太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)與思考

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。低壓鈉燈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，但低壓鈉燈比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是固體光源更偉大的改革。 　　建議使用低壓鈉燈作為燈源 　　1、系統(tǒng)介紹 　　1.1系統(tǒng)基本組成簡(jiǎn)介 　　系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件部分（包括支架）、太陽(yáng)能充放電控制器（含路燈光控和時(shí)控）、控制箱、低壓鈉燈整流器、低壓鈉燈、蓄電池組和燈桿幾部分構(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。 　　控制箱箱體以不銹鋼或者鍍鋅鐵板噴塑為材質(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(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(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。蓄電池放電時(shí)間可以自行設(shè)定，也可以光控，充放電控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池，并對(duì)路燈的開關(guān)進(jìn)行控制。 　　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。下面將以深圳市雷鑫太陽(yáng)能科技有限公司的這款太陽(yáng)能專用低壓鈉燈為例，分幾個(gè)方面做分析。 　　2.1太陽(yáng)能電池組件選型 　　設(shè)計(jì)要求：深圳地區(qū)，負(fù)載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時(shí)間為8小時(shí)，保證連續(xù)陰雨天數(shù)6天。路燈設(shè)計(jì)為26W，3600LM。 　　深圳地區(qū)近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算深圳地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)約為3.424h； 　　選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標(biāo)準(zhǔn)電池組件2塊，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。 　　2.2蓄電池選型 　　選用2顆12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。 　　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。本次路燈使用地區(qū)為深圳地區(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(yáng)能電池組件支架傾角為16o。 　　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。 　?、坡窡魺魲U的抗風(fēng)設(shè)計(jì) 　　路燈的參數(shù)如下： 　　電池板傾角A=16o　　　　燈桿高度=6m 　　設(shè)計(jì)選取燈桿底部焊縫寬度δ=4mm燈桿底部外徑=168mm　　 　　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=[5000+（168+6）/tan16o]×Sin16o=1545mm=1.545m。所以，風(fēng)荷載在燈桿破壞面上的作用矩M=F×1.545。 　　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(yáng)能路燈電池板的基本荷載為730N。考慮1.3的安全系數(shù)，F(xiàn)=1.3×730=949N。 　　所以，M=F×1.545=949×1.545=1466N.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×（3×842×4＋3×84×42＋43）=88768mm3 　　　　　　　　　　=88.768×10－6m3 　　風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力=M/W=1466/（88.768×10－6）=16.5×106pa=16.5Mpa＜＜215Mpa 　　其中，215Mpa是Q235鋼的抗彎強(qiáng)度。 　　所以，設(shè)計(jì)選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質(zhì)量能保證，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。 　　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。 　　以深圳市雷鑫太陽(yáng)能科技有限公司的LX12-10A/ST2太陽(yáng)能路專用燈充放電控制器為例，其性能如下： 　　1.管理蓄電池：防止蓄電池過(guò)度充電及過(guò)度放電，延長(zhǎng)蓄電池壽命； 　　2.管理太陽(yáng)能照明燈的自動(dòng)開啟和關(guān)閉；可以光控和自行調(diào)節(jié)燈的照明時(shí)間， 　　3.協(xié)調(diào)太陽(yáng)能板及蓄電池工作：防止蓄電池夜間向太陽(yáng)能板放電，節(jié)省電能； 　　4.具有溫度補(bǔ)償功能。 　　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；經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明各環(huán)節(jié)之間匹配性較好。 　　目前，太陽(yáng)能低壓前景鈉燈照明的初投資問(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，與太陽(yáng)能的可再生、清潔無(wú)污染以及低壓鈉燈的環(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)能低壓鈉燈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(wú)窮的生命力和廣闊的。