前言

太陽是一個(gè)巨大、久遠(yuǎn)、無盡的能源。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染，具有節(jié)能、環(huán)保、方便的優(yōu)點(diǎn)。

按接受太陽能輻射量的大小，我國大致上可分為五類地區(qū)。深圳地處亞熱帶，氣候冬暖夏熱，屬于三類地區(qū)，全年日照時(shí)數(shù)為2200～3000小時(shí)，具備利用太陽能的有利自然條件。

太陽能直接應(yīng)用有光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換、光化學(xué)轉(zhuǎn)換三種，間接與綜合利用種類更加繁多。光電轉(zhuǎn)換主要有太陽能電池板和太陽能供電系統(tǒng)；光熱轉(zhuǎn)換主要有熱水器、開水器、太陽灶、干燥器等；光化學(xué)轉(zhuǎn)換主要是光合作用、光電化學(xué)作用的應(yīng)用，現(xiàn)尚處在實(shí)驗(yàn)研究階段。

一、太陽能通道燈系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1、太陽能通道燈系統(tǒng)安裝背景

深圳有許多立交橋的通道長度超過40米。這些通道由于采光不足，白天也顯得很暗，特別是路燈開啟前及路燈關(guān)閉后的各1個(gè)多小時(shí)和陰雨天時(shí)，通道內(nèi)更是漆黑。為了市民的安全，通道必須24小時(shí)亮燈。但原有通道燈接路燈電源，只能在晚上亮燈。如果采用市電供電白天亮燈，就要重新敷設(shè)線路，投資大，施工困難；采用太陽能光伏系統(tǒng)供電投入小，施工方便。

另一方面，近年來深圳電力供應(yīng)緊張，政府提倡節(jié)約用電。因此，很有必要安裝太陽能通道燈系統(tǒng)。

2、通道情況

下面以洪湖立交南側(cè)通道為例，討論該系統(tǒng)的組成。

洪湖立交南側(cè)通道長40米，寬6米，通道到安裝太陽能裝置的地點(diǎn)距離約15米，原有3套250W高壓鈉燈，在晚上才有電源。

3、系統(tǒng)原理

太陽能的光電轉(zhuǎn)換是指太陽的輻射能光子通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程，通常叫做“光生伏打效應(yīng)”。

太陽能通道燈系統(tǒng)作原理見圖1。主要組成部分包括太陽能電池方陣、控制器、蓄電池、逆變器、燈具。

圖1 太陽能通道燈系統(tǒng)原理圖

原有通道燈總功率為750W，用太陽能來供電所需的太陽能電池功率、蓄電池容量較大，系統(tǒng)造價(jià)偏高，而且一套燈具24小時(shí)*365天一直亮燈，燈泡壽命會(huì)降低。因此，為保證穩(wěn)定的照明效果，另外安裝一套太陽能通道燈系統(tǒng)。晚上市電供電時(shí)，原有通道燈亮；晚上市電故障或白天時(shí)，點(diǎn)亮由太陽能供電的通道燈，保證通道一直亮燈。

二、直流/交流負(fù)載比較與選擇

如選用直流負(fù)載，可省略了逆變器這一中間環(huán)節(jié)，提高能源利用效率。但由于通道長40米，由蓄電池到末端燈具約40+15+5＝60米，24V直流電壓線路損耗高達(dá)10％；此外，直流低壓大電流控制損耗大，升降電壓技術(shù)比較復(fù)雜，直流節(jié)能燈光效低（45Lm/W），壽命短（5000小時(shí)），采購困難等。

相比之下，雖然使用交流負(fù)載利用率稍低，但逆變器的轉(zhuǎn)換效率＞90％，損耗并不是很大，而交流負(fù)載更實(shí)用、方便，所以選用交流負(fù)載。

三、光源的選擇與燈具布置

通過對(duì)光源光效、壽命、價(jià)格、通用性等綜合比較，選擇5*25W高效節(jié)能燈。燈具布置如下：

圖2 燈具布置

四、太陽能電池板

太陽能電池板是太陽能光電轉(zhuǎn)換的主要部件。太陽能電池組件的峰值功率Pk，由當(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸?qiáng)度與末端的用電負(fù)荷（需電量）決定。

1、峰值功率選擇（估算公式）：

Pk=燈具功率×燈具數(shù)量×每日使用時(shí)間÷每天有效日照時(shí)間÷太陽能電池方陣實(shí)際使用功率系數(shù)÷蓄電池轉(zhuǎn)換效率÷逆變器效率

