太阳能光伏发电和路灯应用系统的详细计算

城市　　　　　斜面日均辐射量　　　峰值日照时数　　　计算公式（峰值日照时数）

哈尔滨　　　　　15838　　　　　　　4.3997964　　　　根据日均辐射量来计算峰值日照时数比较准确：

长春　　　　　　17127　　　　　　　4.7578806

沈阳　　　　　　16563　　　　　　　4.6012014

北京　　　　　　18035　　　　　　　5.010123　　　一、（斜面日均辐射量×2.778）/10000

天津　　　　　　16722　　　　　　　4.6453716             千焦/米^２

呼和浩特　　　　20075　　　　　　　5.576835

太原　　　　　　17394　　　　　　　4.8320532

乌鲁木齐　　　　16594　　　　　　　4.6098132　　　二、（年总辐射量×0.0116）/365

西宁　　　　　　19617　　　　　　　5.4496026             千卡/厘米^２

兰州　　　　　　15842　　　　　　　4.4009076            0.0116是单位转换系数

银川　　　　　　19615　　　　　　　5.449047

西安　　　　　　12952　　　　　　　3.5980656

上海　　　　　　13691　　　　　　　3.8033598　　　１卡＝４.18焦　１kal＝４.18J

南京　　　　　　14207　　　　　　　3.9467046　　　 J=W·S     W= J/S

合肥　　　　　　13299　　　　　　　3.6944622

杭州　　　　　　12372　　　　　　　3.4369416

南昌　　　　　　13714　　　　　　　3.8097492　　注：此表是按公式一计算的

福州　　　　　　12451　　　　　　　3.4588878

济南　　　　　　15994　　　　　　　4.4431332

郑州　　　　　　14558　　　　　　　4.0442124

武汉　　　　　　13707　　　　　　　3.8078046

长沙　　　　　　11589　　　　　　　3.2194242

广州　　　　　　12702　　　　　　　3.5286156

海口　　　　　　13510　　　　　　　3.753078

南宁　　　　　　12734　　　　　　　3.5375052

成都　　　　　　10304　　　　　　　2.8624512

贵阳　　　　　　10235　　　　　　　2.843283

昆明　　　　　　15333　　　　　　　4.2595074

拉萨　　　　　　24151　　　　　　　6.7091478

1.纯太阳能发电路灯（或系统）的计算方法

一般北半球峰值日照时间小时数为4-6小时。

太阳能板功率=（用电器功率W×时间H）÷当地峰值日照时间小时数H×损耗系数（1.2~1.5）

蓄电池容量=（用电器功率W×时间H）÷系统电压V×阴雨天数×损耗系数（1.4~1.8）

控制器电流A=太阳能板功率W÷充电电压V

根据充放电电流选择蓄电的小时率，更好的延长蓄电池的寿命。一般选择10小时率的蓄电池。

2.太阳能风力互补发电路灯（或系统）的计算方法

一般北半球的风力等级按照3级即5米/秒为起点，每天的发电时间为6-12小时。

用电器总用电量=用电器功率W×时间H/1000=KWH千瓦时（度）

▲太阳能资源偏好的地区，将风力作为补充。

太阳能板发电提供的电量=2/3用电器总用电量，

风力发电提供的电量=1/3用电器总用电量

▲风力资源偏好的地区，将太阳能作为补充。

太阳能板发电提供的电量=1/3用电器总用电量，

风力发电提供的电量=2/3用电器总用电量

太阳能路灯原理设计

1、      系统介绍 
1.1 系统基本组成简介 
    系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、LED灯头、控制箱 （内有控制器、蓄电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光电转换效率大于15%，大体在110W/㎡左右，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以1W LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源，并根据设计要求选择不同类型的配光处理，不同色温的LED发光颜色也不相同，具有高显色性，低电压控制，光电转换效率高的特点，是新型的环保节能的高效照明产品。 
    控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器，控制企业可选择其他方式放置。可选用太阳能专用阀控密封式铅酸蓄电池或者胶体蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。

控制器可采用节能方案，利用功耗低、可半功率控制的控制器，空载损耗电流小于0.5毫安。
1.2 工作原理介绍 
    系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池组件，白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。 
2、系统设计思想 
    太阳能路灯的设计与一般的太阳能照明相比，基本原理相同，但是需要考虑的环节更多。下面以这款太阳能LED大功率路灯为例，分几个方面做分析。 
2.1 太阳能电池组件选型 
    设计要求：广州地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。 
⑴ 广州地区近二十年年均辐射量107.7Kcal/cm2，经简单计算广州地区峰值日照时数约为3.424h； 
⑵ 负载日耗电量 = 34.5×8.5=293.25WH
⑶ 所需太阳能组件大小= 293.25÷3.424×1.2=102.77W

293.25÷3.424×1.5=128.47W

在这里，可根据当地的天气情况和空气质量选择功率在102.77W-128.47W之间的组件，来提高路灯的可靠性。暂定组件选择110W。 
⑷ 分别以12V系统和24V系统分析

