孫若浩

摘 要：隨著太陽能電池轉(zhuǎn)換效率和生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用越來越廣泛。在照明領(lǐng)域，太陽能路燈作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要應(yīng)用模式，被越來越多地關(guān)注和接受。本文對太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提出了自己的觀點(diǎn)，并針對太陽能路燈系統(tǒng)儲能部件——蓄電池提出了防水型閥控式鉛酸蓄電池的概念和技術(shù)發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：太陽能；路燈系統(tǒng)；設(shè)計；優(yōu)化；

中圖分類號：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-3520（2015）-06-00-01

引言

綠色能源和可持續(xù)發(fā)展問題是21世紀(jì)人類面臨的重大課題，開發(fā)新能源，對現(xiàn)有能源的充分合理利用已經(jīng)得到各國政府的極大重視。太陽能發(fā)電作為一種取之不盡，用之不竭的清潔環(huán)保能源將得到前所未有的發(fā)展。隨著產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)開發(fā)的深化，它的效率、性價比得到不斷提高，隨著相關(guān)技術(shù)的日趨成熟，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在照明領(lǐng)域，太陽能路燈作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要應(yīng)用模式，被越來越多的所認(rèn)識并接受，同時也極大地推動著中國“綠色照明工程”的快速發(fā)展。太陽能路燈作為新能源的一個典型應(yīng)用，在國內(nèi)不少地區(qū)都有相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例，它的一次性投資安裝，無需日后電費(fèi)開支，無需架設(shè)輸電線路或鋪設(shè)電纜，清潔環(huán)保，維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，受到人們的歡迎。

一、太陽能系統(tǒng)工作原理

太陽能路燈系統(tǒng)用電是使用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池，白天電池板接受太陽能輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充、放電控制器儲存于蓄電池內(nèi)，夜晚蓄電池通過控制器給照明燈具提供電能。通常使用定時和光控兩種方法來對太陽能路燈的工作時間進(jìn)行控制?？刂破魍ㄟ^控制太陽能方陣的輸入和輸出產(chǎn)生所需要的電壓和電流給蓄電池充電，根據(jù)蓄電池的容量和電壓狀態(tài)對蓄電池進(jìn)行相應(yīng)的浮充或均充，在晚上蓄電池給負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池的電壓過高時，輸出功率將使負(fù)載脫離保護(hù)負(fù)載設(shè)備，如蓄電池電壓過低，輸出功率板也將切斷負(fù)載以保護(hù)蓄電池，控制器還具有反向放電保護(hù)、極性反接電路保護(hù)等功能。太陽能路燈由以下幾個部分組成：太陽能電池板、控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，有的還要配置逆變器。太陽能電池板是太陽能路燈中的發(fā)電部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。太陽能是輻射能源，受氣候、地理等環(huán)境條件的影響很大，資源的不確定性導(dǎo)致發(fā)電系統(tǒng)輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。蓄電池一般可選擇鉛酸蓄電池、Ni—Cd蓄電池、Ni—H蓄電池。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池的壽命，另一方面造成浪費(fèi)。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、路燈負(fù)荷相匹配。

二、系統(tǒng)工程設(shè)計

（一）光源選擇：目前，針對太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。同時由于太陽能電池組件發(fā)電昂貴，還要求所用光源節(jié)能，光電轉(zhuǎn)換效率高，所以太陽能路燈采用 Led 光源最合適。

（二）太陽能電池板的設(shè)計應(yīng)根據(jù)燈具負(fù)載要求，合理選擇確定電池板種類、輸出功率，尺寸大小等，根據(jù)電池板的轉(zhuǎn)換效率，電池板轉(zhuǎn)換效率，工作電流，工作溫度，抗風(fēng)強(qiáng)度，有效壽命六項技術(shù)參數(shù)，確定校核其對負(fù)載和周圍環(huán)境的適應(yīng)性。

