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摘要：本文首先提出可再生能源的利用，接著介紹太陽能路燈的組成，分析了各部分的工作原理、工作特點，介紹簡要的設計方法及設計中的幾點體會，最后提出太陽能路燈的應用場所，展望太陽能路燈的發(fā)展前景。...

太陽能路燈的設計與應用

姜祥元

漢嘉設計集團股份有限公司廈門分公司  361001

1、引言

    太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽能作為一種巨量可再生能源(可再生能源包括太陽能、風能、水能、生物質能、地熱能、海洋能等非化石能源)，可以說是取之不盡、用之不竭。同時，也隨著太陽能光伏技術的發(fā)展和進步，太陽能發(fā)電在路燈照明領域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。筆者就太陽能路燈與應用的一點體會供同行參考。

2、太陽能光伏發(fā)電技術

    早在1839年，法國科學家貝克雷爾(BECQURAL)發(fā)現(xiàn)，光照能使半導體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應”。具體的說光生伏打效應就是當半導體材料受光照時，半導體材料內的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應。當太陽光或其他光照射半導體的PN結時，就會在PN結的兩邊出現(xiàn)電壓(叫做光生電壓)，使 PN結短路，就會產(chǎn)生電流。

    1954年美國科學家恰賓和皮爾松在貝爾實驗室首次制成了實用的單晶硅太陽能電池，誕生了將太陽光能轉換為電能的實用光伏發(fā)電技術。

太陽能光伏發(fā)電是新能源和可再生能源的重要組成部分，被認為是當前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術。

3、太陽能路燈的組成

    太陽能路燈由以下幾個部分組成：太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及燈具外殼，如圖l。如輸出電源為交流220V或110V，還要配置逆變器。

 

    系統(tǒng)的工作原理是：在太陽能控制器的控制下，白天太陽能電池板向蓄電池組充電，晚上蓄電池組提供電力給直流燈負載。直流控制器能夠在任何條件下(陽光充足或長期陰雨天)都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、聲控、溫度補償及防雷、反極性保護等功能。如圖2。

    3.1太陽能電池板： 

    太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，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轉換為電能，或送至蓄電池中存儲起來。在眾多太陽光電池中較普遍且較實用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池等三種。在太陽光充足日照好的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽能電池為好，因為多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單，價格比單晶硅太陽能電池低。在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽能電池為好，因為單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。非晶硅太陽能電池在室外陽光不足的情況下比較好，因為非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低。另外第二代太陽電池的研制，即將取得突破性進展，其核心部件是一種可粘接的薄膜，即薄膜太陽能電池材料。

    3.2太陽能控制器

    太陽能燈具中，一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充電放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償功能。同時太陽能控制器應兼有路燈控制功能，具有光控、時控功能，并應具有夜間自動切控負載功能，便于陰雨天延長路燈工作時間。

    3.3蓄電池

    由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。一般有鉛酸蓄電池、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)，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。蓄電池應與太陽能電池、用電負荷(路燈)相匹配。可用一種簡單方法確定它們之間的關系。太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20—30％，才能保證給蓄電池正常負電。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為宜。

    3.4光源

    太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的重要指標，一般太陽能燈具采用LED光源、低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈、無極燈。

    3.5燈桿及燈具外殼

    燈桿的高度應根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標準確定。燈具外觀要求不高，相對實用就行。

4、太陽能路燈的設計

    太陽能路燈的設計需要的基本數(shù)據(jù)主要有：現(xiàn)場的地理位置，包括地點、緯度、經(jīng)度和海拔高度等；安裝地點的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量及散輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫，最長連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無法做出長期預測，只能以過去l0—20年的平均值作為依據(jù)。以下做簡要計算的介紹。

    4.1道路照度計算公式

    道路照度手算公式：E=tpNUK/SW。E道路平均照度；p光源的總光通量；N路燈為相對矩形排列布置時取2，單側和交錯布置時取U利用系數(shù)；K維護系數(shù)；W路面寬度；S燈桿間距。

    反之由道路類別確定需要的照度，由此可計算出光源所需的功率。

    4.2電池板的功率計算

    Wp=燈具負載功率+燈具所用時間/當?shù)厝照障禂?shù)*2.3(逆變器為2.5)，當?shù)厝照障禂?shù)即為當?shù)厝站�輻射量，廈門為1.20。

    4.3蓄電池的容量計算

    蓄電池容量=光源用電功率·每天所用時間/用電電壓*連續(xù)陰雨天l.5(損耗系數(shù))。另外根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)，太陽能電池組件額定輸出功率和燈具輸入功率之間關系在華東地區(qū)大約是2—4：1。

    4.4電池板安裝傾角的確定

    為了美觀，許多太陽能燈具的工廠將太陽能電池水平放置，在這種情況下，太陽能電池的輸出功率將減少l5％一20％，如果再在太陽能電池上面增加一個裝飾性外罩，太陽能電池的輸出功率又將減少5％左右。太陽能電池價格昂貴，我們收集了許多國外太陽能路燈的資料，在美觀和節(jié)能兩者之間，大多數(shù)都選擇節(jié)能。也就是說，實際使用中基本以當?shù)氐木暥葦?shù)作為電池板的傾角以利于最大程度接受光照，廈門緯度值為24．48度。另外為了防止熱島效應，一般也是將太陽能電池傾斜放置。

