太陽能路燈的工作原理和應(yīng)用及其發(fā)展趨勢

PAGEPAGE5太陽能電路的工作原理、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢摘要：近年來，太陽能作為一種新型能源越來越被人們所重視。早在70年代，我國就有使用太陽能電池在航標燈上。太陽能路燈為了解決無電源地區(qū)的照明問題越來越多的出現(xiàn)在我國西藏、新疆、青海內(nèi)蒙等地區(qū)，并擴展到其他地區(qū)的城鄉(xiāng)的路燈使用中。在使用太陽能路燈的同時，對其結(jié)構(gòu)與工作原理的了解也變得十分重要，只有清楚地知道這些，我們才能準確的使用太陽能路燈到正確的地區(qū)，而非隨意使用造成資源浪費，并且要懂得太陽能路燈使用的注意事項和及時盡量的解決所帶來的問題。關(guān)鍵字：太陽能路燈；蓄電池；工程照明；污染問題引言在科技高度發(fā)展的今天，能源作為一切科研行為的必不可少的基本條件，而一直為人們所注視。在煤礦和石油日益減少，環(huán)境污染不斷加大的情況下，人們致力于發(fā)展新型可持續(xù)無污染的能力資源，而太陽能便是其中的佼佼者。太陽能是地球上最直接最普通也同時是最清潔的能源，太陽能作為一種巨量的可再生能源（可再生能源包括太陽能、風(fēng)能、水能、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)能等非化石類能源），可以說是取之不盡，用之不竭。同時，隨著太陽能電池轉(zhuǎn)換效率以及生產(chǎn)技術(shù)自身的不斷提高，太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用也越來越廣泛，在照明領(lǐng)域，太陽能路燈最為光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)的主要應(yīng)用模式被越來越多的人所認識并接受。光伏效應(yīng)即光生伏打效應(yīng)，就是當半導(dǎo)體材料受光照時，半導(dǎo)體材料內(nèi)部的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。當太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，就會在PN結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓（光生電壓），是PN結(jié)短路，就會產(chǎn)生電流[1]。1太陽能路燈的工作原理及組成太陽能系統(tǒng)的工作原理：太陽能路燈利用太陽能電池的廣生伏特效應(yīng)原理，白天時太陽能電池吸收太陽能光子能量產(chǎn)生的電能通過控制器向蓄電池組充電，當夜幕降臨時或燈具周圍的光照程度較低時，蓄電池提供電力給直流燈負載。直流控制器能夠在任何情況下，包括陽光充足或者是長期陰雨天氣下，都能確保蓄電池不因為過充或過放而發(fā)生破壞，同時具備光控、聲控、溫度補償、和防雷、反極性保護等功能。如圖1。太陽能路燈由以下幾部分組成：太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池、光源、燈桿以及燈具外殼等。圖1太陽能路燈原理組成1.1太陽能電池板太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中運用價值最高的部分。它的作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能，或者是送到蓄電池內(nèi)儲存起來。在大多太陽光電池中較普遍且較實用的有單晶硅太陽能電池、多晶硅太能電池和非晶硅太陽能電池等三種。在太陽光充足日照良好的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽能電池為好，因為多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單，并且價格比單晶硅太陽能電池低。而在陰雨天比較多、陽光相對不是太充足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽能電池為好，因為單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。