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太陽能路燈結構原理

1、系統介紹
    1.1 系統基本組成簡介

系統由太陽能電池組件部分（包括支架）、LED燈頭、控制箱（內有控制器、蓄電池）和燈桿幾部分構成；太陽能電池板光效達到127Wp/m2，效率較高，對系統的抗風設計非常有利；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陣作為平面發光源。
    控制箱箱體以不銹鋼為材質，美觀耐用；控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。本系統選用高壽命鋰電池，由于其維護很少，故又被稱為“免維護電池”，有利于系統維護費用的降低；充放電控制器在設計上兼顧了功能齊備（具備光控、時控、過充保護、過放保護和反接保護等）與成本控制，實現很高的性價比。
1.2 工作原理介紹
  系統工作原理簡單，利用光生伏特效應原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉化為電能輸出，經過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當照度逐漸降低至10lux左右、太陽能電池板開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時后，充放電控制器動作，蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。

2、系統設計思想
太陽能路燈的設計與一般的太陽能照明相比，基本原理相同，但是需要考慮的環節更多。下面將以廣州的這款太陽能LED大功率路燈為例，分幾個方面做分析。
2.1 太陽能電池組件選型
設計要求：廣州地區，負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數8.5h，保證連續陰雨天數7天。
    ⑴ 廣州地區近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經簡單計算廣州地區峰值日照時數約為3.424h；
    ⑵ 負載日耗電量 = = 12.2AH
    ⑶ 所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A
    在這里，兩個連續陰雨天數之間的設計最短天數為20天，1.05為太陽能電池組件系統綜合損失系數，0.85為蓄電池充電效率。
    ⑷ 太陽能組件的最少總功率數 = 17.2×5.9 = 102W
    選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標準電池組件，應該可以保證路燈系統在一年大多數情況下的正常運行。
2.2 蓄電池選型
    蓄電池設計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數要簡單。
    根據上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續工作7個陰雨天，再加上第一個晚上的工作，蓄電池容量：
    12.2×（7+1） = 97.6 （AH），選用2臺12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。
    2.3 太陽能電池組件支架
    2.3.1 傾角設計
    為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。
    關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術刊物上出現得不少。本次路燈使用地區為廣州地區，依據本次設計參考相關文獻中的資料[1]，選定太陽能電池組件支架傾角為16o。
2.3.2 抗風設計
    在太陽能路燈系統中，結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計。抗風設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設計，二為燈桿的抗風設計。下面按以上兩塊分別做分析
    ⑴ 太陽能電池組件支架的抗風設計
    依據電池組件廠家的技術參數資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數選定為27m/s（相當于十級臺風），根據非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以，設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。
    在本套路燈系統的設計中電池組件支架與燈桿的連接設計使用螺栓桿固定連接。
    ⑵ 路燈燈桿的抗風設計
    路燈的參數如下：
    電池板傾角A = 16o             燈桿高度 = 5m
    設計選取燈桿底部焊縫寬度δ = 4mm 燈桿底部外徑 = 168mm
如圖3，焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W 的計算點P到燈桿受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風荷載在燈桿破壞面上的作用矩M = F×1.545。
    根據27m/s的設計最大允許風速，2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N。考慮1.3的安全系數，F = 1.3×730 = 949N。
    所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
    根據數學推導，圓環形破壞面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
    上式中，r是圓環內徑，δ是圓環寬度。
    破壞面抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）
=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）= 88768mm3
               =88.768×10－6 m3
    風荷載在破壞面上作用矩引起的應力 = M/W
      = 1466/（88.768×10－6） =16.5×106pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa
    其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強度。
    所以，設計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質量能保證，燈桿的抗風是沒有問題的。
    2.4 控制器
    太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。基本功能必須具備過充保護、過放保護、光控、時控與防反接等。
    蓄電池防過充、過放保護電壓一般參數如表1，當蓄電池電壓達到設定值后就改變電路的狀態。
    在選用器件上，目前有采用單片機的，也有采用比較器的，方案較多，各有特點和優點，應該根據客戶群的需求特點選定相應的方案，在此不一一詳述。
    2.5 表面處理
    該系列產品采用靜電涂裝新技術，以FP專業建材涂料為主，可以滿足客戶對產品表面色彩及環境協調一致的要求，同時產品自潔性高、抗蝕性強，耐老化，適用于任何氣候環境。加工工藝設計為熱浸鋅的基礎上涂裝，使產品性能大大提高，達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求，其它指標均已達到或超過GB的相關要求。
3、結束語
    整體設計基本上考慮到了各個環節；光伏組件的峰瓦數選型設計與蓄電池容量選型設計采用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學；抗風設計從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面；表面處理采用了目前最先進的技術工藝；路燈整體結構簡約而美觀；經過實際運行證明各環節之間匹配性較好。
目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環保節能相比，常規化石能源日趨緊張，并且使用后對環境會造成了日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。

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