太阳能路灯问题分析

我国照明用电量目前占总用电量的13% 左右[3]。路灯是一个耗电大户，目前我国城市照明(包括道路照明和景观照明)的年用电量约占全国总发电量的4％～5％，已超过三峡水电站发电量[5]。近几年太阳能在光伏方面的应用及产业发展异常迅速，年增长率均超过40％ ，体现了世界各国对气候变化及环境保护的重视。我国在广大城乡开展了太阳能路灯的安装，目前全国累计安装太阳能路灯的太阳能电池容量超过10MW 。但是在太阳能路灯安装中也存在一些问题[14] 。本文通过太阳能路灯的工程实践，针对云南省太阳能路灯安装的现状及安装中存在的问题进行了研究和分析，提出了一些创新性的建议。

随着世界能源危机日趋严重，为满足不断扩大的能源需求，光伏产业的发展步伐不断加快，光伏发电系统的应用范围也越来越广泛[17]。 1 太阳能路灯存在的问题

通过太阳能路灯的工程实践，我发现在实际安装中，没有一个较为方便简洁的方法来解决太阳电池板方位角的确定。因此，实现太阳电池板方位角由空中定位向地面定位转变具有现实意义，也是太阳能路灯应用上企业希望解决的实际问题之一。另外，在太阳能路灯的安装选址上也存在很多弊端，一些企业和单位安装太阳能路灯仅仅是因为盲目的追求路灯的高科技性，却没有按照正确的要求来选址，安装太阳能路灯仅仅作为一个摆设，降低了利用率，或者因安装缺乏科学性，致使太阳电池组件产生热斑效应，从而降低了太阳电池组件的使用寿命。

从系统设计标准角度看，为确保路灯的正常工作，一方面要考虑系统各方面的性能；另一方面要考虑太阳能路灯设备的正确选择；从而使太阳能路灯的可靠性得到保证。

从维护的角度看，太阳能路相对传统路灯较为复杂，主要表现在太阳电池组件和蓄电池的维护上，其次是控制器以及其他方面的维护。太阳电池组件因为老化和热斑效应的作用，降低了使用寿命；而蓄电池的损坏直接导致了太阳能路灯系统无法正常工作。因此，做好太阳能路灯维护的维护工作，是保证路灯在使用过程中有较好的可靠性、延长路灯使用寿命的一个重要环节。

太阳能路灯使用的蓄电池和太阳电池组件是太阳能路灯能够正常工作的两个主要部件，由于经济价值较高，容易被盗。蓄电池和太阳电池组件被盗频率很高，严重影响到了太阳能路灯的正常工作。因而，蓄电池和太阳电池组件被盗已成为制约太阳能路灯广泛应用的最主要的人为因素。

从可持续性角度看，太阳能路灯自投入使用后，在不出现任何故障的情况下，蓄电池的使用寿命仍是有限的，超过其使用周期，蓄电池的回收更换如何得到保障或者说回收更换由谁来承担是制约太阳能路灯可持续发展的核心问题，该问题

若得不到解决，太阳能路灯作为节能环保产品推广应用的初衷将受到挑战。 2 太阳能路灯的研究和优化设计

对太阳能路灯系统进行合理的设计，避免了资源的浪费，同时也有效地增强了太阳能路灯系统的可靠性和寿命，使其在实际使用中具有更大的优越性。

太阳能路灯的设计一般有多种方法，电池组件容量设计可用以下公式计算：

WPQ365 (1)

Ih/Io式中 Q—日用电量，W²h；

—系统的效率；

Wm2； Io—标准太阳辐照度，1000Ih—倾斜太阳能组件上的太阳辐射量，MJm2。

当地水平面年平均太阳辐射量为It，倾斜面上的太阳辐射量为

Ih1.1It[15]。

以下选用较为简便的公式来进行计算。 2.1 太阳能路灯的系统优化

为确保太阳能路灯在使用中具有良好的可靠性，首先在考虑路灯性能时要注意以下几个方面：①结构设计；②照度设计；③电性能设计；④道路及与其联接的特殊场所照明设计。其次是路灯的设备选择要严格按照性能设计中的标准，选择安全性和质量都符合要求的设备。具体设计步骤如下： 1、负载用电量测算：

