随着世界能源危机的加剧,各国都在寻求解决能源危机的办法,一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用;另一条是寻求新的节能技术,降低能源的消耗,提高能源的利用效率。

太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源,太阳能作为一种巨量可再生能源,每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油,可以说是取之不尽、用之不竭。太阳能作为一种安全、环保新能源越来越受重视。同时,随着太阳能光伏技术的发展和进步,太阳能灯具产品在环保节能的优势,太阳能路灯、庭院灯、草坪灯等方面的应用已经逐渐形成规模,太阳能发电在路灯照明领域发展已经日趋完善。

全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出,节能和环保是中国实现社会经济可持续发展急需解决的问题。每年照明消耗电能约占全部电能消耗的12%~15%,作为能源消耗的大户,必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。据我国国家绿色照明工程促进项目办公室的专项调查显示,我国照明用电每年在3000亿度以上,道路照明用电量占1/3如用太阳能取代,这相当于总投资规模超过2000亿元的三峡工程的全年发电量[1]。

1.1.2 研究的意义

太阳能作为一种巨量的可再生能源,已被广泛应用在各个领域,是当前能源利用的补充能源,并被认为是未来人类生活的可替代能源。每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量,开发和利用丰富、广阔的太阳能,可以对环境不产生或产生很少污染,太阳能既是近期急需的能源补充,又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路,还是保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视,还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发,开发利用太阳能都具有重大的战略意义。

1.2 国内外研究现状

太阳能是用之不尽的清洁能源,当今世界各国特别是发达国家对光伏发电特别重视。2011年世界太阳能光伏发电装机总容量达到24Gw。目前,太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国,其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年,太阳能光伏发电在发电总量中将占13%.15%,到2100年将约占64%。我国光伏组件生产能力逐年增强,装机容量逐年增加,2007年累计容量达100MW。2005--2010年,我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统,发电成本到2010年将约为1.20元/kw?h;2010?2020年,太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统,发电成本到2020年将约为0.60元/kw?h。到2020年,我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列[2]。

2 太阳能路灯系统结构

2.1 太阳能路灯的组成

太阳能路灯由以下几个部分组成:太阳能电池组、光源、控制器、蓄电池、灯杆及支架。

2.2 太阳能路灯的工作原理

系统工作原理简单,利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出,经过充放电控制器储存在蓄电池中,但到达设定的开灯时间时,蓄电池对灯头放电,开始照明。蓄电池放电到设定时间后,充放电控制器动作,切断路灯供电电路,使路灯熄灭蓄电池放电结束。

2.3 太阳能路灯的优点

太阳能灯优点有以下几点:

(1)节能:以太阳能光电转换提供电能,取之不尽、用之不竭;

(2)环保:无污染、无噪音、无辐射;

(3)安全:绝无触电、火灾等意外事故;

(4)方便:安装简洁,不需要架线或“开膛破肚”挖地施工,也没有停电限电顾虑;

(5)寿命长:产品科技含量高,控制系统、国际系统、智能化设计,质量可靠;

(6)投资少:一次投资、长期受用;

(7)适用广:太阳能源于自然,所以凡是有日照的地方都可以使用,特别适用于 绿地景观灯光配备,高档次住宅及室外照明,旅游景点海岸景观照明及点缀,工业开发区、工矿企业路灯,各大院校室外灯光照明[3]。

2.4 与传统路灯的比较

(1)市电照明路灯安装复杂:市电照明路灯工程中有复杂的作业程序,首先要铺设电缆,这里就需要进行电缆沟的开挖、铺设暗管、管内穿线、回填等大量基础工程。然后进行长时间的安装调试,如任何一条线路有问题,则要大面积返工。而且地势和线路要求复杂、人工和辅助材料成本高昂。太阳能路灯安装简便:太阳能路灯安装时,不用铺设复杂的线路,只要做一个水泥基座,然后用不锈钢螺丝固定就可。

(2)市电照明路灯电费高昂:市电照明路灯工作中需要支付固定高昂的电费,并且需要长期不间断对线路和其它配置进行维护或更换,维护成本逐年递增。太阳能路灯具免电费:太阳能路灯是一次性投入,无任何维护成本,长期受益。

(3)市电照明路灯存在安全隐患:市电照明路灯在施工质量、景观工程的改造、材料老化、供电不正常、水电气管道的冲突等方面都会带来诸多安全隐患。 太阳能路灯没有安全隐患:太阳能路灯是超低压产品,运行安全可靠。太阳能路灯的其它优势:绿色环保[4]。

综上对比所述,太阳能路灯具有安全无隐患、节能无消耗、绿色环保、安装简便、自动控制免维护等特性。

3 太阳能路灯方案论证

3.1 太阳能路灯设计要求

(1)电池板功率的计算和选用;

(2)蓄电池容量、充放电控制;

(3)连续阴雨天七天路灯仍能照明;

(4)系统断电时可以保存用户所设定的各种参数。

3.2 太阳能路灯方案选择

太阳能路灯跟普通路灯控制电路功能基本一样,都是为了完成晚上亮灯,早晨熄灯的作用,还有就是对蓄电池的充电管理。国内外常用的控制器有单独的光控制型、时钟控器型、经纬型控制器型等,但由于其工作原理不同,各有优缺点。

单独的光控型一般采用感光探头,当晚上光线弱时,自动开启路灯;早上光线较强时,自动关闭路灯,达到自动控制的作用。为节省电力,早期的光控开关,使用分立半导体器件,电路复杂,元器件较多,体积也较大,并且故障率高。随着半导体技术的发展,出现了时基集成电路,如NE555等,使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件,同时对它安装位置也有一定要求,力求避免各种干扰光线,但在实际使用中,感光探头难以判断各种干扰光线,经常会产生误动作[5]。

采用时钟控器型的路灯控制器,要预先设定开关时间,使路灯按时亮灯、准时熄灯,从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰,除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间,需人工经常调整开关时间,费时费力,不利于节省电力。定时开关又分为机械钟表型和电子钟表型,机械钟表型以石英钟为主,走时精准,但是由于机芯内使用塑料齿轮在高温下会变形,从而导致停机现象。电子钟表型定时开关使用的也较多,常用LR6818、LM8650、LM8561等集成块为中心的电子钟电路。近几年还出现将电子钟LED液晶显示为一体的集成块,体积小、外围元器件少,可设六组开关点,有星期功能,许多厂家大量生产该产品,现在大多用于路灯控制中[6]。

经纬型控制器采用单片机技术,模拟日照规律,晚上能自动开灯、早晨能自动关灯。它采取光控开关时间的优点,克服了光控开关易受干扰的缺点,取钟控器时间准确之长处,克服了定时开关不会自动变换开关时间之短处。目前路灯控制常采用这种控制方式,但其价格较高,在路灯中使用将会增加不必要的成本[7] 。

本设计采用的是单独的时钟控制的方式,实现太阳能路灯的设计。

3.3 系统总体方框图

太阳能LED路灯在白天通过太阳能电池组件采集太阳光的能量,并将其转化为电能存储起来,即向蓄电池充电,在晚上光线较暗时由蓄电池经路灯控制处理器控制,点亮LED灯用于路灯照明。系统总体方框图如图1所示。