1.2 太阳能路灯

1.2.1 太阳能路灯构成及光源

1. 太阳能路灯基本结构

太阳能路灯利用太阳能电池的光生伏打效应原理，白天太阳能电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里，当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电，设定的时间到后控制器切断光源电源。太阳能路灯由以下几个部分组成：太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池、太阳能路灯光源、灯杆及灯具外壳、线缆和连接紧固辅件，如图1-3所示。

2. 太阳能电池组件

太阳能电池组件是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。在众多太阳能光电池中较普遍且较实用的有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池三种。在太阳光充足、日照好的东西部地区，采用多晶硅太阳能电池为好，因为多晶硅太阳能电池生产工艺相对简单，价格比单晶硅低。在阴雨天比较多、阳光相对不是很充足的南方地区，采用单晶硅太阳能电池为好，因为单晶硅太阳能电池性能参数比较稳定。非晶硅太阳能电池在室外阳光不足的情况下比较好，因为非晶硅太阳能电池对太阳光照条件要求比较低。

对于硅太阳能电池，在标准条件下（光谱照度：100W/m2，光谱：AM1.5，温度：25℃），它的开路电压为0.48～0.6V。将多个单体太阳能电池连接，并进行封装，可以构成不同面积、不同功率的太阳能电池组件，也可统称为太阳能电池板。单体太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。

目前太阳能电池的封装形式主要有层压工艺和滴胶工艺两种。采用层压工艺封装的太阳能电池可以保证25年以上的工作寿命，其工艺特性和使用寿命均优于滴胶封装形式。不管哪种太阳能电池都具有以下五大电性能：短路电流Isc；峰值电流Im；开路电压Voc；峰值电压Vm；峰值功率Pm=Im ×Vm。

太阳能电池峰值功率是标准条件下（STC：欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃），太阳能电池（组件）输出的最大功率，单位峰瓦，或用符号Wp表示。太阳能电池（组件）的输出功率取决于太阳辐照度、太阳光谱分布和太阳能电池（组件）的工作温度。在不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。

按面积计算，每平米的太阳能电池的输出功率大约为120W；随着转换效率的提高，其输出功率也相应增大。太阳能电池组件输出功率的选择，要根据太阳能灯的光源功率、使用时间和当地的气候地理条件等来确定。

由于我国南北纬度跨越较大，太阳能电池组件安装倾斜角度要随安装地区纬度的不同发生变化。一般情况下，长江以南地区的安装倾角在30°左右；长江以北地区的安装倾角在45°左右；东北地区应在50°左右。方向为正南方或偏西5°。水平放置的太阳能电池，其输出功率将降低15%～20%。

太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被树叶等遮挡物长时间遮挡，被遮挡的单片太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，甚至会造成整个太阳能电池组件损坏，这就是所谓的热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使太阳能电池表面不能附着遮挡物。

3. 太阳能控制器

无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充电放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充电放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度充电。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器应兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。

对任何一个太阳能照明系统来说，充放电控制电路的优劣将直接影响到系统应用的成败。由于太阳能光伏发电系统输入的能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通发电系统对蓄电池充电的控制复杂。一个性能良好的光伏控制器应具有控制蓄电池充放电、温度调节、最大功率跟踪和过充保护、过放保护、短路保护、反接保护等多种保护功能以及自动开关和时间调整功能。从而保证系统可靠运行，同时使太阳能电池组件可以在不同温度和辐照情况下智能输出最大功率，使照明系统具有很高的效率。

4. 蓄电池

由于太阳能照明系统蓄电池的充电直接由太阳能电池提供，得到的能量极不稳定，所以要配置容量合理、性能可靠的蓄电池，以保证光伏发电系统的正常工作。在太阳能光伏照明系统中，通常选用的是免维护铅酸蓄电池。免维护铅酸电池是一种新型的蓄电池，它采用全密封方式，放电率高，特性稳定；无须加水；安装简单，占地面积小，可水平和垂直安装；期望寿命一般为5～7年。选择蓄电池容量的一般原则是：首先够满足夜晚照明要求，并能把白天太阳能电池组件产生的能量尽量存储下来，同时还能满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大则蓄电池长期处在亏电状态，缩短蓄电池寿命，同时也浪费不必要的投资。

可用一种简单方法确定它们之间的关系，即太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上，系统才能正常工作。太阳能电池的电压要超过蓄电池工作电压的20%～30%，才能保证给蓄电池正常充电。蓄电池容量必须比负载日耗量高6倍以上为宜。太阳能路灯对所用蓄电池的基本要求是：

