編者按：文章介紹了由香港真明麗集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的一款太陽(yáng)能LED大功率路燈的工作原理和設(shè)計(jì)思想。
前言
隨著世界能源危機(jī)的加劇，各國(guó)都在尋求解決能源危機(jī)的辦法，一條道路是尋求新能源和可再生能源的利用；另一條是尋求新的節(jié)能技術(shù)，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。
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，每天達(dá)到地球表面的輻射能大約等于2.5億萬(wàn)桶石油，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭。
LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，所以發(fā)光效率高，一般人都認(rèn)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(yáng)能LED照明集成了太陽(yáng)能與LED的優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)香港真明麗集團(tuán)有限公司的一款太陽(yáng)能LED大功率路燈做了深入探討與詳細(xì)介紹，如圖1。
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| 太陽(yáng)能LED大功率路燈的研究 |
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圖1 太陽(yáng)能路燈實(shí)物圖
1 系統(tǒng)介紹
1.1 系統(tǒng)基本組成簡(jiǎn)介
如圖2，系統(tǒng)由太陽(yáng)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(yáng)能電池板光效達(dá)到127Wp/m2，效率較高，對(duì)系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(diǎn)陣作為平面發(fā)光源。
圖2 太陽(yáng)能LED路燈結(jié)構(gòu)示意圖 | | | 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(hù)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(hù)很少，故又被稱(chēng)為“免維護(hù)電池”，有利于系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用的降低；充放電控制器在設(shè)計(jì)上兼顧了功能齊備（具備光控、時(shí)控、過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)和反接保護(hù)等）與成本控制，實(shí)現(xiàn)很高的性?xún)r(jià)比。
1.2 工作原理介紹
系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)單，利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池白天太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過(guò)充放電控制器儲(chǔ)存在蓄電池中，夜晚當(dāng)照度逐漸降低至10lux左右、太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測(cè)到這一電壓值后動(dòng)作，蓄電池對(duì)燈頭放電。蓄電池放電8.5小時(shí)后，充放電控制器動(dòng)作，蓄電池放電結(jié)束。
充放電控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池。
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)與一般的太陽(yáng)能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環(huán)節(jié)更多。下面將以香港真明麗集團(tuán)有限公司的這款太陽(yáng)能LED大功率路燈為例，分幾個(gè)方面做分析。
2.1 太陽(yáng)能電池組件選型
從理論上說(shuō)，太陽(yáng)能電池足見(jiàn)選型應(yīng)該根據(jù)用戶(hù)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射資料確定，而不應(yīng)該是選用一個(gè)全國(guó)通用的電池組件瓦數(shù)，因?yàn)槟菢訒?huì)造成浪費(fèi)。在本文中為了說(shuō)明設(shè)計(jì)思想，選定一個(gè)具體的地點(diǎn)。
以北京地區(qū)為例，負(fù)載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時(shí)數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)5天。
⑴ 北京地區(qū)近二十年年均輻射量134.45Kcal/cm2，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算北京地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)約為4.3h；
⑵ 負(fù)載日耗電量 = = 12.2AH；
⑶ 所需太陽(yáng)能組件的總充電電流 = 12.2× ÷（4.3×0.85）=3.894A；
在這里，兩個(gè)連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計(jì)最短天數(shù)為30天，0.85為蓄電池充電效率（蓄電池自放電等損失）；
⑷ 太陽(yáng)能組件的最少總功率數(shù) = 24×3. 894 = 93.46W；
選擇太陽(yáng)能電池組件為100Wp、單塊50Wp可以滿(mǎn)足要求。
以上是以北京地區(qū)的日照條件為設(shè)計(jì)依據(jù)做的太陽(yáng)能電池組件峰瓦數(shù)選型，在實(shí)際中應(yīng)該根據(jù)用戶(hù)當(dāng)?shù)氐娜照召Y料選擇相應(yīng)的規(guī)格。
2.2 蓄電池選型
蓄電池設(shè)計(jì)容量計(jì)算相比于太陽(yáng)能組件的峰瓦數(shù)要簡(jiǎn)單。
根據(jù)上面的計(jì)算知道，負(fù)載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿(mǎn)情況下，可以連續(xù)工作5個(gè)陰雨天，再加上第一個(gè)晚上的工作，蓄電池容量：
12.2×（5+1） =73.2（AH），選用2臺(tái)12V100AH的蓄電池就可以滿(mǎn)足要求了。
2.3 太陽(yáng)能電池組件支架
