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摘 要本文描述了太阳能路灯系统的工作原理，与传统路灯相比较所具有的应用优势、适用条件以及主要工程设计内容及系统的优化设计。
关键词太阳能路灯系统 应用优势工程应用 工程设计系统优化
中图分类号：TK511文献标识码：A 文章编号：
绿色能源和可持续发展问题是21世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着产业化进程和技术开发的深化，它的效率、性价比得到不断提高，随着相关技术的日趋成熟，在各个领域得到了广泛的应用。在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统的主要应用模式，被越来越多的所认识并接受，同时也极大地推动着中国“绿色照明工程”的快速发展。
1太阳能路灯系统的结构组成及工作原理
1.1太阳能路灯系统的结构组成
太阳能路灯系统属于无备用电源的独立太阳能光伏供电系统，一般包括太阳能灯具、太阳能电池板、蓄电池组、太阳能控制器、路灯灯杆等，其组成结构如图1所示。
图1 太阳能路灯系统的组成结构图
目前市面上使用的太阳能灯具分为直流灯具和交流灯具两种，当采用直流灯具时采用直接式供电，光源与专门设计的直流电子镇流器配套，提高整个太阳能光伏装置的效率，从而减少太阳能电池组件和蓄电池的容量，相应地降低系统成本，见图1中的直流负载。当采用交流灯具时采用间接式（逆变）供电，逆变器将直流电转换成50Hz220v交流电，光源与常规的交流电子整流器配套，逆变供电时将会增加10%~20%的功率损耗，见图1中的交流负载。间接式供电方式可以使光源有较长的使用寿命。直接式供电方式系统效率高，但需尽快解决直流电子镇流器与光源的匹配性能，更好地应用于太阳能光伏照明装置。
1.2太阳能路灯系统的工作原理
太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳辐射的能量，并将其转化成电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电设定的时间后切断，为城市道路提供功能性照明。
2太阳能路灯系统的工程应用
2.1太阳能路灯系统的应用优势
太阳能路灯系统的主要优点包括：
1）不受地域限制 不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装，容易被广泛接受。
2）清洁、环保
3）维护成本低 目前性能良好的太阳能电池组件使用寿命长达20年，光源和控制电器的使用寿命也在5年以上。
4）管理方便 整个太阳能路灯系统自动运行，通过光控和时控的手段，控制整个装置的工作模式。
5）安全可靠 太阳能路灯系统的充电、放电在低压（12v、24v）状态下进行。
6）施工快捷方便 每套太阳能路灯系统是独立的照明单元。安装时无需挖沟、布线、回填，即时安装，即时应用。
7）故障检修方便 每套太阳能路灯系统是独立的照明单元。故障检修时，无需考虑对其它路灯的影响，故障范围限定在单套路灯系统。
2.2太阳能路灯系统的应用条件
由于太阳能光伏发电系统的发电量与太阳光的辐射强度、大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等因素和条件有着直接的关系和影响，同时，太阳能路灯的应用还受城市景观、工程造价、运行管理水平等诸多条件的限制，因此设计太阳能路灯时必须充分考虑这些因素的影响，在充分论证可行的情况下再来设计系统，才能避免造成浪费，真正达到绿色环保、节能减排的目的。
另外由于电池板、蓄电池等作为民用器件容易被盗，因此系统防盗也是必须要考虑的内容。
综上所述，太阳能路灯系统的设计选用必须在满足了气象条件、景观环境、功能要求、投资成本控制等诸多条件后才能进行工程设计。
3太阳能路灯系统的工程设计
3.1设计步骤和内容
太阳能路灯系统的设计步骤和内容如表3所示：
表3 太阳能路灯系统的设计步骤和内容
3. 2系统工程设计
1 光源选择：目前，针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。同时由于太阳能电池组件发电昂贵，还要求所用光源节能，光电转换效率高，所以太阳能路灯采用Led光源最合适。
