太阳能路灯的探讨

太阳能路灯的探讨钱伟1，曹刚2，秦大为3（1.无锡市照明管理处，江苏无锡214000；2.盐城师范学院物电学院，江苏盐城224002；3.盐城师范学院实验中心，江苏盐城224002）【摘要】介绍太阳能路灯的电池板、蓄电池、控制器等部件的主要技术指标，分析太阳能电池板倾角、路灯抗风设计，防雷和接地保护等技术问题。关键词太阳能路灯设计安装1.太阳能电池的选择1.1类型太阳能电池较实用的有单晶硅、多晶硅、非晶硅3种。（1）单晶硅太阳能电池性能参数较稳定，适合在阴雨天较多、阳光不很充足的南方地区使用；（2）多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低，适合在阳光充足的东西部地区使用；（3）非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求较低，适合在室外太阳光不足的地方使用。1.2工作电压太阳能电池的工作电压约为配套电池电压的1.5倍，才能保证蓄电池的正常充电。如：6V蓄电池充电需用8~9V太阳能电池；12V蓄电池需用15~18V太阳能电池；24V蓄电池需用33~36V太阳能电池。1.3输出功率（Wp）太阳能电池一般由多个太阳能单元电池串联组成，其容量取决于照光源、线路传输部件所消耗的总功率以及当地太阳能辐射能量。太阳能电池的输出功率约为127Wp/m2，宜超过光源功率的3~5倍：光照丰富、开灯时短地区为3~4倍以上，反之为4~5倍以上。1.4太阳能电池组的选择和安装由于太阳能路灯的特殊性，太阳能电池板一般安装在灯杆上（一般在5m以上，重心较高）。大部分太阳板都是悬挂式，为增强整套设备的抗风力，一般由多块太阳电池板组成。2.蓄电池的选择2.1类型选择蓄电池主要有下面几种类型：（1）铅酸（CS）蓄电池。低温高倍率放电、能力偏低、密封免维护、价格低，目前大部分太阳能路灯采用。但要注意防止铅酸污染，应逐步淘汰。（2）镍镉（Ni-Cd）蓄电池。放电倍率高、低温性能好、循环寿命长，小型系统采用，但应注意防止镉污染。（3）镍氢（Ni-H）蓄电池。高倍率放电、低温性能好、价格低、无污染，小型系统采用。这种产品为绿色环保电池，宜大力提倡。目前，广泛采用铅酸免维护蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池3种。2.2蓄电池连接并联连接时，要考虑各单体电池间的不平衡影响，并联组数不宜超过4组。3.控制器控制器控制太阳能路灯的运行，其大都实现了智能控制。控制器应具有以下功能：（1）路灯控制。可进行光控、时控、温控等功能选择，能调光（或半夜灯）。（2）蓄电池管理。为延长其使用寿命，必须对蓄电池充放电条件加以限制。①防反充电控制；②防过充电控制；③防过放电控制；④温度补偿。（3）自动保护。应具备太阳电池和蓄电池反接保护、蓄电池开路保护、夜间防反充保护、输出短路保护等。（4）数码显示。能显示太阳能路灯蓄电池电压、太阳电池光伏电压等主要参数。（5）控制器电压=蓄电池电压。4.太阳能电池倾角的设计目前，对太阳能电池组件倾角（指太阳电池板平面与地平面夹角）探讨较多。倾斜角度按所在地理位置（纬度等）确定：将太阳能电池板正面正对太阳（或正南稍偏西），倾角与当地纬度一致即可。如条件允许，太阳能电池板的倾角可随季节变化做出相应调整。5.太阳能路灯的抗风设计5.1太阳能电池组件抗风设计根据最大风力进行太阳能路灯抗风设计。我国南方沿海台风偏多，太阳能路灯灯杆至少应能抗12级台风，北方多数地区应能抗10级大风。5.2路灯灯杆的抗风设计5.2.1太阳能组件太阳能组件应能承受当地的风速而不至于损坏，重点是太阳能电池组件支架与灯杆的连接。