浅析太阳能路灯的设计*

赵恒利 李 雷 何京鸿

(楚雄师范学院物理与电子科学系，云南 楚雄 675000)

1 引言

随着社会经济的发展，地球资源日益贫乏，能源与环境问题越来越引起全社会的关注，可再生能源的开发与利用越来越受到人们的重视。太阳能作为一种新能源，与传统的发电方式相比，具有安全、环保、维护简单、资源永不枯竭等特点，在照明领域中得广泛的应用。太阳能路灯的应用如图1所示。

图1 太阳能路灯应用图

太阳能路灯系统具有自动控制的特点，设定好该系统的工作模式以后，太阳能路灯就会自动工作。太阳能路灯的主要优点如下［1］:

(1)安装简便:不用铺设专门、复杂、昂贵的电气线路，每一个路灯都是一个独立系统，只要用不锈钢螺丝固定在水泥基座上即可。

(2)无需电费，长期使用成本低:太阳能路灯安装调试好后除蓄电池需要4—5年更换一次之外，不需要其他维护成本和其他支出，基本属于一次性投入，长期使用成本低，长期受益。

(3)无安全隐患:太阳能路灯是低压产品，不需要考虑很严格的绝缘问题，运行可靠，对人畜绝对安全。

(4)节能环保:采用太阳能发电，不浪费传统不可再生能源，符合当今社会节能环保的要求。

(5)美观大方:采用太阳能路灯有利于提升城市形象，树立节能降耗与新能源的城市旗帜。

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［2］。太阳能路灯的基本组成如图2所示。

图2 太阳能路灯的基本组成

2.2 太阳能路灯的工作原理

白天在阳光的照射下，太阳电池吸收太阳光子能量而发电，通过控制器处理后对蓄电池充电，根据设定好的工作模式，当天黑或周围光照度较低时，蓄电池就通过控制器向光源放电而点亮路灯，当放电达到设定小时数或周围光强较强时，控制器发生动作使蓄电池切断电路，结束太阳能路灯的照明［3］。

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

了解当地的经、纬度和当地气象资源可以掌握当地的平均气温、风力风向、年太阳辐照等情况，这些条件是确定当地太阳电池组件安装的倾斜角、方位角和抗风设计等的依据。

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

即路灯每天晚上需要的照明时间，这是决定太阳能路灯系统中太阳电池组件功率大小的最核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗和与之相应的太阳电池组件的充电电流的大小。

3.1.4 需要保持的连续阴雨天数

太阳能路灯要保证在连续阴雨天仍能够正常使用，故我们要考虑需要保持的连续阴雨天数，这个参数直接决定了蓄电池容量的大小，同时还影响到太阳电池的组件功率。

3.1.5 当地峰值日照时数

这是决定太阳电池板平均每天接受有效光照时间的参数，它直接决定了太阳电池组件的功率大小的选择。

3.2 关键部件的选型

3.2.1 光源的选型

LED属于低压供电，绝缘要求不高，结构简单，不需要变压器、镇流器等附件，属于固体光源，不存在气体密封的问题，耐冲击，耐震动，不易破碎;LED是冷光源，可控性好，响应时间快，可反复频繁亮灭而不影响寿命;超低能耗，超长寿命，体积小，美观大方;随着半导体技术的发展，LED的价格也越来越低。故与常规照明相比，LED优势明显，因此，LED光源是太阳能路灯的最佳选择。一种LED光源如图3所示。

图3 一种LED光源

3.2.2 太阳电池组件的选型

太阳电池组件是太阳能路灯的重要组成部分，其作用是将太阳能能量转换为电能后为蓄电池充电。当前常用的太阳能路灯电池组件按太阳电池材料分有单晶硅太阳电池组件、多晶硅太阳电池组件和非晶硅太阳电池组件三种。因单晶硅性能参数比较稳定，转换效率较高，故在阴雨天较多、阳光不是很充足的南方适宜选用单晶硅太阳电池组件;多晶硅电池组件的优势是价格比较便宜，适合在日照充足或要求不高的地区使用;非晶硅电池组件由于效率较低而很少使用。

3.2.3 控制器的选择

控制器的主要作用是保护和控制蓄电池，对太阳能路灯来说，还要对路灯的点亮和熄灭进行自动控制。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对蓄电池的充电放电条件加以限制，防止过充和过度放电，在温差较大的地方还需具备温度补偿功能。为配合太阳能路灯的需要，太阳能路灯的控制器还应具备光控、时控等功能，以便自动控制路灯的点亮和熄灭。

3.2.4 蓄电池的选型

太阳的能量是不稳定的，白天能量强但晚上没有能量提供，而太阳能路灯需要在晚上工作，所以太阳能路灯系统都需要配置蓄电池。蓄电池的选择一般遵循以下原则:将白天太阳能组件产生的电能尽量存储下来，以满足夜晚用电的需要，还要考虑能够满足连续阴雨天照明的需要，因此蓄电池的容量应该与太阳能组件、光源、设计照明时间等相匹配，蓄电池过小不能满足需要，过大则不易充满而影响蓄电池寿命，同时还会增加成本。

