智能型太阳能路灯的设计方案

1. 光源的介绍与选择
太阳能路灯是通过太阳能电池板光生伏特效应产生的储存在蓄电池中的直流电为电能工作的，如需使用交流灯(如高压钠灯)，可以通过逆变器将直流电变成交流电，但是使用逆变器将会损失10％-15％左右的电量，所以直接采用直流灯相比下更加合算。LED灯是*典型的直流灯之一。另外低压钠灯也是很适合太阳能路灯的一种光源，其参数不低于LED灯，但价格相对高些，要使其正常工作，需配备较好的电子镇流器，以降低其功耗和使其电流稳定。太阳能路灯采用以上两种光源比较合适。
1.1 LED光源介绍
LED(Light Emitting Diode)发光二极管是利用半导体的P-N结电致发光原理制成的一种半导体发光器件。他具有亮度高、寿命长、节能、工作电压低、体积易小等优点。我们*为熟悉的产品有LED显示屏，近年来，他的发展突飞猛进，从开始的单色发展到多色、全色，体积已可以达到数百平米，其发展相当迅猛。
在照明领域，LED发光产品的应用正吸引着世人的目光，LED作为一种新型的绿色光源产品，必然是未来发展的趋势，二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明时代。LED被称为第四代照明光源或绿色光源，具有节能、环保、寿命长、体积小等特点，可以广泛应用于各种指示、显示、装饰、背光源、普通照明、道路照明和城市夜景等领域。
1.2 低压钠灯介绍
低压钠灯是利用低压钠蒸气放电发光的电光源，在它的玻璃外壳内涂以红外线反射膜，是光衰较小和发光效率*高的电光源。欧司朗生产的低压钠灯经过不断改进 ，低压钠灯的发光效率有了更进一步的提高，成为各种电光源中发光效率*高的光源。所配置的36w低压钠灯系统，运用在8m高度的路灯中时，照射在地面上的照度为 24.5lux;而同样高度的路灯用85w的节能灯时，射到地面的照度只为4.4lux。低压钠灯的寿命因使用过程中燃点次数而异 ，一般为18000小时。低压钠灯到目前为止仍然是光效*高的一种电光源，光通量高达200lm/W，光衰比其他光源小，寿终时尚可达到 80～85％的初始光通值。
低压钠灯发出的是单色黄光，显色性能很差，用于对光色没有要求的场所，但它的“透雾性”表现得非常出色，特别适合于高速公路、交通道路、市政道路、公圆、庭院照明，能使人清晰地看到色差比较小的物体。
1.3 LED光源、低压钠灯与其他光源的对比
Ÿ 从灯具的灯具总效率对照：Ÿ
使用光源
LED
荧光灯
普通灯泡
高压钠灯
低压钠灯
光源光效
90流明/瓦
80流明/瓦
20流明/瓦
100流明/瓦
200流明/瓦
电源效率
90％
85％
100％
90％
90％
有效光照效率
90％
60％
60％
60％
60％
灯具(取光)效率
90％
60％
60％
60％
60％
寿　命
50000小时
2000小时
2000小时
10000小时
18000

