太阳能路灯的工作原理和应用及其发展趋势

太阳能电路的工作原理、应用及其发展趋势

摘要：近年来，太阳能作为一种新型能源越来越被人们所重视。早在70年代，我国就有使用太阳能电池在航标灯上。太阳能路灯为了解决无电源地区的照明问题越来越多的出现在我国西藏、新疆、青海内蒙等地区，并扩展到其他地区的城乡的路灯使用中。在使用太阳能路灯的同时，对其结构与工作原理的了解也变得十分重要，只有清楚地知道这些，我们才能准确的使用太阳能路灯到正确的地区，而非随意使用造成资源浪费，并且要懂得太阳能路灯使用的注意事项和及时尽量的解决所带来的问题。

关键字：太阳能路灯；蓄电池；工程照明；污染问题

引言

在科技高度发展的今天，能源作为一切科研行为的必不可少的基本条件，而一直为人们所注视。在煤矿和石油日益减少，环境污染不断加大的情况下，人们致力于发展新型可持续无污染的能力资源，而太阳能便是其中的佼佼者。太阳能是地球上最直接最普通也同时是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量的可再生能源（可再生能源包括太阳能、风能、水能、地热能、海洋能、生物质能等非化石类能源），可以说是取之不尽，用之不竭。同时，随着太阳能电池转换效率以及生产技术自身的不断提高，太阳能光伏发电的应用也越来越广泛，在照明领域，太阳能路灯最为光伏发电系统在国内的主要应用模式被越来越多的人所认识并接受。光伏效应即光生伏打效应，就是当半导体材料受光照时，半导体材料内部的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压（光生电压），是PN结短路，就会产生电流[1]。

1 太阳能路灯的工作原理及组成

太阳能系统的工作原理：太阳能路灯利用太阳能电池的广生伏特效应原理，白天时太阳能电池吸收太阳能光子能量产生的电能通过控制器向蓄电池组充电，当夜幕降临时或灯具周围的光照程度较低时，蓄电池提供电力给直流灯负载。直流控制器能够在任何情况下，包括阳光充足或者是长期阴雨天气下，都能确保蓄电池不因为过充或过放而发生破坏，同时具备光控、声控、温度补偿、和防雷、反极性保护等功能。如图1。

太阳能路灯由以下几部分组成：太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池、光源、灯杆以及灯具外壳等。

图1 太阳能路灯原理组成

1.1太阳能电池板

太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中运用价值最高的部分。它的作用是将太阳的辐射能转换为电能，或者是送到蓄电池内储存起来。在大多太阳光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太能电池和非晶硅太阳能电池等三种。在太阳光充足日照良好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，并且价格比单晶硅太阳能电池低。而在阴雨天比较多、阳光相对不是太充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。另外第二代太阳电池的研制，即将取得突破性进展，其核心部件是一种可粘接的薄膜，即薄膜太阳能电池材料[2]。

规格型号：功率90W，峰值电压24V，共6块。

技术要求：①尺寸为1200*560*35mm；②单晶硅的光电转换效率为13%～15%,多晶硅为11%～13%。③旁路二极管热试验; ④组件边框选用优质6063T5的型材，选用表面喷涂厚度≥12μm的防氧化膜，耐烟雾及紫外线，使用寿命长，保证在室外的环境下能正常的使用；⑤接线端子牢固，配有旁路二极管，避免热斑效应；

⑥钢化玻璃厚3.2mm，透光率应在91%以上；⑦绝缘强度＞100MΩ；⑧优质密封硅胶；⑨组件在-40oC～85oC的温度范围内均可正常工作[3]。

1.2太阳能控制器

在太阳能灯具中，一个性能优良的充放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件交易限制，来防止蓄电池过充电或者深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器应还具有温度补偿功能。同时太阳能控制器应建有路灯控制功能，包括光控和时控，并要具有夜间自动切控负载功能，以便于阴雨天延长路灯工作时间。