（三）太陽能電池板的方位角及傾斜角設(shè)計。1、太陽能電池方位角的選擇。在我國，太陽能電池的方位角一般都選擇正南方向，以使太陽能電池單位容量的發(fā)電量最大。如果受屋頂、土坡、山地、建筑物結(jié)構(gòu)及陰影等的限制時，則應(yīng)考慮與它們的方位角一致，只要在正南±20℃之內(nèi)，都不會對發(fā)電量有太大的影響，條件允許的話，應(yīng)盡可能偏西南 20℃之內(nèi)，使太陽能發(fā)電量的峰值出現(xiàn)在中午稍過后某時，這樣有利于冬季多發(fā)電。2、太陽能電池傾斜角的選擇。最理想的傾斜角一般取當(dāng)?shù)鼐暥然虍?dāng)?shù)鼐暥燃由蠋锥茸鳛楫?dāng)?shù)靥柲茈姵亟M件安裝的傾斜角。如果能采用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，可進(jìn)行太陽能電池傾斜角的優(yōu)化設(shè)計，使冬季和夏季能夠兼容就更好了，這對于高緯度地區(qū)尤為重要。高緯度地區(qū)的冬季和夏季水平面太陽輻射量差異非常大，輻射量之差變小，蓄電池的容量也可以減少，求得一個均衡，使系統(tǒng)造價降低，設(shè)計更為合理。

（四）太陽能蓄電池組的設(shè)計。太陽能蓄電池組的容量確定取決于當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天數(shù)，蓄電池組容量還要與電池板的功率相適應(yīng)，應(yīng)確保電池板在兩個連續(xù)陰雨天數(shù)之間將電池充滿，容量過大，蓄電池長期處于欠電壓狀態(tài)，則會影響電池壽命，同時造成不必要浪費(fèi)。蓄電池額定電壓應(yīng)與燈具工作電壓相一致。

（五）太陽能路燈系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計包括電池組件及支架的抗風(fēng)設(shè)計和燈桿的抗風(fēng)設(shè)計，選定電池板組件后，必須根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的最大風(fēng)速數(shù)據(jù)對電池板進(jìn)行抗風(fēng)強(qiáng)度驗(yàn)算，所選定電池板的風(fēng)壓參數(shù)不能小于當(dāng)?shù)刈畲箫L(fēng)速下的風(fēng)壓值，根據(jù)選定電池板組件的面積可以計算出整個電池板組件傳遞給燈桿的最大風(fēng)荷載。根據(jù)選定的燈桿高度、燈桿斷面尺寸，以及燈桿基礎(chǔ)尺寸數(shù)據(jù)，由結(jié)構(gòu)設(shè)計人員對燈桿強(qiáng)度以及基礎(chǔ)荷載進(jìn)行設(shè)計校核。

三、工程設(shè)計的系統(tǒng)優(yōu)化

（一）市電互補(bǔ)型路燈。市電互補(bǔ)型太陽能路燈，用于有市電電源的區(qū)域，目前在城市太陽能路燈改造中的應(yīng)用比較多。

（二）風(fēng)光互補(bǔ)型路燈。由于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)成本低，風(fēng)能和太陽能在許多地區(qū)都具有互補(bǔ)性，從而可以大大減少蓄電池的儲存容量，因此風(fēng)-光混合系統(tǒng)的投資一般比獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以減少 三成左右。

（三）太陽光追蹤發(fā)電。追蹤太陽的軌跡可以明顯增強(qiáng)光伏電池的日照強(qiáng)度。為了更好地追蹤太陽的軌跡，不但要知道太陽的方位角和高度角，還要知道太陽運(yùn)行的軌跡。這就要求追蹤裝置以固定的傾角從東往西跟蹤太陽的軌跡。為了降低成本提高效率，可以采用人工跟蹤，每天每隔2小時，對著太陽進(jìn)行調(diào)節(jié)。

上述三種方式皆為有其他輔助照明電源，此時電池容量可不考慮連續(xù)陰雨天數(shù)的影響。只考慮當(dāng)天一晚的用電量，連續(xù)陰雨天時，由輔助電源供電，這樣可大大減少蓄電池容量。但相應(yīng)輔助電源的成本會增加，需要通過測算評估后確定。

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