非晶硅太陽能電池在室外陽光不足的情況下比較好，因為非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低。另外第二代太陽電池的研制，即將取得突破性進展，其核心部件是一種可粘接的薄膜，即薄膜太陽能電池材料[2]。規(guī)格型號：功率90W，峰值電壓24V，共6塊。技術(shù)要求：①尺寸為1200*560*35mm；②單晶硅的光電轉(zhuǎn)換效率為13%～15%,多晶硅為11%～13%。③旁路二極管熱試驗;④組件邊框選用優(yōu)質(zhì)6063T5的型材，選用表面噴涂厚度≥12μm的防氧化膜，耐煙霧及紫外線，使用壽命長，保證在室外的環(huán)境下能正常的使用；⑤接線端子牢固，配有旁路二極管，避免熱斑效應(yīng)；⑥鋼化玻璃厚3.2mm，透光率應(yīng)在91%以上；⑦絕緣強度＞100MΩ；⑧優(yōu)質(zhì)密封硅膠；⑨組件在-40oC～85oC的溫度范圍內(nèi)均可正常工作[3]。1.2太陽能控制器在太陽能燈具中，一個性能優(yōu)良的充放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件交易限制，來防止蓄電池過充電或者深度充電。在溫差較大的地方，合格的控制器應(yīng)還具有溫度補償功能。同時太陽能控制器應(yīng)建有路燈控制功能，包括光控和時控，并要具有夜間自動切控負載功能，以便于陰雨天延長路燈工作時間。規(guī)格型號：24V/20A,SHCB-20A市電互補控制器。技術(shù)要求：①蓄電池反接保護；②太陽能電池反接保護；③負載過流及短路保護；④夜間防反充電保護；⑤過度保護；⑥智能充電?？刂破鞅仨毥?jīng)過高溫高濕環(huán)境運行監(jiān)測、低溫環(huán)境監(jiān)測、交變濕熱試驗、振動試驗、老化試驗、以保證產(chǎn)品質(zhì)量，使用壽命5年[3]。1.3蓄電池由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量非常不穩(wěn)定，所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。一般種類有鉛酸蓄電池、Ni—cd蓄電池、Ni—H蓄電池。蓄電池容量的選擇大多要遵循以下幾個原則：首先在能滿足夜晚照明的前提下，把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明所需要的電能量。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，而蓄電池過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時也會造成浪費。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、用電負荷相匹配?？捎靡环N簡單方法來確定它們之間的關(guān)系。太陽能電池功率必須比負載功率高出4倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。太陽能電池的電壓要超過蓄電池的工作電壓20～30％，才能保證給蓄電池正常負電。蓄電池容量必須比負載日耗量高6倍以上為好。規(guī)格型號：太陽能專用電池。技術(shù)要求：容量為150Ah/24V,共4只。采用優(yōu)質(zhì)蓄電池。在蓄電池的防護方面采用地埋式處理，減少溫度對蓄電池的影響，蓄電池艙的低級預(yù)留排水孔要起到防水的作用。蓄電池要經(jīng)過容量檢測、自放電試驗、溫度適用范圍試驗等監(jiān)測。采用浸水性試驗和滲水性試驗確保蓄電池艙不進水[3]。1.4光源太陽能路燈采用何種光源是太陽能燈具是否能正常使用的一個重要指標，一般太陽能燈具采用LED光源、低壓節(jié)能燈、低壓鈉燈和無極燈。規(guī)格型號：高效無極燈24V/40W*1只，24V/100W*2只。技術(shù)要求:①距地面12m，功率有減半功能；②環(huán)保節(jié)能，亮度好，使用壽命50000h以上，功率偏差在±3%；③需進行9項技術(shù)性能監(jiān)測嚴格把關(guān)[3]。1.5燈桿燈桿的高度應(yīng)該更具道路的寬度、燈具的間距和道路的照度標準確定。規(guī)格型號:太陽能路燈光源距地面12m。技術(shù)要求：采用優(yōu)質(zhì)鋼材，下端口直徑270mm，厚度4mm，整體采用熱鍍鋅加噴塑的表面處理方式，鍍鋅層厚度應(yīng)為85μm，噴塑層厚度在150～200μm之間。