2 太阳能电池板的设计应根据灯具负载要求，合理选择确定电池板种类、输出功率，尺寸大小等，根据电池板的转换效率,电池板转换效率,工作电流,工作温度,抗风强度,有效寿命六项技术参数，确定校核其对负载和周围环境的适应性。
3 太阳能电池板的方位角及倾斜角设计
(1)太阳能电池方位角的选择
在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。如果受屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等的限制时，则应考虑与它们的方位角一致，只要在正南±20℃之内，都不会对发电量有太大的影响，条件允许的话，应尽可能偏西南20℃之内，使太阳能发电量的峰值出现在中午稍过后某时，这样有利于冬季多发电。
(2)太阳能电池倾斜角的选择
最理想的倾斜角一般取当地纬度或当地纬度加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。如果能采用计算机辅助设计软件，可进行太阳能电池倾斜角的优化设计，使冬季和夏季能够兼容就更好了，这对于高纬度地区尤为重要。高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，辐射量之差变小，蓄电池的容量也可以减少，求得一个均衡，使系统造价降低，设计更为合理。
4 太阳能蓄电池组的设计
(1)太阳能蓄电池组的容量确定取决于当地连续阴雨天数，可按下式计算：
蓄电池容量=日耗电量x（连续阴雨天数+1）
例如70w灯具日耗电量21.90ah，则按当地连续阴雨天数5天计算蓄电池组容量为：21.90x（5+1）=131.40ah
蓄电池组容量还要与电池板的功率相适应，应确保电池板在两个连续阴雨天数之间将电池充满，容量过大，蓄电池长期处于欠电压状态，则会影响电池寿命，同时造成不必要浪费。蓄电池额定电压应与灯具工作电压相一致。
5 太阳能蓄电池组的防盗设计可以采取地埋安装方式和设置防盗监控报警系统两种措施确保安全。
6 太阳能路灯系统的防雷和接地设计不可用路灯、太阳能电池板作为接闪器，可用金属灯柱兼作接闪器和引下线，路灯基础钢筋笼在-0.50m以下其钢筋表面积太于0.37m2时，可作为防雷接地体。否则应增加人工接地极，接地电阻≤10欧．必要时将接地体连接。同时在路灯控制器内设置TVS(瞬态电压抑制)防雷保护。
7 太阳能路灯系统的抗风设计包括电池组件及支架的抗风设计和灯杆的抗风设计，选定电池板组件后，必须根据当地气象部门提供的最大风速数据对电池板进行抗风强度验算，所选定电池板的风压参数不能小于当地最大风速下的风压值，根据选定电池板组件的面积可以计算出整个电池板组件传递给灯杆的最大风荷载。根据选定的灯杆高度、灯杆断面尺寸，以及灯杆基础尺寸数据，由结构设计人员对灯杆强度以及基础荷载进行设计校核。
3.3工程设计的系统优化
1 市电互补型路灯
市电互补型太阳能路灯，用于有市电电源的区域，目前在城市太阳能路灯改造中的应用比较多。
2 风光互补型路灯
由于风力发电系统成本低，风能和太阳能在许多地区都具有互补性，从而可以大大减少蓄电池的储存容量，因此风-光混合系统的投资一般比独立太阳能光伏发电系统可以减少1/3左右。
3 太阳光追踪发电
追踪太阳的轨迹可以明显增强光伏电池的日照强度。为了更好地追踪太阳的轨迹，不但要知道太阳的方位角和高度角，还要知道太阳运行的轨迹。这就要求追踪装置以固定的倾角从东往西跟踪太阳的轨迹。为了降低成本提高效率，可以采用人工跟踪，每天每隔2~3h，对着太阳进行调节。
上述3种方式皆为有其他辅助照明电源，此时电池容量可不考虑连续阴雨天数的影响。只考虑当天一晚的用电量，连续阴雨天时，由辅助电源供电，这样可大大减少蓄电池容量。但相应辅助电源的成本会增加，需要通过测算评估后确定。
4结束语
太阳能路灯是一个新兴的发展中的产品，设计太阳能路灯系统要求科学、合理，需要照明技术、光伏转换技术、结构力学等多专业技术的综合，需要设计人员有足够全面的专业知识，掌握了使用地的详细气象资源及使用条件，同时还要有一定的工程实践经验，才能因地制宜地设计出安全可靠经济适用的太阳能路灯照明系统。
参考文献：
[1] 李钟实．太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M]．北京：人民邮电出版社，2010.01
