光伏太陽能路燈設計原理
 
1、系統介紹

1.1 系統基本組成簡介

系統由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱 （內有控制器、蓄電池）和燈杆几部分構成；太陽能電池板光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統的抗風設計非常有利；燈頭部分以1W白光LED和1W黃光LED集成于印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發光源。

控制箱箱體以不鏽鋼為材質，美觀耐用；控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由於其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利於系統維護費用的降低；充放電控制器在設計上兼顧了功能齊備（具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等）與成本控制，實現很高的性價比。

1.2 工作原理介紹

系統工作原理簡單，利用光生伏特效應原理製成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能並轉化為電能輸出，經過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時后，充放電控制器動作，蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。

2、系統設計思想

太陽能路燈的設計與一般的太陽能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環節更多。下面將以香港真明麗集團有限公司的這款太陽能LED大功率路燈為例，分幾個方面做分析。

2.1 太陽能電池組件選型

設計要求：廣州地區，負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數8.5h，保証連續陰雨天數7天。

⑴ 廣州地區近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經簡單計算廣州地區峰值日照時數約為3.424h；

⑵ 負載日耗電量 = = 12.2AH

⑶ 所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A

在這裡，兩個連續陰雨天數之間的設計最短天數為20天，1.05為太陽能電池組件系統綜合損失係數，0.85為蓄電池充電效率。

⑷ 太陽能組件的最少總功率數 = 17.2×5.9 = 102W

選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標準電池組件，應該可以保証路燈系統在一年大多數情況下的正常運行。

2.2 蓄電池選型

蓄電池設計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數要簡單。

根據上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續工作7個陰雨天，再加上第一個晚上的工作，蓄電池容量：

12.2×（7+1） = 97.6 （AH），選用2台12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。

2.3 太陽能電池組件支架

2.3.1 傾角設計

為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。

關於太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學朮刊物上出現得不少。本次路燈使用地區為廣州地區，依據本次設計參考相關文獻中的資料[1]，選定太陽能電池組件支架傾角為16o。

2.3.2 抗風設計

在太陽能路燈系統中，結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計。抗風設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設計，二為燈杆的抗風設計。下面按以上兩塊分別做分析。

⑴ 太陽能電池組件支架的抗風設計

依據電池組件廠家的技術參數資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風係數選定為27m/s（相當于十級颱風），根據非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至於損坏的。所以，設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈杆的連接。

在本套路燈系統的設計中電池組件支架與燈杆的連接設計使用螺栓杆固定連接。

⑵ 路燈燈杆的抗風設計

路燈的參數如下：

電池板傾角A = 16o 燈杆高度 = 5m

設計選取燈杆底部焊縫寬度δ = 4mm 燈杆底部外徑 = 168mm

 

 

如圖3，焊縫所在面即燈杆破坏面。燈杆破坏面抵抗矩W 的計算點P到燈杆受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風荷載在燈杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。

根據27m/s的設計最大允許風速，2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N。考慮1.3的安全係數，F = 1.3×730 = 949N。

所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。

根據數學推導，圓環形破坏面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。

上式中，r是圓環內徑，δ是圓環寬度。

破坏面抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）

=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）= 88768mm3

=88.768×10－6 m3

風荷載在破坏面上作用矩引起的應力 = M/W

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

其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強度。

所以，設計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質量能保証，燈杆的抗風是沒有問題的。

2.4 控制器

太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。基本功能必須具備過充保護、過放保護、光控、時控與防反接等。

蓄電池防過充、過放保護電壓一般參數如表1，當蓄電池電壓達到設定值后就改變電路的狀態。

 

在選用器件上，目前有採用單片機的，也有採用比較器的，方案較多，各有特點和優點，應該根據客戶群的需求特點選定相應的方案，在此不一一詳述。

2.5 表面處理

該系列產品採用靜電塗裝新技術，以FP專業建材塗料為主，可以滿足客戶對產品表面色彩及環境協調一致的要求，同時產品自潔性高、抗蝕性強，耐老化，適用於任何氣候環境。加工工藝設計為熱浸鋅的基礎上塗裝，使產品性能大大提高，達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求，其它指標均已達到或超過GB的相關要求。

3、結束語

整體設計基本上考慮到了各個環節；光伏組件的峰瓦數選型設計與蓄電池容量選型設計採用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學；抗風設計從電池組件支架與燈杆兩塊做了分析，分析比較全面；表面處理採用了目前最先進的技術工藝；路燈整體結構簡約而美觀；經過實際運行証明各環節之間匹配性較好。

目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環保節能相比，常規化石能源日趨緊張，並且使用后對環境會造成了日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。