塑粉應(yīng)為進口的優(yōu)質(zhì)戶外型，附著力強，不變色，并且具有優(yōu)良的防腐蝕特性?？癸L(fēng)等級12級，并確保燈桿壽命達到15年以上[3]。2太陽能路燈的應(yīng)用據(jù)統(tǒng)計每年我國陸地接受的太陽輻射總量相當于24000億噸標準煤炭，太陽能利用條件比較好的地府總共占國土面積的三分之二以上。特別是在我國的西部地區(qū)，人口密集度低，距離骨干電網(wǎng)較遠，且交通不便利，由此可知太陽能是這些偏遠地區(qū)的最佳能源選擇，在青藏地區(qū)鐵路邊上的中國移動基站，基本全部采用太陽能，一些火車小站、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和牧場照明采用太陽能照明。在經(jīng)濟較發(fā)達，現(xiàn)代化水平較高的沿海中小型曾是，建設(shè)和建筑物一體化的屋頂太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電設(shè)施，一開始在公益性的建筑上應(yīng)用，然后漸漸推廣到其他建筑物的應(yīng)用，同時在道路、公園、車站等公共場地中推廣使用了光伏電源。太陽能路燈或照明的應(yīng)用場地具體如下:鄉(xiāng)村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)等邊緣地區(qū)公路接到照明；城市廣場、停車場、學(xué)校操場、工人綠地、公園照明；高爾夫球場、海濱浴場、高檔的別墅區(qū)等照明；高速公路警示牌、大橋路燈電源替代[4]。2.1太陽能路燈在沿海地區(qū)較發(fā)達城市的應(yīng)用我國太陽能路燈首先在沿海發(fā)達地區(qū)使用。2005年上海崇明島建設(shè)了風(fēng)光互補道路照明工程。2006年，北京市北村照明工程全部采用太陽能照明。2006年11月，青島市政府在青島市賓川路進行了太陽能路燈示范性試點安裝。2007年深圳市福田區(qū)下沙大道兩旁安裝了38套太陽能路燈，太陽能路燈采用了獨立/并網(wǎng)雙向系統(tǒng)，在白天光照較強勢，晚間使用太陽能供電照明，而在長期陰雨等光照不足的條件下自動切換使用市電供電。在08年奧運前，由于北京奧組委提出“綠色奧運”的口號，所以在北京奧運會場地及其相關(guān)會場中90%使用太陽能照明等。此類太陽能路燈類工程在國內(nèi)已有很多。2.2太陽能路燈在西部地區(qū)的應(yīng)用2005年12月～2008年5月在青海省海西州花土溝鎮(zhèn)安裝了10套額定功率為80Wp太陽能路燈，光源是采用36W的納燈，平均工作時間為6～8h，并安裝了37套額定功率為180Wp風(fēng)光互補路燈以及15套額定功率為120Wp太陽能路燈，光源采用50W無極燈，工作時間也是6～8h，夜間照亮了全場大約2.5km主次干道。2006年11月，海北州西海鎮(zhèn)安裝了43套額定功率為25Wp太陽能路燈，光源采用了18W的高效節(jié)能熒光燈，工作時間4～6h，有效地解決了海北區(qū)西湖旅游景點夜間的道路亮化問題。2007年4月，青海省西寧經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)安裝了高度8～12m，額定功率160Wp的太陽能路燈87套，而且還安裝了額定功率250Wp的太陽能路燈38套，光源采用了85W的無極燈，工作時間為8～10h，滿足了5條街道照明了標準。近幾年，在西藏，新疆，昆明等西部或者是偏西部地區(qū)，由于電能供應(yīng)距離太遠損耗過大，現(xiàn)在越來越多的采用太陽能路燈這種綠色無污染、節(jié)能環(huán)保的照明方式來替代一些常規(guī)路燈照明的方式。2.3工程照明道路照明采用太陽能路燈，其實是非標準道路照明設(shè)計。應(yīng)以太陽能為主，電路為輔，路燈光源的日工作時間為前面6個小時全功率，而后半段為半功率；太陽能系統(tǒng)應(yīng)保證儲能供電時間不低于4個連續(xù)的陰雨天，若陰雨天數(shù)超過4day，系統(tǒng)檢測到蓄電池內(nèi)電壓低于規(guī)定值是，要自動切換到市電。采用太陽能路燈需要滿足或者接近道路平均照度為20lx，照度均勻度應(yīng)不小于0.4[5]。在道路的兩側(cè)樹木種植區(qū)設(shè)置金屬燈桿雙臂路燈，安裝高度為12m。