① 自放电率低。

② 使用寿命长。

③ 深放电能力强。

④ 充电效率高。

⑤ 少维护或免维护。

⑥ 工作温度范围宽。

⑦ 价格低廉。

5. 太阳能路灯光源

太阳能路灯根据实际情况需要，可在12V直流节能灯、低压钠灯、高压钠灯、无极电磁感应灯、LED灯等多种光源中进行选择。不管选用那种光源，其亮度与光源的功率有直接关系，也直接影响系统配置和投资费用。在相同照明时间的条件下，光源功率越大，亮度越高，系统配置越大，费用越高；功率越小，亮度越低，系统配置降低，费用减少。太阳能路灯采用何种光源是太阳能灯具是否能正常使用的重要指标，一般太阳能灯具采用低压节能灯、低压钠灯、无极灯、LED光源。

① 太阳能路灯专用节能灯。太阳能路灯专用节能灯的特点有：电流小，可延长蓄电池的放电时间。光效：40lm/W；色温：2700K、4000K、64000K；颜色：白、红、绿、蓝等；寿命：6000h；额定电压：DC 12V、DC 24V；电压范围：DC 10.8～14.4V、DC 22～28V。

② 太阳能路灯专用低压钠灯。低压钠灯相比常用光源，同样的光通量及照度，节电可达50%以上。由于低压钠灯的发光管密封在高真空并涂有红外线反射膜的玻璃壳中，它的发光效率基本不受外部环境温度的影响，其辐射光谱纯正、稳定、无杂散光，该波长光线透雾性强。低压钠灯发出589.0nm和589.6nm的单色黄光，其光效最高可达200lm/W，就35W而言，总光通量为4600lm，光效为137lm/W，在低功率电光源产品中光效最高。寿命为18000h。

③ 太阳能路灯专用双电弧管高压钠灯。直流24V（或12V）输入到电子镇流器，输出低频（或高频）供给灯，高压脉冲启动，由于采用电子镇流器点灯，对灯泡的寿命大有益处，可提高灯泡寿命30%以上（前提是电子镇流器必须有可靠的设计和质量）。双电弧管高压钠灯的优点有：

● 使用寿命特别长，是单管的两倍。

● 两管交替使用，重新启动后自动更换另一根灯管工作。

● 遇到突发情况后，立刻可以重新启动。

● 有一只电弧管坏仍能保亮。

● 适用于对光源使用寿命要求较高及不易更换维修的场所。

④ 无极灯。功率小，光效较高。无极灯有高光效（系列光效≥63lm/W）、高显色性（≥80）、长寿命（≥5万小时）、无频闪（工作频率2.65MHz）、环保（不含液态汞）、可立即启动和再启动、不怕振动、可在任意方向安装等优势。在电源电压大范围变动下能恒压供电，输出稳定的光通量。输入端的净化电路和防辐射处理使电磁干扰EMC完全符合国家检测标准。由于其启动电压、电流和正常工作电压电流基本一样，因此特别适合用于太阳能路灯系统，是专门为太阳能系统开发的新型光源。由于灯泡体内无灯丝，因此具有超常使用寿命，长达80000h。此外，由于灯泡的发光涂层为三基色粉，发光柔和，眩光大大降低。高频无极放电灯无须或较少维护，具有高可靠性。

⑤ 太阳能路灯专用金卤灯。金卤灯的最大优点是发光效率特别高，光效高达80～90lm/W，正常发光时发热少。由于金卤灯的光谱是在连续光谱的基础上叠加了密集的线状光谱，故显色指数特别高，即彩色还原性特别好，可达90%。另外，金卤灯的色温高，可达5000～6000K，寿命可达2000～18000h。金卤灯的缺点是启动困难，小功率金卤灯启动困难表现得更为特出。金卤灯启动后亮度逐渐增加，如果启动能量过大，启动速度过快，会影响灯泡寿命，所以在电路设计时应充分考虑。

⑥ LED灯。寿命长，可达1000000h，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产为50lm/W，进口为80lm/W。随着技术的进步，LED的性能将进一步提高。LED灯是一种通过直流低压点亮发光二极管组来实现照明需求的一种新型照明方式，具有亮度高、显色性好等特点；另外，由于LED路灯的输入为低压直流，能与太阳能结合起来，LED作为太阳能路灯的光源将是今后发展的趋势。

6. 灯杆及灯具外壳

灯杆的高度应根据道路的宽度、灯具的间距，道路的照度标准确定。灯具一般是指用于安装照明光源的部分，也就是通常所说的灯头；灯杆分为变径杆、锥形杆、组合杆等多种形式，并通过挑臂与灯具连接。一般的灯杆、灯具都可作为太阳能灯的选择对象。如果采用在灯杆上直接安装太阳能电池组件的方案，需根据太阳能电池组件面积加工制作太阳能电池组件的支架，同时考虑灯杆的抗风强度问题。灯具和灯杆的选择面较宽，一般满足实用、美观的要求即可。

7. 线缆和连接紧固辅件

线缆用于连接太阳能电池组件、蓄电池、充放电控制器、光源等器件。线缆的线径标准随系统配置需要确定，线缆的长度随灯杆高度和器件安装位置确定。连接紧固辅件用于固定各器件连线的输入、输出端子，固定灯杆及灯具。