??????? 在世界能源短缺，環(huán)境污染日益嚴(yán)重的今天，充分開發(fā)并利用太陽(yáng)能是世界各國(guó)政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。太陽(yáng)能路燈以其不用專人管理和控制，安裝一次性投資無(wú)需日后電費(fèi)開支，無(wú)需架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜，可以方便安裝在廣場(chǎng)、校園、公園、街道等多方面的優(yōu)點(diǎn)而越來(lái)越受
重視。

??????? 太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)通常由太陽(yáng)電池組件、蓄電池、光源、控制器(交流光源還需逆變器)等幾部分組成。本文從：① 光源選擇；② 控制電路；
③太陽(yáng)電池板最佳傾角確定；④太陽(yáng)電池組件和蓄電池容量確定等幾個(gè)方面對(duì)在珠海運(yùn)行的太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。

太陽(yáng)能路燈與普通路燈不同，它采用太陽(yáng)電池作為唯一的供電源，因?yàn)槟壳疤?yáng)電池組件的成本還比較高，所以為了降低系統(tǒng)成本，必須使用高效
的光源。LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體發(fā)光器件，近年來(lái)LED技術(shù)已經(jīng)有了關(guān)鍵的突破，其性能價(jià)格比也有較大的提高，與傳統(tǒng)的路燈光源相比LED光源具有光效率高，接近白熾燈的兩倍，壽命長(zhǎng)，可達(dá)到105h以上；傳統(tǒng)的光源功耗比較大，而且大多在高壓下工作，使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率，而LED采用低壓直流供電，安全而且光源控制成本低，使調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)成為可能。
???????? 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)一般都是小型光伏系統(tǒng)，世界銀行的標(biāo)準(zhǔn)是小型光伏系統(tǒng)控制器自耗電流要小于額定工作電流的1％，因此控制器電路的設(shè)計(jì)與低
功耗器件的選擇非常重要。太陽(yáng)能路燈中采用的是由集成運(yùn)放構(gòu)成的電壓比較器作為控制電路，這種電路完全是由硬件組成的控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單可靠、維護(hù)方便、成本低、電路本身功耗也極低，是一種匹配性很好的電路。這種電路的關(guān)鍵是針對(duì)蓄電池的充放電特性設(shè)計(jì)一個(gè)比較好的電壓同差，同時(shí)器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個(gè)具有實(shí)用功能的控制器電路，具有防蓄電池過(guò)放電、過(guò)充電功能。系統(tǒng)采用直接耦合的方式的充放電控制器電路，根據(jù)LED同蓄電池的匹配特性，能夠做到功率自適應(yīng)，在太陽(yáng)輻照不足的幾個(gè)月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時(shí)端電壓也較低，這樣負(fù)載工作電流較小、功率小，系統(tǒng)也能夠工作更長(zhǎng)的時(shí)間。反之在太陽(yáng)輻照比較充足時(shí)，負(fù)載工作電流較大、功率大，也會(huì)更亮。

確定太陽(yáng)電池板最佳傾角

????? 在獨(dú)立光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，太陽(yáng)電池組件平面通常朝向赤道，相對(duì)地平面有一定傾角。由于太陽(yáng)輻照量隨季節(jié)、氣候變化，傾角不一樣，各個(gè)月份而接受到的太陽(yáng)輻照造差別很大，而且由于蓄電池充電時(shí)受其額定容量限制，放電時(shí)義受到放電深度限制，因此在太陽(yáng)能路燈優(yōu)化設(shè)計(jì)中，要按照負(fù)載情況，當(dāng)?shù)貧夂驙顩r、地理?xiàng)l件來(lái)確定最佳傾角度，使方陣平面上的太陽(yáng)輻照量盡量滿足連續(xù)性，均勻性，極大性的要求，降低系統(tǒng)成本。

