太阳能路灯系统的优化设计与分析

太阳能路灯系统的优化设计与分析

■ 邓敏1*徐冬梅1赵雪凯2焦富强1权祥1

（1.徐州工业职业技术学院；2.常州天合光能有限公司）

摘 要：太阳能路灯系统利用太阳电池供电，与传统高压钠灯系统相比，该系统具有节能环保、可靠性高、使用寿命长、易维护等特点，拥有广阔的发展前景。以徐州市平山南路太阳能路灯系统优化设计为实例，综合考虑徐州的地理位置与气候条件，确定了路灯的安装方式及LED光源的工作时间，并以此为依据设计计算了蓄电池组与太阳电池方阵的容量，最终对组件进行了受力分析。经过优化设计后，路灯系统能够满足连续最大阴雨天数的需求，同时也能满足在大风情况下的正常使用。

关键词：太阳能路灯；优化设计；节能环保

0　引言

当前，太阳能光伏发电的巨大潜力及社会效益愈发引人注目，在全球能源结构中的比重持续增大[1]。截至2014年年底，中国光伏累计装机量已超过28 GW，位于世界第2。2014年《政府工作报告》中明确指出“要提高非化石能源发电比重，发展智能电网和分布式能源，鼓励发展风能、太阳能”。2012年起，为引导光伏产业健康有序发展，国家也陆续颁布了多项与光伏和新能源有关的法规，光伏行业朝着健康有序的方向稳步发展。

徐州市平山南路从通车至今已有十余年，路灯维修率逐年升高，需要整修和更换。在目前政府大力支持光伏产业的背景下，对九里山东路到汉城东路之间的平山南路进行太阳能路灯系统的优化设计，并在经济效益与社会效益上与传统路灯进行对比分析。

1　太阳能路灯系统优化设计流程

光伏发电系统的设计要求遵守合理性、实用性、高可靠性和高性价比的原则。要做到既能保证光伏发电系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要；同时又能使系统的配置最合理、最经济，特别是确定使用最少的光伏组件功率和蓄电池的容量。需要协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在满足需要、保证质量的前提下节省投资，达到最好的经济效益[2]。

光伏发电系统设计流程一般包括容量设计和硬件配置两大部分。对于太阳能路灯系统，一般采取如图1所示的设计流程。

图1　太阳能路灯系统设计流程图

2　太阳能路灯系统的优化配置

2.1　气候地理条件分析

太阳能路灯系统设计的基本要求是要满足负载用电的需要，所以在进行设计时，必须考虑系统在最差天气条件下的稳定运行。

根据调查，徐州地区冬季约有14 h处于黑夜状态，夏季的发电总量约为冬季的2.33倍(该数值并未考虑温度和天气变化的影响)。冬季发电量低而负载使用时间长，且气温较低，为了使蓄电池在冬季不至于过放电，系统设计时要考虑根据冬季发电用电情况进行系统设计与配置，兼顾系统稳定性与经济效益。

徐州位于华北平原东南部，117.18°E，34.27°N；全年平均最高气温36 ℃，年平均最低气温-7 ℃；年辐射总量为1500 kWh/m2，日平均峰值日照时数为4.14 h。

太阳能路灯系统受天气影响较大，配置蓄电池可消除或减弱不良天气对路灯系统正常工作的影响。由于阴雨天光伏组件基本不发电，主要依靠蓄电池进行供电，为了系统的稳定，一般使用全年最大连续阴雨天数作为依据。根据近几年每月徐州最大连续阴雨天数的统计数据，为保证太阳能路灯的系统供电稳定性，选取最大连续阴雨天数为9天[3]。

2.2　路灯光源的优化设计

根据我国建设部发布的《城市道路照明设计标准》规定，次干道需使用半截光型灯具。半截光型灯具的安装高度在灯具单向布置时，不小于路面有效宽度的1.2倍；当灯具双侧布置时，安装高度不小于路面有效宽度的0.8倍；此时，两盏路灯的间距不能大于路灯高度的3.5倍[4]。