首先确定所选灯具功率P，根据以下公式计算出灯具用电量，

QPt (2) 式中 Q—灯具用电量，W²h；

t—灯具用电时间,h。

要求昆明地区光源：20W LED灯 (每天工作6h)则根据公式（2）可得：Q=120 W²h；

2、蓄电池容量确定：

蓄电池容量的计算方法有多种，一般用以下公式计算： QDF C （3）

KU式中 C—蓄电池容量，A²h； D—最长无日照用电天数；

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F—蓄电池放电容量修正系数（=充入安时数/放电安时数），通常取1.2； Q—负载用电量，W²h；

U—蓄电池放电深度（通常取0.5）；

K—包括逆变器在内的交流回路的损耗率，通常取0.8； 如果选用通常情况所取的系数，上式可简化为：

C3DQ （4）

然后选择系统的直流电压。根据负载功率确定系统的直流电压（蓄电池电压）。确定的原则是：①在条件允许的情况下，提高系统电压有助于减少线路损耗；②直流电压选择要符合我国直流电压标准等级，即、24V、48V等；上限不超过300V，以便于选择元器件和充电电源。用确定的电压（U）除以上式可以得到用A²h表示的蓄电池容量： C3DQ （5） U昆明地区最长无日照用电天数按照5天计算，直流电压选择12V，则根据上式

（5）可得蓄电池容量：C=150（A²h）； 3、太阳电池组件功率确定：

计算平均峰值日照时数Tm

太阳以峰值日照（1kW/㎡）照射1h，定义为1个日照时数。组件倾斜面上的平均每日峰值日照时数为：

Kop年均太阳总辐射量 Tm (6)

3.6365式中 年均太阳总辐射量— 当地气象部门提供的数据，MJ/m； 3.6—单位换算系数，1kW²h=1000（J/s）³3600s=106J=3.6MJ，

1MJ=1kwh/3.6

昆明年均太阳总辐射量为5184MJ/m，根据上式（6）可得：Tm=5184/（3.6³365）≈3.95（h）（为简便起见，用水平面数据）；

计算太阳电池峰值功率（W）： PmQF （7） KTm22式中 F—蓄电池放电容量的修正系数，取1.2；

K—包括逆变器在内的交流回路的损耗功率，取0.8。 上式可化简为：

2

Pm1.5Q （8） Tm根据公式（8）及以上计算得：Pm=1.5³Q/Tm=1.5³120 /3.95≈45.57（w）根据计算结果，铅酸蓄电池选用12V 150 A²h或12V 80 A²h,太阳电池组件选用50W组件；实际安装中，蓄电池选择12V 65 A²h。

计算太阳电池组件的串联数： N系统直流电压（蓄电池组电压）sV 计算太阳电池组件的并联数：

由太阳电池组件的输出功率PmNsVmNpImNsNpPm 可得组件的并联数：

NPpN s Pm式中 Im—组件工作电流；

Pm—组件的峰值功率，PmVmIm； 4、控制器和逆变器的确定：

控制器所能控制的组件最大电流： 组件短路电流：

IFscNIsc1.25 式中 N—组件的并联太阳电池组件数； Isc—组件短路电流；

1.25—安全系数。

根据公式（11）可得太阳电池组件最大电流：

IFsc=1³4.22³1.25=5.275（A）

控制器的最大负载电流： I1.25PLKV 式中 PL—负载的总功率，取K=0.8。 上式可简化为：

3

（9）

10）

11） 12） （（（ I1.56PL （13） V根据公式（13），最大负载电流I=1.56³PL/V=1.56³20/12=2.6（A）。 2.1.1 控制器的模式设置

控制器的运行通过微电脑处理器对太阳能路灯的整体运行进行控制，对路灯的照明控制一般分为光控和时控；光控是指在外界光照强度降低到一定值时，开启路灯照明；时控是指在特定的时间段内开启路灯照明。为达到节能的目的，在一些学校或是有特殊要求的路段根据具体需求来调整太阳能路灯照明时间。例如针对呈贡斗南花卉市场的运营需求，可以调整路灯在晚上12点熄灭，或是12点之前半功率开启照明，到凌晨4点左右花卉市场运营时有开启照明至天亮[1]。 2.1.2 蓄电池的选择

