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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(yáng)能路燈的組成，分析了各部分的工作原理、工作特點(diǎn)，介紹簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)方法及設(shè)計(jì)中的幾點(diǎn)體會(huì)，最后提出太陽(yáng)能路燈的應(yīng)用場(chǎng)所，展望太陽(yáng)能路燈的發(fā)展前景。...

太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

姜祥元

漢嘉設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司廈門分公司  361001

1、引言

    太陽(yáng)能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽(yáng)能作為一種巨量可再生能源(可再生能源包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽艿确腔�石能�?/span>)，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭。同時(shí)，也隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，太陽(yáng)能發(fā)電在路燈照明領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。筆者就太陽(yáng)能路燈與應(yīng)用的一點(diǎn)體會(huì)供同行參考。

2、太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)

    早在1839年，法國(guó)科學(xué)家貝克雷爾(BECQURAL)發(fā)現(xiàn)，光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象后來(lái)被稱為“光生伏打效應(yīng)”。具體的說(shuō)光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)半導(dǎo)體材料受光照時(shí)，半導(dǎo)體材料內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會(huì)在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓(叫做光生電壓)，使 PN結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。

    1954年美國(guó)科學(xué)家恰賓和皮爾松在貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池，誕生了將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。

太陽(yáng)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(rèn)為是當(dāng)前世界上最有發(fā)展前景的新能源技術(shù)。

3、太陽(yáng)能路燈的組成

    太陽(yáng)能路燈由以下幾個(gè)部分組成：太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)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(yáng)能控制器的控制下，白天太陽(yáng)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(fù)載。直流控制器能夠在任何條件下(陽(yáng)光充足或長(zhǎng)期陰雨天)都能確保蓄電池組不因過(guò)充或過(guò)放而被損壞，同時(shí)具備光控、時(shí)控、聲控、溫度補(bǔ)償及防雷、反極性保護(hù)等功能。如圖2。

    3.1太陽(yáng)能電池板： 

    太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能路燈中的核心部分，也是太陽(yáng)能路燈中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)。在眾多太陽(yáng)光電池中較普遍且較實(shí)用的有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池及非晶硅太陽(yáng)能電池等三種。在太陽(yáng)光充足日照好的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽(yáng)能電池為好，因?yàn)槎嗑Ч杼��?yáng)能電池生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，價(jià)格比單晶硅太陽(yáng)能電池低。在陰雨天比較多、陽(yáng)光相對(duì)不是很充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽(yáng)能電池為好，因?yàn)閱尉Ч杼��?yáng)能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。非晶硅太陽(yáng)能電池在室外陽(yáng)光不足的情況下比較好，因?yàn)榉蔷Ч杼��?yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光照條件要求比較低。另外第二代太陽(yáng)電池的研制，即將取得突破性進(jìn)展，其核心部件是一種可粘接的薄膜，即薄膜太陽(yáng)能電池材料。

    3.2太陽(yáng)能控制器

    太陽(yáng)能燈具中，一個(gè)性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，必須對(duì)它的充電放電條件加以限制，防止蓄電池過(guò)充電及深度充電。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。同時(shí)太陽(yáng)能控制器應(yīng)兼有路燈控制功能，具有光控、時(shí)控功能，并應(yīng)具有夜間自動(dòng)切控負(fù)載功能，便于陰雨天延長(zhǎng)路燈工作時(shí)間。

    3.3蓄電池

    由于太陽(yáng)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(yáng)能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來(lái)，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過(guò)小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池過(guò)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(shí)造成浪費(fèi)。蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)能電池、用電負(fù)荷(路燈)相匹配。可用一種簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系。太陽(yáng)能電池功率必須比負(fù)載功率高出4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽(yáng)能電池的電壓要超過(guò)蓄電池的工作電壓20—30％，才能保證給蓄電池正常負(fù)電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜。

    3.4光源

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

    3.5燈桿及燈具外殼

    燈桿的高度應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標(biāo)準(zhǔn)確定。燈具外觀要求不高，相對(duì)實(shí)用就行。

4、太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)

    太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)需要的基本數(shù)據(jù)主要有：現(xiàn)場(chǎng)的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔高度等；安裝地點(diǎn)的氣象資料，包括逐月的太陽(yáng)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(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)，最大風(fēng)速及冰雹、降雪等特殊氣象情況。氣象資料一般無(wú)法做出長(zhǎng)期預(yù)測(cè)，只能以過(guò)去l0—20年的平均值作為依據(jù)。以下做簡(jiǎn)要計(jì)算的介紹。

    4.1道路照度計(jì)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(duì)矩形排列布置時(shí)取2，單側(cè)和交錯(cuò)布置時(shí)取U利用系數(shù)；K維護(hù)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(jì)算出光源所需的功率。