路燈將采用雙側(cè)對稱布置的方式，路燈的縱向安裝間距要為30m左右。根據(jù)上述要求，燈具廠配置了符合設(shè)計要求的方案，見表1。表1系統(tǒng)配置及相關(guān)說明系統(tǒng)性能特點：智能充電放電控制，可以相對地延長蓄電池的使用壽命；工作模式：24小時定時模式；負載開路和短路保護功能，并具有自動恢復(fù)的功能；采用專用芯片對光源進行恒功率啟動的控制，具有過流過壓保護，燈泡的開路、短路保護；防頻閃雙頻工作模式等溫補償；采用了工業(yè)級的芯片低功耗設(shè)計，可在高溫、寒冷、超市的環(huán)境下進行可靠的工作；維護、使用簡單方便，全自動控制[6]。3太陽能路燈的發(fā)展趨勢太陽電池進入使用階段不久之后，就開始被應(yīng)用于照明領(lǐng)域。在我國，早在70年代初太陽能電池就被使用在航標上了。近年來，太陽能這種清潔環(huán)保能源為大眾所熟識。太陽能庭院燈、景觀燈也被廣泛地使用，太陽能路燈也進入了人們的視線。太陽能照明無需電纜，不消耗常規(guī)能源和使用壽命長等優(yōu)點得到了社會的廣泛認可，很多地區(qū)，包括部分農(nóng)村、城市以及西部地區(qū)的道路推廣使用太陽能路燈，并得到了一定的贊美聲。然而，很多業(yè)內(nèi)專家也指出了一些值得注意的問題。3.1相關(guān)技術(shù)有所欠缺盡管太陽能照明系統(tǒng)裝置的使用已日益廣泛，但目前太陽能路燈在功率、光效和使用壽命上還是存在一些問題。據(jù)調(diào)查，對于路面比較窄、對照明要求不高的鄉(xiāng)村道路而言，小功率的太陽能路燈能夠滿足；但是對于路燈照明要求較高的城市而言，太陽能路燈卻還是存在學(xué)點：光線覆蓋率低，亮度不均勻。之前珠海市試點推廣使用的部分太陽能路燈，就有相關(guān)人員表示目前太陽能路燈的技術(shù)指標來看，它的照度并不能十分滿足失去主干道的要求，所以大多數(shù)城市還是不會采用太陽能路燈代替原有的主干道路燈。還有，太陽能電池板的使用壽命也制約著太陽能路燈的推廣使用。由之前的調(diào)查表明，太陽能電池板轉(zhuǎn)換率低、造價高。若想要讓燈亮的時間長一點，就應(yīng)該提高配置，合理匹配各個組成的部分，而不是單純地加大蓄電池容量。另外，太陽能路燈如果要更加廣泛地使用，除考慮太陽能板光電裝換效率外，還要考慮當?shù)氐奶柲茌椛鋾r間、大氣灰塵等。3.2環(huán)境污染問題太陽能路燈最大的好處在于它是最清潔的太陽能，每個路燈都有一臺小型發(fā)電機。但目前太陽能路燈所采用的蓄電池主要是以鉛酸電池為主，它主要是由鉛、硫酸和部分其他金屬以及塑料組成，廢舊電池酸液中含有大量的鉛，隨意排放不僅會嚴重污染土壤和水源，會對空氣、生態(tài)平衡造成破壞，還引發(fā)人體新陳代謝以及神經(jīng)方面的疾病。而目前國內(nèi)對廢品回收還處在比較無序的狀態(tài)，因此很多用過報廢后的鉛酸電池正在污染者我們的生存環(huán)境。在研發(fā)太陽能照明產(chǎn)品是要進行多方面的考慮，減少產(chǎn)品對環(huán)境的污染。相關(guān)行業(yè)應(yīng)該加快技術(shù)創(chuàng)新，及早地實現(xiàn)污染性電池的回收利用，否則會給我們的生存環(huán)境和太陽能路燈產(chǎn)業(yè)造成嚴重的影響。3.3后期維護應(yīng)予以重視在目前，很多地區(qū)都在試點推廣太陽能路燈，尤其是一些地方的新農(nóng)村建設(shè)中，太陽能路燈更是大量的使用。由于現(xiàn)在太陽能路燈中使用的蓄電池平均壽命為500次充電放電[7]。太陽能路燈相對于普通路燈來說，初期投資比較大，同時維修費用也相對比較高，大概每一年半到兩年就需要更換一次，花費大概是初期投資費用的三分之一，另外光源損壞后也需要替換。所以，太陽能路燈工程建成后，僅一次性將光伏照明系統(tǒng)安裝到位并不是一勞永逸的，后期還要給予必需的維護，否則無法實現(xiàn)太陽能路燈的長期照明。4結(jié)論在我國各地尤其是太陽能資源較好的一、二類地區(qū)，我們因地制宜的大規(guī)模利用太陽能資源已經(jīng)成為解決人類生活生產(chǎn)時的能源需求的有效途徑，而其中太陽能路燈就是利用擁有豐富資源的太陽能來解決城鎮(zhèn)鄉(xiāng)村及偏遠地區(qū)建設(shè)亮化方面的問題。這樣做，不但緩解了電力能源的緊張局面，緩解社會矛盾，并且有效地減少了石油類能源所帶來的污染，改善了人類聚集地區(qū)的嚴重環(huán)境污