太陽能通道燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

摘要：太陽能具有節(jié)能、環(huán)保、方便的優(yōu)點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)合理的太陽能通道燈系統(tǒng)，既解決了通道白天沒有電源無法亮燈的難題，又節(jié)約了能源。

關(guān)鍵詞：太陽能、光電轉(zhuǎn)換、通道燈、太陽能電池板、控制器、蓄電池、逆變器

前言

　　太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染，具有節(jié)能、環(huán)保、方便的優(yōu)點(diǎn)。

　　按接受太陽能輻射量的大小，我國大致上可分為五類地區(qū)。深圳地處亞熱帶，氣候冬暖夏熱，屬于三類地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為2200～3000小時(shí)，具備利用太陽能的有利自然條件。

　　太陽能直接應(yīng)用有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種，間接與綜合利用種類更加繁多。光電轉(zhuǎn)換主要有太陽能電池板和太陽能供電系統(tǒng)；光熱轉(zhuǎn)換主要有熱水器、開水器、太陽灶、干燥器等；光化學(xué)轉(zhuǎn)換主要是光合作用、光電化學(xué)作用的應(yīng)用，現(xiàn)尚處在實(shí)驗(yàn)研究階段。

一、太陽能通道燈系統(tǒng)簡介

　　1、太陽能通道燈系統(tǒng)安裝背景

　　深圳有許多立交橋的通道長度超過40米。這些通道由于采光不足，白天也顯得很暗，特別是路燈開啟前及路燈關(guān)閉后的各1個(gè)多小時(shí)和陰雨天時(shí)，通道內(nèi)更是漆黑。為了市民的安全，通道必須24小時(shí)亮燈。但原有通道燈接路燈電源，只能在晚上亮燈。如果采用市電供電白天亮燈，就要重新敷設(shè)線路，投資大，施工困難；采用太陽能光伏系統(tǒng)供電投入小，施工方便。

　　另一方面，近年來深圳電力供應(yīng)緊張，政府提倡節(jié)約用電。因此，很有必要安裝太陽能通道燈系統(tǒng)。

　　2、通道情況

　　下面以洪湖立交南側(cè)通道為例，討論該系統(tǒng)的組成。
　　洪湖立交南側(cè)通道長40米，寬6米，通道到安裝太陽能裝置的地點(diǎn)距離約15米，原有3套250W高壓鈉燈，在晚上才有電源。

　　3、系統(tǒng)原理

　　太陽能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽的輻射能光子通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，通常叫做“光生伏打效應(yīng)”。
　　太陽能通道燈系統(tǒng)作原理見圖1。主要組成部分包括太陽能電池方陣、控制器、蓄電池、逆變器、燈具。

圖1 太陽能通道燈系統(tǒng)原理圖

原有通道燈總功率為750W，用太陽能來供電所需的太陽能電池功率、蓄電池容量較大，系統(tǒng)造價(jià)偏高，而且一套燈具24小時(shí)*365天一直亮燈，燈泡壽命會降低。因此，為保證穩(wěn)定的照明效果，另外安裝一套太陽能通道燈系統(tǒng)。晚上市電供電時(shí)，原有通道燈亮；晚上市電故障或白天時(shí)，點(diǎn)亮由太陽能供電的通道燈，保證通道一直亮燈。

二、直流/交流負(fù)載比較與選擇

　　如選用直流負(fù)載，可省略了逆變器這一中間環(huán)節(jié)，提高能源利用效率。但由于通道長40米，由蓄電池到末端燈具約40+15+5＝60米，24V直流電壓線路損耗高達(dá)10％；此外，直流低壓大電流控制損耗大，升降電壓技術(shù)比較復(fù)雜，直流節(jié)能燈光效低（45Lm/W），壽命短（5000小時(shí)），采購困難等。

　　相比之下，雖然使用交流負(fù)載利用率稍低，但逆變器的轉(zhuǎn)換效率＞90％，損耗并不是很大，而交流負(fù)載更實(shí)用、方便，所以選用交流負(fù)載。

三、光源的選擇與燈具布置

　　通過對光源光效、壽命、價(jià)格、通用性等綜合比較，選擇5*25W高效節(jié)能燈。燈具布置如下：

　　圖2 燈具布置

四、太陽能電池板

　　太陽能電池板是太陽能光電轉(zhuǎn)換的主要部件。太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸?qiáng)度與末端的用電負(fù)荷(需電量)決定。

　　1、峰值功率選擇（估算公式）：

　　Pk=燈具功率×燈具數(shù)量×每日使用時(shí)間÷每天有效日照時(shí)間÷太陽能電池方陣實(shí)際使用功率系數(shù)÷蓄電池轉(zhuǎn)換效率÷逆變器效率
　　Pk＝25(W)×5(套)×12(H)÷5(H)÷0.7÷0.85÷0.9＝560.22W

其中：

　　1）由于市電通道燈亮燈時(shí)間由經(jīng)緯儀隨季節(jié)變化而調(diào)節(jié)，太陽能通道燈每天亮燈時(shí)間11～14小時(shí)，取12小時(shí)。
　　2）太陽能電池方陣實(shí)際使用功率系數(shù)考慮了太陽能電池板的充電效率和充電過程中的損耗，取0.7。
　　所以，太陽能板功率選取為600W(75W×8pcs)

　　3、安裝傾斜角度為33～35度，方向正南方，既便于充分吸收太陽能，又可利用雨水對太陽能板進(jìn)行自清洗。

五、控制器

控制器采用PWM脈寬調(diào)制控制器。具備以下功能：
1、過充保護(hù)：當(dāng)電池電壓超過28V時(shí)，停止充電；
2、過放保護(hù)：當(dāng)電池電壓低于22V時(shí)，切斷負(fù)載；
3、蓄電池充電溫度補(bǔ)償；
4、正極反接保護(hù)；
5、短路保護(hù)；
6、過載保護(hù)；
7、過熱保護(hù)(帶散熱裝置)；
8、雷擊保護(hù)；
9、小功率交流補(bǔ)充充電系統(tǒng)：當(dāng)陰雨天，太陽能充電不足，電池電壓低于直流22V時(shí)，在晚上通過高頻整流開關(guān)將交流220V市電轉(zhuǎn)換成直流24V，對蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電；
10、檢測市電及切換：當(dāng)晚上有市電電源時(shí)，市電通道燈亮，控制器關(guān)掉太陽能通道燈；當(dāng)晚上市電故障時(shí)或白天時(shí)，控制器檢測到?jīng)]有市電信號，開啟太陽能通道燈。這樣比裝時(shí)控開關(guān)更能保證通道24小時(shí)亮燈。