中國太陽能路燈研究綜述

扈志遠(yuǎn)，王 松，王曉陽，何 彬，冉紹伯

（西南交通大學(xué) 機(jī)械基礎(chǔ)國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，四川 成都610031）

1 引言

在當(dāng)今能源短缺的情況下，各國都加緊了發(fā)展光伏的步伐，美國提出“太陽能先導(dǎo)計(jì)劃”意在降低太陽能光伏發(fā)電的成本，將在2015年達(dá)到商業(yè)化競爭的水平；日本也提出了在2020年達(dá)到28GW的光伏發(fā)電總量的計(jì)劃；歐洲光伏協(xié)會提出了“setfor2020”規(guī)劃，預(yù)計(jì)在2020年讓光伏發(fā)電達(dá)到商業(yè)化競爭。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，各國政府對光伏發(fā)電的認(rèn)可度逐漸提高［1］。太陽能路燈作為一種光伏發(fā)電應(yīng)用的產(chǎn)品，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此近10年來對它的研究呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的局面。

2 太陽能路燈發(fā)展歷程與國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

1839年法國學(xué)者貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)，1954年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的3位科學(xué)家首次制成實(shí)用的單晶硅太陽能電池。1958年我國開始研究太陽能電池并于1971年首次將光伏電池成功應(yīng)用于東方紅2號衛(wèi)星。1973年，各國開始太陽能電池地面應(yīng)用研究。20世紀(jì)70年代初太陽能電池被使用在航標(biāo)燈上［2］。國內(nèi)最早報(bào)道太陽能的論文是黃一心的《太陽能路燈》，其給出了太陽能路燈的結(jié)構(gòu)圖［3］。從20世紀(jì)70年代初到80年代末，由于成本高，太陽能電池在地面的應(yīng)用非常有限。90年代以后，隨著成本的降低，太陽能電池向工業(yè)領(lǐng)域和農(nóng)村電氣化應(yīng)用方面發(fā)展。隨著太陽能路燈被研發(fā)成功后，市場應(yīng)用穩(wěn)步擴(kuò)大，國家和地方政府開始制訂光伏計(jì)劃。2002年，國家發(fā)改委啟動(dòng)了“送電到鄉(xiāng)”項(xiàng)目，使得中國的光伏市場迅速發(fā)展起來，總裝機(jī)容量從2001年的23 500kW迅速增長到2002年的45 000kW，至2003年達(dá)到55 000kW。2003～2005年，受德國巨大的市場需求影響，國內(nèi)光伏企業(yè)產(chǎn)能迅速擴(kuò)展，產(chǎn)量迅速增長［4，5］。2009年提出了《太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》、金太陽示范工程等鼓勵(lì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，2020年的光伏發(fā)電目標(biāo)將從原先的1.6GW提高到現(xiàn)在的20GW，一系列的政策支持和長遠(yuǎn)規(guī)劃讓中國的光伏發(fā)電之路更加寬廣。

在光伏發(fā)電的應(yīng)用和安裝方面，德、日、美依然是世界上3個(gè)最主要的光伏應(yīng)用市場。2005年全球安裝太陽電池組件1 460MW，比前一年增長了34%。德國安裝了837MW，比前一年增長了53%；占世界安裝量的57%；日本安裝了292MW，比前一年增長了14%，占世界安裝量的20%；美國安裝了102MW，占世界安裝量的7%；歐洲其它地區(qū)安裝了88MW，占世界安裝量的6%；世界其它地區(qū)安裝了146MW，占世界安裝量的10%［6］。

3 太陽能路燈結(jié)構(gòu)組成與工作原理

3.1 太陽能路燈結(jié)構(gòu)組成

太陽能路燈主要是由太陽能電池板組件、太陽能蓄電池組、路燈控制器、光源以及燈房燈桿等構(gòu)成。當(dāng)輸出電源為交流220V或110V，還要配置逆變器，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖見圖1。

圖1 太陽能路燈結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池及非晶硅太陽能電池等3種。在太陽光充足的東西部地區(qū)，采用多晶硅太陽能電池為好，因?yàn)槎嗑Ч杼柲茈姵厣a(chǎn)工藝相對簡單，價(jià)格較低。在陰雨天比較多、陽光相對不足的南方地區(qū)，采用單晶硅太陽能電池為好，因單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。而非晶硅太陽能電池一般應(yīng)用在室外陽光不足的條件下，原因是非晶硅太陽能電池對太陽光照條件要求比較低。蓄電池適用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)，包括鉛酸、鎳鎘、鎳氫、充電式堿性、鋰離子、鋰高分子和氧化還原蓄電池。但被應(yīng)用于太陽能路燈的蓄電池則主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池以及大型電容器。蓄電池應(yīng)與太陽能電池、用電負(fù)荷（路燈）相匹配?？捎靡环N簡單方法確定它們之間的關(guān)系：太陽能電池功率必須比負(fù)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充電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高6倍以上為宜［7］。大型電容器是一種新型的儲能元件，這種元件能夠擁有數(shù)千法的電容量，性能好，充電時(shí)間短。由于超級電容對環(huán)境污染少，內(nèi)阻低，可長期循環(huán)使用。所以是目前國內(nèi)外最被看好的蓄電設(shè)備。