太阳能组件的最大充电电流 = 110W÷12V=9.17A

110W÷24V=4.58A

可以选择12V/10A的控制器或者24V/5A的控制器。 
2.2 蓄电池选型 
蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。 
根据上面的计算知道，负载日耗电量293.25W。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量： 
   12V系统：

293.25WH×（7+1）÷12V×1.4=273.7AH        293.25WH×（7+1）÷12V×1.8=351.9AH

由于12V蓄电池一般在200AH以下，所以采用24V控制。

293.25WH×（7+1）÷24V×1.4=136.8AH        293.25WH×（7+1）÷24V×1.8=175.95AH

综合考虑，应该选择两节12V/150AH的蓄电池，来组成24V系统，最大充电电流为4.58A，应该选择20小时率充放电的蓄电池，才能使蓄电池更好的工作，以延长蓄电池的使用寿命。

2.3 太阳能电池组件支架 
2.3.1 倾角设计 
    为了让太阳能电池组件在一年中接收到的太阳辐射能尽可能的多，我们要为太阳能电池组件选择一个最佳倾角。

2、      关于太阳能电池组件最佳倾角问题的探讨，近年来在一些学术刊物上出现得不少。本次路灯使用地区为广州地区，选定太阳能电池组件支架倾角为16°。 
2.3.2 抗风设计 
    在太阳能路灯系统中，结构上一个需要非常重视的问题就是抗风设计。抗风设计主要分为两大块，一为电池组件支架的抗风设计，二为灯杆的抗风设计。下面按以上两块分别做分析。 
⑴ 太阳能电池组件支架的抗风设计 
    依据电池组件厂家的技术参数资料，太阳能电池组件可以承受的迎风压强为2700Pa。若抗风系数选定为27m/s（相当于十级台风），根据非粘性流体力学，电池组件承受的风压只有365Pa。所以，组件本身是完全可以承受27m/s的风速而不至于损坏的。所以，设计中关键要考虑的是电池组件支架与灯杆的连接。 
    本套路灯系统的设计中电池组件支架与灯杆的连接设计使用螺栓杆固定连接。 
⑵ 路灯灯杆的抗风设计 
路灯的参数如下： 
电池板倾角A = 16° 灯杆高度 = 5m =5000mm
设计选取灯杆底部焊缝宽度δ = 4mm 灯杆底部外径 = 168mm 
如图3，焊缝所在面即灯杆破坏面。灯杆破坏面抵抗矩W 的计算点P到灯杆受到的电池板作用荷载F作用线的距离为PQ = [5000+168/tan16o]×cos16o = 4852mm =4.852m。所以，风荷载在灯杆破坏面上的作用矩M = F×4.852。 
根据27m/s的设计最大允许风速，2×30W的双灯头太阳能路灯电池板的基本荷载为730N。考虑1.3的安全系数，F = 1.3×730 = 949N。 
所以，M = F×4.852 = 949×4.852 = 4604.55N.m。 
根据数学推导，圆环形破坏面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。 
上式中，r是圆环内径，δ是圆环宽度。 
破坏面抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3） 
               =π×（3×84×84×4＋3×84×4×4＋4×4×4）= 88768mm3 
               =3.14×88.768×10－6 m3 =2.787×10-4 m3
风荷载在破坏面上作用矩引起的应力 = M/W = 4604.55/（2.787×10－4）=16.5×106pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa 
     其中，215 Mpa是Q235钢的抗弯强度。 
     所以，设计选取的焊缝宽度满足要求，只要焊接质量能保证，灯杆的抗风是没有问题的。 
2.4 控制器 
    太阳能充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。基本功能必须具备过充保护、过放保护、光控、时控与防反接等。 
    在选用器件上，目前有采用单片机的，也有采用比较器的，方案较多，各有特点和优点，应该根据客户群的需求特点选定相应的方案，在此不一一详述。 
2.5 表面处理 
    该系列产品采用静电涂装新技术，以FP专业建材涂料为主，可以满足客户对产品表面色彩及环境协调一致的要求，同时产品自洁性高、抗蚀性强，耐老化，适用于任何气候环境。加工工艺设计为热浸锌的基础上涂装，使产品性能大大提高，达到了最严格的AAMA2605.2005的要求，其它指标均已达到或超过GB的相关要求。 
3、结束语 
    整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前最先进的技术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。 
    目前，太阳能LED照明的初投资问题仍然是困扰我们的一个主要问题。但是，太阳能电池光电转换效率在逐渐提高，而价格会逐渐降低，同样地市场上LED的发光效率在快速地提高，而价格却在降低。与太阳能的可再生、清洁无污染以及LED的环保节能相比，常规化石能源日趋紧张，并且使用后对环境会造成了日益严重的污染。所以，太阳能LED照明作为一种方兴未艾的户外照明，展现给我们的将是无穷的生命力和广阔的前景。