目前业内一般都选用免维护防水铅酸蓄电池或胶体蓄电池。蓄电池在进行并联连接时，需要考虑各单体电池间的不平衡影响，通常情况下并联组数不宜超过4组。

3.3 太阳能路灯的设计原则和设计要求

3.3.1 设计原则

(1)从功能上讲太阳能路灯道路照明系统主要是提供足够照明亮度的以保证交通安全，提高交通运输效率，保障人身安全，提供美观舒适的环境。

(2)在满足道路照明各项功能需要的基础上，提高道路照明系统的能效，降低系统功耗，节约能源，减少污染，以达到节能和环保的目的。

(3)在以上来两点设计原则的基础上，还要结合当地的光资源情况、当地阴雨天气情况、电池板受灰尘覆盖、温度影响、控制器、蓄电池的各种效率等实际情况进行综合考虑。

3.3.2 设计要求

(1)太阳电池组件电压和功率的计算和合理选用。

(2)蓄电池容量、充放电控制和充放电状态显示。

(3)连续阴雨天五天左右路灯仍能照明。

(4)光线暗时路灯自动点亮，早上光线强时路灯自动熄灭。

(5)系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。

3.4 太阳能路灯的控制方案选择

太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样，都是为了完成晚上亮灯，早晨熄灯的作用。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、智能控制器型等类型［4］，由于其工作原理不同，故各有优缺点。

3.4.1 单独的光控型

单独的光控型路灯控制器相当于普通的光控灯，一般采用光敏电阻等感光元件和其他电子元件构成电子控制电路，当晚上光线弱时，自动开启路灯;早上光线较强时，自动关闭路灯。光控型电路简单，成本低，但在实际使用中，感光探头由于难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作，而且光控型控制电路的故障率较高，现在已很少使用。

3.4.2 时钟控器型

采用时钟控器型的路灯控制器，实际也就是一个具有开关机功能的电子定时器。安装时预先设定好开关时间，路灯就会按时亮灯、按时灭灯。时钟控器型的优点是抗干扰能力强，除本身故障外不会产生误动作;缺点是不够灵活，只能严格按照设定时间工作，而不能感知外界光线强弱的变化。需要人工根据季节和特殊天气情况经常调整开关时间，费时费力。近年来虽然出现了可以根据月份进行设定时间的改进型来拟补其缺点，但仍然不够灵活，实际选用这种控制方案的仍然不多。

3.4.3 智能控制器型

智能型控制器又称经纬型控制器，它采用单片机技术，模拟日照规律，晚上能在需要的时候自动开灯、早晨能在需要的时候自动关灯。简单地说，智能型控制器同时具有光控型和时控型的优点，而不具有光控型和时控型的缺点。目前路灯控制常采用这种控制方式，但其价格相对稍高，在路灯中使用将会增加一些成本。

3.5 太阳能路灯的简易设计思路

本着简单实用的原则，本部分仅阐述用简易经验和简单计算进行太阳能路灯设计的思路，不涉及具体的论证和计算。

3.5.1 太阳电池组件的倾角的确定

根据计算和经验，太阳电池组件的倾角可根据所在地的纬度用表1简单的确定。

表1 纬度和太阳电池组件倾角的关系

3.5.2 蓄电池容量需求的计算

可以按照以下简易公式确定蓄电池的容量:

式中:C为蓄电池的容量;

P为LED光源的功率;

t为路灯每天的工作时间;

D为连续阴雨天数;

U为系统的供电电压;

η为蓄电池的放电深度。

3.5.3 太阳电池组件的功率的计算

可以按照以下简易公式确定太阳电池组件的功率:

式中:W为太阳电池组件的功率;

P为LED光源的功率;

t为路灯每天的工作时间;

h为当地峰值日照时间;

λ为系统安全损耗系数，一般在1.4—1.8之间根据实际情况选取。

3.6 太阳能路灯的抗风设计

抗风设计是在太阳能路灯系统结构上非常重要的一个问题。抗风设计分为两个方面，一个是太阳电池组件支架的抗风设计，一个是灯杆的抗风设计［5］。

3.6.1 电池支架的抗风设计

现在绝大部分的太阳电池组件的抗风风速都在26m/s以上，相当于可以承受十级台风，故组件本身一般是不至于因为风速大而损坏的。设计的关键是要考虑太阳电池组件支架与灯杆的连接要牢固，在实际施工中一般都是使用较粗的螺栓杆固定连接。

3.6.2 路灯灯杆的抗风设计

要使路灯钢制灯杆达到抗风要求，钢制灯杆的抗弯强度要大于风在破坏面上的作用矩引起的应力，并且焊接质量和焊接宽度也要达到相应的要求。一般市面上普通的路灯灯杆都能满足抗风要求。

4 结束语

随着太阳能发电技术的不断进步，发电的成本将逐步降低，同时相关的配套光源和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，太阳能将被更深入、更广泛的利用，太阳能路灯的发展前景将非常广阔，潜力巨大的太阳能路灯产业必将会走向真正的市场化。

［1］李世光，张金青，刘东红.太阳能照明在道路的应用［J］，湖南农机，2011，15(9)：43—45.

［2］王健.太阳能灯具系统介绍及应用探讨［J］，现代商贸工业，2011，22(12)：91—93.

［3］张彦.太阳能光伏发电技术的应用，工程建设与设计［J］，2011，14(6)：21—22.

［4］朱裕良.路灯控制用智能型定时器［J］，电气时代，2001，18(4)：41—42.

［5］于先坤.太阳能发电在新农村中的应用探讨［J］，节能技术，2011，15(11)：36—37.