光源控制器有多種，包括聲控、光控、定時(shí)控制等。太陽能路燈的控制形式主要有光控開——光控關(guān)、光控開——時(shí)控關(guān)、時(shí)控開——時(shí)控關(guān)。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充電放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。此外，可以考慮使太陽能電池板對太陽光進(jìn)行追蹤，根據(jù)季節(jié)、地理位置、1d中太陽強(qiáng)度的變化等來整合控制器，提高太陽能電池板的接收效率。

目前，市場上的主要光源有白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、緊湊型熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、陶瓷金屬鹵化物燈、霓虹燈、LED燈、無極燈等［8］，見表1。

表1 各光源性能參數(shù)表

燈房的設(shè)計(jì)除了要考慮此燈房的大小是否能放下相關(guān)的器件外還要考慮燈房是否夠結(jié)實(shí)；燈房是否能夠及時(shí)驅(qū)散光源和各電氣部件散發(fā)出來的熱量；燈房是否達(dá)到密封等級，能夠防止外界環(huán)境的破壞等。燈桿設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮材料、燈桿的高度（應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距、道路的照度標(biāo)準(zhǔn)確定）、支架中心、可調(diào)節(jié)性等因素。

3.2 太陽能路燈工作原理

白天，在光照條件下，太陽能電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求，經(jīng)過太陽能路燈專用控制器對蓄電池充電，并將電能儲存在蓄電池中。蓄電池充電到一定程度時(shí)，控制器內(nèi)的自保系統(tǒng)動(dòng)作，切斷充電電源。晚上，光照度逐漸降低至一定值后，太陽能電池板的開路電壓降低，當(dāng)控制器檢測到這一電壓值后，通過逆變器的作用把直流電轉(zhuǎn)換為交流電，使得蓄電池對發(fā)光體放電。當(dāng)蓄電池的電能消耗到一定值后，控制器再次工作控制蓄電池不被過放電，使得蓄電池的放電結(jié)束，構(gòu)成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)來為路燈供電。

4 太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與安裝要求

太陽能路燈系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性兩大因素，要求太陽能電池發(fā)電量和負(fù)載耗電量配比合理；耗電量和蓄電池容量配比應(yīng)滿足持續(xù)陰雨天數(shù)要求且放電深度合理；太陽能電池充電電流和蓄電池容量配比合理；負(fù)載放電電流與蓄電池容量配比合理。按電荷分布可分為光伏發(fā)電，蓄電池蓄電，燈具耗電3個(gè)步驟，這3個(gè)步驟中光伏發(fā)電隨著一年日照量的變化而變化，自然蓄電池的蓄電量也是變化的，而燈具由于控制器的設(shè)定耗電是固定的，這就必然會造成有些時(shí)候路燈無法正常工作。所以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須首先計(jì)算太陽能電池板組件容量、蓄電池容量、燈具負(fù)荷以解決選型問題。

太陽能電池板組件容量設(shè)計(jì)需因地制宜，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件和地理位置等外界因素來設(shè)計(jì)。需要的基本數(shù)據(jù)主要有現(xiàn)場的地理位置，包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔高度等；安裝地點(diǎn)的氣象資料，包括逐月的太陽能總輻射量、直接輻射量及散輻射量，年平均氣溫和最高、最低氣溫。此外，還要考慮到負(fù)載和蓄電池的匹配。我國太陽能資源可分為5個(gè)地區(qū)［8］，應(yīng)當(dāng)考慮地區(qū)間的差異。具體對電池板串并聯(lián)后峰值功率與容量的計(jì)算方法，文獻(xiàn)中方法各異［9，10，11］，有些則直接根據(jù)負(fù)載需求來計(jì)算［10］，有些將日平均輻射量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度下的日平均輻射時(shí)數(shù)［11］。筆者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)太陽能電池板實(shí)際接收到的太陽能輻射量情況來計(jì)算容量，這個(gè)過程要考慮地理氣候因素，也要考慮實(shí)際安裝及安裝后的一些情況，如傾角、熱島效應(yīng)、太陽能電池板折舊、轉(zhuǎn)換效率等。此外需保證太陽能電池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍，才能保證給蓄電池正常充電。對于蓄電池選型，一般按照常用的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算［11］。與文獻(xiàn)中具體計(jì)算方法基本相同。即考慮負(fù)載每天需要蓄電池提供的電量、連續(xù)陰雨天數(shù)、蓄電池放電效率的修正系數(shù)、蓄電池放電深度、蓄電池額定電壓、效率等。

