太陽能路燈工作原理、流程及詳細設(shè)計方案

在能源日益短缺、環(huán)境污染和環(huán)境保護越來越受重視的情況下，充分開發(fā)利用太陽能已成為當前社會各界所關(guān)注的焦點之一。太陽能路燈作為新能源的一種典型應(yīng)用，在國內(nèi)的不少地區(qū)都有相應(yīng)的應(yīng)用實例。太陽能路燈具有安裝后無需支付電費、無需架設(shè)輸電線路或鋪設(shè)電纜、清潔環(huán)保、維護費用低等優(yōu)點，受到了相關(guān)方的青睞，在很多城市和鄉(xiāng)村都能看見以試驗或示范形式出現(xiàn)的太陽能路燈。但目前太陽能路燈在應(yīng)用中也存在不少問題，隨著實際應(yīng)用的增多，接到用戶投訴和報修的問題也越來越多。

1　太陽能路燈系統(tǒng)組成及使用中存在的問題

太陽能照明系統(tǒng)可以分成3大類型，包括獨立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。獨立系統(tǒng)常見于居民區(qū)路燈、停車場標志燈和電網(wǎng)公共照明系統(tǒng)，它們通常需要電池，有較高的存儲修復(fù)損耗和維護費用。

太陽能獨立路燈系統(tǒng)根據(jù)負載可分成交流型和直流型，如圖所示。目前由于主流燈具都是交流燈具，因此第1類太陽能照明系統(tǒng)應(yīng)用較多(如太陽能低壓節(jié)能燈) 。第2 類太陽能照明系統(tǒng)由于受目前光效、成本等因素影響，使用量還不大，但隨著今后技術(shù)的革新，其使用也會越來越多。無極燈太陽能路燈的系統(tǒng)組成。

在保證燈具在規(guī)定工作條件的情況下，系統(tǒng)配置的好壞主要看太陽能組件、路燈控制器、蓄電池之間的匹配與否。而根據(jù)目前太陽能路燈出現(xiàn)的問題和當前的技術(shù)水平，存在的問題主要有2點：

(1)路燈在使用一段時間后，經(jīng)常幾天不工作;(2)設(shè)計蓄電池使用壽命在2～5年左右，實際蓄電池使用往往低于設(shè)計壽命，甚至不足1年。

2　問題分析

不少廠家在路燈配置時不關(guān)注各個地區(qū)日照的具體不同，只是經(jīng)驗性地選配光伏組件，有時候為了滿足客戶低成本的要求，低配了太陽能組件，或者只考慮單日發(fā)電量與耗電的匹配，而沒有考慮蓄電池充電問題。

(1)路燈在使用一段時間后，經(jīng)常幾天不工作。

出現(xiàn)該問題的主要原因在于組件配置過低，也會有蓄電池配置過高的情況，但主要還是前者。連續(xù)幾天陰雨后，路燈系統(tǒng)蓄電池會過放，控制器會出現(xiàn)過放保護，此時如果太陽能發(fā)電量偏少，蓄電池電壓達不到控制器的恢復(fù)放電電壓，控制器與負載間一直斷電，組件容量過小或陰雨天過長必然導(dǎo)致長時間不放電。因此在組件容量計算時需要考慮蓄電池充電時間問題，盡可能2～3天充滿。

(2)設(shè)計蓄電池使用壽命在2～5年左右，實際蓄電池使用往往低于設(shè)計壽命，甚至不足1年。

出現(xiàn)該問題的主要原因在于蓄電池配置或工作不當。比如蓄電池容量相對于連續(xù)陰雨的天數(shù)偏小，或蓄電池工作時一直處于深度循環(huán)。其中第2種是主要原因。

有些廠家，為了減少出現(xiàn)上面問題，往往把控制器恢復(fù)放電電壓設(shè)置過小，導(dǎo)致蓄電池往往充電很少就又處于放電狀態(tài)，沒有很好利用蓄電池，減少了其使用壽命。

因此在控制器恢復(fù)放電的電壓設(shè)置上需要合理選擇。

3　系統(tǒng)優(yōu)化配置步驟

以下就配置及以上問題提出相應(yīng)的應(yīng)對和優(yōu)化方法。

以24V的40W無極燈為例，按每天使用小時數(shù)為8h、連續(xù)陰雨天4天要求，在鎮(zhèn)江應(yīng)用時，結(jié)合當?shù)毓庹?如表1)具體配置步驟如下：

(1)先確定蓄電池容量。

配置蓄電池時考慮放電深度0175、充放電效率0185及安全系數(shù)111等，根據(jù)負載估算蓄電池容量：

111 TImes;40 TImes;8 TImes;4 ÷0185 ÷0175 ÷24 = 9211Ah此時實際選用2個12V /100Ah蓄電池串聯(lián)即可。

(2)初步配置太陽能組件。

在配置組件時參照當?shù)厝照蛰椛淞?，選取合適的傾斜角，和并網(wǎng)發(fā)電不同，太陽能路燈應(yīng)保證最低日照月份輻射盡可能大，如表1 所示。此時傾斜角在30°，最低輻射在10月份，只有4113kWh /m2 /d，折算到標準日照強度1kW /m2 時為4113h /d。