[2] 王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术[M]．北京：化学工业出版社，2009.09
[3] 黄汉云．太阳能光伏发电系统应用原理[M]．北京：化学工业出版社，2009.01
[4] 屈素輝．太阳能光伏照明光源手册[M]．北京：化学工业出版社，2009.12
[5] 周志敏，纪爱华．LED照明工程设计与施工[M]．北京：机械工业出版社，2011.08
关键词太阳能路灯系统 应用优势工程应用 工程设计系统优化
中图分类号：TK511文献标识码：A 文章编号：
绿色能源和可持续发展问题是21世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着产业化进程和技术开发的深化，它的效率、性价比得到不断提高，随着相关技术的日趋成熟，在各个领域得到了广泛的应用。在照明领域，太阳能路灯作为光伏发电系统的主要应用模式，被越来越多的所认识并接受，同时也极大地推动着中国“绿色照明工程”的快速发展。
1太阳能路灯系统的结构组成及工作原理
1.1太阳能路灯系统的结构组成
太阳能路灯系统属于无备用电源的独立太阳能光伏供电系统，一般包括太阳能灯具、太阳能电池板、蓄电池组、太阳能控制器、路灯灯杆等，其组成结构如图1所示。
图1 太阳能路灯系统的组成结构图
目前市面上使用的太阳能灯具分为直流灯具和交流灯具两种，当采用直流灯具时采用直接式供电，光源与专门设计的直流电子镇流器配套，提高整个太阳能光伏装置的效率，从而减少太阳能电池组件和蓄电池的容量，相应地降低系统成本，见图1中的直流负载。当采用交流灯具时采用间接式（逆变）供电，逆变器将直流电转换成50Hz220v交流电，光源与常规的交流电子整流器配套，逆变供电时将会增加10%~20%的功率损耗，见图1中的交流负载。间接式供电方式可以使光源有较长的使用寿命。直接式供电方式系统效率高，但需尽快解决直流电子镇流器与光源的匹配性能，更好地应用于太阳能光伏照明装置。
1.2太阳能路灯系统的工作原理
太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳辐射的能量，并将其转化成电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电设定的时间后切断，为城市道路提供功能性照明。
2太阳能路灯系统的工程应用
2.1太阳能路灯系统的应用优势
太阳能路灯系统的主要优点包括：
1）不受地域限制 不消耗常规电能，只要阳光充足就可以就地安装，容易被广泛接受。
2）清洁、环保
3）维护成本低 目前性能良好的太阳能电池组件使用寿命长达20年，光源和控制电器的使用寿命也在5年以上。
4）管理方便 整个太阳能路灯系统自动运行，通过光控和时控的手段，控制整个装置的工作模式。
5）安全可靠 太阳能路灯系统的充电、放电在低压（12v、24v）状态下进行。
6）施工快捷方便 每套太阳能路灯系统是独立的照明单元。安装时无需挖沟、布线、回填，即时安装，即时应用。
7）故障检修方便 每套太阳能路灯系统是独立的照明单元。故障检修时，无需考虑对其它路灯的影响，故障范围限定在单套路灯系统。
2.2太阳能路灯系统的应用条件
由于太阳能光伏发电系统的发电量与太阳光的辐射强度、大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等因素和条件有着直接的关系和影响，同时，太阳能路灯的应用还受城市景观、工程造价、运行管理水平等诸多条件的限制，因此设计太阳能路灯时必须充分考虑这些因素的影响，在充分论证可行的情况下再来设计系统，才能避免造成浪费，真正达到绿色环保、节能减排的目的。
另外由于电池板、蓄电池等作为民用器件容易被盗，因此系统防盗也是必须要考虑的内容。
综上所述，太阳能路灯系统的设计选用必须在满足了气象条件、景观环境、功能要求、投资成本控制等诸多条件后才能进行工程设计。
3太阳能路灯系统的工程设计
3.1设计步骤和内容
太阳能路灯系统的设计步骤和内容如表3所示：
表3 太阳能路灯系统的设计步骤和内容
3. 2系统工程设计
1 光源选择：目前，针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。同时由于太阳能电池组件发电昂贵，还要求所用光源节能，光电转换效率高，所以太阳能路灯采用Led光源最合适。
