太阳能路灯的原理 物理.docx

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太阳能路灯的原理物理

太阳能路灯的原理物理

物理电压电流太阳能路灯以太阳光为能源，白天充电晚上使用，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。

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。

　　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、长沙光合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）

　　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，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。

　　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）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。

　　7.总结

　　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：

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。

设计中常规计算

　　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。

　　6:

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。

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：

　　相关组件选择：

　　24VLED：

选择LED照明，LED灯使用寿命长，光照柔和，价格合理，可以在夜间行人稀少时段实现功率调节，有利于节电，从而可以减少电池板的配置，节约成本。

每瓦80-105lm左右，光衰小于年≤5％；

　　12V蓄电池（串24V）：

选择铅酸免维护蓄电池，价格适中，性能稳定，太阳能路灯首选；

　　12V电池板（串24V）：

转换率15％以上单晶正片；

　　24V控制器：

MCT充电方式、带调功功能（另附资料）；

　　6M灯杆（以造型美观，耐用、价格便宜为主）

　　一、40瓦备选方案配置一（常规）

　　1、LED灯，单路、40W，24V系统；

　　2、当地日均有效光照以4h计算；

　　3、每日放电时间10小时，（以晚7点－晨5点为例）

　　4、满足连续阴雨天5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）。

　　电流＝40W÷24V＝1.67A

　　计算蓄电池＝1.67A×10h×（5＋1）天

　　＝1.67A×60h＝100AH

　　蓄电池充、放电预留20％容量；路灯的实际电流在2A以上（加20％

　　损耗，包括恒流源、线损等）

　　实际蓄电池需求＝100AH加20％预留容量、再加20％损耗

　　100AH÷80%×120%＝150AH

　　实际蓄电池为24V/150AH，需要两组12V蓄电池共计：

300AH

　　计算电池板：

　　1、LED灯40W、电流：

1.67A

　　2、每日放电时间10小时（以晚7点－晨5点为例）

　　3、电池板预留最少20％

　　4、当地有效光照以日均4h计算

　　WP÷17.4V＝（1.67A×10h×120％）÷4h

　　WP＝87W

　　实际恒流源损耗、线损等综合损耗在20％左右

　　电池板实际需求＝87W×120％＝104W

　　实际电池板需24V/104W，所以需要两块12V电池板共计：

208W

　　综合组件价格：

正片电池板208W，31元/瓦，计6448元

　　蓄电池300AH，7元/AH计：

2100元

　　40WLED灯：

计：

1850元

　　控制器（只）150元

　　6米灯杆700元

　　本套组件总计：

11248元

　　二、40瓦备选方案配置二（带调节功率）

　　1、LED灯，单路、40W，24V系统。

　　2、当地日均有效光照以4h计算，

　　3、每日放电时间10小时，（以晚7点－晨5点为例）通过控制器夜间

　　分时段调节LED灯的功率，降低总功耗，实际按每日放电7小时计算。

　　（例一：

晚7点至11点100％功率，11点至凌晨5点为50％功率。

合计：

7h）

　　（例二：

7：

00－10：

30为100％，10：

30－4：

30为50％，4：

30－5：

00为100％）

　　4、满足连续阴雨天5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）。

　　电流＝40W÷24V

　　＝1.67A

　　计算蓄电池＝1.67A×7h×（5＋1）天

　　＝1.67A×42h

　　＝70AH

　　蓄电池充、放电预留20％容量；路灯的实际电流在2A以上（加20％

　　损耗，包括恒流源、线损等）

　　实际蓄电池需求＝70AH加20％预留容量、再加20％损耗

　　70AH÷80%×120%＝105AH

　　实际蓄电池为24V/105AH，需要两组12V蓄电池共计：