因为蓄电池是路灯的储能系统，为保障路灯的正常运行要选择性能优良的蓄电池。一般选用胶体密封的免维护蓄电池或磷酸铁锂蓄电池。因为磷酸铁锂蓄电池单体开路电压为3.6V，在使用中要注意控制器的调节；也可选用出厂时带有电压调节器的磷酸铁锂蓄电池，在蓄电池安装时较为方便[16]。 2.1.3 光源选择

现在太阳能路灯的安装中一般选择的光源有LED灯或无极灯。

LED灯是一种新光源，显色指数达90以上，光效70—110流明/瓦，色温4000—6000K。优点:寿命长(大于50000小时)，节能80％ ，环保(无紫外线频闪无重金属)，显色性好。是当今世界上最新的光源,但是成本较高。

无极灯：光效60流明/瓦，具有寿命长、启动快、无频闪、色温高、显色指数高、发出的光接近于自然光、性价比高等优点；缺点:光效不是太高，在低温环境下达不到预期照明效果[8] [10][15]。

2.2 太阳能路灯地面方位角创新性设计和工程实践情况分析 2.2.1 太阳能路灯的安装及工程中相关问题的分析

太阳能路灯以太阳光为能源，由于光生伏特效应，太阳电池产生电流，白天太阳电池给蓄电池充电，傍晚或者晚上没有足够光照的时候，已经有电量储备的蓄电池便给路灯供电使用，整个过程由控制器来控制[4]。其原理结构如下图1所示：

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图1 太阳能路灯控制原理结构图

在我参加的云南晋宁县老王坝村太阳能路灯的施工过程中，主要按照以下几个步骤进行：

首先，在所选安装地点安装基座（地埋式还需进行地埋箱的安装），并准备好所需材料和设备；

其次，将灯头和控制箱先安装好，使光源照射方向与灯杆平行（保证安装完成后光源照射方向垂直指向地面），控制箱安装在灯头后方，并固定牢固，初步调整太阳电池方位角，安装在灯杆顶部；

再次，将灯杆树起，正确调整灯头朝向后固定好灯杆底座，接着进行蓄电池和控制器的安装（地埋式在地面安装），安装控制器的一般顺序是：蓄电池→ 太阳电池组件→负载，连接太阳电池组件最好在早晚太阳光较弱条件下进行，以免拉弧，安装好后检测路灯是否能正常工作。

最后，调整太阳电池组件。由于云南处于北纬21°8′~29°15′之间，固定式安装中，太阳电池组件的安装倾角即为当地纬度±5°即可（安装倾角取值如下所述），因而只需利用指南针来调整太阳电池组件朝向（即方位角），为正南朝向，在±20°范围内即可[7]。太阳电池组件的倾角确定方法如下：

纬度0°~25°，倾角等于纬度；

纬度26°~40°，倾角等于纬度加5°~10°； 纬度41°~55°，倾角等于纬度加10°~15°； 纬度＞55°，倾角等于纬度加15°~20°[12] [13]。

下图2为云南晋宁县老王坝村安装的太阳能路灯傍晚调试后照明效果。

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图2 20W太阳能路灯

该路灯采用的光源为：DC12V 20W LED灯 (每天工作6小时，最长无日照用电天数为5天)；太阳电池组件：65W；蓄电池：阀控式密封铅酸电池12V 65A²h；控制器：12V 5A,与计算结果的对比见表2。

表2 太阳能路灯配置对比

设备选择 光源（LED） 太阳电池组件 蓄电池 控制器

实际配置 12V 20W 65W

12V 65A²h(2只)

12V 5A

计算配置 12V 20W 50W

12V 150A²h(1只)或80A²h（2只）

12V 2.6A

2.2.2 确定地面方位角的创新性设计

在上述路灯的安装过程中太阳电池组件方位角的确定比较麻烦，而且准确率不高，由于安装路灯的道路的地理条件和施工人员的个人因素，经常导致路灯安装完成后方位角不正确，容易装反或偏差过大。这时又需要耗费更多的人力物力来矫正。因而安装时太阳电池组件的地面方位角的准确确定能使安装更加便捷。

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下面，提出一种地面方位角的确定方法，经验证适用于各种朝向的路段。

事先对指南针进行简易的改装，要求所选用指南针有保护盖，保护盖有透明塑料板，可以透过其看到指南针表盘，并且保护盖打开与盘面可呈90°角固定；改装方法：在指南针的盖面加一根与指南针转动中轴同轴的可转动指针。下面将对其在确定太阳能路灯地面方位角中的使用方法做一个分析：