5.2.1灯杆和基础路灯灯杆和基础的抗风设计与电池板高度、面积、倾角及灯杆结构、当地最大风速等有关，应由灯杆厂家或机构专门进行计算和设计，保证最大风速时太阳能路灯灯杆的稳定性。6.太阳能照明主要的光源和应用太阳能照明主要光源性能指标见表1。表1太阳能路灯的主要光源性能指标光源与太阳能系统的连接有两种形式：（1）配太阳能独立供电的HID灯电子镇流器（或称触发器，下同）：直接由蓄电池供电，实际上是DC/AC高频变换器。因此，太阳能路灯照明系统一般无需另加DC/AC逆变器，减少了电路损耗。此形式适合新建太阳能路灯工程。（2）配传统HID等电子镇流器：接AC220市电，其电子镇流器本质上是AC/DC/AC高频变换器。如与太阳能系统连接，需在蓄电池与HID灯电子镇流器间增加DC/AC小功率逆变器。此形式适合路灯改造。综上所述，太阳能LED灯、HID灯、无极灯路灯功率多在70W以下，个别在100W以上，一般用在支路和人行道照明。小功率太阳能LED灯、节能灯用于草坪、景观照明。7.防雷和接地太阳能路灯电压一般为DC12V/24V，属安全电压，可不做电气保护接地。太阳能路灯防雷接地主要注意以下几点：（1）不可用路灯、太阳能电池板作为接闪器；（2）用金属灯柱兼作接闪器和引下线；（3）路灯基础钢筋笼在-0.50m以下，钢筋表面积大于0.37m2时，可作为防雷接地体，否则应增加人工接地极，接地电阻小于或等于10Ω。必要时将接地体连接，接地做法同一般路灯。8.太阳能路灯需要解决的问题光源种类综合光效/（lm/W）显色指数（Ra）寿命/h路灯配光说明大功率LED408560000一般功率稍小，寿命长，配光一般，价高；前景好；宜用于路灯、草坪灯陶瓷金卤灯809012000好功率范围大，光效高，光色好，配光好；宜用于路灯高压钠灯15020000好功率范围大，光效高，光色差，配光好；宜用于路灯低压钠灯一般功率范围大，光效最高，光色很差，配光好；宜用于草坪灯节能灯一般功率小，价低，光色好；宜用于草坪灯、景观灯无极灯658560000差功率较小，光效较高，光色好，寿命长，配光差；宜用于路灯目前，太阳能路灯需要解决以下问题：（1）提高太阳能电池的转换率。单晶硅太阳能电池的转换率为17%（多晶硅约为13%，非晶硅低于10%），而控制器、蓄电池、逆变器等的效率远高于此。太阳能电池的转换率低，限制了路灯功率，使太阳能路灯不宜用作主干道照明。（2）降低太阳能电池的价格。这是推广太阳能路灯的途径之一。（3）提高蓄电池的寿命。太阳能电池的使用寿命超过25年，而普通蓄电池的使用寿命为2～3年，蓄电池是太阳能电力系统中最薄弱的环节。蓄电池寿命短，使太阳能路灯运行费用增大，限制了太阳能路灯的推广。（4）提高系统的环保性。目前，由于价格和技术等因素，太阳能路灯普遍采用免维护铅酸蓄电池，而提高无铅污染的蓄电池利用率是一项艰巨任务。（5）规范产品标注并提高产品质量。制定太阳能产品质量标准和检测系统，提高产品质量。（6）光伏照明设计和产品系列化。要使各地区太阳能路灯、草坪灯等设计和产品规格化、系列化，省去复杂的计算和选型过程。（7）制定太阳能路灯的设计标准。太阳能路灯是新生事物，太阳能电池、蓄电池的选择，抗风计算等应尽快制定标准，以提高太阳能路灯设计水平，促进太阳能照明发展。（8）防盗。进一步完善蓄电池等太阳能路灯系统组件的防盗措施。参考文献[1].刘跃群，王强，刘卓炯，光源电器和应用技术[M],化学工业出版社；2003:22~49[2].任欢欢，太阳能路灯系统效率与寿命尚待解决[J]，城市照明；2009，6(2):43-46[3].王晏甘贵林，太阳能路灯在城市中的应用探讨[J]，青海科技；200812（4）：10-13作者简介：钱伟，工程师，长期从事道路照明技术与管理工作