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路灯计算实例

路灯的工作原理实例

1、系统介绍

1.1系统基本组成简介

系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。

控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。

本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。

1.2工作原理介绍

系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。

蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。

充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

2、系统设计思想

太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。

下面将以香港真明丽集团有限公司的这款太阳能LED大功率路灯为例，分几个方面做分析。

2.1太阳能电池组件选型

设计要求：

广州地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。

⑴广州地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2，经简单计算广州地区峰值日照时数约为3.424h；⑵负载日耗电量==12.2AH⑶所需太阳能组件的总充电电流=1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。

⑷太阳能组件的最少总功率数=17.2×5.9=102W

选用峰值输出功率110Wp、单块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。

2.2蓄电池选型

蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。

根据上面的计算知道，负载日耗电量12.2AH。

在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量：

12.2×（7+1）=97.6（AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。

2.3太阳能电池组件支架

2.3.1倾角设计

为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。

本次路灯使用地区为广州地区，依据本次设计参考相关文献中的资料[1]，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。

2.3.2抗风设计

在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。

抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。

下面按以上两块分别做分析。

⑴太阳能电池组件支架的抗风设计

依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。

若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。

所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。

所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。

在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。

⑵路灯灯杆的抗风设计

路灯的参数如下：

电池板倾角A=16o灯杆高度=5m

设计选取灯杆底部焊缝宽度δ=4mm灯杆底部外径=168mm

如图3，焊缝所在面即灯杆破坏面。

灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ=[5000+（168+6）/tan16o]×Sin16o=1545mm=1.545m。

所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M=F×1.545。

根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。

考虑1.3的安全系数，F=1.3×730=949N。

所以，M=F×1.545=949×1.545=1466N.m。

根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。

上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。

破坏面抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）=88768mm3=88.768×10－6m3

风荷载在破坏面上作用矩引起的应力=M/W=1466/（88.768×10－6）=16.5×106pa=16.5Mpa＜＜215Mpa其中，215Mpa是Q235钢的抗弯强度。

所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。

2.4控制器

太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。

蓄电池防过充、过放保护电压一般参数如表1，当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态。

在选用器件上，目前有采用单片机的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根据客户群的需求特点选定相应的方案，在此不一一详述。

2.5表面处理

该系列产品采用静电涂装新技术，以FP专业建材涂料为主，可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。

加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标均已达到或超过GB的相关要求。

3、结束语

整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。

目前，太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。

但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。

与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。

所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。

太阳能路灯

太阳能路灯以太阳光为能源，白天北京天柱阳光太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给负载供电使用，无需复杂昂贵的管线铺设，可任意调整灯具的布局，安全节能无污染，无需人工操作工作稳定可靠，节省电费免维护。

1.系统组成

系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱（内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；北京天柱阳光太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W-5W白光LED和1W-5W黄光LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。

　　控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。

2.工作原理

　　系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、北京天柱阳光太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。

蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。

充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

3.设计思想

　　1,太阳能电池组件选型

　　设计要求：

北京地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。

　　⑴北京地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2，经简单计算北京地区峰值日照时数约为3.424h；

　　⑵负载日耗电量==12.2AH

　　⑶所需北京天柱阳光太阳能组件的总充电电流=1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A

　　在这里，两个连续阴雨天数之间的设计最短天数为20天，1.05为太阳能电池组件系统综合损失系数，0.85为蓄电池充电效率。

　　⑷太阳能组件的最少总功率数=17.2×5.9=102W

　　选用峰值输出功率110Wp、单块55Wp的标准电池组件，应该可以保证路灯系统在一年大多数情况下的正常运行。

产品参数

　　*主体材料：

灯杆为全钢结构、整体热镀锌/喷塑处理

　　*太阳能电池组件：

晶体硅15-80WP（按负载配置）

　　*系统工作电压：

直流12V—24V

　　*控制器：

太阳能灯具专用控制器,光控+时控，智能控制（天黑灯自开，天亮灯自熄灭）

　　*储能电池：

全封闭免维护铅酸蓄电池12V17Ah—80Ah（根据负载配置）

　　*光源类型：

节能高功率集成LED,稀土高效节能灯（可按客户要求配置）

　　*防护等级：

IP65

　　*使用温度：

-30度至70度，抗风力≥150Km/h

　　*照明时间：

4～14小时（可根据需要调节）

　　*灯杆高度：

2米～4米（可以按客户要求制作）

　　*阴雨天保证：

可连续工作4~5个阴雨天（区域/季节不同有差异）（可按客户要求制作）

　　本产品无需铺设地下线缆，无需支付照明电费，太阳能庭院灯所采用的关键部件太阳能电池板、太阳能直流路灯智能控制器、免维护蓄电池、照明灯具均经过国家发改委/GEF/世界银行光伏产品认证。

