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      仙居縣宇光照明器材廠

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      太陽能LED路燈工作原理與設(shè)計(jì)

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      太陽能LED路燈工作原理與設(shè)計(jì)

      前言:隨著世界能源危機(jī)的加劇,各國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。
             太陽能是地球上zui直接zui普遍也是zui清潔的能源,太陽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2.5億萬桶石油,可以說是取之不盡、用之不竭。LED的光譜幾乎全部集中于可見光頻段,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。
             太陽能LED照明集成了太陽能與LED的優(yōu)點(diǎn)。
             本文對一款太陽能LED大功率路燈做了深入探討與詳細(xì)介紹。
            1、系統(tǒng)介紹
             1.1 系統(tǒng)基本組成簡介
             系統(tǒng)由太陽能電池組件部分(包括支架)、LED燈頭、控制箱 (內(nèi)有控制器、蓄電池)和燈桿幾部分構(gòu)成;太陽能電池板光效達(dá)到127Wp/m2,效率較高,對系統(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。
             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、時(shí)控、過充保護(hù)、過放保護(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)工作原理簡單,利用光生伏應(yīng)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(zhuǎn)化為電能輸出,經(jīng)過充放電控制器儲(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(dòng)作,蓄電池對燈頭放電。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。
            2、系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想
             太陽能路燈的設(shè)計(jì)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(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能LED大功率路燈為例,分幾個(gè)方面做分析。
             2.1   太陽能電池組件選型
            設(shè)計(jì)要求:廣州地區(qū),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)7天。
             ⑴  廣州地區(qū)近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2,經(jīng)簡單計(jì)算廣州地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)約為3.424h;
             ⑵  負(fù)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(gè)連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計(jì)zui短天數(shù)為20天,1.05為太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù),0.85為蓄電池充電效率。
             ⑷  太陽能組件的zui少總功率數(shù)= 17.2×5.9 = 102W
             選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的標(biāo)準(zhǔn)電池組件,應(yīng)該可以保證路燈系統(tǒng)在一年大多數(shù)情況下的正常運(yùn)行。
             2.2   蓄電池選型
            蓄電池設(shè)計(jì)容量計(jì)算相比于太陽能組件的峰瓦數(shù)要簡單。
            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7個(gè)陰雨天,再加上*個(gè)晚上的工作,蓄電池容量:
             12.2×(7+1) = 97.6 (AH),選用2臺(tái)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(shè)計(jì)
            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(gè)*傾角。
            關(guān)于太陽能電池組件*傾角問題的探討,近年來在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。本次路燈使用地區(qū)為廣州地區(qū),依據(jù)本次設(shè)計(jì)參考相關(guān)文獻(xiàn)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(fēng)設(shè)計(jì)
            在太陽能路燈系統(tǒng)中,結(jié)構(gòu)上一個(gè)需要非常重視的問題就是抗風(fēng)設(shè)計(jì)??癸L(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。
             ⑴  太陽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*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。
            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。
             ⑵  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 = 16o                   燈桿高度= 5m
             設(shè)計(jì)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(jì)算點(diǎn)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(fēng)荷載在燈桿破壞面上的作用矩M = F×1.545。
            根據(jù)27m/s的設(shè)計(jì)zui大允許風(fēng)速,2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N??紤]1.3的安全系數(shù),F(xiàn) = 1.3×730 = 949N。
            所以,M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
            根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo),圓環(huán)形破壞面的抵抗矩W = π×(3r2δ+3rδ2+δ3)。
            上式中,r是圓環(huán)內(nèi)徑,δ是圓環(huán)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(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)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(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)量能保證,燈桿的抗風(fēng)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(hù)蓄電池?;竟δ鼙仨毦邆溥^充保護(hù)、過放保護(hù)、光控、時(shí)控與防反接等。
            蓄電池防過充、過放保護(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)。

            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zui嚴(yán)格的AAMA2605.2005的要求,其它指標(biāo)均已達(dá)到或超過GB的相關(guān)要求。
             3、結(jié)束語
             整體設(shè)計(jì)基本上考慮到了各個(gè)環(huán)節(jié);光伏組件的峰瓦數(shù)選型設(shè)計(jì)與蓄電池容量選型設(shè)計(jì)采用了目前zui通用的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)思想比較科學(xué);抗風(fēng)設(shè)計(jì)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的技術(shù)工藝;路燈整體結(jié)構(gòu)簡約而美觀;經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行證明各環(huán)節(jié)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(gè)主要問題。但是,太陽能電池光效在逐漸提高,而價(jià)格會(huì)逐漸降低,同樣地市場上LED光效在快速地提高,而價(jià)格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環(huán)保節(jié)能相比,常規(guī)化石能源日趨緊張,并且使用后對環(huán)境會(huì)造成了日益嚴(yán)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(xiàn)給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景

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