1、太陽(yáng)能LED大功率路燈的研究前言      隨著世界能源危機(jī)的加劇，各國(guó)都在尋求解決能源危機(jī)的辦法，一條道路是尋求新能源和可再生能源的利用；另一條是尋求新的節(jié)能技術(shù)，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。      太陽(yáng)能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，太陽(yáng)能作為一種巨量可再生能源，每天達(dá)到地球表面的輻射能大約等于2.5億萬(wàn)桶石油，可以說(shuō)是取之不盡、用之不竭。      LED的光譜幾乎全部集中于可見(jiàn)光頻段，所以發(fā)光效率高，一般人都認(rèn)為，節(jié)能燈可節(jié)能4/5是偉大的創(chuàng)舉，但

2、LED比節(jié)能燈還要節(jié)能1/4，這是固體光源更偉大的改革。      太陽(yáng)能LED照明集成了太陽(yáng)能與LED的優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)香港真明麗集團(tuán)有限公司的一款太陽(yáng)能LED大功率路燈做了深入探討與詳細(xì)介紹，如圖1。 圖1  太陽(yáng)能路燈實(shí)物圖     1  系統(tǒng)介紹      1.1   系統(tǒng)基本組成簡(jiǎn)介      如圖2，系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱（內(nèi)有控制器、

3、蓄電池）和燈桿幾部分構(gòu)成；      太陽(yáng)能電池板光效達(dá)到127Wp/m2，效率較高，對(duì)系統(tǒng)的抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常有利；燈頭部分以1W白光LED和1W黃光LED集成于印刷電路板上排列為一定間距的點(diǎn)陣作為平面發(fā)光源。 圖2  太陽(yáng)能LED路燈結(jié)構(gòu)示意圖       控制箱箱體以不銹鋼為材質(zhì)，美觀耐用；控制箱內(nèi)放置免維護(hù)鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統(tǒng)選用閥控密封式鉛酸蓄電池，由于其維護(hù)很少，故又被稱為“免維護(hù)電池”，有利于系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用的降低；充放電控制器在設(shè)計(jì)上兼顧了功能齊備（具備光控

4、、時(shí)控、過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)和反接保護(hù)等）與成本控制，實(shí)現(xiàn)很高的性價(jià)比。1.2  工作原理介紹      系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)單，利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池白天太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過(guò)充放電控制器儲(chǔ)存在蓄電池中，夜晚當(dāng)照度逐漸降低至10lux左右、太陽(yáng)能電池板開(kāi)路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測(cè)到這一電壓值后動(dòng)作，蓄電池對(duì)燈頭放電。蓄電池放電8.5小時(shí)后，充放電控制器動(dòng)作，蓄電池放電結(jié)束。      充放電控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池。   

5、60;   2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想      太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)與一般的太陽(yáng)能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環(huán)節(jié)更多。下面將以香港真明麗集團(tuán)有限公司的這款太陽(yáng)能LED大功率路燈為例，分幾個(gè)方面做分析。     2.1  太陽(yáng)能電池組件選型      從理論上說(shuō)，太陽(yáng)能電池足見(jiàn)選型應(yīng)該根據(jù)用戶當(dāng)?shù)氐奶?yáng)輻射資料確定，而不應(yīng)該是選用一個(gè)全國(guó)通用的電池組件瓦數(shù)，因?yàn)槟菢訒?huì)造成浪費(fèi)。在本文中為了說(shuō)明設(shè)計(jì)思想，選定一個(gè)具體的地點(diǎn)。 &#

6、160;    以北京地區(qū)為例，負(fù)載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時(shí)數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)5天。        北京地區(qū)近二十年年均輻射量134.45Kcal/cm2，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算北京地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)約為4.3h；        負(fù)載日耗電量 = = 12.2AH；        所需太陽(yáng)能組件的總充電電流 = 12.2× ÷（4.3×0.85）=3.894A； &

7、#160;    在這里，兩個(gè)連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計(jì)最短天數(shù)為30天，0.85為蓄電池充電效率（蓄電池自放電等損失）；        太陽(yáng)能組件的最少總功率數(shù) = 24×3. 894 = 93.46W；       選擇太陽(yáng)能電池組件為100Wp、單塊50Wp可以滿足要求。      以上是以北京地區(qū)的日照條件為設(shè)計(jì)依據(jù)做的太陽(yáng)能電池組件峰瓦數(shù)選型，在實(shí)際中應(yīng)該根據(jù)用戶當(dāng)?shù)氐娜照召Y料選擇相應(yīng)的規(guī)格。2.2&

8、#160; 蓄電池選型      蓄電池設(shè)計(jì)容量計(jì)算相比于太陽(yáng)能組件的峰瓦數(shù)要簡(jiǎn)單。      根據(jù)上面的計(jì)算知道，負(fù)載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續(xù)工作5個(gè)陰雨天，再加上第一個(gè)晚上的工作，蓄電池容量：      12.2×（5+1） =73.2（AH），選用2臺(tái)12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。      2.3  太陽(yáng)能電池組件支架   