    4.2電池板的功率計(jì)算

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

    4.3蓄電池的容量計(jì)算

    蓄電池容量=光源用電功率·每天所用時(shí)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(yàn)數(shù)據(jù)，太陽(yáng)能電池組件額定輸出功率和燈具輸入功率之間關(guān)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(yáng)能燈具的工廠將太陽(yáng)能電池水平放置，在這種情況下，太陽(yáng)能電池的輸出功率將減少l5％一20％，如果再在太陽(yáng)能電池上面增加一個(gè)裝飾性外罩，太陽(yáng)能電池的輸出功率又將減少5％左右。太陽(yáng)能電池價(jià)格昂貴，我們收集了許多國(guó)外太陽(yáng)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(shuō)，實(shí)際使用中基本以當(dāng)?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(yīng)，一般也是將太陽(yáng)能電池傾斜放置。

5、太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)體會(huì)

    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(shù)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(guò)測(cè)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(yáng)能路燈宜在次于路、支路上使用，主要道路慎用。

    5.2照明時(shí)間

    LED路燈每天的工作時(shí)間應(yīng)同一般路燈的工作要求，設(shè)計(jì)應(yīng)考慮冬天日照時(shí)間短時(shí)，其工作時(shí)間應(yīng)能在12小時(shí)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(wú)法使用。國(guó)家現(xiàn)無(wú)規(guī)范對(duì)LED路燈在低輻照度(連續(xù)陰雨天)情況，允許最少工作時(shí)間沒(méi)有做出規(guī)定，現(xiàn)一般根據(jù)燈具廠家和當(dāng)?shù)氐臍庀笄闆r，應(yīng)在低幅照度(連續(xù)陰雨天)工作狀況下工作l0一15天。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮太陽(yáng)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(hù)接地。但LED路燈金屬燈桿應(yīng)做防雷接地，接地電阻不大于10Ω。

    5.4太陽(yáng)能路燈的優(yōu)缺點(diǎn)

    太陽(yáng)能路燈的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡(jiǎn)便，安全無(wú)隱患，燈具是低壓產(chǎn)品，運(yùn)行安全可靠，不會(huì)發(fā)生觸電事故，節(jié)能、綠色環(huán)保，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞。

    太陽(yáng)能路燈的缺點(diǎn)是首期一次性投入較高，如LED太陽(yáng)能路燈采用造價(jià)昂貴的進(jìn)口晶硅太陽(yáng)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(jià)在1萬(wàn)元左右，太陽(yáng)能路燈，每座造價(jià)達(dá)到了1.4萬(wàn)元。

6、太陽(yáng)能路燈的應(yīng)用

    據(jù)統(tǒng)計(jì)每年中國(guó)陸地接受的太陽(yáng)輻射總量相當(dāng)于24000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽(yáng)能利用條件較好的地區(qū)占國(guó)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(yuǎn)，交通不便，顯然太陽(yáng)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(dú)特的雪域高原風(fēng)光。感受雪域高原獨(dú)特魅力風(fēng)情的同時(shí)，我還注意到設(shè)在青藏鐵路邊上的中國(guó)移動(dòng)基站，全部采用太陽(yáng)能，一些火車小站及鄉(xiāng)鎮(zhèn)，牧場(chǎng)照明采用太陽(yáng)能照明。

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

    太陽(yáng)能路燈或照明的應(yīng)用場(chǎng)所具體如下：

    鄉(xiāng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等邊遠(yuǎn)地區(qū)公路街道照明；城市廣場(chǎng)、公園、停車場(chǎng)、學(xué)校操場(chǎng)、工廠綠地照明；高爾夫球場(chǎng)、海濱浴場(chǎng)、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(jié)束語(yǔ)

    2006年1月1日我國(guó)《可再生能源法》正式實(shí)施，太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源作為十一五期間國(guó)家能源重點(diǎn)發(fā)展方向，將在稅收等方面享有優(yōu)惠政策。同時(shí)，《可再生能源法》中明確指出，到2020年，我國(guó)可再生能源的構(gòu)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(yīng)在建筑物的設(shè)計(jì)和施工中，為太陽(yáng)能的利用提供必備條件。據(jù)悉，建設(shè)部正在起草的《太陽(yáng)能使用法》，其中將規(guī)定在新建住宅中將強(qiáng)制使用太陽(yáng)能。未來(lái)幾年，太陽(yáng)能將和家用電器一樣走進(jìn)千家萬(wàn)戶。當(dāng)前我國(guó)新能源企業(yè)已漸成氣候，比較大的廠家有：力諾太陽(yáng)、無(wú)錫尚德、常熟阿特斯等企業(yè)。

    太陽(yáng)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(huì)的不斷發(fā)展，它將被廣泛利用，使太陽(yáng)賜給大地的光明在夜晚為人類照明。

參考文獻(xiàn)

[1]中國(guó)太陽(yáng)能利用協(xié)會(huì)．新編太陽(yáng)能產(chǎn)品設(shè)計(jì)與太陽(yáng)能利用新技術(shù)新工藝實(shí)務(wù)全書[M]．北京：中國(guó)科技文化出版社，2007：699—700．

[2]馬文會(huì)，戴永年，楊斌等．加快太陽(yáng)能級(jí)硅制備新技術(shù)研發(fā)，促進(jìn)硅資源可持續(xù)發(fā)展[J]．中國(guó)工程科學(xué)，2005，增刊：91—94．

[3]CJJ45—2006，《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[s]．

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：溫紅娟  劉紅娟  尹維維 編輯 文徑 審核)

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