Pk＝25（W）×5（套）×12（H）÷5（H）÷0.7÷0.85÷0.9＝560.22W

其中：

1）由于市電通道燈亮燈時(shí)間由經(jīng)緯儀隨季節(jié)變化而調(diào)節(jié)，太陽能通道燈每天亮燈時(shí)間11～14小時(shí)，取12小時(shí)。

2）太陽能電池方陣實(shí)際使用功率系數(shù)考慮了太陽能電池板的充電效率和充電過程中的損耗，取0.7。

所以，太陽能板功率選取為600W（75W×8pcs）

3、安裝傾斜角度為33～35度，方向正南方，既便于充分吸收太陽能，又可利用雨水對(duì)太陽能板進(jìn)行自清洗。

五、控制器

控制器采用PWM脈寬調(diào)制控制器。具備以下功能：

1、過充保護(hù)：當(dāng)電池電壓超過28V時(shí)，停止充電；

2、過放保護(hù)：當(dāng)電池電壓低于22V時(shí)，切斷負(fù)載；

3、蓄電池充電溫度補(bǔ)償；

4、正極反接保護(hù)；

5、短路保護(hù)；

6、過載保護(hù)；

7、過熱保護(hù)（帶散熱裝置）；

8、雷擊保護(hù)；

9、小功率交流補(bǔ)充充電系統(tǒng)：當(dāng)陰雨天，太陽能充電不足，電池電壓低于直流22V時(shí)，在晚上通過高頻整流開關(guān)將交流220V市電轉(zhuǎn)換成直流24V，對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電；

10、檢測(cè)市電及切換：當(dāng)晚上有市電電源時(shí)，市電通道燈亮，控制器關(guān)掉太陽能通道燈；當(dāng)晚上市電故障時(shí)或白天時(shí)，控制器檢測(cè)到?jīng)]有市電信號(hào)，開啟太陽能通道燈。這樣比裝時(shí)控開關(guān)更能保證通道24小時(shí)亮燈。

六、蓄電池

蓄電池是儲(chǔ)存電能的裝置。由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。

由于在室外安裝，選用閥控免維護(hù)鉛酸蓄電池。因12V蓄電池較為常見，所以用兩個(gè)12V電池串連成24V。

1、蓄電池容量選擇：

在上節(jié)控制器部分談到，陰雨天時(shí)可以在晚上用市電對(duì)蓄電池進(jìn)行補(bǔ)充充電；在晚上市電故障時(shí)，點(diǎn)亮太陽能通道燈。但最壞情況是兩種情況同時(shí)出現(xiàn)，就要靠蓄電池單獨(dú)供電。另一方面，為保證蓄電池穩(wěn)定運(yùn)行，要求蓄電池放電深度在40％～60％之間。當(dāng)然，維護(hù)工人會(huì)及時(shí)處理市電故障，所以只需考慮市電故障和陰雨天同時(shí)出現(xiàn)1天的情況。

蓄電池容量為25W×5×12h×1÷24V÷0.4÷0.85÷0.9＝204.25Ah

選兩個(gè)12V/200Ah蓄電池。

2、蓄電池在第一次使用時(shí)，要先充電到額定容量，不可過充或過放。

七、逆變器

逆變器通過功率半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，將直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能。

1、逆變器3種波形的比較：

方波：見圖3。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，轉(zhuǎn)換效率＞75％，感抗負(fù)載差，適用于一般的阻抗負(fù)載如普通白熾燈等。

正弦波：見圖4。轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95％，波形精確穩(wěn)定，適用于電信通信設(shè)備及一切電器負(fù)載，但造價(jià)高。

修正正弦波：見圖5。轉(zhuǎn)換效率＞90％，性能接近正弦波，造價(jià)比較低。

因此本系統(tǒng)采用修正正弦波逆變器。

2、功率選擇

因節(jié)能燈啟動(dòng)電流是額定工作電流的5-7倍，負(fù)載功率為125W，所以選定逆變器功率為800W/24V。

八、防盜措施

控制器、蓄電池、逆變器等都安裝在配電箱內(nèi)，放置在太陽能電池方陣的龍門支架4米處；電線套鋼管全封閉式敷設(shè)，燈具加裝防盜鐵籠。

九、其他部件

太陽能電池方陣支架采用防風(fēng)結(jié)構(gòu)，立柱不得小于Φ140mm，結(jié)構(gòu)件采用內(nèi)熱鍍鋅外噴塑（確保10年不生銹）。

電線采用單相RVV－3*4mm2。立柱接地電阻極不大于10歐。所有人體可能接觸的金屬外殼均可靠接地。

十、小結(jié)

一般的太陽能路燈是白天充電晚上放電，而本系統(tǒng)由于通道的實(shí)際需求，需要在市電通道燈無法亮燈的情況下開啟，但基本原理相同。