9、;  2.3.1 傾角設(shè)計(jì)      為了讓太陽(yáng)能電池組件在一年中接收到的太陽(yáng)輻射能盡可能的多，我們要為太陽(yáng)能電池組件選擇一個(gè)最佳傾角。      關(guān)于太陽(yáng)能電池組件最佳傾角問(wèn)題的探討，近年來(lái)在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。以北京地區(qū)為例，依據(jù)本次設(shè)計(jì)參考相關(guān)文獻(xiàn)中的資料1，太陽(yáng)能電池組件支架傾角為43.8o。     2.3.2 抗風(fēng)設(shè)計(jì)       在太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個(gè)需要非常重視的問(wèn)題

10、就是抗風(fēng)設(shè)計(jì)。抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，二為燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。下面按以上兩塊分別做分析。        太陽(yáng)能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)      依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽(yáng)能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強(qiáng)為2700Pa。若抗風(fēng)系數(shù)選定為27m/s（相當(dāng)于十級(jí)臺(tái)風(fēng)），根據(jù)非粘性流體力學(xué)，電池組件承受的風(fēng)壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風(fēng)速而不至于損壞的。所以，設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。   &#

11、160;  在本套路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中電池組件支架與燈桿的連接設(shè)計(jì)使用螺栓桿固定連接。  路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)       路燈的參數(shù)如下：         電池板傾角A = 43.8o             燈桿高度 = 5m      燈桿頂部外徑=105mm，燈桿底部外徑 = 165mm

12、      太陽(yáng)能電池板面積=2×0.8×0.541=0.8656m2      燈臂長(zhǎng)度1m，燈頭+燈臂重10Kg 圖3  燈桿抗風(fēng)設(shè)計(jì)分析圖      太陽(yáng)能電池板受風(fēng)壓在燈桿底部作用矩      = 0.5×272×0.8656×sin43.8×5= 1091.89 N.m     

13、 燈桿受風(fēng)壓在燈桿底部作用矩      =  = 2075.94N.m      頂部外徑d1、底部外徑d2、高度h的燈桿，風(fēng)速為V，那么風(fēng)作用在燈桿上的壓力在燈桿底部造成的作用矩      = ，x為燈桿上某處距離底部的距離      為燈桿在x處的外徑， 為風(fēng)速為V時(shí)候的風(fēng)壓-根據(jù)伯努力方程；      燈頭+燈臂重力在燈桿底部作用矩

14、      = 0.5×10×9.8 = 49 N.m      總作用矩 = 1091.89+2075.94+49 = 3216.83 N.m      根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，圓環(huán)形破壞面的抵抗矩W = ×（3r23r23）。      上式中，r是圓環(huán)內(nèi)徑，是圓環(huán)寬度。      破壞面抵抗矩W = &

15、#215;（3r23r23）                                   =×（3×82.52×43×82.5×4243）= 85699mm3   

16、0;                                        =85.699×106 m3      風(fēng)荷載

17、在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力 = 3216.83/(85.699×106)                                           &

18、#160;             =37.536×106 Pa = 37.536MPa <<215MPa      其中，215MPa是Q235鋼的抗彎強(qiáng)度。所以，設(shè)計(jì)選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質(zhì)量保證，燈桿的抗風(fēng)是沒(méi)有問(wèn)題的。2.4  控制器      太陽(yáng)能充放電控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池。基本功能必須具備過(guò)充保護(hù)、過(guò)放保護(hù)、光控、

19、時(shí)控與防反接等。      蓄電池防過(guò)充、過(guò)放保護(hù)電壓一般參數(shù)如表1，當(dāng)蓄電池電壓達(dá)到設(shè)定值后就改變電路的狀態(tài)。表1 蓄電池充放電保護(hù)標(biāo)稱電壓防過(guò)充電壓防過(guò)放電壓6V7.2V±0.1V5.5±0.1V12V14.3±0.1V11.0±0.1V24V28.6±0.1V22.0±0.1V      在選用器件上，目前有采用單片機(jī)的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)該根據(jù)客戶群的需求特點(diǎn)選定相應(yīng)的方案，在此不一一詳述。      2.5  表面處理      該系列產(chǎn)品采用靜電涂裝新技術(shù)，以FP專業(yè)建材涂料為主，可以滿足客戶對(duì)產(chǎn)品表面色彩及環(huán)境協(xié)調(diào)一致的要求，同時(shí)產(chǎn)品自潔性高、抗蝕性強(qiáng)，耐老化，適用于任何氣候環(huán)境。加工工藝設(shè)計(jì)為熱浸鋅的基礎(chǔ)上涂裝，使產(chǎn)品性能大大提高，達(dá)到了最嚴(yán)格的AAMA2605.2005的要求，其它指標(biāo)均已達(dá)到或超過(guò)GB的相關(guān)要求。      3結(jié)束語(yǔ)    &#