规格型号：24V/20A,SHCB-20A市电互补控制器。

技术要求：①蓄电池反接保护；②太阳能电池反接保护；③负载过流及短路保护；④夜间防反充电保护；⑤过度保护；⑥智能充电。控制器必须经过高温高湿环境运行监测、低温环境监测、交变湿热试验、振动试验、老化试验、以保证产品质量，使用寿命5年[3]。

1.3蓄电池

由于太阳能光伏发电系统的输入能量非常不稳定，所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。一般种类有铅酸蓄电池、Ni—cd蓄电池、Ni—H蓄电池。蓄电池容量的选择大多要遵循以下几个原则：首先在能满足夜晚照明的前提下，把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明所需要的电能量。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，而蓄电池过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时也会造成浪费。蓄电池应与太阳能电池、用电负荷相匹配。可用一种简单方法来确定它们之间的关系。太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压20～30％，才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为好。

规格型号：太阳能专用电池。

技术要求：容量为150Ah/24V,共4只。采用优质蓄电池。在蓄电池的防护方面采用地埋式处理，减少温度对蓄电池的影响，蓄电池舱的低级预留排水孔要起到防水的作用。蓄电池要经过容量检测、自放电试验、温度适用范围试验等监测。采用浸水性试验和渗水性试验确保蓄电池舱不进水[3]。

1.4光源

太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的一个重要指标，一般太阳能灯具采用LED光源、低压节能灯、低压钠灯和无极灯。

规格型号：高效无极灯24V/40W*1只，24V/100W*2只。

技术要求:①距地面12m，功率有减半功能；②环保节能，亮度好，使用寿命50000h以上，功率偏差在±3%；③需进行9项技术性能监测严格把关[3]。

1.5灯杆

灯杆的高度应该更具道路的宽度、灯具的间距和道路的照度标准确定。

规格型号:太阳能路灯光源距地面12m。

技术要求：采用优质钢材，下端口直径270mm，厚度4mm，整体采用热镀锌加喷塑的表面处理方式，镀锌层厚度应为85μm，喷塑层厚度在150～200μm之间。塑粉应为进口的优质户外型，附着力强，不变色，并且具有优良的防腐蚀特性。抗风等级12级，并确保灯杆寿命达到15年以上[3]。

2 太阳能路灯的应用

据统计每年我国陆地接受的太阳辐射总量相当于24000亿吨标准煤炭，太阳能利用条件比较好的地府总共占国土面积的三分之二以上。特别是在我国的西部地区，人口密集度低，距离骨干电网较远，且交通不便利，由此可知太阳能是这些偏远地区的最佳能源选择，在青藏地区铁路边上的中国移动基站，基本全部采用太阳能，一些火车小站、乡镇和牧场照明采用太阳能照明。在经济较发达，现代化水平较高的沿海中小型曾是，建设和建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施，一开始在公益性的建筑上应用，然后渐渐推广到其他建筑物的应用，同时在道路、公园、车站等公共场地中推广使用了光伏电源。

太阳能路灯或照明的应用场地具体如下:

乡村、乡镇等边缘地区公路接到照明；

城市广场、停车场、学校操场、工人绿地、公园照明；

高尔夫球场、海滨浴场、高档的别墅区等照明；

高速公路警示牌、大桥路灯电源替代[4]。

2.1太阳能路灯在沿海地区较发达城市的应用

我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用。2005年上海崇明岛建设了风光互补道路照明工程。2006年，北京市北村照明工程全部采用太阳能照明。2006年11月，青岛市政府在青岛市宾川路进行了太阳能路灯示范性试点安装。2007年深圳市福田区下沙大道两旁安装了38套太阳能路灯，太阳能路灯采用了独立/并网双向系统，在白天光照较强势，晚间使用太阳能供电照明，而在长期阴雨等光照不足的条件下自动切换使用市电供电。在08年奥运前，由于北京奥组委提出“绿色奥运”的口号，所以在北京奥运会场地及其相关会场中90%使用太阳能照明等。此类太阳能路灯类工程在国内已有很多。