5、太陽能路燈設計體會

    5.1道路照度與適用范圍

    城市快速路平均照度201x，均勻度0．4，主干路平均照度15Ix，均勻度0．35，次干路平均照度81x，均勻度0.35，支路平均照度51x，均勻度0.3。現(xiàn)投入使用的LED路燈，由于技術條件，LED功率偏小，一般為30～100w，光效50～801m/w，道路照度較低，筆者做過測試，桿高8.5m，間距30m，光源2×50wLED燈，燈下照度l9Ix，兩燈之間1llx，最暗處3.51x。

    以上數(shù)據(jù)為新安裝燈具的初始照度值，故其照度是不能滿足快速路與主干路。太陽能路燈宜在次于路、支路上使用，主要道路慎用。

    5.2照明時間

    LED路燈每天的工作時間應同一般路燈的工作要求，設計應考慮冬天日照時間短時，其工作時間應能在12小時之上。由于LED燈受天氣影響較大，如遇連續(xù)陰雨天就使LED燈缺乏電能而無法使用。國家現(xiàn)無規(guī)范對LED路燈在低輻照度(連續(xù)陰雨天)情況，允許最少工作時間沒有做出規(guī)定，現(xiàn)一般根據(jù)燈具廠家和當?shù)氐臍庀笄闆r，應在低幅照度(連續(xù)陰雨天)工作狀況下工作l0一15天。在設計時應充分考慮太陽能電池板及蓄電池的容量。

    5.3防雷接地

    LED路燈的工作電壓一般為l2V或24V，屬安全電壓，不做電氣保護接地。但LED路燈金屬燈桿應做防雷接地，接地電阻不大于10Ω。

    5.4太陽能路燈的優(yōu)缺點

    太陽能路燈的優(yōu)點是安裝簡便，安全無隱患，燈具是低壓產(chǎn)品，運行安全可靠，不會發(fā)生觸電事故，節(jié)能、綠色環(huán)保，不會對環(huán)境造成破壞。

    太陽能路燈的缺點是首期一次性投入較高，如LED太陽能路燈采用造價昂貴的進口晶硅太陽能電池板供電，比普通路燈要貴30％左右。以某廠家提供的數(shù)據(jù)為例，普通路燈加上變壓器、電纜、輸電線、控制柜等，每座造價在1萬元左右，太陽能路燈，每座造價達到了1.4萬元。

6、太陽能路燈的應用

    據(jù)統(tǒng)計每年中國陸地接受的太陽輻射總量相當于24000億噸標準煤，太陽能利用條件較好的地區(qū)占國土面積的2/3以上。特別是在西部地區(qū)，人口密度低，距離骨干電網(wǎng)遠，交通不便，顯然太陽能是這些地區(qū)能源的最佳選擇，筆者2007去西藏旅游，坐在青藏鐵路的列車上，欣賞著窗外獨特的雪域高原風光。感受雪域高原獨特魅力風情的同時，我還注意到設在青藏鐵路邊上的中國移動基站，全部采用太陽能，一些火車小站及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，牧場照明采用太陽能照明。

    在經(jīng)濟較發(fā)達、現(xiàn)代化水平較高的大中城市，建設與建筑物一體化的屋頂太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電設施，首先在公益性建筑物上應用，然后逐漸推廣到其它建筑物，同時在道路、公園、車站等公共設施照明中推廣使用光伏電源。筆者設計的廈門同安蕓溪小區(qū)在小區(qū)的主干道設計了太陽能路燈，次干道設計了太陽能庭院燈，項目已投入使用，得到了甲方及業(yè)主的好評，取得了良好的社會效益，廈門海峽導報最近有報道在廈門呂嶺路和前埔路交叉路口安裝太陽能交通信號燈，這也是廈門首次使用綠色交通信號控制系統(tǒng)。

    太陽能路燈或照明的應用場所具體如下：

    鄉(xiāng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等邊遠地區(qū)公路街道照明；城市廣場、公園、停車場、學校操場、工廠綠地照明；高爾夫球場、海濱浴場、高檔的別墅區(qū)等照明；高速公路警示牌、大橋路燈電源替代；

7、結束語

    2006年1月1日我國《可再生能源法》正式實施，太陽能、風能等可再生能源作為十一五期間國家能源重點發(fā)展方向，將在稅收等方面享有優(yōu)惠政策。同時，《可再生能源法》中明確指出，到2020年，我國可再生能源的構成比例要占到10％以上，其中的第十七條還明確要求房地產(chǎn)開發(fā)企業(yè)應在建筑物的設計和施工中，為太陽能的利用提供必備條件。據(jù)悉，建設部正在起草的《太陽能使用法》，其中將規(guī)定在新建住宅中將強制使用太陽能。未來幾年，太陽能將和家用電器一樣走進千家萬戶。當前我國新能源企業(yè)已漸成氣候，比較大的廠家有：力諾太陽、無錫尚德、常熟阿特斯等企業(yè)。

    太陽能路燈是理想的道路照明燈具，隨著人們生活的提高和社會的不斷發(fā)展，它將被廣泛利用，使太陽賜給大地的光明在夜晚為人類照明。

參考文獻

[1]中國太陽能利用協(xié)會．新編太陽能產(chǎn)品設計與太陽能利用新技術新工藝實務全書[M]．北京：中國科技文化出版社，2007：699—700．

[2]馬文會，戴永年，楊斌等．加快太陽能級硅制備新技術研發(fā)，促進硅資源可持續(xù)發(fā)展[J]．中國工程科學，2005，增刊：91—94．

[3]CJJ45—2006，《城市道路照明設計標準》[s]．

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網(wǎng)絡：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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