太陽能LED照明原理與技術(shù)

　　前言：隨著世界能源危機(jī)的加劇，各國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(dá)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(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。

　　太陽能ＬＥＤ照明集成了太陽能與ＬＥＤ的優(yōu)點(diǎn)。

　?。?、系統(tǒng)介紹

　?。保薄∠到y(tǒng)基本組成簡(jiǎn)介

　　系統(tǒng)由太陽能電池電池

　　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、過充保護(hù)、過放保護(hù)和反接保護(hù)等）與成本控制，實(shí)現(xiàn)很高的性價(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(chǔ)存在蓄電池中，夜晚當(dāng)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(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。

　?。病⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)思想

　　太陽能路燈的設(shè)計(jì)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(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能ＬＥＤ大功率路燈為例，分幾個(gè)方面做分析。

　?。玻薄√柲茈姵亟M件選型

　　設(shè)計(jì)要求：廣州地區(qū)，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)７天。

　?、拧V州地區(qū)近二十年年均輻射量１０７．７Ｋｃａｌ／ｃｍ２，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算廣州地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)約為３．４２４ｈ；

　?、啤∝?fù)載日耗電量?。健。健。保玻玻粒?/P>

　　⑶　所需太陽能組件的總充電電流＝?。保埃怠粒保玻病痢拢ǎ常矗玻础粒埃福担剑担梗?/P>

　　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。

　?、取√柲芙M件的最少總功率數(shù)?。健。保罚病粒担埂。健。保埃玻?/P>

　　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(yùn)行。

　?。玻病⌒铍姵剡x型

　　蓄電池設(shè)計(jì)容量計(jì)算相比于太陽能組件的峰瓦數(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。在蓄電池充滿情況下，可以連續(xù)工作７個(gè)陰雨天，再加上第一個(gè)晚上的工作，蓄電池容量：

　　１２．２×（７＋１）?。健。梗罚丁。ǎ粒龋?，選用２臺(tái)１２Ｖ１００ＡＨ的蓄電池就可以滿足要求了。

　?。玻场√柲茈姵亟M件支架

　　２．３．１　傾角設(shè)計(jì)

　　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(gè)最佳傾角。

　　關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。本次路燈使用地區(qū)為廣州地區(qū)，依據(jù)本次設(shè)計(jì)參考相關(guān)文獻(xiàn)中的資料［１］，選定太陽能電池組件支架傾角為１６ｏ。

　?。玻常病】癸L(fēng)設(shè)計(jì)

　　在太陽能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個(gè)需要非常重視的問題就是抗風(fēng)設(shè)計(jì)。抗風(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。

　?、啤÷窡魺魲U的抗風(fēng)設(shè)計(jì)

　　路燈的參數(shù)如下：

　　電池板傾角Ａ?。健。保叮铩　　　　　　　　魲U高度?。健。担?/P>

　　設(shè)計(jì)選取燈桿底部焊縫寬度δ　＝?。矗恚怼魲U底部外徑?。健。保叮福恚?/P>

　　焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩Ｗ　的計(jì)算點(diǎn)Ｐ到燈桿受到的電池板作用荷載Ｆ作用線的距離為ＰＱ?。健。郏担埃埃埃ǎ保叮福叮簦幔睿保叮铮荨痢。樱椋睿保叮铩。健。保担矗担恚怼。剑保担矗担怼Ｋ裕L(fēng)荷載在燈桿破壞面上的作用矩Ｍ?。健。啤粒保担矗?。

　　根據(jù)２７ｍ／ｓ的設(shè)計(jì)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?。健。保场粒罚常啊。健。梗矗梗?。

　　所以，Ｍ?。健。啤粒保担矗怠。健。梗矗埂粒保担矗怠。健。保矗叮叮危?。

　　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?。健ˇ小粒ǎ常颍拨模常颚模玻模常溅小粒ǎ场粒福矗病粒矗场粒福础粒矗玻矗常健。福福罚叮福恚恚?/P>

　?。剑福福罚叮浮粒保埃丁。恚?/P>

　　風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力?。健。停祝健。保矗叮叮ǎ福福罚叮浮粒保埃叮。剑保叮怠粒保埃叮穑帷。剑保叮怠。停穑幔迹迹玻保担停穑?/P>

　　其中，２１５?。停穑崾牵眩玻常典摰目箯潖?qiáng)度。

　　所以，設(shè)計(jì)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。

　?。玻础】刂破?/P>

　　太陽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充保護(hù)、過放保護(hù)、光控、時(shí)控與防反接等。

　　蓄電池防過充、過放保護(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)。

　　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)客戶群的需求特點(diǎn)選定相應(yīng)的方案，在此不一一詳述。

　?。玻怠”砻嫣幚?/P>

　　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(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ＧＢ的相關(guān)要求。

　?。?、結(jié)束語

　　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；經(jīng)過實(shí)際運(yùn)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(gè)主要問題。但是，太陽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(duì)環(huán)境會(huì)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。