太阳能路灯设计思路
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【摘要】本文对太阳能路灯工作原理简单介绍，并与普通灯具优缺点进行比较。简要分析了太阳能路灯的选型、计算和设计思路，对普通设计工作具有一定参考指导性。
【关键词】太阳能路灯；LED光源；蓄电池
1.前言
随着我国逐步重视环保和节能减排政策大力执行，太阳能路灯也逐渐开始有了市场地位。普通路灯需要全线铺设电缆，并且在长距离供电时需要考虑压降，必然会加大电缆截面或多处设置变压器，这样会导致大量铜、铁等金属资源的浪费，不利于可持续型经济社会的发展。
太阳能路灯以太阳能作为能源，不仅施工简单、不需要铺设电缆，而且灯具电压为12V或24V，不会危及人身安全。显然，以太阳能路灯取代普通路灯是一种发展趋势。
2. 工作原理
太阳能路灯从上到下主要由太阳能电池板、灯具、灯杆、控制器、蓄电池、基础等构成。控制器一般置于灯杆内部，具有光控和时控功能，有的还具有四季调整亮灯时间和半功率等功能。为了防盗、防雨水和温差变化，蓄电池大都被埋于地下专门的保温箱。
太阳能路灯工作原理为：白天电池板接收太阳辐射的能量并将其转化为电能储存在蓄电池中，夜晚当照度降低至设定值时，控制器自动发出指令点亮灯具，待清晨来临时，再根据设定时间自动关闭灯具。
3、光源及灯具选择
根据道路情况按照常规灯具选择方式及设计思路，确定灯杆高度、光源功率及布置方式等参数。但是需要注意以下几点：
a、由于太阳能路灯顶部电池板展开面积大，相对于普通路灯，其所承受风载更大，所以灯杆高度一般不超过10m，灯杆抗风校验计算书一般由厂家给出。
b、因为蓄电池容量大小限制及灯具散热等多种因素，光源功率不宜大于100W。
c、路灯必须安装在光照充足的地方，如果树木较低的话可以让灯杆高度超过树木；如果树木较高，应该尽量远离，太靠近的话可能会出现树木生长的原因把电池板遮住，电池板无法接受阳光直射，能量转化效率低，导致蓄电能力不足。
3.1光源选择
光源宜采用LED光源：一方面，普通节能灯光通量为50lm/W，LED灯光通量可达100lm/W及其以上，在相同照度要求下，LED灯功率为节能灯的一半，节能效果明显，所需适配的蓄电池容量更小。另一方面， LED光衰速度慢，使用寿命为50000小时，而节能灯寿命仅为2000小时，一般情况下，每半年就必须更换灯泡，维护工作量大、费用高。纵使LED灯价格更高，但是对于节能灯仍具有无可比拟的优势。
3.2 灯具选择
常规道路照明灯具根据其配光分为截光、半截光、非截光三种类型，一般主干路上选用截光型或半截光型灯具，次干路上选择半截光型灯具，配套合适的反光镜能够在路面上产生照度均匀的矩型光斑，达到满意的效果。
大功率LED灯，散热是一个需要考虑的问题， LED灯具中一半甚至更多的电能以热量的方式被消耗掉，而半导体器件耐高温性能差。尤其是对于大功率的LED灯来说，随着功率的不断增大，灯具内部芯片的温度也会不断上升，如果散热效果不好，会引起很严重的光衰，导致灯具寿命降低。虽然现有的散热技术有很多，但是还存在一定的局限性，比如实现困难、成本高、导热性能差以及技术不成熟等。我们在选用灯具及光源的时候，需根据其技术参数的要求，选用性价比高的合格产品。
4.附件选择
4.1蓄电池容量计算
一般情况下，灯具功率小于60W，采用DC12V供电，反之，采用DC24V供电（单只电池电压为12V，采用两只串联）。如果光源功率为60W，电压为DC24V，可计算出其电流为：2.5A。
如果路灯每夜累计照明时间为满负载8小时，又需满足连续工作3个阴雨天照明要求（各个地区气象条件不同，时间取值不同），这里值得注意的是3个阴雨天需要加上前一夜的照明，故合计4天。又为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90%左右，放电残留20%左右，需要乘以一个富余系数k，一般在1.35～1.45之间，则可以计算出蓄电池容量为： 。
根据计算结果，可取标准规格120Ah/2×12V蓄电池。
4.2 电池板峰值计算
计算太阳能电池的工作时间的时候，不能简单的认为每天日照时间等于有效光照时间。
气象部门根据不同地区的光照条件，将我国分为：丰富地区、比较丰富地区、可以利用地区、贫乏地区。详见下表：
根据经验公式，可求出电池板峰值为：
其中， 为太阳能电池板工作电压，取17.4V； 为电池板峰值预留系数，取1.2； 为太阳能电池板损耗系数，取1.2； 为计算电流； 为每晚使用时间； 为有效光照时间，根据所在地区实际情况取值，这里取4.5h。
由计算结果可知，可取标准规格110W或120W太阳能电池板。
4.3 控制器
太阳能路灯控制器不仅应具备基本的光控、时控、调光和欠压保护等功能，为延长蓄电池使用寿命，更应对其进行充放电保护。因为价格原因，目前市面上大部分太阳能路灯采用免维护铅酸蓄电池，这种电池温度特性较为明显，使用环境温度在-10℃～40℃左右。当温度降至0℃以下时，电池在充电初期负极板会发生严重的浓差极化，使电池充电接受能力被限制，进而造成电池的充电接受能力、充电效率和容量下降；在高温情况下，化学反应加剧使用电池内部温度升高，产生的热量如果无法及时扩散，那么蓄电池就产生了热失控，蓄电池失效。所以有必要考虑选用带温度传感器和MCT充电模式的控制器对蓄电池进行温度补偿，解决低温环境蓄电池充不满以及高温环境蓄电池过充的难题。
5.结语
就太阳能路灯本身价格而言，尽管路灯本体比普通灯具造价要高，但省去了配电柜、动力电缆和敷设电缆等成本，并且太阳能路灯不用电费，几乎无需维护成本，后期回报是很大的，相比普通路灯随着使用时间的增长越来越会突显其性价比。因此，在适宜的地区都应该优先考虑使用太阳能LED路灯，更好的推动我国节能环保事业的发展。
参考文献
[1]照明设计手册（第二版）[M].北京：中国电力出版社，
2006.450-451.
[2] 民用建筑电气设计手册[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.3. 620-622.
[3]郭昊. 浅谈太阳能路灯[J].城市照明，中国市政工程协会道路照明专业委员会，2011.7. 51-52.
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