安装时，将路灯的灯杆平行于道路放置，将安装的灯头指向路面，使得灯杆树立之后能使光源照射方向垂直指向地面，方位角确定者面向灯杆顶端，平视时的方向从灯杆底端致顶端；然后使用指南针确定正南方，调整指南针保护盖上装好的指针，使其和当时正南方指针方向一致，打开保护盖与指南针盘面呈90°角，此时指南针保护盖上指针所指的方向即为太阳电池组件所要朝向的方向。地面方位角确定的示意图如图3所示：

图3 地面方位角确定示意图

以测量者为中心，当正南方为特殊的前后左右四个方向时，打开保护盖后，太阳电池所指的方向分别为下上左右四个方向，按照该方向调整好方位角后，把灯杆安装于基座上时，太阳电池组件的朝向正确。

同理可以推知，按照上述方法安装，当正南方指向测量者任意一个方向时，所安装的太阳电池组件方位角都是正确的。

如果在太阳能路灯安装时采用上述方式确定太阳电池组件的地面方位角，那么在安装过程中将会节省人力和物力，并提高安装效率和正确率。 2.2.3 太阳能路灯安装选址的探讨

太阳能电池组件由多片太阳电池组合而成，在使用的过程中如果有一片太阳能电池单独被遮挡，太阳电池在强烈太阳光的照射下就会发热损坏，于是就造成整个太阳能电池组件损坏，这就是热斑效应。为避免热斑效应的发生，保护太阳电池，延长其的使用寿命，在安装太阳能路灯时，还要考虑选址的问题。在进行选址时，首先，要考虑太阳能路灯安装完成后避免楼房或其他遮挡物的遮挡，尽

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量使一天中太阳照到太阳电池表面的光照全面均匀；其次，不要一味的追求路灯的高科技性，使安装的太阳能路灯成为摆设，在不适宜安装太阳能路灯的地方就不要进行安装。

2.3 蓄电池安装方式对比分析

对于太阳能路灯蓄电池的安装，现在主要有：地埋式、壁挂式两种方式，另外还有吊顶式和地面式安装。分别如下图6中（a）（b）（c）（d）所示：

（a） （b）

（c） （d）

图4 蓄电池安装方式示意图

地埋式安装在施工中较壁挂式安装复杂。以前安装蓄电池都是放在水泥槽内，防水效果很差，现在一般要在混凝土基础下安装地埋箱，蓄电池安装于地埋箱内，并要做好密封处理。在实际使用过程中防水问题一直是难以解决的问题，

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蓄电池室的进水经常造成蓄电池的损坏，而且更换电池比较麻烦，但比起壁挂式，在防盗方面有一定的优势。因而蓄电池地埋式安装更适合于气候较为干燥，土壤含水量较低的干旱地区。

壁挂式安装较为简便，在安装灯具时将控制箱安装到灯杆，固定牢靠便可。壁挂式安装存在蓄电池和控制器的更换维修较为方便、控制箱内通风好、不易进水等优点。但因为其防盗功能不够可靠，容易造成控制器和蓄电池被盗。因而蓄电池壁挂式安装适合于气候湿润，土壤含水量高的地区。

吊顶式安装与壁挂安装式类似，不同之处在于其控制箱较小，蓄电池采用锂电池。控制箱置于太阳电池组件下方，不易被雨水淋湿，但维修不太方便；同时吊顶式安装与壁挂安装使灯杆所受风阻较大，在多风的地区安装时要考虑灯杆防风性能。

地面式安装直接把控制箱置于地面安装，蓄电池和控制器的更换维修最为方便，灯杆所受风阻较小，但是控制箱和蓄电池也最容易受到破坏和偷盗。另外在雨水较多地面容易积水的地区不宜使用此安装方式[18]。 2.4 太阳能路灯系统维护