 

戶用光伏電源產品的質量直接關係到用戶的利益。目前我們國家有標準；GBT19064～2003家用太陽能光伏電源系統技術條件和試驗方法對戶用光伏電源產品(以下簡稱產品)進行評價。該標準產品部件提出了相關的技術要求，對組裝成一體的產品整體性沒有評價標準。

2004年10月，lEC頒布了國際標準IEC62124獨立光伏系統一設計驗証(PhotovOItaic(PV1standa10nesystems—Des_gnvermcation)，該標準制定了對獨立光伏系統設計進行驗証試驗的程序，以及系統設計驗証的技術要求，從而可以對系統整體性能進行評估。

標準的範圍和目的

IEC62124標準所包括的技術性能測試方法和程序適用於獨立光伏發電系統。獨立光伏系統由多個部件組成，即使部件符合技術和安全標準，整個系統的技術指標是否滿足設計要求，仍需進一步驗証。該標準驗証了系統的設計和性能，並對系統性能進行評估。

系統性能試驗要求和抽樣

系統應依據本標準的試驗程序進行性能試驗。在試驗進行中，測試者應嚴格遵守製造商的操作、安裝和連接指示。性能試驗可以進行室外試驗，也可以進行室內試驗。如果試驗現場的室外測試條件和標準中的模擬室外條件相似，可以進行室外試驗。如果差別很大，則建議做室內試驗。試驗條件能夠覆蓋系統被設計和使用的主要氣候區。試驗需要同一型號的系統抽取兩個樣品，如果有一個系統在任何一種試驗中不合格，那麼另一滿足標準要求的系統將重新接受整個相關試驗。如果這一系統也不合格那麼該設計將被認為達不到驗証要求。

系統性能試驗系統性能試驗共分為三個階段：預處理、性能試驗、最大電壓時負載運行的適用性。

1.預處理預處理試驗的目的是為了確定系統正常運行時的HVD(蓄電池充滿斷開時的電壓)、LVD(蓄電池欠壓斷開時的電壓)。試驗前應按照製造商的說明對蓄電池進行預處理(如果在系統文件中說明蓄電池不需要預處理，則不進行此項工作)。如果光伏組件為非晶硅，則應進行光致衰降試驗。

2.性能試驗有6個步驟

(1)初始容量試驗(UBCO)：按照標準要求安裝好系統后，對蓄電池進行充電和放電，測量蓄電池容量，由此得到蓄電池的初始可用容量(UBCO)

(2)蓄電池充電循環試驗(BC)：給蓄電池再充電;

(3)系統功能試驗(FT)：主要驗証系統和負載運行是否正常;

(4)第二次容量試驗(UBCl)：通過對蓄電池的充放電，測量蓄電池的第一次可用容量(UBCl)和系統的獨立運行天數;

(5)恢復試驗(RT)：確定光伏系統對已經放電的蓄電池的再充電能力;

(6)最終容量試驗(UBC2)：通過對蓄電池進行充電和放電，測量蓄電池的第二次可用容量(UBC2)。性能試驗6個步驟完成后，根據試驗數據繪製系統特性曲線，從而確定系統平衡點，並得出使系統正常運行的安裝地點的最小平均輻照量。

3.最大電壓時負載運行試驗驗証負載運行在高輻照度和高充電狀態下最大電壓值時的適應性。在這些條件下負載將運行1小時。負載應不會損坏。系統性能試驗從功能性、獨立運行性和電池經過過放狀態后的恢復能力等方面進行了全面測試，從而給出系統不會過早失效的合理確認。性能試驗的合格依據:

(1)整個試驗中負載必須保持運行狀態，除非充電控制器在蓄電池過放電狀態下與負載分離(如果發生了LVD，應註明這個數據);

(2)蓄電池容量的下降在整個測試期間不能超過10％;

(3)恢復：系統電壓在“恢復試驗”中應表現為上升趨勢。、在整個恢復試驗中，充入蓄電池的總安時數(Ah)應大於或等於UBCl的50％;

(4)在UBCl容量測試后，負載再次在第3個“恢復試驗”循環時或之前開始運行;

(5)系統平衡點應和被定義的最小輻照量等級或低於此等級相匹配;

(6)測量的獨立運行天數應和製造廠定義的最小獨立運行天數或更多天數相匹配;

(7)根據製造商的技術指標，在高輻照度期間和高荷電狀態下，負載運行不會因電池產生的最大電壓而損坏;

