太阳能通道灯系统设计方法

前言

　　太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，具有节能、环保、方便的优点。

　　按接受太阳能辐射量的大小，我国大致上可分为五类地区。深圳地处亚热带，气候冬暖夏热，属于三类地区，全年日照时数为2200～3000小时，具备利用太阳能的有利自然条件。

　　太阳能直接应用有光热转换、光电转换、光化学转换三种，间接与综合利用种类更加繁多。光电转换主要有太阳能电池板和太阳能供电系统；光热转换主要有热水器、开水器、太阳灶、干燥器等；光化学转换主要是光合作用、光电化学作用的应用，现尚处在实验研究阶段。

一、太阳能通道灯系统简介

　　1、太阳能通道灯系统安装背景

　　深圳有许多立交桥的通道长度超过40米。这些通道由于采光不足，白天也显得很暗，特别是路灯开启前及路灯关闭后的各1个多小时和阴雨天时，通道内更是漆黑。为了市民的安全，通道必须24小时亮灯。但原有通道灯接路灯电源，只能在晚上亮灯。如果采用市电供电白天亮灯，就要重新敷设线路，投资大，施工困难；采用太阳能光伏系统供电投入小，施工方便。

　　另一方面，近年来深圳电力供应紧张，政府提倡节约用电。因此，很有必要安装太阳能通道灯系统。

　　2、通道情况

　　下面以洪湖立交南侧通道为例，讨论该系统的组成。
　　洪湖立交南侧通道长40米，宽6米，通道到安装太阳能装置的地点距离约15米，原有3套250W高压钠灯，在晚上才有电源。

　　3、系统原理

　　太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”。
　　太阳能通道灯系统作原理见图1。主要组成部分包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池、逆变器、灯具。

图1 太阳能通道灯系统原理图

原有通道灯总功率为750W，用太阳能来供电所需的太阳能电池功率、蓄电池容量较大，系统造价偏高，而且一套灯具24小时*365天一直亮灯，灯泡寿命会降低。因此，为保证稳定的照明效果，另外安装一套太阳能通道灯系统。晚上市电供电时，原有通道灯亮；晚上市电故障或白天时，点亮由太阳能供电的通道灯，保证通道一直亮灯。

二、直流/交流负载比较与选择

　　如选用直流负载，可省略了逆变器这一中间环节，提高能源利用效率。但由于通道长40米，由蓄电池到末端灯具约40+15+5＝60米，24V直流电压线路损耗高达10％；此外，直流低压大电流控制损耗大，升降电压技术比较复杂，直流节能灯光效低（45Lm/W），寿命短（5000小时），采购困难等。

　　相比之下，虽然使用交流负载利用率稍低，但逆变器的转换效率＞90％，损耗并不是很大，而交流负载更实用、方便，所以选用交流负载。
 
三、光源的选择与灯具布置

　　通过对光源光效、寿命、价格、通用性等综合比较，选择5*25W高效节能灯。灯具布置如下：

 
　　图2 灯具布置

四、太阳能电池板
 
　　太阳能电池板是太阳能光电转换的主要部件。太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。

　　1、峰值功率选择（估算公式）：

　　Pk=灯具功率×灯具数量×每日使用时间÷每天有效日照时间÷太阳能电池方阵实际使用功率系数÷蓄电池转换效率÷逆变器效率
　　Pk＝25(W)×5(套)×12(H)÷5(H)÷0.7÷0.85÷0.9＝560.22W

其中：

　　1）由于市电通道灯亮灯时间由经纬仪随季节变化而调节，太阳能通道灯每天亮灯时间11～14小时，取12小时。
　　2）太阳能电池方阵实际使用功率系数考虑了太阳能电池板的充电效率和充电过程中的损耗，取0.7。
　　所以，太阳能板功率选取为600W(75W×8pcs)

　　3、安装倾斜角度为33～35度，方向正南方，既便于充分吸收太阳能，又可利用雨水对太阳能板进行自清洗。

五、控制器

控制器采用PWM脉宽调制控制器。具备以下功能：
1、过充保护：当电池电压超过28V时，停止充电；
2、过放保护：当电池电压低于22V时，切断负载；
3、蓄电池充电温度补偿；
4、正极反接保护；
5、短路保护；
6、过载保护；
7、过热保护(带散热装置)；
8、雷击保护；
9、小功率交流补充充电系统：当阴雨天，太阳能充电不足，电池电压低于直流22V时，在晚上通过高频整流开关将交流220V市电转换成直流24V，对蓄电池进行补充充电；
10、检测市电及切换：当晚上有市电电源时，市电通道灯亮，控制器关掉太阳能通道灯；当晚上市电故障时或白天时，控制器检测到没有市电信号，开启太阳能通道灯。这样比装时控开关更能保证通道24小时亮灯。

六、蓄电池

　　蓄电池是储存电能的装置。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。
由于在室外安装，选用阀控免维护铅酸蓄电池。因12V蓄电池较为常见，所以用两个12V电池串连成24V。

1、蓄电池容量选择：

　　在上节控制器部分谈到，阴雨天时可以在晚上用市电对蓄电池进行补充充电；在晚上市电故障时，点亮太阳能通道灯。但最坏情况是两种情况同时出现，就要靠蓄电池单独供电。另一方面，为保证蓄电池稳定运行，要求蓄电池放电深度在40％～60％之间。当然，维护工人会及时处理市电故障，所以只需考虑市电故障和阴雨天同时出现1天的情况。
蓄电池容量为25W×5×12h×1÷24V÷0.4÷0.85÷0.9＝204.25Ah
选两个12V/200Ah蓄电池。

2、蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。

七、逆变器

　　逆变器通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，将直流电能转换成交流电能。

1、逆变器3种波形的比较：

方波：见图3。结构简单，造价低，转换效率＞75％，感抗负载差，适用于一般的阻抗负载如普通白炽灯等。
正弦波：见图4。转换效率高达95％，波形精确稳定，适用于电信通信设备及一切电器负载，但造价高。
修正正弦波：见图5。转换效率＞90％，性能接近正弦波，造价比较低。

因此本系统采用修正正弦波逆变器。

2、功率选择

　　因节能灯启动电流是额定工作电流的5-7倍，负载功率为125W，所以选定逆变器功率为800W/24V。
      
八、防盗措施

    控制器、蓄电池、逆变器等都安装在配电箱内，放置在太阳能电池方阵的龙门支架4米处；电线套钢管全封闭式敷设，灯具加装防盗铁笼。

九、其他部件

　　太阳能电池方阵支架采用防风结构，立柱不得小于Φ140mm，结构件采用内热镀锌外喷塑(确保10年不生锈)。
电线采用单相RVV－3*4mm2。立柱接地电阻极不大于10欧。所有人体可能接触的金属外壳均可靠接地。

十、小结

　　一般的太阳能路灯是白天充电晚上放电，而本系统由于通道的实际需求，需要在市电通道灯无法亮灯的情况下开启，但基本原理相同。