主要适用于城市道路、小区广场、工业园区、旅游景区、公园绿化带等场所的亮化照明。

　　我们所生产的所有产品都按照标准严格执行材料检验、制程巡查、成品出货检验，以确保客户获得满意的产品，公司建有一套完善的售前，售中，售后服务体系，处处为您的利益着想，真正实现一对一服务。

4.蓄电池选型

　　太阳能供电系统中，蓄电池的性能好坏直接影响系统的综合成本及运行好坏和使用寿命，本方案中选用我公司与中国科学院金属研究所联合研制的最新成果储能型胶体蓄电池,与普通的铅酸电池相比，它在设计上和制造工艺上有以下突出特点：

　　使用寿命超长，正常情况下使用寿命为五到十年。

　　采用适合的正负极合金配方及活性物质配比，使电池更加适合储能电池循环充、放电的使用特点。

　　胶体电解液的设计，有效的抑制活性物质的脱锈和极板的硫酸盐化现象，从而延缓了电池在使用过程中的性能衰降。

大大改善了电池的深充放循环寿命。

　　选用笫四代照明产品LED光源。

LED光源优势

　　1.发光效率高，耗电量小，使用寿命长，工作温度低。

　　2.安全可靠性强。

　　3.反应速度快，单元体积小，绿色环保。

　　4.同亮度下，耗电是白炽灯的十分之一，荧光灯的三分之一，而寿命却是白炽灯的50倍，荧光灯的20倍，是继白炽灯、荧光灯、气体放电灯之后的第四代照明产品。

　　5.单颗大功率超亮度LED的问世，是LED应用领域跨至高效率照明光源市场成为可能，将是人类继爱迪生发明白炽灯后最伟大的发明之一。

5.电池组件支架

1）倾角设计

　　为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

　　关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。

本次路灯使用地区为长沙地区，依据本次设计参考相关文献中的资料[1]，选定太阳能电池组件支架倾角为16o。

2）抗风设计

　　在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。

抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。

下面按以上两块分别做分析。

⑴太阳能电池组件支架的抗风设计

　　依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。

若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。

所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。

所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。

　　在本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。

　　⑵路灯灯杆的抗风设计

　　路灯的参数如下：

　　电池板倾角A=16o灯杆高度=5m

　　设计选取灯杆底部焊缝宽度δ=4mm灯杆底部外径=168mm

　　焊缝所在面即灯杆破坏面。

灯杆破坏面抵抗矩W的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为

　　PQ=[5000+（168+6）/tan16o]×Sin16o=1545mm=1.545m。

所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M=F×1.545。

　　根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。

考虑1.3的安全系数，F=1.3×730=949N。

　　所以，M=F×1.545=949×1.545=1466N.m。

　　根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。

　　上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。

　　破坏面抵抗矩W=π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）

　　=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）=88768mm3

　　=88.768×10－6m3

　　风荷载在破坏面上作用矩引起的应力=M/W

　　=1466/（88.768×10－6）=16.5×106pa=16.5Mpa＜＜215Mpa

　　其中，215Mpa是Q235钢的抗弯强度。

　　所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。

6.控制器

　　太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。

　　蓄电池防过充、过放保护电压一般参数如表

　　1）当蓄电池电压达到设定值后就改变电路的状态

　　2）表面处理

加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标均已达到或超过GB的相关要求。

7.总结

　　北京天柱阳光太阳能自主研发生产太阳能LED路灯、太阳能路灯、太阳能风能互补路灯。

在设计--研发--生产太阳能LED路灯方面突破了太阳能路灯常见的三大问题（功率高，LED光衰快，无功耗输出多）等严重影响路灯造价与效率的问题。

大大减少了成本，增长了使用寿命。

更久远的售后服务与质保使太阳能路灯的推广工作，节约能源事业进一步发展。

以下是本公司太阳能路灯方面的设计方案：

　　目前天柱阳光太阳能LED照明的投资成本问题仍然是困扰我们大面积扩广的一个主要问题。

但是，太阳能电池光效在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED光效在快速地提高，而价格却在降低。

与光合太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。

所以，河北沐天太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。

太阳能路灯设计中配置常规计算

　　随着传统能源的日益紧缺，太阳能的应用将会越来越广泛，尤其太阳能发电领域在短短的数年时间内已发展成为成熟的朝阳产业。

　　1：

目前制约太阳能发电应用的最重要环节之一是价格，以一盏双路的太阳能路灯为例，两路负载共为60瓦，（以长江中下游地区有效光照4.5h/天、每夜放电7小时、增加电池板20％预留额计算）其电池板就需要160W左右，按每瓦30元计算，电池板的费用就要4800元，再加上180AH左右的蓄电池组费用也在1800左右，整个路灯一次性投入成本大大高于市电路灯，造成了太阳能路灯应用领域的主要瓶颈。