2.3.1 傾角設(shè)計(jì)
為了讓太陽(yáng)能電池組件在一年中接收到的太陽(yáng)輻射能盡可能的多，我們要為太陽(yáng)能電池組件選擇一個(gè)最佳傾角。
關(guān)于太陽(yáng)能電池組件最佳傾角問(wèn)題的探討，近年來(lái)在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。以北京地區(qū)為例，依據(jù)本次設(shè)計(jì)參考相關(guān)文獻(xiàn)中的資料[1]，太陽(yáng)能電池組件支架傾角為43.8o。
2.3.2 抗風(fēng)設(shè)計(jì)
在太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個(gè)需要非常重視的問(wèn)題就是抗風(fēng)設(shè)計(jì)�？癸L(fēng)設(shè)計(jì)主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，二為燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。下面按以上兩塊分別做分析。
⑴ 太陽(yáng)能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)
依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽(yáng)能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強(qiáng)為2700Pa。若抗風(fēng)系數(shù)選定為27m/s（相當(dāng)于十級(jí)臺(tái)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(jì)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(jì)中電池組件支架與燈桿的連接設(shè)計(jì)使用螺栓桿固定連接。
⑵ 路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)
路燈的參數(shù)如下：
電池板傾角A = 43.8o 燈桿高度 = 5m
燈桿頂部外徑=105mm，燈桿底部外徑 = 165mm
太陽(yáng)能電池板面積=2×0.8×0.541=0.8656m2
燈臂長(zhǎng)度1m，燈頭+燈臂重10Kg
圖3 燈桿抗風(fēng)設(shè)計(jì)分析圖
太陽(yáng)能電池板受風(fēng)壓在燈桿底部作用矩
= 0.5×272×0.8656×sin43.8×5= 1091.89 N.m
燈桿受風(fēng)壓在燈桿底部作用矩
= = 2075.94N.m
頂部外徑d1、底部外徑d2、高度h的燈桿，風(fēng)速為V，那么風(fēng)作用在燈桿上的壓力在燈桿底部造成的作用矩
= ，x為燈桿上某處距離底部的距離為燈桿在x處的外徑， 為風(fēng)速為V時(shí)候的風(fēng)壓---根據(jù)伯努力方程；
燈頭+燈臂重力在燈桿底部作用矩
= 0.5×10×9.8 = 49 N.m
總作用矩 = 1091.89+2075.94+49 = 3216.83 N.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×（3×82.52×4＋3×82.5×42＋43）= 85699mm3
=85.699×10－6 m3
風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力 = 3216.83/(85.699×10－6)
=37.536×106 Pa = 37.536MPa <<215MPa
其中，215MPa是Q235鋼的抗彎強(qiáng)度。所以，設(shè)計(jì)選取的焊縫寬度滿(mǎn)足要求，只要焊接質(zhì)量保證，燈桿的抗風(fēng)是沒(méi)有問(wèn)題的。
2.4 控制器
太陽(yáng)能充放電控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池。基本功能必須具備過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、光控、時(shí)控與防反接等。
蓄電池防過(guò)充、過(guò)放保護(hù)電壓一般參數(shù)如表1，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)。
表1 蓄電池充放電保護(hù)
標(biāo)稱(chēng)電壓
防過(guò)充電壓
防過(guò)放電壓
6V
7.2V±0.1V
5. 5±0.1V
12V
14.3±0.1V
11.0±0.1V
24V
28.6±0.1V
22.0±0.1V
在選用器件上，目前有采用單片機(jī)的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)客戶(hù)群的需求特點(diǎn)選定相應(yīng)的方案，在此不一一詳述。
2.5 表面處理
該系列產(chǎn)品采用靜電涂裝新技術(shù)，以FP專(zhuān)業(yè)建材涂料為主，可以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品表面色彩及環(huán)境協(xié)調(diào)一致的要求，同時(shí)產(chǎn)品自潔性高、抗蝕性強(qiáng)，耐老化，適用于任何氣候環(huán)境。加工工藝設(shè)計(jì)為熱浸鋅的基礎(chǔ)上涂裝，使產(chǎn)品性能大大提高，達(dá)到了最嚴(yán)格的AAMA2605.2005的要求，其它指標(biāo)均已達(dá)到或超過(guò)GB的相關(guān)要求。
3結(jié)束語(yǔ)
整體設(shè)計(jì)基本上考慮到了各個(gè)環(huán)節(jié)；光伏組件的峰瓦數(shù)選型設(shè)計(jì)與蓄電池容量選型設(shè)計(jì)采用了目前最通用的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)思想比較科學(xué)；抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(jìn)的技術(shù)工藝；路燈整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約而美觀。
目前，太陽(yáng)能LED照明的初投資問(wèn)題仍然是困擾我們的一個(gè)主要問(wèn)題。但是，太陽(yáng)能電池光效在逐漸提高，而價(jià)格會(huì)逐漸降低，同樣地市場(chǎng)上LED光效在快速地提高，而價(jià)格卻在降低。與太陽(yáng)能的可再生、清潔無(wú)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(duì)環(huán)境會(huì)造成了日益嚴(yán)重的污染。
所以，太陽(yáng)能LED照明作為一種方興未艾的戶(hù)外照明，展現(xiàn)給我們的將是無(wú)窮的生命力和廣闊的前景。
參考文獻(xiàn)
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