光源負(fù)載設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮道路照明標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，城市道路照明設(shè)計(jì)有明確的照度要求，只有這樣才能確保城市道路照明能為車輛駕駛?cè)藛T以及行人創(chuàng)造良好的視看環(huán)境，達(dá)到保障交通安全，要求見表2。

表2 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

道路平均照度（E）計(jì)算公式為［10］：

式中φ為光源的總光通量；N為路燈布置取值；當(dāng)路燈為相對矩形排列布置時(shí)取2，當(dāng)單側(cè)和交錯(cuò)布置時(shí)取1；U 為利用系數(shù)；K為維護(hù)系數(shù)；S為燈桿間距；W 為路面寬度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮光源的壽命、每天工作時(shí)間、地理氣候差異、路燈布置方案等。使用LED光源時(shí)還要考慮散熱問題、大功率LED燈具必須要有恒流驅(qū)動(dòng)裝置等問題［12］。

此外，要選擇充電效率高的控制器，具有MCT充電模式的控制器能自動(dòng)追蹤電池板的最大電流，尤其在冬季或光照不足的時(shí)期，MCT充電模式比其他高出20%左右的效率。應(yīng)選擇具有兩路調(diào)節(jié)功率的控制器，具有功率調(diào)節(jié)的控制器已被廣泛推廣，在夜間行人稀少時(shí)段可以自動(dòng)關(guān)閉一路或兩路照明，節(jié)約用電，還可以征對LED燈進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

根據(jù)設(shè)計(jì)原則選定太陽能電池板、蓄電池、光源后，在具體安裝時(shí)要考慮太陽能電池板安裝最佳傾角、燈桿防風(fēng)強(qiáng)度要求、為保護(hù)蓄電池是否需要防雷限制電壓、路燈安裝高度等問題。安裝的基本要求是保證組件為正南朝向、燈具方向與道路橫軸一致、燈桿垂直。電氣質(zhì)量的關(guān)鍵在于導(dǎo)線連接，組件接線盒、燈具、蓄電池到控制器的連接導(dǎo)線，除非接入端子，只要線與線對接都必須加錫焊接，或用銅線管壓接，再用熱縮管密封防護(hù)，這樣才能降低連接電阻，避免接頭氧化增加線路損耗。路燈控制器安裝時(shí)，端子或?qū)Ь€方向朝下，上端掛接，避免內(nèi)部漏水時(shí)導(dǎo)致電器故障。電池端子連接時(shí)涂導(dǎo)電膏后用銅鼻子固定，螺絲擰緊后加環(huán)氧樹脂密封，以防止氧化腐蝕［12］。

5 太陽能路燈優(yōu)點(diǎn)、不足及發(fā)展趨勢

5.1 太陽能路燈優(yōu)點(diǎn)

太陽能路燈主要優(yōu)點(diǎn)包括：①節(jié)能，太陽能路燈是利用自然界的自然光源，減少了電能的消耗；②安全，市電照明路燈可能存在著由于施工質(zhì)量、材料老化、供電失常等多方面的原因造成的安全隱患。而太陽能路燈不使用交流電，采用的是蓄電池吸收太陽能，把低壓直流轉(zhuǎn)化為光能，不存在安全隱患；③環(huán)保，太陽能路燈無污染、無輻射，符合現(xiàn)代綠色環(huán)保觀念；④高科技含量，太陽能路燈采用智能控制器進(jìn)行控制，可以根據(jù)1d內(nèi)天空自然亮度和人們處于各種環(huán)境下需要的亮度來自動(dòng)調(diào)節(jié)燈的亮度；⑤耐用，目前絕大多數(shù)太陽能電池組件的生產(chǎn)技術(shù)，都足以保證10年以上性能不下降，太陽能電池組件可以發(fā)電25年或更長的時(shí)間；⑥維護(hù)費(fèi)用低，在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，為了維護(hù)或修理常規(guī)發(fā)電、輸電、路燈等設(shè)備的費(fèi)用很高。太陽能路燈只需要周期性的檢查和很少的維護(hù)工作量，其維護(hù)費(fèi)用比常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)要少；⑦安裝組件積木化，安裝靈活方便，便于用戶根據(jù)自己的需要選擇和調(diào)整太陽能路燈的容量大小；⑧自主供電，離網(wǎng)運(yùn)行的太陽能路燈具有供電的自主性、靈活性。

