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太阳能路灯的基本原理与设计初探讨

  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,太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。笔者就太阳能路灯设计的一点体会供同行参考。
  二、太阳能路灯的组成
  太阳能路灯由以下几个部分组成:太阳能电源板、太阳能控制器、蓄电源组、光源、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。
  1、太阳能电源板:
  太阳能电源板是太阳能路灯中的核心部分,也是太阳能路灯中价值高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能,或送至蓄电源中存储起来。在众多太阳光电源中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电源、多晶硅太阳能电源及非晶硅太阳能电源等三种。在太阳光充足日照好的东西部地区,采用多晶硅太阳能电源为好,因为多晶硅太阳能电源生产工艺相对简单,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源为好,因为单晶硅太阳能电源性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电源在室外阳光不足的情况下比较好,因为非晶硅太阳能电源对太阳光照条件要求比较低。
  2、太阳能控制器
  无论太阳能灯具大小,一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电源的使用寿命,必须对它的充电放电条件加以限制,防止蓄电源过充电及深度充电。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运作时间。
  3、蓄电源
  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源系统才能运作。一般有铅酸蓄电源、Ni-Cd蓄电源、Ni-H蓄电源。蓄电源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,把白天太阳能电源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。蓄电源容量过小不能够满足夜晚照明的需要,蓄电源过大,一方面蓄电源始终处在亏电状态,影响蓄电源寿命,同时造成浪费。蓄电源应与太阳能电源、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。太阳能电源功率必须比负载功率高出4倍以上,系统才能正常运作。太阳能电源的电压要超过蓄电源的运作电压20~30%,才能保证给蓄电源正常负电。蓄电源容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。
  4、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、DLED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,运作电压低,不需要逆变器,光效较高,国产50 Lm/w,进口80 Lm/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。
  5、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。
  三、太阳能路灯设计体会
  1、道路照度与适用范围
  根据《城市道路照明设计标准》的规定:快速路平均照度20lx,均匀度0.4,主干路平均照度15lx,均匀度0.35,次干路平均照度8lx,均匀度0.35,支路平均照度5lx,均匀度0.3。现投入使用的LED路灯,由于技术条件,LED功率偏小30~100w,光效50~80lx/w,道路照度较低,笔者做过测试,杆高8.5米,间距30米,光源2×50wLED灯,灯下照度19lx,两灯之间11lx,暗处3.5lx。
  以上数把为新安装灯具的初始照度值,故其照度是不能满足快速路与主干路。太阳能路灯宜在次干路、支路上使用,主要道路慎用。
  2、照明时间
  LED路灯每天的运作时间应同一般路灯的运作要求,设计应考虑冬天日照时间短时,其运作时间应能在12小时之上。由于LED灯受天气影响较大,如遇连续阴雨天就使LED灯缺乏电能而无法使用。国家现无规范对LED路灯在低辐照度(连续阴雨天)情况,允许少运作时间没有做出规定,现一般根据灯具厂家和当地的气象情况,应在低幅照度(连续阴雨天)运作状况下运作在15~20天。在设计时应充分考虑太阳能电源板及蓄电源的容量。

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