综上，各种光源灯具的实际效率：
LED计算：90*0.90*0.90*0.9=65.6流明/瓦
荧光灯计算：80*0.85*0.6*0.6=24.5流明/瓦
普通灯泡计算：20*1*0.6*0.6=7.2流明/瓦
高压钠灯计算：100*0.9*0.60*0.60=32.4流明/瓦
低压钠灯计算：200*0.9*0.60*0.60=64.8流明/瓦
可见，LED灯具实际效率是一般荧光灯的2.6倍，是普通白炽灯泡的9倍，是高压钠灯的2.02倍。而低压钠灯的实际效率接近于LED灯具。即：LED灯钠灯之间功率可换算为：
75W LED灯=150W钠灯;125W LED灯=250W钠灯;225W LED灯=400W钠灯
Ÿ 从灯具在太阳能路灯系统中的实用性能比较
一、显色性：国际照明委员会 CIE 把太阳的显色指数定为 100 ，显色指数越高越能显现出物体的真实颜色，各类光源的显色指数各不相同。高压钠灯显色指数 Ra=23 ，低压钠灯则更低 ，而LED的显色指数Ra=70-80。
二、光衰：如果在散热条件良好的情况下，LED前一千小时为正光衰，前一万小时光衰为3％-10％，前五万小时基本为30％;低压钠灯寿终时尚可达到80～85％的初始光通值。
三、日常维护：在低压钠灯的使用中还需给其配置电子镇流器，以稳定其2端的电流，而电子镇流器的寿命也直接影响了灯具的使用寿命，一般电子镇流器可以工作2年，而且电子镇流器与灯具要配套，这使得采用低压钠灯为光源相比LED光源维护上麻烦的多。
综合上述情况，在一些对显色性没有要求并且要求光照度能长时间保持在很大光通量的地方采用低压钠灯为光源较合适，如高速公路，隧道;而在一些需要显色性比较好并且对光照强度不是太苛刻的地方采用LED灯要合适的多，如普通道路照明，社区照明。LED光源仍是目前太阳能路灯的主流光源。因此此篇设计的方案采用60W LED光源作为在普通道路的照明。并且可以做2路，每路30W，以便夜深时可以关闭一路光源，不浪费电能。
2.太阳能电池的选型
2.1 材料的选型
在得到了光源的瓦数后，我们可以设计太阳能电池板的参数了。在阳光充足的地区，采用多晶硅太阳能电池要比采用单晶硅合适，现在的多晶硅材料的制作已经相当成熟了，而且市场比例也很大，转换效率只是略低于单晶硅，而且其价格要比单晶硅材料来的便宜些，所以阳光充足的地区采用多晶硅比较划算;如果是一些阴雨天气较多，阳光不是很充裕的地区，可以用单晶硅材料来提高其光电转换效率，使得太阳能电池能转换更多的电能供太阳能路灯使用。
2.2 太阳能电池功率计算
太阳能电池输出的功率是随太阳光而定的，不同时间不同地点的同一块太阳能电池所输出的功率是不同的。所以在选择太阳能电池功率时需要根据负载功率、灯具所用时间和平均每日的日照时间等来计算：
Wp=灯具负载功率*灯具所用时间*1.2(放宽对电池板需求20％的预留额)/电池板平均每天接受有效日照时间*17.4(电池板的工作电压)
那么如果我们用的是60W的灯具，12V的蓄电池系统，可以得知电流为5A，每天点燃时间9小时计算(晚间6点开启2路负载，11点关闭1路负载，5点开启2路负载，6点关闭，开灯12小时但其中有6小时是一路负载30W工作的，所以一共折合时间为9小时)，以长江中下游附近地区日照时间4小时做为参考
Wp=5A*9h*1.2/4h*17.4V=236W
因此采用240W太阳能电池板*为合适。
2.3 太阳能电池板安装角度
为了使得太阳能电池板能够更好的被阳光所照射，其安装的角度也很重要，实际使用中基本以当地的纬度数作为电池板的倾角来设计，如苏州的纬度为30.47-32.02度。如需获得*佳倾角，可以查下表求取*佳数值，再结合实验的方式求取。当日发电量达到*大值时，即为*佳倾角。
当地纬度Ф（°）
0-15
15-20
25-30
30-35
35-40
>40
方阵倾角β（°）
15
Ф
Ф+5
Ф+10
Ф+15
Ф+20


3.蓄电池的选取
3.1 类型选择
太阳能路灯的蓄电池除了要求大容量外，还应要求其放电速率慢、放电时间长，因此采用大容量高能阀控式免维护铅酸蓄电池比较合适。这种蓄电池与普通蓄电池相比是免维护的，在使用一段时间后无需像普通电池一样加水加酸维护，。至于阀控，就是在电池盖上装设单向排气阀，如遇到异常情况可以析出盈余气体。同时蓄电池还应具有以下的几个特点：蓄电池的使用寿命要长，*好与整个系统的寿命相匹配;接受电能的效率高，使得太阳能电池输出功率*大化，也缩短了充电的时间;密封性能要好，这样能延长蓄电池寿命;铜质接线端子，保证使用期间接头可靠;自放电效率低，放电性能要好。所以选择蓄电池是很苛刻的，市场上与太阳能匹配的蓄电池也很多，可通过对比试验找出*适合的蓄电池。
3.2 容量选择
蓄电池容量的选取也很重要，一般要遵循以下原则来选取：首先要在能满足夜间照明的前提条件下，把太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还应能够存储满足连续阴雨天照明所需的电能。容量选择过大的话，蓄电池始终得不到使其饱满的电能，长期处于亏电状态，会影响到蓄电池的寿命，同时也造成浪费;容量选择过小则不能满足正常夜间照明的需要。
蓄电池的容量应与太阳能电池、用电负载相匹配。根据经验，有一种简单的方法能够用来确定它们之间的关系。太阳能电池的功率一般为负载功率的4倍以上，系统才能稳定工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池的工作电压的20％-30％，才能保证给蓄电池正常负电。蓄电池的容量是负载日耗电量6倍以上为宜。蓄电池的容量计算公式：
蓄电池容量=光源用电功率/用电电压*每天所用时间*连续阴雨天数
根据太阳能电池板计算中的例子，如果连续阴雨天数为6天，能够计算出蓄电池容量=60W/12V*9h*6=270AH
另外为了防止蓄电池过充和过放，蓄电池一般充电到90％左右;放电余留20％左右。
所以这个数值也只是实际应用数值的70％左右。
3.3 使用注意
Ÿ 蓄电池不可以直接并联对外供电可以用串联方式连接。
Ÿ 蓄电池电路中一定要设置熔断丝加以保护
Ÿ 要考虑到蓄电池的防盗问题
Ÿ 防止自然灾害对蓄电池的损害，如洪水。