在試驗期間不應有樣品發生任何不正常的開路或短路現象。

完全滿足上述條件的系統為合格，否則系統為不合格。
光伏太陽能路燈設計原理
 
1、系統介紹

1.1 系統基本組成簡介

系統由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱 （內有控制器、蓄電池）和燈杆几部分構成；太陽能電池板光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統的抗風設計非常有利；燈頭部分以1W白光LED和1W黃光LED集成于印刷電路板上排列為一定間距的點陣作為平面發光源。

控制箱箱體以不鏽鋼為材質，美觀耐用；控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由於其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利於系統維護費用的降低；充放電控制器在設計上兼顧了功能齊備（具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等）與成本控制，實現很高的性價比。

1.2 工作原理介紹

系統工作原理簡單，利用光生伏特效應原理製成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能並轉化為電能輸出，經過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時后，充放電控制器動作，蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。

2、系統設計思想

太陽能路燈的設計與一般的太陽能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環節更多。下面將以香港真明麗集團有限公司的這款太陽能LED大功率路燈為例，分幾個方面做分析。

2.1 太陽能電池組件選型

設計要求：廣州地區，負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數8.5h，保証連續陰雨天數7天。

⑴ 廣州地區近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經簡單計算廣州地區峰值日照時數約為3.424h；

⑵ 負載日耗電量 = = 12.2AH

⑶ 所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A

在這裡，兩個連續陰雨天數之間的設計最短天數為20天，1.05為太陽能電池組件系統綜合損失係數，0.85為蓄電池充電效率。

⑷ 太陽能組件的最少總功率數 = 17.2×5.9 = 102W

選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標準電池組件，應該可以保証路燈系統在一年大多數情況下的正常運行。

2.2 蓄電池選型

蓄電池設計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數要簡單。

根據上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續工作7個陰雨天，再加上第一個晚上的工作，蓄電池容量：

12.2×（7+1） = 97.6 （AH），選用2台12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。

2.3 太陽能電池組件支架

2.3.1 傾角設計

為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。

關於太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學朮刊物上出現得不少。本次路燈使用地區為廣州地區，依據本次設計參考相關文獻中的資料[1]，選定太陽能電池組件支架傾角為16o。

2.3.2 抗風設計

在太陽能路燈系統中，結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計。抗風設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設計，二為燈杆的抗風設計。下面按以上兩塊分別做分析。

⑴ 太陽能電池組件支架的抗風設計

依據電池組件廠家的技術參數資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風係數選定為27m/s（相當于十級颱風），根據非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至於損坏的。所以，設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈杆的連接。

在本套路燈系統的設計中電池組件支架與燈杆的連接設計使用螺栓杆固定連接。

⑵ 路燈燈杆的抗風設計

路燈的參數如下：

電池板傾角A = 16o 燈杆高度 = 5m

設計選取燈杆底部焊縫寬度δ = 4mm 燈杆底部外徑 = 168mm

 

 

如圖3，焊縫所在面即燈杆破坏面。燈杆破坏面抵抗矩W 的計算點P到燈杆受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風荷載在燈杆破坏面上的作用矩M = F×1.545。

根據27m/s的設計最大允許風速，2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N。考慮1.3的安全係數，F = 1.3×730 = 949N。

所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。

根據數學推導，圓環形破坏面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。

上式中，r是圓環內徑，δ是圓環寬度。

破坏面抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）

=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）= 88768mm3

=88.768×10－6 m3

風荷載在破坏面上作用矩引起的應力 = M/W

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

其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強度。

所以，設計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質量能保証，燈杆的抗風是沒有問題的。

2.4 控制器

太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。基本功能必須具備過充保護、過放保護、光控、時控與防反接等。

蓄電池防過充、過放保護電壓一般參數如表1，當蓄電池電壓達到設定值后就改變電路的狀態。

 

在選用器件上，目前有採用單片機的，也有採用比較器的，方案較多，各有特點和優點，應該根據客戶群的需求特點選定相應的方案，在此不一一詳述。

2.5 表面處理

該系列產品採用靜電塗裝新技術，以FP專業建材塗料為主，可以滿足客戶對產品表面色彩及環境協調一致的要求，同時產品自潔性高、抗蝕性強，耐老化，適用於任何氣候環境。加工工藝設計為熱浸鋅的基礎上塗裝，使產品性能大大提高，達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求，其它指標均已達到或超過GB的相關要求。

3、結束語

整體設計基本上考慮到了各個環節；光伏組件的峰瓦數選型設計與蓄電池容量選型設計採用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學；抗風設計從電池組件支架與燈杆兩塊做了分析，分析比較全面；表面處理採用了目前最先進的技術工藝；路燈整體結構簡約而美觀；經過實際運行証明各環節之間匹配性較好。

目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環保節能相比，常規化石能源日趨緊張，並且使用后對環境會造成了日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。

