太阳能通道灯系统设计实例

深圳市灯光环境管理中心  司徒宁俭

　　摘要：太阳能具有节能、环保、方便的优点。通过设计合理的太阳能通道灯系统，既解决了通道白天没有电源无法亮灯的难题，又节约了能源。

　　关键词：太阳能、光电转换、通道灯、太阳能电池板、控制器、蓄电池、逆变器

　　前言

　　太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染，具有节能、环保、方便的优点。

　　按接受太阳能辐射量的大小，我国大致上可分为五类地区。深圳地处亚热带，气候冬暖夏热，属于三类地区，全年日照时数为2200～3000小时，具备利用太阳能的有利自然条件。

　　太阳能直接应用有光热转换、光电转换、光化学转换三种，间接与综合利用种类更加繁多。光电转换主要有太阳能电池板和太阳能供电系统；光热转换主要有热水器、开水器、太阳灶、干燥器等；光化学转换主要是光合作用、光电化学作用的应用，现尚处在实验研究阶段。

　　一、太阳能通道灯系统简介

　　1、太阳能通道灯系统安装背景

　　深圳有许多立交桥的通道长度超过40米。这些通道由于采光不足，白天也显得很暗，特别是路灯开启前及路灯关闭后的各1个多小时和阴雨天时，通道内更是漆黑。为了市民的安全，通道必须24小时亮灯。但原有通道灯接路灯电源，只能在晚上亮灯。如果采用市电供电白天亮灯，就要重新敷设线路，投资大，施工困难；采用太阳能光伏系统供电投入小，施工方便。

　　另一方面，近年来深圳电力供应紧张，政府提倡节约用电。因此，很有必要安装太阳能通道灯系统。

　　2、通道情况

　　下面以洪湖立交南侧通道为例，讨论该系统的组成。
　　洪湖立交南侧通道长40米，宽6米，通道到安装太阳能装置的地点距离约15米，原有3套250W高压钠灯，在晚上才有电源。

　　3、系统原理

　　太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”。
　　太阳能通道灯系统作原理见图1。主要组成部分包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池、逆变器、灯具。

图1 太阳能通道灯系统原理图

　　原有通道灯总功率为750W，用太阳能来供电所需的太阳能电池功率、蓄电池容量较大，系统造价偏高，而且一套灯具24小时*365天一直亮灯，灯泡寿命会降低。因此，为保证稳定的照明效果，另外安装一套太阳能通道灯系统。晚上市电供电时，原有通道灯亮；晚上市电故障或白天时，点亮由太阳能供电的通道灯，保证通道一直亮灯。

　　二、直流/交流负载比较与选择

　　如选用直流负载，可省略了逆变器这一中间环节，提高能源利用效率。但由于通道长40米，由蓄电池到末端灯具约40+15+5＝60米，24V直流电压线路损耗高达10％；此外，直流低压大电流控制损耗大，升降电压技术比较复杂，直流节能灯光效低（45Lm/W），寿命短（5000小时），采购困难等。

　　相比之下，虽然使用交流负载利用率稍低，但逆变器的转换效率＞90％，损耗并不是很大，而交流负载更实用、方便，所以选用交流负载。
 
　　三、光源的选择与灯具布置

　　通过对光源光效、寿命、价格、通用性等综合比较，选择5*25W高效节能灯。灯具布置如下：

 
　　图2 灯具布置

　　四、太阳能电池板
 
　　太阳能电池板是太阳能光电转换的主要部件。太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。

　　1、峰值功率选择（估算公式）：

　　Pk=灯具功率×灯具数量×每日使用时间÷每天有效日照时间÷太阳能电池方阵实际使用功率系数÷蓄电池转换效率÷逆变器效率
　　Pk＝25(W)×5(套)×12(H)÷5(H)÷0.7÷0.85÷0.9＝560.22W

其中：

　　1）由于市电通道灯亮灯时间由经纬仪随季节变化而调节，太阳能通道灯每天亮灯时间11～14小时，取12小时。
　　2）太阳能电池方阵实际使用功率系数考虑了太阳能电池板的充电效率和充电过程中的损耗，取0.7。
　　所以，太阳能板功率选取为600W(75W×8pcs)

　　3、安装倾斜角度为33～35度，方向正南方，既便于充分吸收太阳能，又可利用雨水对太阳能板进行自清洗。

　　五、控制器

控制器采用PWM脉宽调制控制器。具备以下功能：
1、过充保护：当电池电压超过28V时，停止充电；
2、过放保护：当电池电压低于22V时，切断负载；
3、蓄电池充电温度补偿；
4、正极反接保护；
5、短路保护；
6、过载保护；
7、过热保护(带散热装置)；
8、雷击保护；
9、小功率交流补充充电系统：当阴雨天，太阳能充电不