太陽能LED照明系統(tǒng)的工作原理及其設(shè)計思想

太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽能作為一種巨量可再生能源，每天達到地球表面的輻射能大約等于 2.5 億萬桶石油，可以說是取之不盡、用之不竭。led 的光譜幾乎全部集中于可見光頻段，所以發(fā)光效率高，一般人都認為，節(jié)能燈可節(jié)能 4/5 是偉大的創(chuàng)舉，但 LED 比節(jié)能燈還要節(jié)能 1/4，這是固體光源更偉大的改革。

太陽能 LED 照明集成了太陽能與 LED 的優(yōu)點。

1、太陽能 LED 照明系統(tǒng)簡介及工作原理

系統(tǒng)由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED 燈頭、控制箱（內(nèi)有控制器、蓄電池）和燈桿幾部分構(gòu)成;太陽能電池板光效達到 127Wp/m2，效率較高，對系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)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(fā)光源。

控制箱箱體以不銹鋼為材質(zhì)，美觀耐用;控制箱內(nèi)放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統(tǒng)選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護很少，故又被稱為“免維護電池，有利于系統(tǒng)維護費用的降低;充放電控制器在設(shè)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(xiàn)很高的性價比。

系統(tǒng)工作原理簡單，利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當(dāng)照度逐漸降低至 101ux 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(jié)束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。

2、太陽能 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計思想

2.1 太陽能電池組件選型

設(shè)計要求：廣州地區(qū)，負載輸入電壓 24V 功耗 34.5W，每天工作時數(shù) 8.5H，保證連續(xù)陰雨天數(shù) 7 天。

⑴廣州地區(qū)近二十年年均輻射量 107.7Kcal/cm2，經(jīng)簡單計算廣州地區(qū)峰值日照時數(shù)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

在這里，兩個連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計最短天數(shù)為 20 天，1.05 為太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，0.85 為蓄電池充電效率。

⑷太陽能組件的最少總功率數(shù)=17.2×5.c=102W

選用峰值輸出功率 110Wp、單塊 55Wp 的標(biāo)準(zhǔn)電池組件，應(yīng)該可以保證路燈系統(tǒng)在一年大多數(shù)情況下的正常運行。

2.2 蓄電池選型

蓄電池設(shè)計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數(shù)要簡單。

根據(jù)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(xù)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 臺 12V100AH 的蓄電池就可以滿足要求了。

2.3 太陽能電池組件支架設(shè)計

2.3.1 傾角設(shè)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(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，本次路燈使用地區(qū)為廣州地區(qū)，選定太陽能電池組件支架傾角為 16 度。

2.3.2 太陽能 LED 照明系統(tǒng)抗風(fēng)設(shè)計

在太陽能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個需要非常重視的問題就是抗風(fēng)設(shè)計。抗風(fēng)設(shè)計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計，二為燈桿的抗風(fēng)設(shè)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(fēng)設(shè)計

依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強為 2700pA. 若抗風(fēng)系數(shù)選定為 27M/s（相當(dāng)于十級臺風(fēng)），根據(jù)非粘性流體力學(xué)，電池組件承受的風(fēng)壓只有 365pA。所以，組件本身是完全可以承受 27M/s 的風(fēng)速而不至于損壞的。所以，設(shè)計中關(guān)鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。

在本套路燈系統(tǒng)的設(shè)計中電池組件支架與燈桿的連接設(shè)計使用螺栓桿固定連接。

⑵路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計

路燈的參數(shù)如下：

電池板傾角 A=16°燈桿高度=5M

設(shè)計選取燈桿底部焊縫寬度δ=4MM 燈桿底部外徑=168MM

焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩 W 的計算點 p 到燈桿受到的電池板作用荷載 F 作用線的距離為 pQ=［5000+（168+6）/tAn16°］×Sin16°=1545MM=1.545M. 所以，風(fēng)荷載在燈桿破壞面上的作用矩 M=F×1.545。

根據(jù) 27M/s 的設(shè)計最大允許風(fēng)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 的安全系數(shù)，F(xiàn)=1.3×730=949N。

所以，M=F×1.545=949×1.545=1466N.m。

根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，圓環(huán)形破壞面的抵抗矩 W=π×（3r2δ+3rδ2+δ3）。

上式中，r 是圓環(huán)內(nèi)徑，δ是圓環(huán)寬度。

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

風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力=M/W=1466/（88.768×10-6）=16.5×106pA=16.5MpA《215MpA

其中，215MpA 是 Q235 鋼的抗彎強度。

所以，設(shè)計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質(zhì)量能保證，燈桿的抗風(fēng)是沒有問題的。

2.4 太陽能 LED 照明系統(tǒng)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(shù)如表 1，當(dāng)蓄電池電壓達到設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)。

在選用器件上，目前有采用單片機的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點和優(yōu)點，應(yīng)該根據(jù)客戶群的需求特點選定相應(yīng)的方案，在此不一一詳述。

2.5 太陽能 LED 照明系統(tǒng)表面處理

該系列產(chǎn)品采用靜電涂裝新技術(shù)，以 Fp 專業(yè)建材涂料為主，可以滿足客戶對產(chǎn)品表面色彩及環(huán)境協(xié)調(diào)一致的要求，同時產(chǎn)品自潔性高、抗蝕性強，耐老化，適用于任何氣候環(huán)境。加工工藝設(shè)計為熱浸鋅的基礎(chǔ)上涂裝，使產(chǎn)品性能大大提高，達到了最嚴(yán)格的 AAMA2605.2005 的要求，其它指標(biāo)均已達到或超過 GB 的相關(guān)要求。

3、結(jié)束語

整體設(shè)計基本上考慮到了各個環(huán)節(jié);光伏組件的峰瓦數(shù)選型設(shè)計與蓄電池容量選型設(shè)計采用了目前最通用的設(shè)計方法，設(shè)計思想比較科學(xué);抗風(fēng)設(shè)計從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面;表面處理采用了目前最先進的技術(shù)工藝;路燈整體結(jié)構(gòu)簡約而美觀;經(jīng)過實際運行證明各環(huán)節(jié)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(huán)保節(jié)能相比，常規(guī)化石能源日趨緊張，并且使用后對環(huán)境會造成了日益嚴(yán)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(xiàn)給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。

審核編輯 黃昊宇