设灯具高度为H，路面有效宽度为W，路灯间距为S。路灯安装的位置在绿化带中央，故选择机动车道宽度加单绿化带宽度为路面有效宽度，取W=15 m。灯具高度取设计标准规定的最小值，路灯间距取设计标准规定的最大值，即灯具安装高度为路面有效宽度的0.8倍，路灯间距为灯具安装高度的3.5倍。则：

设计路段全长为1105 m，则所需路灯数量n=1105/42=26.3≈27盏。因道路两侧交替布置路灯，所以，单侧路灯数量为27盏，另一侧为26盏，共计53盏。

平山南路设计路段为次干道，路面为沥青路面。按照国家标准规定，次干道路面平均照度应至少为10 lx，对应的平均亮度为1 cd/m2 [4]。计算路面平均照度与平均亮度时，路灯可视为点光源，路灯向外发射的光平均分布在以路灯灯头为圆心的球面内。路灯光源发光效果以光通量来衡量，光源功率设计的目的是选择合适的路灯来提供国家标准所需的平均照度。

设路面平均照度为E，路灯光源光通量为Φ。计算路面平均照度时，对应的球面半径为路灯光源有效高度即灯具高度H。可获得以下关系式：

根据式(3)可知，当E=10 lx时，对应的路灯光源光通量为：

次干道使用半遮光型灯具，光源向上射出的光线除了部分散失外，其余部分会被灯罩反射，增加了向下的光密度。考虑80%的反射率，路灯光源实际所需的光通量Φ1为：

所以，选择光源的光通量最小应为5024 lm。

目前，LED灯因具有寿命长、能耗低、启动快、发热少、绿色环保等特点，常被用作太阳能路灯的光源。选取LED灯发光效率为130 lm/ W，则所需光源的功率为：

2.3　蓄电池组容量的优化设计

考虑平山南路路段的实际情况，为兼顾快车道与慢车道的照明，路灯选用双臂式路灯，因此系统光源需采用两只40 W的LED灯，灯具工作电压为24 V。根据上文中用电量需求分析，设计系统采用定时工作方式，以冬季工作时长为设计标准，设计冬季路灯每天工作时间为18:00～24:00及次日5:00～7:00，每天工作时长为8 h；根据上文分析，最大连续阴雨天数取9天；峰值日照时数取4.14 h；蓄电池最大放电深度在0.5～0.8之间，考虑徐州冬季最低气温-7 ℃，从稳定性角度分析，取最大放电深度为0.6 ；低温修正系数为0.91[5]，则：

1) 平均放电率==120小时率。120小时率属于慢放电率，对应的放电率修正系数为0.9 。

2)负载日平均用电量==26.67 Ah。

3)蓄电池容量==395.65 Ah。

计算结果和蓄电池调研参考资料，可选择蓄电池规格为12 V 200 Ah。

4)蓄电池串并联的计算为：蓄电池串联数=24/12=2；蓄电池并联数=395.65/200=2；蓄电池组总数=2×2=4。

根据以上计算结果，共需12 V 200 Ah蓄电池4件构成蓄电池组，串并联形式为2串2并。

2.4　光伏组件方阵的优化设计

2.4.1　优化光伏组件方阵倾角

为了达到最佳发电效率，需要进行光伏组件阵列倾斜角的设计。倾斜角是光伏阵列平面与水平地面的夹角[6]。光伏组件倾角取值与当地的纬度有关，徐州纬度为34.27°，本地最佳倾角为纬度加7°，所以徐州本地斜面最佳辐射倾角取41°[1]。

2.4.2　估算组件输出电流

根据经验取蓄电池充电效率为0.9，组件损耗系数也为0.9。

组件电流==7.95 A。

2.4.3　确定估算功率

设光伏组件的最高工作温度为60 ℃，则：

组件功率==231.27 W

根据以上计算结果，功率取整为240 W。2 块120 W的光伏组件板可满足使用要求(120 W光伏组件板理论面积为1200 mm×800 mm)。

2.5　太阳电池方阵的抗风设计

根据路灯灯杆行业标准[7]，路灯灯杆材料需选用Q235钢。标准规定，高12 m的灯杆钢管壁厚为3.5 mm、钢管上端口直径为75 mm、下端口直径为195 mm。

为减少周围环境对光伏组件的遮挡，光伏组件装配于灯杆顶端，设计中必须考虑光伏组件能否承受在此高度上的风压。标准光伏组件经受静态载荷的最低值为2400 Pa[8]，而在大风情况下其承受的压强需要大于该值。

