編者按：文章介紹了由香港真明麗集團有限公司設計生產的一款太陽能LED大功率路燈的工作原理和設計思想。
前言
隨著世界能源危機的加劇，各國都在尋求解決能源危機的辦法，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能技術，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，所以發光效率高，一般人都認為，節能燈可節能4/5是偉大的創舉，但LED比節能燈還要節能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的優點。本文對香港真明麗集團有限公司的一款太陽能LED大功率路燈做了深入探討與詳細介紹，如圖1。
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| 太陽能LED大功率路燈的研究 |
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圖1 太陽能路燈實物圖
1 系統介紹
1.1 系統基本組成簡介
如圖2，系統由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱（內有控制器、蓄電池）和燈桿幾部分構成；
太陽能電池板光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統的抗風設計非常有利；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光源。
圖2 太陽能LED路燈結構示意圖 | | | 控制箱箱體以不銹鋼為材質，美觀耐用；控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統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”，有利于系統維護費用的降低；充放電控制器在設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，實現很高的性價比。
1.2 工作原理介紹
系統工作原理簡單，利用光生伏特效應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化為電能輸出，經過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至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，蓄電池放電結束。
充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。
2 系統設計思想
太陽能路燈的設計與一般的太陽能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環節更多。下面將以香港真明麗集團有限公司的這款太陽能LED大功率路燈為例，分幾個方面做分析。
2.1 太陽能電池組件選型
從理論上說，太陽能電池足見選型應該根據用戶當地的太陽輻射資料確定，而不應該是選用一個全國通用的電池組件瓦數，因為那樣會造成浪費。在本文中為了說明設計思想，選定一個具體的地點。
以北京地區為例，負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數8.5h，保證連續陰雨天數5天。
⑴ 北京地區近二十年年均輻射量134.45Kcal/cm2，經簡單計算北京地區峰值日照時數約為4.3h；
⑵ 負載日耗電量 = = 12.2AH；
⑶ 所需太陽能組件的總充電電流 = 12.2× ÷（4.3×0.85）=3.894A；
在這里，兩個連續陰雨天數之間的設計最短天數為30天，0.85為蓄電池充電效率（蓄電池自放電等損失）；
⑷ 太陽能組件的最少總功率數 = 24×3. 894 = 93.46W；
選擇太陽能電池組件為100Wp、單塊50Wp可以滿足要求。
以上是以北京地區的日照條件為設計依據做的太陽能電池組件峰瓦數選型，在實際中應該根據用戶當地的日照資料選擇相應的規格。
2.2 蓄電池選型
蓄電池設計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數要簡單。
根據上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續工作5個陰雨天，再加上第一個晚上的工作，蓄電池容量：
12.2×（5+1） =73.2（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
2.3.1 傾角設計
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。
關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術刊物上出現得不少。以北京地區為例，依據本次設計參考相關文獻中的資料[1]，太陽能電池組件支架傾角為43.8o。
2.3.2 抗風設計
在太陽能路燈系統中，結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計�？癸L設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設計，二為燈桿的抗風設計。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設計
依據電池組件廠家的技術參數資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數選定為27m/s（相當于十級臺風），根據非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以，設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。
在本套路燈系統的設計中電池組件支架與燈桿的連接設計使用螺栓桿固定連接。
⑵ 路燈燈桿的抗風設計
路燈的參數如下：
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
太陽能電池板面積=2×0.8×0.541=0.8656m2
燈臂長度1m，燈頭+燈臂重10Kg
圖3 燈桿抗風設計分析圖
太陽能電池板受風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，風速為V，那么風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， 為風速為V時候的風壓---根據伯努力方程；
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
根據數學推導，圓環形破壞面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
上式中，r是圓環內徑，δ是圓環寬度。
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
風荷載在破壞面上作用矩引起的應力 = 3216.83/(85.699×10－6)
=37.536×106 Pa = 37.536MPa <<215MPa
其中，215MPa是Q235鋼的抗彎強度。所以，設計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質量保證，燈桿的抗風是沒有問題的。
2.4 控制器
太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池�；竟δ鼙仨毦邆溥^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如表1，當蓄電池電壓達到設定值后就改變電路的狀態。
表1 蓄電池充放電保護
標稱電壓
防過充電壓
防過放電壓
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，目前有采用單片機的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點和優點，應該根據客戶群的需求特點選定相應的方案，在此不一一詳述。
2.5 表面處理
該系列產品采用靜電涂裝新技術，以FP專業建材涂料為主，可以滿足客戶對產品表面色彩及環境協調一致的要求，同時產品自潔性高、抗蝕性強，耐老化，適用于任何氣候環境。加工工藝設計為熱浸鋅的基礎上涂裝，使產品性能大大提高，達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求，其它指標均已達到或超過GB的相關要求。
3結束語
整體設計基本上考慮到了各個環節；光伏組件的峰瓦數選型設計與蓄電池容量選型設計采用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學；抗風設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工藝；路燈整體結構簡約而美觀。
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的環保節能相比，常規化石能源日趨緊張，并且使用后對環境會造成了日益嚴重的污染。
所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。
參考文獻
1 楊樹明,史勝達.獨立光伏電源系統設計方法. 通信電源，2005
2 楊金煥. 固定式光伏方陣最佳傾角的分析. 太陽能學報,1992,13(1):86-92
3 孔凡建. 太陽能光伏發電系統設計和應用. 廣東太陽能,2003,1:37-40 |