負(fù)載情況

??????? 太陽(yáng)能路燈類產(chǎn)品主要有定時(shí)和光控兩種工作方式，實(shí)際上是衡型負(fù)載方式和季節(jié)性負(fù)載方式T作。定時(shí)控制：不受外界影響，定時(shí)開關(guān)燈， 是存在天黑燈不亮或天亮燈還亮的問(wèn)題 光控太陽(yáng)能路燈在戶外光線暗到一定程度(200 lx)時(shí)自動(dòng)開燈，天亮?xí)r自動(dòng)關(guān)燈，優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)光照情況自動(dòng)控制光源工作，不存在天未黑光源就工作和滅已黑還不工作的情況，一年四季均可以正常工作。光控方式的工作時(shí)間與當(dāng)?shù)氐木暥群彤?dāng)日的太
陽(yáng)赤緯相關(guān)。由日出和日落的時(shí)角公式：
COs= COS L一— tan ~tan8o ]??????? (1)，
j6一緯度； 一赤緯，當(dāng)天赤緯角為在太陽(yáng)時(shí)正午，光線與赤道平面的夾角。
在通常情況下，日出前0．5 h和口落后0．5 h，雖然沒(méi)有日照，但是天空尚有余光，這是可以不需要開燈照明，因此光控太陽(yáng)能路燈工作時(shí)間 J．以減
少1 h，可以用下面公式計(jì)算路燈工作時(shí)間為：
T= 23—2／15cos一[一tan~tan8]???????? ?(2)
通過(guò)公式(2)計(jì)算，呵得到安裝在珠海的光控太陽(yáng)能路燈全年工作時(shí)間變化圖1，從圖中可以看出光控太陽(yáng)能路燈最長(zhǎng)工作時(shí)間在冬至，為12．35 h，在夏至?xí)r最短j二作時(shí)間9．65 h；由于珠海地區(qū)緯度比較低，光控太陽(yáng)能路燈全年工作時(shí)間變化不是很大，因此雖然該處光控太陽(yáng)能路燈是季節(jié)性不均衡負(fù)載，但是負(fù)載量變化不是很大，負(fù)載情況不是影響太陽(yáng)電池組件最佳傾角的主要因素。再考慮到控制開關(guān)燈的可靠性和控制器成本，在珠海設(shè)計(jì)的
太陽(yáng)能路燈采用的光控方式工作。

氣候情況

????? 珠海市地處北回歸線以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，光照充足。太陽(yáng)輻射年總量為4 651．6MJ／n~，是廣東省內(nèi)太陽(yáng)能資源較豐富的地區(qū)之一。從圖2可以看出，珠海地區(qū)一年中總輻射量最少的時(shí)段是春季，陰雨天氣比較多，大氣透明度差，巾、低云層經(jīng)常布滿天空，該段時(shí)間散射輻照量在
總輻照量中占的比例很高，從表2可以看出2月份的散射輻照量比例是全年最高值達(dá)到65．6％；夏季主要是晴熱天氣，陽(yáng)光充足，水平面上太陽(yáng)輻照
度是全年最大的，而且太陽(yáng)輻照量中直接輻照占的比例很高；秋季的珠海地區(qū)秋高氣爽，晴空萬(wàn)里，雖然太陽(yáng)高度角相逐漸減小，但是太陽(yáng)輻照量仍然
比較高；冬季，晴天屠多，尤其足前冬，雨量稀少。
傾斜面太陽(yáng)輻照度計(jì)算
????? 傾斜面上太陽(yáng)輻照計(jì)算一般是以過(guò)去10～20年的氣象資料數(shù)據(jù)作為依據(jù)，在提供的水平面太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可以使用Hay_I 提出的天空散射輻射各向異性的模型算出朝向赤道不同傾角的方陣面上所接蘇到的太陽(yáng)輻照量。
其表達(dá)式為：
HT：H R8+Ho I_R H }H +0．s 、～HB|Ho)
(1+cosf1)J+0．5pH (1一cosp) (3)
R ：cos0 ／cos0
入射角： =COS [cos0 cosfl+sin0 sinflcos
(y 一y J J
天頂角： =c0s [sinasin~+c0s c0s c0s∞][3
太陽(yáng)方位角： ys = d * d y 。+
f_l 1* *180。_3
熱 n [ ={ 。 }’
f l ≯ (≯一 01 f l ∞ 01
I—l 其他 』’ I—l其他』’
=ar~cos(tan3／tan~)
盧為斜面傾角，f0為地物表面反射率， 為入射角，臼，為太陽(yáng)天頂角；a為太陽(yáng)高度角；)，為表面方位角，y 為太陽(yáng)方位角。通過(guò)以上Hay模型的計(jì)算，得到圖3的不同傾角平面的月平均太陽(yáng)輻照量變化。從圖3可以看出在2—4月是各傾角平面獲得太陽(yáng)輻照量最低的時(shí)段，而且這段時(shí)間幾種傾角平面獲得的太陽(yáng)輻照度相差不大，分析原因主要是因?yàn)?—4月是珠海地區(qū)的雨季，陰、雨天氣比較多，散射輻照量在總輻照量中占的比例很高，從表2可以看出這3個(gè)月散射輻照量比例都在55％以上，由于改變傾角對(duì)太陽(yáng)電池組件多接受直接輻射作用比較大，但是對(duì)散射輻照作用不大，因此在2—4這3個(gè)月不同傾角的平面接受的太陽(yáng)輻照量差別不是很大；在夏季的5—8兒個(gè)月，以0。平面接受的太陽(yáng)輻照量最大，15。和22。傾斜角平面接受的太陽(yáng)輻照度很接近，然而40。平面接受到的太陽(yáng)輻照量相比較其他3種傾角來(lái)說(shuō)輻照蛀降低很多；珠海地區(qū)在秋季天氣秋高氣爽，晴空萬(wàn)里，雖然太陽(yáng)高度角逐漸減小，太陽(yáng)輻照量仍然比較高，15°、22°、40°幾種傾斜角平面獲得太陽(yáng)輻照量很接近，而9月以后0。平面接受的太陽(yáng)輻照量快速減少，降幅很大；冬季，晴天居多，尤其是前冬，雨量稀少，冬季的1和l2月份，高度角是全年最低時(shí)期，從圖3以看出在不同角度傾斜面上，太陽(yáng)輻照量差別較大，在40o時(shí)能獲得最大的太陽(yáng)輻照量，水平面上的太陽(yáng)輻照量被嚴(yán)重減小，同時(shí)冬至前后光控制太陽(yáng)能照明系統(tǒng)工作時(shí)間是全年最長(zhǎng)的，因此傾斜角度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)照顧冬季的太陽(yáng)輻照。