2.2太阳能路灯在西部地区的应用

2005年12月～2008年5月在青海省海西州花土沟镇安装了10套额定功率为80Wp太阳能路灯，光源是采用36W的纳灯，平均工作时间为6～8h，并安装了37套额定功率为180Wp风光互补路灯以及15套额定功率为120Wp太阳能路灯，光源采用50W无极灯，工作时间也是6～8h，夜间照亮了全场大约2.5km主次干道。

2006年11月，海北州西海镇安装了43套额定功率为25Wp太阳能路灯，光源采用了18W的高效节能荧光灯，工作时间4～6h，有效地解决了海北区西湖旅游景点夜间的道路亮化问题。

2007年4月，青海省西宁经济技术开发区安装了高度8～12m，额定功率

160Wp的太阳能路灯87套，而且还安装了额定功率250Wp的太阳能路灯38套，光源采用了85W的无极灯，工作时间为8～10h，满足了5条街道照明了标准。

近几年，在西藏，新疆，昆明等西部或者是偏西部地区，由于电能供应距离太远损耗过大，现在越来越多的采用太阳能路灯这种绿色无污染、节能环保的照明方式来替代一些常规路灯照明的方式。

2.3工程照明

道路照明采用太阳能路灯，其实是非标准道路照明设计。应以太阳能为主，电路为辅，路灯光源的日工作时间为前面6个小时全功率，而后半段为半功率；太阳能系统应保证储能供电时间不低于4个连续的阴雨天，若阴雨天数超过4day，系统检测到蓄电池内电压低于规定值是，要自动切换到市电。采用太阳能路灯需要满足或者接近道路平均照度为20lx，照度均匀度应不小于0.4[5]。在道路的两侧树木种植区设置金属灯杆双臂路灯，安装高度为12m。路灯将采用双侧对称布置的方式，路灯的纵向安装间距要为30m左右。

根据上述要求，灯具厂配置了符合设计要求的方案，见表1。

表1 系统配置及相关说明

系统性能特点：智能充电放电控制，可以相对地延长蓄电池的使用寿命；工作模式：24小时定时模式；负载开路和短路保护功能，并具有自动恢复的功能；采用专用芯片对光源进行恒功率启动的控制，具有过流过压保护，灯泡的开路、短路保护；防频闪双频工作模式等温补偿；采用了工业级的芯片低功耗设计，可在高温、寒冷、超市的环境下进行可靠的工作；维护、使用简单方便，全自动控制[6]。

3 太阳能路灯的发展趋势

太阳电池进入使用阶段不久之后，就开始被应用于照明领域。在我国，早在70年代初太阳能电池就被使用在航标上了。近年来，太阳能这种清洁环保能源为大众所熟识。太阳能庭院灯、景观灯也被广泛地使用，太阳能路灯也进入了人们的视线。太阳能照明无需电缆，不消耗常规能源和使用寿命长等优点得到了社会的广泛认可，很多地区，包括部分农村、城市以及西部地区的道路推广使用太阳能路灯，并得到了一定的赞美声。然而，很多业内专家也指出了一些值得注意的问题。

3.1相关技术有所欠缺

尽管太阳能照明系统装置的使用已日益广泛，但目前太阳能路灯在功率、光效和使用寿命上还是存在一些问题。据调查，对于路面比较窄、对照明要求不高的乡村道路而言，小功率的太阳能路灯能够满足；但是对于路灯照明要求较高的城市而言，太阳能路灯却还是存在学点：光线覆盖率低，亮度不均匀。之前珠海市试点推广使用的部分太阳能路灯，就有相关人员表示目前太阳能路灯的技术指标来看，它的照度并不能十分满足失去主干道的要求，所以大多数城市还是不会采用太阳能路灯代替原有的主干道路灯。