因为太阳能路灯组成较为复杂，给日常维护带来了非常大的困难。但是为保证路灯的正常运行，一定要做好后续维护工作。 2.4.1 太阳电池组件的维护

由于电池板的热斑效应，在使用的过程中容易发热，造成整个太阳能电池组件损坏。树叶、鸟粪或其它遮挡物的附着频率较低，相比之下在一些粉尘较多的地区和路段，太阳电池组件上经常被粉尘覆盖，却得不到及时的清理；因此，对于太阳电池组件的维护不能过分依赖防鸟针等一些硬件装置，在后期维护中要经常对太阳电池组件进行清洁，也可以使用具有良好疏水表面的太阳电池组件；另外还需定期检查所有安装部件的紧固程度，保证路灯抵抗恶劣天气的能力[11]。 2.4.2 蓄电池等相关设备的维护

蓄电池等设备通常安装在灯杆基座下或置于控制箱内，体积较大，维护和更换都比较复杂。正常情况下蓄电池的使用寿命在2～3年，损坏之后必须更换。蓄电池的寿命和体积是制约太阳能路灯在维护方面的主要因素。在维护时要检查控制箱的通风、防潮防水、安全性以及蓄电池的使用情况。相比之下控制器、逆变器等的维护相对简便一些；主要是检查其是否正常工作[2]。

另外对太阳能路灯时时监控也有助于对路灯进行维护。当太阳能路灯不能正常工作时，对太阳能路灯进行时时监控，及时获得太阳能路灯工况信息，有助于对出现故障的太阳能路灯及时进行维修[9]。 2.4.3 太阳能路灯的防盗

太阳能路灯使用的蓄电池和太阳电池组件是太阳能路灯能够正常工作的两个主要部件，被盗后直接导致太阳能路灯无法正常工作。

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为减少针对太阳能路灯的偷盗行为，可以从以下几方面加强管理：①太阳能路灯造价相对于传统路灯较高，且路灯在防盗以及稳定性方面的技术还不够成熟完善，应当选择在市内公共场所或者较为安全的场所架设，不易安装于城郊地区；②注重太阳能路灯的安全监控，在容易被偷盗场所可架设监控系统或安装报警系统，以便及时获知路灯的使用情况对路灯进行有效管理；③选用符合标准且质量合格的控制箱及路灯其他材料，同时在安装过程中确保坚固件的安装符合要求，以确保路灯的坚固性，在一定程度上也可以起到防盗作用。 3 意见和建议

3.1 太阳能路灯管理和服务体系建设

太阳能路灯的发展还不够完善，相对于传统路灯来说其组成较为复杂，给日常维护带来了非常大的困难，但是现今对于太阳能路灯安装的管理和服务体系建设存在很多不足的地方，导致了路灯在安装完后，后期管理和服务还跟不上路灯被盗和损坏的速度。由于太阳能路灯的安装在不同路段由不同的公司完成，而各个公司在后续管理和服务体系的建设上存在不规范性和差异性。这一方面的问题严重制约了太阳能路灯的使用性。因此有必要加强对太阳能路灯在管理和服务体系上的建设，来规范和提高该行业后期的管理和服务。 3.2 蓄电池更换的相关问题

首先，蓄电池损坏后蓄电池必须更换，更换蓄电池所需费用也是一笔不小的费用。这笔费用该由谁来出呢？这个问题存在着很多争议，全部由安装方或是政府相关机构负责都显得不够合理。因而为解决这个问题，可以从以下几方面考虑：①建立太阳能路灯维护专项资金，使蓄电池更换资金得以保证，这部分资金可以从收取的电费附加里扣除；②太阳能路灯安装方可以在安装路灯时预留一部分资金作为蓄电池更换的专项资金，用作蓄电池的更换；③可以申请太阳能路灯蓄电池更换的政府补贴，作为蓄电池更换资金。

其次，废旧蓄电池更换之后，为避免电池的二次污染，必须做好废旧电池的回收处理工作。使用的蓄电池一般有铅酸蓄电池、NI—CD蓄电池、NI—H蓄电池、锂蓄电池等[6]。废旧的蓄电池不能随意丢弃，应当进行回收处理，如果没有合理的回收渠道和方法，同样会对环境造成很大污染。为做好蓄电池的回收工作，在购买蓄电池的时候便可以和卖方签订回收协议，妥善处理废旧电池，不要随意处理废旧蓄电池。这样既可以收回一定的成本用于电池的更换，更重要的是兼顾做好了环保工作。同时要加强对蓄电池的管理工作，集中处理和回收废旧电池，及时对损坏的电池进行回收，建立一个针对蓄电池合理严格的安装回收机制。

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