　　2：

蓄电池的使用寿命也应该考虑在整个路灯系统应用中，一般的蓄电池保修三年或五年，但一般的蓄电池在一年、甚至半年以后就会出现充电不满的情况，有些实际充电率有可能下降到50％左右，这必将影响连续阴雨天时期的夜间正常照明，所以选择一款较好的蓄电池尤为重要。

　　3：

一些工程商常选用LED灯做为太阳能路灯的照明，但是LED灯的质量层差不齐，光衰严重的LED半年就有可能衰减50％光照度。

所以一定要选择光衰较慢的LED灯，或者选用无极灯、低压钠灯等。

　　4：

控制器的选择往往也是被工程商忽略的一个问题，控制器的质量层差不齐，12V/10A的控制器市场价格在100-200元不等，虽然是整个路灯系统中价值最小的部分，但它却是非常重要的一个环节。

控制器的好坏直接影响到太阳能路灯系统的组件寿命以及整个系统的采购成本，一：

应该选择功耗较低的控制器，控制器24小时不间断工作，如其自身功耗较大，则会消耗部分电能,最好选择功耗在1毫安（MA）以下的控制器。

二：

要选择充电效率高的控制器，具有MCT充电模式的控制器能自动追踪电池板的最大电流，尤其在冬季或光照不足的时期，MCT充电模式比其他高出20％左右的效率。

三：

应选择具有两路调节功率的控制器，具有功率调节的控制器已被广泛推广，在夜间行人稀少时段可以自动关闭一路或两路照明，节约用电，还可以针对LED灯进行功率调节。

除选择以上节电功能外，还应该注重控制器对蓄电池等组件的保护功能，像具有涓流充电模式的控制器就可以很好的保护蓄电池，增加蓄电池的寿命，另外设置控制器欠压保护值时，尽量把欠压保护值调在≥11.1V，防止蓄电池过放。

　　5：

距离市区较远的地方还应该注意防盗工作，很多工程商因为施工疏忽，没有进行有效的防盗，导致蓄电池、电池板等组件被盗，不仅影响了正常照明，也造成了不必要的财产损失。

目前工程案例中被盗居多为蓄电池，蓄电池埋于地下用水泥浇筑是一种有效防盗措施，在灯杆

　　上加装蓄电池箱的最好将其进行焊接加固。

控制器的防水，控制器一般装于灯罩、电池箱中，一般也不会进水，但在实际工程案例中控制器端子的连接线往往因为雨水顺着连接线流入控制器造成短路。

所以在施工时应该注意将内部连接线弯成“U”字型并固型，外部连接线也可以固定为“U”型，这样雨水就无法淋入造成控制器短路，另外还可在内外线接口处涂抹防水胶。

　　7：

在众多太阳能路灯实际应用中，很多地方的太阳能路灯不能满足正常照明需要，尤其在阴雨天更为突出，除使用了质量较差的相关组件外，另一个主要的原因就是一味降低组件成本，不按需求设计配置，减小电池板和蓄电池的使用标准，所以导致在阴雨天路灯无法提供照明。

太阳能电池板和蓄电池配置计算公式

　　以下提供太阳能电池板和蓄电池配置计算公式：

一：

首先计算出电流

　　如：

12V蓄电池系统；30W的灯2只，共60瓦。

　　电流＝60W÷12V＝5A

二：

计算出蓄电池容量需求

　　如：

路灯每夜累计照明时间需要为满负载7小时（h）；

　　（如晚上8：

00开启，夜11：

30关闭1路，凌晨4：

30开启2路，凌晨5：

30关闭）

　　需要满足连续阴雨天5天的照明需求。

（5天另加阴雨天前一夜的照明，计6天）

　　蓄电池＝5A×7h×（5＋1）天＝5A×42h＝210AH

　　另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90％左右；放电余留20％左右。

　　所以210AH也只是应用中真正标准的70％左右。

三：

计算出电池板的需求峰值（WP）

　　路灯每夜累计照明时间需要为7小时（h）；

　　★：

电池板平均每天接受有效光照时间为4.5小时（h）；

　　最少放宽对电池板需求20％的预留额。

　　WP÷17.4V＝（5A×7h×120％）÷4.5h

　　WP÷17.4V＝9.33

　　WP＝162（W）

　　★：

4.5h每天光照时间为长江中下游附近地区日照系数。

　　另外在太阳能路灯组件中，线损、控制器的损耗、及镇流器或恒流源的功耗各有不同，实际应用中可能在5％-25％左右。

所以162W也只是理论值，根据实际情况需要有所增加。

太阳能路灯方案