2 太阳能电池板的设计应根据灯具负载要求，合理选择确定电池板种类、输出功率，尺寸大小等，根据电池板的转换效率,电池板转换效率,工作电流,工作温度,抗风强度,有效寿命六项技术参数，确定校核其对负载和周围环境的适应性。
3 太阳能电池板的方位角及倾斜角设计
(1)太阳能电池方位角的选择
在我国，太阳能电池的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。如果受屋顶、土坡、山地、建筑物结构及阴影等的限制时，则应考虑与它们的方位角一致，只要在正南±20℃之内，都不会对发电量有太大的影响，条件允许的话，应尽可能偏西南20℃之内，使太阳能发电量的峰值出现在中午稍过后某时，这样有利于冬季多发电。
(2)太阳能电池倾斜角的选择
最理想的倾斜角一般取当地纬度或当地纬度加上几度作为当地太阳能电池组件安装的倾斜角。如果能采用计算机辅助设计软件，可进行太阳能电池倾斜角的优化设计，使冬季和夏季能够兼容就更好了，这对于高纬度地区尤为重要。高纬度地区的冬季和夏季水平面太阳辐射量差异非常大，辐射量之差变小，蓄电池的容量也可以减少，求得一个均衡，使系统造价降低，设计更为合理。
4 太阳能蓄电池组的设计
(1)太阳能蓄电池组的容量确定取决于当地连续阴雨天数，可按下式计算：
蓄电池容量=日耗电量x（连续阴雨天数+1）
例如70w灯具日耗电量21.90ah，则按当地连续阴雨天数5天计算蓄电池组容量为：21.90x（5+1）=131.40ah
蓄电池组容量还要与电池板的功率相适应，应确保电池板在两个连续阴雨天数之间将电池充满，容量过大，蓄电池长期处于欠电压状态，则会影响电池寿命，同时造成不必要浪费。蓄电池额定电压应与灯具工作电压相一致。
5 太阳能蓄电池组的防盗设计可以采取地埋安装方式和设置防盗监控报警系统两种措施确保安全。
6 太阳能路灯系统的防雷和接地设计不可用路灯、太阳能电池板作为接闪器，可用金属灯柱兼作接闪器和引下线，路灯基础钢筋笼在-0.50m以下其钢筋表面积太于0.37m2时，可作为防雷接地体。否则应增加人工接地极，接地电阻≤10欧．必要时将接地体连接。同时在路灯控制器内设置TVS(瞬态电压抑制)防雷保护。
7 太阳能路灯系统的抗风设计包括电池组件及支架的抗风设计和灯杆的抗风设计，选定电池板组件后，必须根据当地气象部门提供的最大风速数据对电池板进行抗风强度验算，所选定电池板的风压参数不能小于当地最大风速下的风压值，根据选定电池板组件的面积可以计算出整个电池板组件传递给灯杆的最大风荷载。根据选定的灯杆高度、灯杆断面尺寸，以及灯杆基础尺寸数据，由结构设计人员对灯杆强度以及基础荷载进行设计校核。
3.3工程设计的系统优化
1 市电互补型路灯
市电互补型太阳能路灯，用于有市电电源的区域，目前在城市太阳能路灯改造中的应用比较多。
2 风光互补型路灯
由于风力发电系统成本低，风能和太阳能在许多地区都具有互补性，从而可以大大减少蓄电池的储存容量，因此风-光混合系统的投资一般比独立太阳能光伏发电系统可以减少1/3左右。
3 太阳光追踪发电
追踪太阳的轨迹可以明显增强光伏电池的日照强度。为了更好地追踪太阳的轨迹，不但要知道太阳的方位角和高度角，还要知道太阳运行的轨迹。这就要求追踪装置以固定的倾角从东往西跟踪太阳的轨迹。为了降低成本提高效率，可以采用人工跟踪，每天每隔2~3h，对着太阳进行调节。
上述3种方式皆为有其他辅助照明电源，此时电池容量可不考虑连续阴雨天数的影响。只考虑当天一晚的用电量，连续阴雨天时，由辅助电源供电，这样可大大减少蓄电池容量。但相应辅助电源的成本会增加，需要通过测算评估后确定。
4结束语
太阳能路灯是一个新兴的发展中的产品，设计太阳能路灯系统要求科学、合理，需要照明技术、光伏转换技术、结构力学等多专业技术的综合，需要设计人员有足够全面的专业知识，掌握了使用地的详细气象资源及使用条件，同时还要有一定的工程实践经验，才能因地制宜地设计出安全可靠经济适用的太阳能路灯照明系统。
参考文献：
[1] 李钟实．太阳能光伏发电系统设计施工与维护[M]．北京：人民邮电出版社，2010.01
[2] 王长贵，王斯成．太阳能光伏发电实用技术[M]．北京：化学工业出版社，2009.09
[3] 黄汉云．太阳能光伏发电系统应用原理[M]．北京：化学工业出版社，2009.01
[4] 屈素輝．太阳能光伏照明光源手册[M]．北京：化学工业出版社，2009.12
[5] 周志敏，纪爱华．LED照明工程设计与施工[M]．北京：机械工业出版社，2011.08