太阳能路灯应用剖析

太阳能路灯应用剖析

冷水江市路灯管理所（417500） 张耿波

摘  要  本文通过从对太阳能路灯五个关键部分的详尽解析说明，叙述了太阳能路灯的组成、工作原理及使用条件，并从冷水江市实际使用情况中总结出了安装维护注意事项和相关配套估算指标。

关键词  太阳能路灯 剖析

随着国家节能减排的要求不断提高，步伐越来越快，对于耗能大户的道路照明，推广绿色照明政策力度明显加大。特别是太阳能电池和LED光源的大幅降价以后，在国家政策的强力支持下，太阳能路灯成为广大新农村建设照明的主力军，这就要求我们路灯从业人员深入了解太阳能路灯的主要构成，安装维护和相关配套估算。下面就我市常用的太阳能路灯进行剖析。

一、太阳能路灯主要构成：

1、太阳能电池板

太阳能电池就是把太阳能转化成电能的装置。常见的太阳能电池板由太阳能电池片通过串联和并联方式联结在一起，再和钢化玻璃、EVA等五层板层压封装而成，四周用铝型材包边，每块板后有一正一负两个接线柱，接线时应注意电池极性。路灯常用太阳能电池板有单晶硅电池板和多晶硅电池板之分。

下面以170W太阳能电池板为例（图4）来说明电池板的主要技术参数：首先要明白太阳能电池板的输出功率随着照度的增加而增大，输出功率随着温度的升高而降低。标准测试条件在AM1.5(地面中午晴空太阳光)阳光幅照度为1000W/㎡,温度为25℃。也可用照度4万Lux面光源来模拟标准光源。接入负载且将负载作为变量，多次测量负载两端的电压和通过负载的电流得到I－U曲线和通过P＝U×I计算得出P－U曲线。图4中的A点就是当前条件下的最大功率点。

图4 太阳能电池输出I-U曲线（红色）及P-U曲线（绿色）

2、太阳能路灯控制器

太阳能路灯控制器的作用简单讲是自动控制路灯的充电与放电过程。根据主控芯片的配置可以分为非智能与智能控制器。非智能控制器是通过模拟电路、小型数字电路、MOSF管、继电器等，利用并联或串联方式组合成的控制器，可靠性高但调整不方便，充电质量不高，控制手段不多。智能控制器是利用智能芯片MCU对整个充放电，开关灯过程进行全方位控制。目前太阳能路灯控制器大多是智能控制器，主流智能控制器一般是运用MCU+PWM（脉宽调制），而MCU+MPPT（跟踪最大功率输出点）模式则更为先进，最大限度利用了太阳能电池所产生的电能来进行充电。

下面以主流的MCU+PWM模式控制器为例，来说明控制器的工作过程。一般控制方式：光控（开、关）、光控（开）+延时（关）、光控（开）+分时段（可变功率输出）+光控（关）。适时稳定的光控是最好的开关灯方式。检测开灯条件：在一段连续的时间（几十秒）内检测到电池板的电压低于5V（可调节）就开灯，即蓄电池对负载放电。光控关灯就是相反过程：在一段连续的时间（几十秒）内检测到电池板的电压高于5V（可调节）就关灯。延时关灯是开灯后过几个时间关灯（可调节）。

以上电压值根据南北方区域的不同，蓄电池种类不同而略有不同。正常充电过程先是直充，再是均衡充（恒压十分钟左右），最后是浮充。

3、蓄电池

蓄电池将电能转换为化学能蓄存起来，到适当的时候将化学能转换成电能，驱动负载点亮路灯。在整个太阳能路灯主要构成中蓄电池的使用寿命是一大短板，蓄电池的使用寿命与电池的制作材料与工艺（内因）以及使用方式与环境（外因）有很大关系。

太阳能路灯用的蓄电池有：密封铅酸蓄电池（阀控式）、胶体蓄电池、普通铅酸蓄电池、锂铁蓄电池、碱性镍镉蓄电池，后两种电池一般用于较小负载（庭院灯）时使用，前两种电池具有免维护和高性价比被（路灯）广泛使用。

太阳能路灯专用电池是针对缓充缓放和深放电的特点，对电池的正负极板及其它组件进行优化，使其循环次数（寿命）得以提升。

胶体电池是用胶体电解液取代硫酸电解液，其的性能在理论上优于铅蓄电池，在安全性、蓄电量、放电性能、使用寿命、环境温度的适应性均有改善，自放电较小。

图6  太阳能路灯专用胶体电池

4、光源

我市农村常用功率20W~40W。现阶段太阳能路灯光源功率建议不超过80W，光源超过80W其它配套器件会大大增加，性价比大打折扣。20W~40W中最好配套的是LED光源，模块化的结构，使之能轻易实现低功率的全覆盖。LED的总体光效、显色性、响应速度、安全性等明显优于其它光源。至于LED光源的散热在中低功率范围内完全没有问题，LED常见的光衰大的问题，通过严格的品质管理能把年光衰控制在3%以内。

LED灯具中的核心是灯珠，其它构件都是为了灯珠能长期、平稳工作的附件。灯珠的种类有很多，按安装方式分有DIP（插件）和SMD（贴片）；按颜色分有：红色、蓝色、黄色、绿色、白色等等；按芯片数量分为单晶和多晶（集成）。而灯珠则是由芯片、荧光剂、金线等组合而成。灯珠发白光通常是用发蓝光的芯片和黄色荧光剂搭配合成的，灯具常用较大功率（1W）白光单晶灯珠以串联+并联方式连接而成，例如：30W功率一般用30颗1W的灯珠以10串3并阵列组合起来。