风压是指垂直于气流方向的平面所受到的风的压力[9]，当重力为9.8 m/s2时，根据伯努利方程可推导出此时垂直于气流方向的平面所受的风压为：

式中，P为风压，Pa；u为风速，m/s。

12级台风的风速是36.9 m/s，光伏组件在此情况下迎风放置，垂直面的面积需要进行折算。则：

光伏组件承受得风压为558.26 Pa，远低于标准规定的2400 Pa，故组件本身可以满足抗压需求。

3　经济效益分析

传统高压钠灯市场均价为1950元/套，每套灯具设一个检查井[10]。太阳能路灯市场均价为6300元/套，全套太阳能路灯包含：LED灯头(40 W)、Q235灯杆(12 m)、光伏组件(120 W、2块)、免维护铅酸蓄电池(12 V 200 Ah、4件)，以及路灯用控制器1套。灯具安装费用参考市场平均价格，按灯具使用年限20年，使用期间平均每套灯具更换1次光源，其中蓄电池更换2次，进行对比分析。结果见表1。

表1　经济效益对比分析表

路灯类型对比项目　太阳能路灯　传统高压钠灯灯具价格/元　6300×53=333900　1950×53=103350安装费用/元　200×53=10600　103350×10%=10335配套费用/元　无　电缆施工费：2550×53=135150配电设备：1500×53=79500先期投入合计/元　344500　328335维护费用/元电费：0.25×8×0.6×53×365×20=464280光源更换：130×53=6890人员工资：约300000费用合计/元　853766　1099505蓄电池更换：938×4×2×53=397712光源更换：218×53=11554人员工资：约100000

通过表1数据及以上分析可知，太阳能路灯在运行成本、环境维护、效益回流、安全性及维护等方面均优于普通路灯，更加适合推广，更符合国家可持续发展原则。

4　结论

本文利用太阳能系统设计的基本原理与步骤，结合实地考察及市场调研获得的信息，从路灯的高度与间距、光源功率、蓄电池容量、太阳电池板容量、灯杆支架等方面进行了统一的设计与计算，并对比传统高压钠灯，对设计系统进行了经济效益分析。

本文设计的太阳能路灯系统采取分时工作方式，在满足应用的情况下，较大程度节约了系统投资。系统所带的控制器可以精确控制系统的运行与停止，保证系统的稳定运行。光源采取LED路灯，既能提供高亮度，同时耗能远低于高压钠灯，符合国家关于节能减排的号召。

通过经济效益分析可看出，太阳能路灯的价格虽然要高于传统路灯，但由于其安装简单、维护方便，整体费用远低于传统路灯，使用更加经济；市政相关部门也给予了本设计的可用性评价。

参考文献

[1] Global market outlook for photovoltaics 2014–2018 [EB/OL]. http://www./fileadmin/user_upload/ Publications/EPIA_Global_Market_Outlook_for_ Photovoltaics_2014-2018_-_Medium_Res.pdf, 2014-04-17.

[2]王长贵, 王斯成.太阳光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社, 2005.

[3]徐州历史天气. [EB/OL]. http://lishi.tianqi.com/xuzhou/index. html, 2011-01/2014-12

[4] CJJ45-2006, 城市道路照明设计标准(2006版)[S].

[5]彭路明.新型太阳能路灯控制器设计与实现[D].新疆大学, 2004.

[6]詹新生. 光伏发电工程技术[M]. 北京：机械工业出版社, 2014.

[7] Q/KKAW001-2004, 路灯灯杆行业企业标准[S].

[8] IEC 61215-2005, 地面用晶体硅光伏组件—设计鉴定和定型[S].

[9] 许基朵. 太阳能路灯照明系统的受力分析与强度效核[J].科协论坛(下半月), 2009, (2): 105.

[10]孔凡建. 太阳能路灯的设计和应用[J].电源技术, 2011, (8): 932-934, 948.

收稿日期：2015-11-20

通信作者：邓敏(1984—)，女，讲师、工程师，硕士，主要从事光伏材料生产、光伏系统应用方面的研究。[e-mail]