考慮發(fā)電量會受方位角、灰塵、局部陽光遮擋、組件的光電轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)其他效率損失等影響，系統(tǒng)設(shè)計壽命期內(nèi)平均發(fā)電效率按78%取值，同時考慮蓄電池系統(tǒng)效率問題。

光伏組件容量= 40 TImes;8 ×111 ÷0185 ÷4113 ÷0178 = 12816Wp。此時如果以為組件130Wp 夠了，很可能出現(xiàn)上面連續(xù)幾天路燈不工作現(xiàn)象。

(3)優(yōu)化組件配置

考慮到路燈連續(xù)工作要求在4天，為了保證在連續(xù)4天放電后，能盡快恢復(fù)工作，組件容量需增大，縮短充滿電時間，如果當?shù)剡B續(xù)4天陰雨的天數(shù)較多，則充電時間要控制在2天以內(nèi)。

以選用160Wp 組件為例，估算充電時間。充電效率在019～0195，取019。

平均蓄電池充電時間= 2 ×100 ×12 ×0175 / (019×0178 ×160 ×4145 ) = 316 天， 時間過長。選取190Wp，此時充電時間在3 天左右。而240Wp 組件也需充電214天?？紤]成本等因素實際選擇190Wp組件。

從中可以看出在配置組件時不能只看單日耗電量，還要結(jié)合蓄電池容量來優(yōu)化配置。

(4)路燈控制器選擇及優(yōu)化

因為路燈工作電壓是24V，蓄電池串聯(lián)輸出額定電壓也是24V，所以控制器也應(yīng)該選擇24V額定工作電壓，其光伏組件的額定輸出電壓為34V?，F(xiàn)在市場上大部分控制器最大輸入電壓是額定工作電壓的2倍。因此對總?cè)萘繛?90Wp 的系統(tǒng)， 可以用2 塊ZXM095W18V - 12502組件(單晶硅太陽能電池)串聯(lián)構(gòu)成，其參數(shù)見表。如果單塊190Wp組件最大功率工作電壓在30～34V亦可選用。

此時串聯(lián)工作電壓= 3414V，最大輸出開路電壓= 4214V，短路電流= 5199A。因此控制器額定充電電流選用10A。

在控制器選擇時，還需要關(guān)注過充保護、恢復(fù)充電、過放保護、恢復(fù)放電電壓，如圖3所示。特別是針對恢復(fù)放電電壓，目前市場上24V控制器主要設(shè)置在25V以上，有些甚至是26V。就如前面分析的第1個問題，此時很可能出現(xiàn)太陽能路燈連續(xù)幾天不亮。

如果系統(tǒng)配置不合理，很可能會長時間不工作，用戶很可能就以為路燈壞了，企業(yè)聲譽必然受到影響。因此對恢復(fù)放電電壓不能設(shè)置過高。

但同樣的，如果為了減少出現(xiàn)這種問題的機會，把恢復(fù)放電電壓設(shè)置過低，甚至低于23V，就如前面分析的第2個問題，很可能會出現(xiàn)使用壽命縮短的問題，特別對蓄電池更是如此。

針對控制器的這2個問題，為了兼顧平衡，可以設(shè)置多項恢復(fù)條件，而不再是固定的值。

4 工作原理

太陽能路燈工作原理是將太陽能提轉(zhuǎn)化為電能從而實現(xiàn)照明，路燈頂部是太陽能電池板又名光伏組件，白天這些多晶硅制成的光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲在蓄電池中，使太陽能路燈在智能控制器的控制下，太陽能電池板經(jīng)過太陽光的照射，吸收太陽能光并轉(zhuǎn)換成電能，白天太陽電池組件向蓄電池組充電。傍晚，通過控制器的控制將電能輸送給光源，為人們在夜晚進行照明。晚上蓄電池組提供電力給LED燈光源供電，實現(xiàn)照明功能。

太陽能路燈是通過太陽能進行發(fā)電，所以沒有電纜線，不會發(fā)生漏電和其他的意外情況。直流控制器能確保蓄電池組不因過充或過放而被損壞，同時具備光控、時控、溫度補償及防雷、反極性保護等功能。無需鋪設(shè)線纜、無需交流供電、不產(chǎn)生電費。

太陽能路燈的低碳環(huán)保、安全可靠等一系列的優(yōu)點，被廣大客戶認可，從而得到了大力的推廣。因此，它可以廣泛應(yīng)用于城市主、次干道、小區(qū)、工廠、旅游景點、停車場等場所。

5　結(jié)束語

太陽能路燈是當前國內(nèi)太陽能發(fā)電應(yīng)用的一個主要領(lǐng)域，特別在一些地區(qū)是作為太陽能利用的示范工程在做。其實際應(yīng)用的好壞將很大程度上影響今后光伏系統(tǒng)在國內(nèi)的推廣使用。因此作為光伏產(chǎn)業(yè)中的一員，我們需要加強對實際應(yīng)用系統(tǒng)的經(jīng)驗積累，綜合考量用戶的成本和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新，新材料、太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率、蓄電池的性價比、中間控制轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的改善，成本必然會大大降低。