210AH

　　计算电池板：

　　1、LED灯40W、电流：

1.67A

　　2、每日放电时间10小时，调功后实际按7小时计算（调功同上蓄电池）

　　3、电池板预留最少20％

　　4、当地有效光照以日均4h计算

　　WP÷17.4V＝（1.67A×7h×120％）÷4h

　　WP＝61W

　　实际恒流源损耗、线损等综合损耗在20％左右

　　电池板实际需求＝61W×120％＝73W

　　实际电池板需24V/73W，所以需要两块12V电池板共计：

146W

　　综合组件价格：

正片电池板146W，

　　蓄电池210AH

　　40WLED灯：

　　控制器（只）

　　6米灯杆

　　三、40瓦备选方案三（带调节功率、带恒流）

　　采用自带恒流、恒压、调功一体控制器降低系统功耗、降低组件成本。

　　（实际降低系统总损耗20％左右，以下以15％计算）

　　1、LED灯，单路、40W，24V系统。

　　2、当地日均有效光照以4h计算，

　　3、每日放电时间10小时，（以晚7点－晨5点为例）通过控制器夜间

　　分时段调节LED灯的功率，降低总功耗，实际按每日放电7小时计算。

　　（例一：

晚7点至11点100％功率，11点至凌晨5点为50％功率。

合计：

7h）

　　（例二：

7：

00－10：

30为100％，10：

30－4：

30为50％，4：

30－5：

00为100％）

　　4、满足连续阴雨天5天（另加阴雨前一夜的用电，计6天）。

　　电流＝40W÷24V

　　＝1.67A

　　计算蓄电池＝1.67A×7h×（5＋1）天

　　＝1.67A×42h

　　＝70AH

　　蓄电池充、放电预留20％容量；路灯的实际电流小于1.75A（加5％

　　线损等）

　　实际蓄电池需求＝70AH加20％预留容量、再加5％损耗

　　70AH÷80%×105%＝92AH

　　实际蓄电池为24V/92AH，需要两组12V蓄电池共计：

184AH

　　计算电池板：

　　1、LED灯40W、电流：

1.67A

　　2、每日放电时间10小时，实际按7小时计算（调功同上蓄电池）

　　3、电池板预留最少20％

　　4、当地有效光照以日均4h计算

　　WP÷17.4V＝（1.67A×7h×120％）÷4h

　　WP＝61W

　　实际线损等综合损耗小于5％

　　电池板实际需求＝122W×105％＝64W

　　实际电池板需24V/64W，所以需要两块12V电池板共计：

128W

　　综合组件价格：

正片电池板128W，31元/瓦，计：

3968元

　　蓄电池184AH，7元/AH

　　40WLED灯：

　　控制器（只）

　　6米灯杆

应用与配件的选择

　　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3.5－4.5h/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接近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：

因为LED灯的寿命较长、且可以通过夜间分时段调低功率工作，一般工程商都会选用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，LED灯最主要的要做好散热与恒流问题，恒流可以通过另加恒流驱动或者使用控制器恒流，散热就必需依靠铝板来散热，最好是在铝板下面增加铜片或铜管来更有效的散热，控制好温度，LED的寿命才会更长。

　　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5毫安以下的控制器。

　　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：

应选择具有调节功率的控制器，具有功率调节的控制器已被广泛推广，可以在夜间行人稀少时段自动调低LED灯的工作电流，节约用电，同时也节省了电池板的配置比例。

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，蓄电池的过充、过放都会降低使用寿命。

　　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与电池板，蓄电池埋于地下用水泥浇筑是一种有效防盗措施，并且可以起到恒温的作用。

在灯杆上加装蓄电池箱的最好将其进行焊接加固，另外蓄电池如果离控制器较远，一定要加配温度传感线，不然控制器无法探测蓄电池的温度，无法给予相关的温度补偿。

电池板的被盗主要由于灯杆较低或灯杆周围有攀附物，所以灯杆的高度最好设计在5M以上。

　　6:

控制器的防水，控制器大都装于灯罩、蓄电池箱中，一般也不会进水，但在实际工程案例中有些因为安装不当或者有的控制器的电路板没有做三防漆处理，会因为雨水顺着控制器端子的外接线流入控制器造成短路。

所以在施工时应该注意将控制器端子内部连接线弯成“U”字型并固型，暴露在外部的连接线也固定为“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来防水。

　　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，尤其在的连续阴雨天和冬季光照不足时期更为突出，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。

　　以下提供太阳能