通過(guò)對(duì)圖3不同傾角平面的月平均太陽(yáng)輻照量變化的分析，結(jié)合我們使用負(fù)載情況，在太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮系統(tǒng)在2—4月低太陽(yáng)輻
照量情況的正常工作需求，在珠海地區(qū)使用的光控太陽(yáng)能路燈是冬季耗電量大的季節(jié)性負(fù)載，但是負(fù)載趨變化不是很大，負(fù)載情況不是影響太陽(yáng)電池板
最佳傾角的主要因素，綜合幾個(gè)方面的因素，珠海太陽(yáng)能路燈的太陽(yáng)電池組件布置傾斜角度是取當(dāng)?shù)氐木暥?2。，這樣不但能夠適當(dāng)?shù)恼疹櫠緯r(shí)負(fù)載用電增加，而且在春季2—3月有最佳輸出，進(jìn)入夏季后又能比40。f頃角時(shí)產(chǎn)出更多的電能，快速對(duì)蓄電池進(jìn)行恢復(fù)性充電，延長(zhǎng)蓄電池的壽命。

太陽(yáng)電池板和蓄電池容量確定確定
?????? 太陽(yáng)能電池和蓄電池容量的組合，既是在保證路燈負(fù)載可靠性需要盼前提下，確定使用最少的太陽(yáng)電池組件和蓄電池容量，以最優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。對(duì)于可靠性國(guó)內(nèi)外大多采用負(fù)載缺電率(LOLP)來(lái)衡量 。其定義為系統(tǒng)停電與實(shí)際所需要用電時(shí)問(wèn)比值。LOLP值在0到1之間，數(shù)值越小，可靠性越高。對(duì)于呵靠性要求應(yīng)該有一定的限度，以往在國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)沒(méi)計(jì)時(shí)，往往不淪其用途如何，總是設(shè)計(jì)成要達(dá)到不停電，即要求IJ(】IJP=0，實(shí)際上交流電網(wǎng)對(duì)大城市供電也只能達(dá)到IJ(】LP=10I3數(shù)量級(jí)，[大1此要求價(jià)格相對(duì)昂貴的光伏系統(tǒng)達(dá)到100％的可靠性，顯然是不合理的。因而在太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足負(fù)載合理的可靠性的同時(shí)，要有最佳的經(jīng)濟(jì)性，由表3的推薦，珠海太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)的可靠性L0LP值為0．1，能夠保證4—5個(gè)陰雨天的供電。按照這個(gè)可靠性設(shè)計(jì)，系統(tǒng)配置如表4所示，使用8支1W大功率白光LED作為燈負(fù)載，2塊20Wp太陽(yáng)電池組件(朝南220傾斜角布置)，12V，40AH免維護(hù)鉛酸蓄電池。

總 結(jié) ．
??????? 在光伏發(fā)電應(yīng)用的過(guò)程中，不少產(chǎn)品由于沒(méi)有按照光伏發(fā)電的工作特點(diǎn)和運(yùn)行規(guī)律來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，往往使系統(tǒng)無(wú)法長(zhǎng)期正常地運(yùn)行，根據(jù)珠海當(dāng)?shù)氐?br>氣候情況，結(jié)合太陽(yáng)能光伏發(fā)電的特點(diǎn)，對(duì)該處運(yùn)行的太I(xiàn)5}j能路燈進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化工作是很有意義的，它不但降低 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)成本，而且提高了系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)過(guò)對(duì)太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明路燈系統(tǒng)實(shí)際近1年的測(cè)試觀察，結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)要求，太陽(yáng)能路燈控制器能夠準(zhǔn)確地對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠正確的對(duì)蓄電池進(jìn)行過(guò)充電、過(guò)放電保護(hù)，蓄電池在經(jīng)過(guò)4天的連陰天后，路燈仍然正常工作。?