还有，太阳能电池板的使用寿命也制约着太阳能路灯的推广使用。由之前的调查表明，太阳能电池板转换率低、造价高。若想要让灯亮的时间长一点，就应该提高配置，合理匹配各个组成的部分，而不是单纯地加大蓄电池容量。

另外，太阳能路灯如果要更加广泛地使用，除考虑太阳能板光电装换效率外，还要考虑当地的太阳能辐射时间、大气灰尘等。

3.2环境污染问题

太阳能路灯最大的好处在于它是最清洁的太阳能，每个路灯都有一台小型发电机。但目前太阳能路灯所采用的蓄电池主要是以铅酸电池为主，它主要是由铅、硫酸和部分其他金属以及塑料组成，废旧电池酸液中含有大量的铅，随意排放不仅会严重污染土壤和水源，会对空气、生态平衡造成破坏，还引发人体新陈代谢以及神经方面的疾病。而目前国内对废品回收还处在比较无序的状态，因此很多用过报废后的铅酸电池正在污染者我们的生存环境。在研发太阳能照明产品是要进行多方面的考虑，减少产品对环境的污染。相关行业应该加快技术创新，及早地实现污染性电池的回收利用，否则会给我们的生存环境和太阳能路灯产业造成严重的影响。

3.3后期维护应予以重视

在目前，很多地区都在试点推广太阳能路灯，尤其是一些地方的新农村建设中，太阳能路灯更是大量的使用。由于现在太阳能路灯中使用的蓄电池平均寿命为500次充电放电[7]。太阳能路灯相对于普通路灯来说，初期投资比较大，同时维修费用也相对比较高，大概每一年半到两年就需要更换一次，花费大概是初期投资费用的三分之一，另外光源损坏后也需要替换。所以，太阳能路灯工程建成后，仅一次性将光伏照明系统安装到位并不是一劳永逸的，后期还要给予必需的维护，否则无法实现太阳能路灯的长期照明。

4 结论

在我国各地尤其是太阳能资源较好的一、二类地区，我们因地制宜的大规模利用太阳能资源已经成为解决人类生活生产时的能源需求的有效途径，而其中太阳能路灯就是利用拥有丰富资源的太阳能来解决城镇乡村及偏远地区建设亮化方面的问题。这样做，不但缓解了电力能源的紧张局面，缓解社会矛盾，并且有效地减少了石油类能源所带来的污染，改善了人类聚集地区的严重环境污染，具有良好的社会效益以及经济效益。在此同时，对于促进社会协调可持续发展和构建全国能源的安全战略具有较为长远的意义。

当然，太阳能路灯的设计室需要科学性和合理性的，我们要从整体考虑路灯的构造，特别是路灯的蓄电池的研发，后期的维护以及结合城市环境和道路条件来进行设计路灯整体的美观性，在结合实际经验，优化系统设计，才能确保太阳能路灯能正常工作。

太阳能路灯是今时最为理想的道路照明灯具，随着人们生活水平的提高和社会科研的不断发展，它将被广泛地运用到各区域，使太阳赐给大地的光明也能在也为人们所使用。

参考文献

[1]太阳能利用协会.新编太阳能产品设计与太阳能利用新技术工艺实务全书[M].北京：中国科技文化出版社，2007:677-700

[2]马文会，戴永年，杨斌等.加快太阳能级硅制备新技术研发，促进硅资源可持续发展[J].中国工程科学，2005，增刊：91-94

[3]胡雅伶，太阳能路灯在道路照明设计中的应用[J] .有色冶金与研究，2010，31(3)：25-27

[4]姜祥元，太阳能路灯的设计与应用[J] .福建建筑，福建省土木建筑学会，2008，(7)：95-97. [5]CJJ45-2006，城市道路照明设计标准[S]

[6]胡雅伶，太阳能路灯在道路照明设计中的应用[J] .有色冶金与研究， 2010，31(3)：25-27

[7]太阳能路灯：前景广阔问题尚存[J].中国照明电器， 2008，(10)：40-40