詳析太陽(yáng)能LED照明原理與技術(shù)

太陽(yáng)能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽(yáng)能作為一種巨量可再生能源，每天達到地球表面的輻射能大約等于2.5億萬(wàn)桶石油，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭。LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，所以發(fā)光效率高，一般人都認為，節能燈可節能4/5是偉大的創(chuàng )舉，但LED比節能燈還要節能1/4，這是固體光源更偉大的改革。

太陽(yáng)能LED照明集成了太陽(yáng)能與LED的優(yōu)點(diǎn)。

1、太陽(yáng)能LED照明系統簡(jiǎn)介及工作原理

系統由太陽(yáng)能電池組件部分(包括支架)、LED燈頭、控制箱(內有控制器、蓄電池)和燈桿幾部分構成;太陽(yáng)能電池板光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統的抗風(fēng)設計非常有利;燈頭部分以1W白光LED和1W黃光LED集成于印刷電路板上排列為一定間距的點(diǎn)陣作為平面發(fā)光源。

控制箱箱體以不銹鋼為材質(zhì)，美觀(guān)耐用;控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護很少，故又被稱(chēng)為“免維護電池，有利于系統維護費用的降低;充放電控制器在設計上兼顧了功能齊備(具備光控、時(shí)控、過(guò)充保護、過(guò)放保護和反接保護等)與成本控制，實(shí)現很高的性?xún)r(jià)比。

系統工作原理簡(jiǎn)單，利用光生伏特效應原理制成的太陽(yáng)能電池白天太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)輻射能并轉化為電能輸出，經(jīng)過(guò)充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至101ux左右、太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動(dòng)作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時(shí)后，充放電控制器動(dòng)作，蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。

2、太陽(yáng)能LED照明系統設計思想

2.1太陽(yáng)能電池組件選型

設計要求：廣州地區，負載輸入電壓24V功耗34.5W,每天工作時(shí)數8.5H,保證連續陰雨天數7天。

⑴廣州地區近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2,經(jīng)簡(jiǎn)單計算廣州地區峰值日照時(shí)數約為3.424H;

⑵負載日耗電量=12.2AH

⑶所需太陽(yáng)能組件的總充電電流=1.05×12.2×÷(3.424×0.85)=5.9A

在這里，兩個(gè)連續陰雨天數之間的設計最短天數為20天，1.05為太陽(yáng)能電池組件系統綜合損失系數，0.85為蓄電池充電效率。

⑷太陽(yáng)能組件的最少總功率數=17.2×5.c=102W

選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標準電池組件，應該可以保證路燈系統在一年大多數情況下的正常運行。

2.2蓄電池選型

蓄電池設計容量計算相比于太陽(yáng)能組件的峰瓦數要簡(jiǎn)單。

根據上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH.在蓄電池充滿(mǎn)情況下，可以連續工作7個(gè)陰雨天，再加上第一個(gè)晚上的工作，蓄電池容量：

12.2×(7+1)=97.6(AH)，選用2臺12V100AH的蓄電池就可以滿(mǎn)足要求了。

2.3太陽(yáng)能電池組件支架設計

2.3.1傾角設計

為了讓太陽(yáng)能電池組件在一年中接收到的太陽(yáng)輻射能盡可能的多，我們要為太陽(yáng)能電池組件選擇一個(gè)最佳傾角。

關(guān)于太陽(yáng)能電池組件最佳傾角問(wèn)題的探討，本次路燈使用地區為廣州地區，選定太陽(yáng)能電池組件支架傾角為16度。

2.3.2太陽(yáng)能LED照明系統抗風(fēng)設計

在太陽(yáng)能路燈系統中，結構上一個(gè)需要非常重視的問(wèn)題就是抗風(fēng)設計?？癸L(fēng)設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風(fēng)設計，二為燈桿的抗風(fēng)設計。下面按以上兩塊分別做分析。

⑴太陽(yáng)能電池組件支架的抗風(fēng)設計

依據電池組件廠(chǎng)家的技術(shù)參數資料，太陽(yáng)能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強為2700pA.若抗風(fēng)系數選定為27M/s(相當于十級臺風(fēng))，根據非粘性流體力學(xué)，電池組件承受的風(fēng)壓只有365pA。所以，組件本身是完全可以承受27M/s的風(fēng)速而不至于損壞的。所以，設計中關(guān)鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。

