太陽能與LED結(jié)合設(shè)計(jì)--太陽能路燈照明系統(tǒng)

太陽能路燈照明系統(tǒng)通常由太陽電池組件、蓄電池、光源、控制器(交流光源還需逆變器)等幾部分組成。本文從：① 光源選擇；② 控制電路；
③太陽電池板最佳傾角確定；④太陽電池組件和蓄電池容量確定等幾個(gè)方面對在珠海運(yùn)行的太陽能路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

太陽能路燈與普通路燈不同，它采用太陽電池作為唯一的供電源，因?yàn)槟壳疤栯姵亟M件的成本還比較高，所以為了降低系統(tǒng)成本，必須使用高效
的光源。LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體發(fā)光器件，近年來LED技術(shù)已經(jīng)有了關(guān)鍵的突破，其性能價(jià)格比也有較大的提高，與傳統(tǒng)的路燈光源相比LED光源具有光效率高，接近白熾燈的兩倍，壽命長，可達(dá)到105h以上；傳統(tǒng)的光源功耗比較大，而且大多在高壓下工作，使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率，而LED采用低壓直流供電，安全而且光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)成為可能。
太陽能路燈系統(tǒng)一般都是小型光伏系統(tǒng)，世界銀行的標(biāo)準(zhǔn)是小型光伏系統(tǒng)控制器自耗電流要小于額定工作電流的1％，因此控制器電路的設(shè)計(jì)與低
功耗器件的選擇非常重要。太陽能路燈中采用的是由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器作為控制電路，這種電路完全是由硬件組成的控制系統(tǒng)，簡單可靠、維護(hù)方便、成本低、電路本身功耗也極低，是一種匹配性很好的電路。這種電路的關(guān)鍵是針對蓄電池的充放電特性設(shè)計(jì)一個(gè)比較好的電壓同差，同時(shí)器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個(gè)具有實(shí)用功能的控制器電路，具有防蓄電池過放電、過充電功能。系統(tǒng)采用直接耦合的方式的充放電控制器電路，根據(jù)LED同蓄電池的匹配特性，能夠做到功率自適應(yīng)，在太陽輻照不足的幾個(gè)月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時(shí)端電壓也較低，這樣負(fù)載工作電流較小、功率小，系統(tǒng)也能夠工作更長的時(shí)間。反之在太陽輻照比較充足時(shí)，負(fù)載工作電流較大、功率大，也會更亮。

確定太陽電池板最佳傾角

在獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，太陽電池組件平面通常朝向赤道，相對地平面有一定傾角。由于太陽輻照量隨季節(jié)、氣候變化，傾角不一樣，各個(gè)月份而接受到的太陽輻照造差別很大，而且由于蓄電池充電時(shí)受其額定容量限制，放電時(shí)義受到放電深度限制，因此在太陽能路燈優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要按照負(fù)載情況，當(dāng)?shù)貧夂驙顩r、地理?xiàng)l件來確定最佳傾角度，使方陣平面上的太陽輻照量盡量滿足連續(xù)性，均勻性，極大性的要求，降低系統(tǒng)成本。

負(fù)載情況

太陽能路燈類產(chǎn)品主要有定時(shí)和光控兩種工作方式，實(shí)際上是衡型負(fù)載方式和季節(jié)性負(fù)載方式T作。定時(shí)控制：不受外界影響，定時(shí)開關(guān)燈， 是存在天黑燈不亮或天亮燈還亮的問題 光控太陽能路燈在戶外光線暗到一定程度(200 lx)時(shí)自動開燈，天亮?xí)r自動關(guān)燈，優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)光照情況自動控制光源工作，不存在天未黑光源就工作和滅已黑還不工作的情況，一年四季均可以正常工作。光控方式的工作時(shí)間與當(dāng)?shù)氐木暥群彤?dāng)日的太
陽赤緯相關(guān)。由日出和日落的時(shí)角公式：
COs= COS L一― tan ~tan8o ] (1)，
j6一緯度； 一赤緯，當(dāng)天赤緯角為在太陽時(shí)正午，光線與赤道平面的夾角。
在通常情況下，日出前0．5 h和口落后0．5 h，雖然沒有日照，但是天空尚有余光，這是可以不需要開燈照明，因此光控太陽能路燈工作時(shí)間 J．以減
少1 h，可以用下面公式計(jì)算路燈工作時(shí)間為：
T= 23―2／15cos一[一tan~tan8] (2)
通過公式(2)計(jì)算，呵得到安裝在珠海的光控太陽能路燈全年工作時(shí)間變化圖1，從圖中可以看出光控太陽能路燈最長工作時(shí)間在冬至，為12．35 h，在夏至?xí)r最短j二作時(shí)間9．65 h；由于珠海地區(qū)緯度比較低，光控太陽能路燈全年工作時(shí)間變化不是很大，因此雖然該處光控太陽能路燈是季節(jié)性不均衡負(fù)載，但是負(fù)載量變化不是很大，負(fù)載情況不是影響太陽電池組件最佳傾角的主要因素。再考慮到控制開關(guān)燈的可靠性和控制器成本，在珠海設(shè)計(jì)的
太陽能路燈采用的光控方式工作。

氣候情況

珠海市地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，光照充足。太陽輻射年總量為4 651．6MJ／n~，是廣東省內(nèi)太陽能資源較豐富的地區(qū)之一。從圖2可以看出，珠海地區(qū)一年中總輻射量最少的時(shí)段是春季，陰雨天氣比較多，大氣透明度差，巾、低云層經(jīng)常布滿天空，該段時(shí)間散射輻照量在
總輻照量中占的比例很高，從表2可以看出2月份的散射輻照量比例是全年最高值達(dá)到65．6％；夏季主要是晴熱天氣，陽光充足，水平面上太陽輻照
度是全年最大的，而且太陽輻照量中直接輻照占的比例很高；秋季的珠海地區(qū)秋高氣爽，晴空萬里，雖然太陽高度角相逐漸減小，但是太陽輻照量仍然
比較高；冬季，晴天屠多，尤其足前冬，雨量稀少。
傾斜面太陽輻照度計(jì)算
傾斜面上太陽輻照計(jì)算一般是以過去10～20年的氣象資料數(shù)據(jù)作為依據(jù)，在提供的水平面太陽輻照量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可以使用Hay_I 提出的天空散射輻射各向異性的模型算出朝向赤道不同傾角的方陣面上所接蘇到的太陽輻照量。
其表達(dá)式為：
HT：H R8+Ho I_R H }H +0．s 、～HB|Ho)
(1+cosf1)J+0．5pH (1一cosp) (3)
R ：cos0 ／cos0
入射角： =COS [cos0 cosfl+sin0 sinflcos
(y 一y J J
天頂角： =c0s [sinasin~+c0s c0s c0s∞][3
太陽方位角： ys = d * d y 。+
f_l 1* *180。_3
熱 n [ ={ 。 }’
f l ≯ (≯一 01 f l ∞ 01
I―l 其他 』’ I―l其他』’
=ar~cos(tan3／tan~)