 

戶用光伏電源產品的質量直接關係到用戶的利益。目前我們國家有標準；GBT19064～2003家用太陽能光伏電源系統技術條件和試驗方法對戶用光伏電源產品(以下簡稱產品)進行評價。該標準產品部件提出了相關的技術要求，對組裝成一體的產品整體性沒有評價標準。

2004年10月，lEC頒布了國際標準IEC62124獨立光伏系統一設計驗証(PhotovOItaic(PV1standa10nesystems—Des_gnvermcation)，該標準制定了對獨立光伏系統設計進行驗証試驗的程序，以及系統設計驗証的技術要求，從而可以對系統整體性能進行評估。

標準的範圍和目的

IEC62124標準所包括的技術性能測試方法和程序適用於獨立光伏發電系統。獨立光伏系統由多個部件組成，即使部件符合技術和安全標準，整個系統的技術指標是否滿足設計要求，仍需進一步驗証。該標準驗証了系統的設計和性能，並對系統性能進行評估。

系統性能試驗要求和抽樣

系統應依據本標準的試驗程序進行性能試驗。在試驗進行中，測試者應嚴格遵守製造商的操作、安裝和連接指示。性能試驗可以進行室外試驗，也可以進行室內試驗。如果試驗現場的室外測試條件和標準中的模擬室外條件相似，可以進行室外試驗。如果差別很大，則建議做室內試驗。試驗條件能夠覆蓋系統被設計和使用的主要氣候區。試驗需要同一型號的系統抽取兩個樣品，如果有一個系統在任何一種試驗中不合格，那麼另一滿足標準要求的系統將重新接受整個相關試驗。如果這一系統也不合格那麼該設計將被認為達不到驗証要求。

系統性能試驗系統性能試驗共分為三個階段：預處理、性能試驗、最大電壓時負載運行的適用性。

1.預處理預處理試驗的目的是為了確定系統正常運行時的HVD(蓄電池充滿斷開時的電壓)、LVD(蓄電池欠壓斷開時的電壓)。試驗前應按照製造商的說明對蓄電池進行預處理(如果在系統文件中說明蓄電池不需要預處理，則不進行此項工作)。如果光伏組件為非晶硅，則應進行光致衰降試驗。

2.性能試驗有6個步驟

(1)初始容量試驗(UBCO)：按照標準要求安裝好系統后，對蓄電池進行充電和放電，測量蓄電池容量，由此得到蓄電池的初始可用容量(UBCO)

(2)蓄電池充電循環試驗(BC)：給蓄電池再充電;

(3)系統功能試驗(FT)：主要驗証系統和負載運行是否正常;

(4)第二次容量試驗(UBCl)：通過對蓄電池的充放電，測量蓄電池的第一次可用容量(UBCl)和系統的獨立運行天數;

(5)恢復試驗(RT)：確定光伏系統對已經放電的蓄電池的再充電能力;

(6)最終容量試驗(UBC2)：通過對蓄電池進行充電和放電，測量蓄電池的第二次可用容量(UBC2)。性能試驗6個步驟完成后，根據試驗數據繪製系統特性曲線，從而確定系統平衡點，並得出使系統正常運行的安裝地點的最小平均輻照量。

3.最大電壓時負載運行試驗驗証負載運行在高輻照度和高充電狀態下最大電壓值時的適應性。在這些條件下負載將運行1小時。負載應不會損坏。系統性能試驗從功能性、獨立運行性和電池經過過放狀態后的恢復能力等方面進行了全面測試，從而給出系統不會過早失效的合理確認。性能試驗的合格依據:

(1)整個試驗中負載必須保持運行狀態，除非充電控制器在蓄電池過放電狀態下與負載分離(如果發生了LVD，應註明這個數據);

(2)蓄電池容量的下降在整個測試期間不能超過10％;

(3)恢復：系統電壓在“恢復試驗”中應表現為上升趨勢。、在整個恢復試驗中，充入蓄電池的總安時數(Ah)應大於或等於UBCl的50％;

(4)在UBCl容量測試后，負載再次在第3個“恢復試驗”循環時或之前開始運行;

(5)系統平衡點應和被定義的最小輻照量等級或低於此等級相匹配;

(6)測量的獨立運行天數應和製造廠定義的最小獨立運行天數或更多天數相匹配;

(7)根據製造商的技術指標，在高輻照度期間和高荷電狀態下，負載運行不會因電池產生的最大電壓而損坏;

(8)在試驗期間不應有樣品發生任何不正常的開路或短路現象。

完全滿足上述條件的系統為合格，否則系統為不合格。