在本套路燈系統的設計中電池組件支架與燈桿的連接設計使用螺栓桿固定連接。

⑵路燈燈桿的抗風(fēng)設計

路燈的參數如下：

電池板傾角A=16°燈桿高度=5M

設計選取燈桿底部焊縫寬度δ=4MM燈桿底部外徑=168MM

焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W的計算點(diǎn)p到燈桿受到的電池板作用荷載F作用線(xiàn)的距離為pQ=[5000+(168+6)/tAn16°]×Sin16°=1545MM=1.545M.所以，風(fēng)荷載在燈桿破壞面上的作用矩M=F×1.545。

根據27M/s的設計最大允許風(fēng)速，2×30W的雙燈頭太陽(yáng)能路燈電池板的基本荷載為730N?？紤]1.3的安全系數，F=1.3×730=949N。

所以，M=F×1.545=949×1.545=1466N.m。

根據數學(xué)推導，圓環(huán)形破壞面的抵抗矩W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)。

上式中，r是圓環(huán)內徑，δ是圓環(huán)寬度。

破壞面抵抗矩W=π×(3r2δ+3rδ2+δ3)=π×(3×842×4+3×84×42+43)=88768mm3=88.768×10-6m3

風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應力=M/W=1466/(88.768×10-6)=16.5×106pA=16.5MpA《215MpA

其中，215MpA是Q235鋼的抗彎強度。

所以，設計選取的焊縫寬度滿(mǎn)足要求，只要焊接質(zhì)量能保證，燈桿的抗風(fēng)是沒(méi)有問(wèn)題的。

2.4太陽(yáng)能LED照明系統控制器

太陽(yáng)能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池?；竟δ鼙仨毦邆溥^(guò)充保護、過(guò)放保護、光控、時(shí)控與防反接等。

蓄電池防過(guò)充、過(guò)放保護電壓一般參數如表1,當蓄電池電壓達到設定值后就改變電路的狀態(tài)。

在選用器件上，目前有采用單片機的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，應該根據客戶(hù)群的需求特點(diǎn)選定相應的方案，在此不一一詳述。

2.5太陽(yáng)能LED照明系統表面處理

該系列產(chǎn)品采用靜電涂裝新技術(shù)，以Fp專(zhuān)業(yè)建材涂料為主，可以滿(mǎn)足客戶(hù)對產(chǎn)品表面色彩及環(huán)境協(xié)調一致的要求，同時(shí)產(chǎn)品自潔性高、抗蝕性強，耐老化，適用于任何氣候環(huán)境。加工工藝設計為熱浸鋅的基礎上涂裝，使產(chǎn)品性能大大提高，達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求，其它指標均已達到或超過(guò)GB的相關(guān)要求。

3、結束語(yǔ)

整體設計基本上考慮到了各個(gè)環(huán)節;光伏組件的峰瓦數選型設計與蓄電池容量選型設計采用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學(xué);抗風(fēng)設計從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面;表面處理采用了目前最先進(jìn)的技術(shù)工藝;路燈整體結構簡(jiǎn)約而美觀(guān);經(jīng)過(guò)實(shí)際運行證明各環(huán)節之間匹配性較好。

目前，太陽(yáng)能LED照明的初投資問(wèn)題仍然是困擾我們的一個(gè)主要問(wèn)題。但是，太陽(yáng)能電池光效在逐漸提高，而價(jià)格會(huì )逐漸降低，同樣地市場(chǎng)上LED光效在快速地提高，而價(jià)格卻在降低。與太陽(yáng)能的可再生、清潔無(wú)污染以及LED的環(huán)保節能相比，常規化石能源日趨緊張，并且使用后對環(huán)境會(huì )造成了日益嚴重的污染。所以，太陽(yáng)能LED照明作為一種方興未艾的戶(hù)外照明，展現給我們的將是無(wú)窮的生命力和廣闊的前景。