯的安装选址上也存在很多弊端，一些企业和单位安装太阳能路灯仅仅是因为盲目的追求路灯的高科技性，却没有按照正确的要求来选址，安装太阳能路灯仅仅作为一个摆设，降低了利用率，或者因安装缺乏科学性，致使太阳电池组件产生热斑效应，从而降低了太阳电池组件的使用寿命。

从系统设计标准角度看，为确保路灯的正常工作，一方面要考虑系统各方面的性能；另一方面要考虑太阳能路灯设备的正确选择；从而使太阳能路灯的可靠性得到保证。

从维护的角度看，太阳能路相对传统路灯较为复杂，主要表现在太阳电池组件和蓄电池的维护上，其次是控制器以及其他方面的维护。

太阳电池组件因为老化和热斑效应的作用，降低了使用寿命；而蓄电池的损坏直接导致了太阳能路灯系统无法正常工作。

因此，做好太阳能路灯维护的维护工作，是保证路灯在使用过程中有较好的可靠性、延长路灯使用寿命的一个重要环节。

太阳能路灯使用的蓄电池和太阳电池组件是太阳能路灯能够正常工作的两个主要部件，由于经济价值较高，容易被盗。

蓄电池和太阳电池组件被盗频率很高，严重影响到了太阳能路灯的正常工作。

因而，蓄电池和太阳电池组件被盗已成为制约太阳能路灯广泛应用的最主要的人为因素。

从可持续性角度看，太阳能路灯自投入使用后，在不出现任何故障的情况下，蓄电池的使用寿命仍是有限的，超过其使用周期，蓄电池的回收更换如何得到保障或者说回收更换由谁来承担是制约太阳能路灯可持续发展的核心问题，该问题若得不到解决，太阳能路灯作为节能环保产品推广应用的初衷将受到挑战。

2 太阳能路灯的研究和优化设计对太阳能路灯系统进行合理的设计，避免了资源的浪费，同时也有效地增强了太阳能路灯系统的可靠性和寿命，使其在实际使用中具有更大的优越性。

太阳能路灯的设计一般有多种方法，电池组件容量设计可用以下公式计算：oP I I Q W /365h ⋅⨯=η (1) 式中 Q —日用电量，W ²h ；η—系统的效率；o I —标准太阳辐照度，21000-⋅m W ； h I —倾斜太阳能组件上的太阳辐射量，2-⋅m MJ 。

当地水平面年平均太阳辐射量为t I ，倾斜面上的太阳辐射量为t h I I *=1.1[15]。

以下选用较为简便的公式来进行计算。

2.1 太阳能路灯的系统优化为确保太阳能路灯在使用中具有良好的可靠性，首先在考虑路灯性能时要注意以下几个方面：①结构设计；②照度设计；③电性能设计；④道路及与其联接的特殊场所照明设计。

其次是路灯的设备选择要严格按照性能设计中的标准，选择安全性和质量都符合要求的设备。

具体设计步骤如下：1、负载用电量测算：首先确定所选灯具功率P ，根据以下公式计算出灯具用电量，t ⨯=P Q (2)式中 Q —灯具用电量，W ²h ；t —灯具用电时间,h 。

要求昆明地区光源：20W LED 灯 (每天工作6h)则根据公式（2）可得：Q=120W ²h ；2、蓄电池容量确定：蓄电池容量的计算方法有多种，一般用以下公式计算： KUQDF C = （3） 式中 C —蓄电池容量，A ²h ；D —最长无日照用电天数；F —蓄电池放电容量修正系数（=充入安时数/放电安时数），通常取1.2； Q —负载用电量，W ²h ；U —蓄电池放电深度（通常取0.5）；K —包括逆变器在内的交流回路的损耗率，通常取0.8；如果选用通常情况所取的系数，上式可简化为：DQ C ⨯=3 （4）然后选择系统的直流电压。

根据负载功率确定系统的直流电压（蓄电池电压）。

确定的原则是：①在条件允许的情况下，提高系统电压有助于减少线路损耗；②直流电压选择要符合我国直流电压标准等级，即、24V 、48V 等；上限不超过300V ，以便于选择元器件和充电电源。

用确定的电压（U ）除以上式可以得到用A ²h 表示的蓄电池容量： UDQ C ⨯=3 （5） 昆明地区最长无日照用电天数按照5天计算，直流电压选择12V ，则根据上式（5）可得蓄电池容量：C=150（A ²h ）；3、太阳电池组件功率确定：计算平均峰值日照时数m T太阳以峰值日照（1kW/㎡）照射1h ，定义为1个日照时数。

组件倾斜面上的平均每日峰值日照时数为： 3656.3op m ⨯⨯=年均太阳总辐射量K T (6) 式中 年均太阳总辐射量— 当地气象部门提供的数据，MJ/2m ；3.6—单位换算系数，1kW ²h=1000（J/s ）³3600s=610J=3.6MJ ，1MJ=1h w ⋅k /3.6昆明年均太阳总辐射量为5184MJ/2m ，根据上式（6）可得：m T =5184/（3.6³365）≈3.95（h ）（为简便起见，用水平面数据）；计算太阳电池峰值功率（W ）： m m KT QF P = （7） 式中 F —蓄电池放电容量的修正系数，取1.2；K —包括逆变器在内的交流回路的损耗功率，取0.8。