灯珠常用几个光电指标（以常用Cree XPE 高光效白光灯珠为例说明）：正向电压为2.8V~3.3V，正向电流为100mA~1000mA，最大功率为3.3W，显色指数为70，视角为120°,结温为85℃、350mA时的光通量为107Lm，1000mA时光通量为349LM。抗静电能力2万伏以上，最高结温150℃。

LED灯珠的寿命在结温65℃时可达10万小时，影响灯珠寿命的除了灯珠加工品质因素外，在使用过程中要防止灯珠过流和高温，外接恒流源可防过流和加装散热器来防高温，结温每降低10℃寿命会延长2倍。灯珠的工作电流越大其结温越高，所以灯珠的工作电流不要到极限值，其工作电流最好不要超过最大电流的一半，确保LED灯具的长期稳定的工作，有些商家为了让功率达标，片面提高灯珠的功率，只能让灯珠快速失效。

注意，如果太阳能控制器本身带有调功、恒流功能的，灯具中就不要再配恒流适配器了。

5、路灯灯杆及安装支架

为灯具和太阳能板提供不同造型的支撑。

下面以5米宽道路边安装太阳能为例，简要说明灯杆的技术要点：布置方式：单侧布置，灯高H：6米（路面有效宽度的1~1.2倍）。灯杆壁厚3.5mm，主杆上口径：70mm，下口径：140mm，表面处理：整体内外热镀锌后喷塑，质量控制须符合相关国标，要注意太阳能板支架的强度。

二、安装维护

（一）安装要点

1、安装地点的选择：对太阳光直射无遮挡空旷的地方。特别应该规避路灯正上方有高大障碍物。我市青山公园安装的太阳能路灯，被树林遮蔽，太阳能板的辐照量严重不足，蓄电池长期亏电失效，最后不能亮灯。

2、电池的安装：首次使用要充满电，一般采用地埋安装，南方地区也可采用地面安装，此外电池还要注意防水和防盗。

3、控制器的安装首先检修要方便，要注意防水，防结露，散热。安装后资料档案的建立也很重要。

（二）维护要点

1、日常维护：定期清除太阳能板的遮挡物（树叶、灰尘），定期检查蓄电池的电量。特别是连续阴雨天，电池严重过放时，要及时用其它电源给蓄电池充电，以免蓄电池由于过放提前失效。

2、故障维护：出门前要查路灯档案，了解路灯各组件的品牌、规格、型号，询问故障时间及现象，然后进行故障预判，带齐备件及必要工具。这点对提高工作效率很有好处。到达现场后先观察路灯外观有无异样，排除诸如遮挡、撞击、偷窃等行为带来的损害，再打开控制器电器盒，观察控制器的状态（包括控制器的程序、电池的电量指示、充放电指示）是否正常，各接线端子接触是否良好，再将控制器工作状态调整成常亮，观察指示灯是否正常，这样很容易判断故障的范围。再用仪表测量来证明判断正确与否。其中电池故障的原因有很多，不能更换电池就算完事，查出根源才能最终解决问题。

注意以下几点：太阳能板的遮挡脏污，天气原因，各接线端子、线路，太阳能板的充电电压及电流，控制器充放电功能，电池工作环境，电池性能，负载过流等等。修好灯后还要注意整理、清场（回收更换的器件，不一定均已损坏，回去检测后再作处理，特别是蓄电池）、记录。

实际操作中蓄电池提前失效较多，控制器也是易损件，品质差的话常会遭感应雷击且抗干忧能力差，此外LED灯的恒流源也易遭感应雷击而损坏。

三、相关配套估算

以路面有效宽度（W）为依据，确定灯高（H）。H＝1~1.2W （单边布置）路灯规范中路灯间距（S）≤3.5H，这一点在我市自然村落中大多实现不了，安装的路灯数量远远不能满足需要，基本以分散的点光源为多，偶尔有几十基路灯组其间距也是大得惊人，所以按利用系数法来计算路灯的功率没有多少意义，只能用经验数据来估计了。

下面以6米高30W LED灯功率为例，估算有相关的构成的规格。

冷水江市的经纬度：东经111°36′，北纬27°40′，太阳能板的最佳安装倾角为33°，平均日照时间是4.21小时/天，采用12V蓄电池系统，每日放电时间为9小时，满足连续阴雨天5天共计6晚。

1、估算蓄电池的容量：

负载电流：30W÷12V＝2.5A

负载电流调增到：2.5A×1.2＝3A（考虑20%的恒流源、线损）

蓄电池容量＝3A×9H×6天＝162AH

调整后蓄电池容量＝162÷（1－20%）＝202.5AH（考虑20%预留容量）

最终选取常用规格容量200AH/12V。

2、估算太阳能板的峰值功率Pm

Pm=3A×9H×17.4V÷4.21H≈112W，最终选取常用太阳能板峰值功率120W。

以上计算只是估算，太阳能路灯的配套计算和使用地点、使用要求、所选控制器的类型、各构成的品质效率有很大的关系，例如选用较先进的带有MPPT功能和调功功能的控制器，可减少太阳能电池板功率和电池容量各20%左右。

太阳能路灯正乘着节能减排、国家大力补贴的东风，快速推进，最终占稳市场的还是要靠质量和服务，本文希望能抛砖引玉，为路灯从业人员做好服务工作提供参考。