5.2 太陽能路燈的不足

成本高，太陽能路燈初期投資大，一盞太陽能路燈總成本是相同功率常規(guī)路燈的3.4倍［13］；能量轉(zhuǎn)換效率低，太陽能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率約為15%～19%，理論上硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%，但在實(shí)際安裝后，可能因周圍建筑物阻擋造成效率降低。目前，太陽電池的面積為110W／m2，1kW的太陽電池的面積大約9m2，這么大的面積幾乎不可能在燈桿上固定［14］，所以對于快速路、主干道依然不適用；受地理氣候條件影響大，由于依靠太陽來提供能量，當(dāng)?shù)氐牡乩須夂蛱鞖鉅顩r直接影響到路燈的使用。陰雨天過長就會影響亮燈，導(dǎo)致照度或亮度達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，甚至出現(xiàn)不亮燈，成都黃龍溪地區(qū)的太陽能路燈則因白天光照不足，導(dǎo)致晚上亮的時(shí)間太短；元器件使用壽命和性價(jià)比低。蓄電池和控制器的價(jià)格較高，且蓄電池不夠耐用，必須定期更換，控制器的使用壽命一般也只有3年；可靠性低。由于受到氣候等外界因素影響太大，導(dǎo)致可靠性降低。深圳濱海大道上的太陽能路燈則有80%都不能單獨(dú)依靠太陽光，與重慶大足縣迎賓大道相同，均采用了市電雙電源供電方式；管理維修困難。太陽能路燈的維護(hù)困難，電池板電池板的熱島效應(yīng)質(zhì)量無法控制檢測，壽命周期得不到保證，且無法統(tǒng)一進(jìn)行控制管理?？赡艹霈F(xiàn)不同時(shí)照明情況；光照范圍窄，目前所應(yīng)用的太陽能路燈經(jīng)中國市政工程協(xié)會考察并經(jīng)現(xiàn)場測定，一般照度范圍為6～7m，超出7m以外就會昏暗不清，無法滿足快速路、主干道的需要；太陽能路燈照明尚未建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；環(huán)保防盜問題，蓄電池處理不當(dāng)可能造成環(huán)保問題。此外，防盜也是一大問題。

5.3 太陽能路燈發(fā)展趨勢

提高太陽能電池板轉(zhuǎn)換效率，在電池板材料的研制方面，在傳統(tǒng)的3種電池板的基礎(chǔ)上，改進(jìn)其工作能力。以減小電池板體積，提供更大功率，降低電池板價(jià)格；對路燈控制器的改進(jìn)，如采用單片機(jī)智能控制、網(wǎng)絡(luò)化智能控制全部路燈的啟閉，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理［15］。文獻(xiàn)中亦有報(bào)道采用單片機(jī)模式和模擬電路模式；蓄電池的改進(jìn)，采用超級電容［16，17］，提高蓄電池的壽命、降低成本，減小環(huán)境污染。對常規(guī)蓄電池的溫度修正等改進(jìn)；采用雙電源供電系統(tǒng)［18］，這樣可以在快速路、主干道上使用，并提高可靠性；光源的改進(jìn)，主要是采用新型LED燈具，降低功耗，提高照度、亮度；實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤太陽光，最大限度地提高太陽能的吸收利用率，目前這方面的研究較多［19］；充分利用風(fēng)能，目前已有很多這方面產(chǎn)品，如何做到二者合理匹配至關(guān)重要；太陽能路燈的整體管理控制，采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，利用無線控制等方式，對所有太陽能路燈實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、操作，實(shí)現(xiàn)智能化管理；規(guī)范產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)光伏照明設(shè)計(jì)和產(chǎn)品系列化。制定太陽能產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢側(cè)系統(tǒng)，形成產(chǎn)品系列，提高產(chǎn)品質(zhì)量。使各地區(qū)太陽能路燈、草坪燈等設(shè)計(jì)和產(chǎn)品規(guī)格化，系列化，省去復(fù)雜的計(jì)算和選型，以便因地制宜安裝城市太陽能路燈；制定太陽能路燈設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，太陽能路燈設(shè)計(jì)是新生事物，太陽能電池選擇、蓄電池選擇、抗風(fēng)計(jì)算等應(yīng)盡快制定標(biāo)準(zhǔn)，以利提高太陽能路燈設(shè)計(jì)水平，促進(jìn)太陽能照明發(fā)展；防盜，進(jìn)一步完善蓄電池等防盜措施等。

6 結(jié)語

盡管太陽能路燈依然有許多不足與技術(shù)缺陷，但隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來，各國都十分重視太陽能的利用。據(jù)科學(xué)家的保守估計(jì)，在未來10幾年里，太陽能電池的效率將達(dá)到20%，同時(shí)價(jià)格將下降近一半，相關(guān)的配套光源及設(shè)備的壽命也將大幅提高，控制也將越來越科學(xué)，維護(hù)也將進(jìn)一步簡化，太陽能將被更深度、更廣泛地利用。我們將與同行業(yè)人士一起探討，共同推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，為我國的節(jié)能減排事業(yè)出一份力。

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