上式可化简为：mm T P = （8） 根据公式（8）及以上计算得：m P =1.5³Q/m T =1.5³120 /3.95≈45.57（w ）根据计算结果，铅酸蓄电池选用12V 150 A ²h 或12V 80 A ²h,太阳电池组件选用50W 组件；实际安装中，蓄电池选择12V 65 A ²h 。

计算太阳电池组件的串联数： V N s 组电压）系统直流电压（蓄电池=（9） 计算太阳电池组件的并联数：由太阳电池组件的输出功率m p s p m s P N N I N V N P ==m m可得组件的并联数： ms P N PN p =（10） 式中 m I —组件工作电流；m P —组件的峰值功率，m m m I V P =；4、控制器和逆变器的确定：控制器所能控制的组件最大电流：组件短路电流：25.1s ⨯⨯=sc c F I N I （11） 式中 N —组件的并联太阳电池组件数；sc I —组件短路电流；1.25—安全系数。

根据公式（11）可得太阳电池组件最大电流：c F I s =1³4.22³1.25=5.275（A ）控制器的最大负载电流： KV P I L⨯=5.21（12） 式中 L P —负载的总功率，取K=0.8。

上式可简化为：VI L = （13） 根据公式（13），最大负载电流I=1.56³L P /V=1.56³20/12=2.6（A ）。

2.1.1 控制器的模式设置控制器的运行通过微电脑处理器对太阳能路灯的整体运行进行控制，对路灯的照明控制一般分为光控和时控；光控是指在外界光照强度降低到一定值时，开启路灯照明；时控是指在特定的时间段内开启路灯照明。

为达到节能的目的，在一些学校或是有特殊要求的路段根据具体需求来调整太阳能路灯照明时间。

例如针对呈贡斗南花卉市场的运营需求，可以调整路灯在晚上12点熄灭，或是12点之前半功率开启照明，到凌晨4点左右花卉市场运营时有开启照明至天亮[1]。

2.1.2 蓄电池的选择因为蓄电池是路灯的储能系统，为保障路灯的正常运行要选择性能优良的蓄电池。

一般选用胶体密封的免维护蓄电池或磷酸铁锂蓄电池。

因为磷酸铁锂蓄电池单体开路电压为3.6V ，在使用中要注意控制器的调节；也可选用出厂时带有电压调节器的磷酸铁锂蓄电池，在蓄电池安装时较为方便[16]。

2.1.3 光源选择现在太阳能路灯的安装中一般选择的光源有LED 灯或无极灯。

LED 灯是一种新光源，显色指数达90以上，光效70—110流明/瓦，色温4000—6000K 。

优点:寿命长(大于50000小时)，节能80％ ，环保(无紫外线频闪无重金属)，显色性好。

是当今世界上最新的光源,但是成本较高。

无极灯：光效60流明/瓦，具有寿命长、启动快、无频闪、色温高、显色指数高、发出的光接近于自然光、性价比高等优点；缺点:光效不是太高，在低温环境下达不到预期照明效果[8] [10][15]。

2.2 太阳能路灯地面方位角创新性设计和工程实践情况分析2.2.1 太阳能路灯的安装及工程中相关问题的分析太阳能路灯以太阳光为能源，由于光生伏特效应，太阳电池产生电流，白天太阳电池给蓄电池充电，傍晚或者晚上没有足够光照的时候，已经有电量储备的蓄电池便给路灯供电使用，整个过程由控制器来控制[4]。

其原理结构如下图1所示：图1 太阳能路灯控制原理结构图在我参加的云南晋宁县老王坝村太阳能路灯的施工过程中，主要按照以下几个步骤进行：首先，在所选安装地点安装基座（地埋式还需进行地埋箱的安装），并准备好所需材料和设备；其次，将灯头和控制箱先安装好，使光源照射方向与灯杆平行（保证安装完成后光源照射方向垂直指向地面），控制箱安装在灯头后方，并固定牢固，初步调整太阳电池方位角，安装在灯杆顶部；再次，将灯杆树起，正确调整灯头朝向后固定好灯杆底座，接着进行蓄电池和控制器的安装（地埋式在地面安装），安装控制器的一般顺序是：蓄电池→太阳电池组件→负载，连接太阳电池组件最好在早晚太阳光较弱条件下进行，以免拉弧，安装好后检测路灯是否能正常工作。

最后，调整太阳电池组件。

由于云南处于北纬21°8′~29°15′之间，固定式安装中，太阳电池组件的安装倾角即为当地纬度±5°即可（安装倾角取值如下所述），因而只需利用指南针来调整太阳电池组件朝向（即方位角），为正南朝向，在±20°范围内即可[7]。

太阳电池组件的倾角确定方法如下：纬度0°~25°，倾角等于纬度；纬度26°~40°，倾角等于纬度加5°~10°；纬度41°~55°，倾角等于纬度加10°~15°；纬度＞55°，倾角等于纬度加15°~20°[12] [13]。