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太陽能路燈結構原理(lǐ)

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(nèi)有控制器、蓄電池）和(hé)燈杆幾部分構成；太陽能電池闆光效達到127Wp/m2，效率較高(gāo)，對系統的(de)抗風設計非常有利；燈頭部分以1W白光LED和(hé)1W黃光LED集成于印刷電路闆上排列為(wèi)一(yī)定間距的(de)點陣作為(wèi)平面發光源。
    控制箱箱體以不鏽鋼為(wèi)材質，美觀耐用；控制箱內(nèi)放置免維護鉛酸蓄電池和(hé)充放電控制器。本系統選用高(gāo)壽命锂電池，由于其維護很少，故又被稱為(wèi)“免維護電池”，有利于系統維護費用的(de)降低(dī)；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(hé)反接保護等）與成本控制，實現很高(gāo)的(de)性價比。
1.2 工作原理(lǐ)介紹
  系統工作原理(lǐ)簡單，利用光生伏特效應原理(lǐ)制成的(de)太陽能電池白天太陽能電池闆接收太陽輻射能并轉化為(wèi)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(dī)至10lux左右、太陽能電池闆開路電壓4.5V左右，充放電控制器偵測到這一(yī)電壓值後動作，蓄電池對燈頭放電。蓄電池放電8.5小時後，充放電控制器動作，蓄電池放電結束。充放電控制器的(de)主要作用是保護蓄電池。

2、系統設計思想
太陽能路燈的(de)設計與一(yī)般的(de)太陽能照明相比，基本原理(lǐ)相同，但是需要考慮的(de)環節更多。下面将以廣州的(de)這款太陽能LED大功率路燈為(wèi)例，分幾個方面做(zuò)分析。
2.1 太陽能電池組件選型
設計要求：廣州地(dì)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(dì)區近二十年(nián)年(nián)均輻射量107.7Kcal/cm2，經簡單計算廣州地(dì)區峰值日照時數約為(wèi)3.424h；
    ⑵ 負載日耗電量 = = 12.2AH
    ⑶ 所需太陽能組件的(de)總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A
    在這裏，兩個連續陰雨天數之間的(de)設計最短(duǎn)天數為(wèi)20天，1.05為(wèi)太陽能電池組件系統綜合損失系數，0.85為(wèi)蓄電池充電效率。
    ⑷ 太陽能組件的(de)最少總功率數 = 17.2×5.9 = 102W
    選用峰值輸出功率110Wp、單塊55Wp的(de)标準電池組件，應該可(kě)以保證路燈系統在一(yī)年(nián)大多數情況下的(de)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(de)峰瓦數要簡單。
    根據上面的(de)計算知道(dào)，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可(kě)以連續工作7個陰雨天，再加上第一(yī)個晚上的(de)工作，蓄電池容量：
    12.2×（7+1） = 97.6 （AH），選用2台12V100AH的(de)蓄電池就可(kě)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(wèi)了讓太陽能電池組件在一(yī)年(nián)中接收到的(de)太陽輻射能盡可(kě)能的(de)多，我們要為(wèi)太陽能電池組件選擇一(yī)個最佳傾角。
    關于太陽能電池組件最佳傾角問題的(de)探讨，近年(nián)來在一(yī)些學(xué)術刊物上出現得不少。本次路燈使用地(dì)區為(wèi)廣州地(dì)區，依據本次設計參考相關文獻中的(de)資料[1]，選定太陽能電池組件支架傾角為(wèi)16o。
2.3.2 抗風設計
    在太陽能路燈系統中，結構上一(yī)個需要非常重視(shì)的(de)問題就是抗風設計。抗風設計主要分為(wèi)兩大塊，一(yī)為(wèi)電池組件支架的(de)抗風設計，二為(wèi)燈杆的(de)抗風設計。下面按以上兩塊分别做(zuò)分析
    ⑴ 太陽能電池組件支架的(de)抗風設計
    依據電池組件廠家的(de)技術參數資料，太陽能電池組件可(kě)以承受的(de)迎風壓強為(wèi)2700Pa。若抗風系數選定為(wèi)27m/s（相當于十級台風），根據非粘性流體力學(xué)，電池組件承受的(de)風壓隻有365Pa。所以，組件本身是完全可(kě)以承受27m/s的(de)風速而不至于損壞的(de)。所以，設計中關鍵要考慮的(de)是電池組件支架與燈杆的(de)連接。
    在本套路燈系統的(de)設計中電池組件支架與燈杆的(de)連接設計使用螺栓杆固定連接。
    ⑵ 路燈燈杆的(de)抗風設計
    路燈的(de)參數如(rú)下：
    電池闆傾角A = 16o             燈杆高(gāo)度 = 5m
    設計選取燈杆底部焊縫寬度δ = 4mm 燈杆底部外徑 = 168mm
如(rú)圖3，焊縫所在面即燈杆破壞面。燈杆破壞面抵抗矩W 的(de)計算點P到燈杆受到的(de)電池闆作用荷載F作用線的(de)距離(lí)為(wèi)PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風荷載在燈杆破壞面上的(de)作用矩M = F×1.545。
    根據27m/s的(de)設計最大允許風速，2×30W的(de)雙燈頭太陽能路燈電池闆的(de)基本荷載為(wèi)730N。考慮1.3的(de)安全系數，F = 1.3×730 = 949N。
    所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
    根據數學(xué)推導，圓環形破壞面的(de)抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
    上式中，r是圓環內(nèi)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(de)應力 = M/W
      = 1466/（88.768×10－6） =16.5×106pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa
    其中，215 Mpa是Q235鋼的(de)抗彎強度。
    所以，設計選取的(de)焊縫寬度滿足要求，隻要焊接質量能保證，燈杆的(de)抗風是沒有問題的(de)。
    2.4 控制器
    太陽能充放電控制器的(de)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(yī)般參數如(rú)表1，當蓄電池電壓達到設定值後就改變電路的(de)狀态。
    在選用器件上，目前有采用單片機的(de)，也有采用比較器的(de)，方案較多，各有特點和(hé)優點，應該根據客戶群的(de)需求特點選定相應的(de)方案，在此不一(yī)一(yī)詳述。
    2.5 表面處理(lǐ)
    該系列産品采用靜電塗裝新技術，以FP專業建材塗料為(wèi)主，可(kě)以滿足客戶對産品表面色彩及環境協調一(yī)緻的(de)要求，同時産品自(zì)潔性高(gāo)、抗蝕性強，耐老化，适用于任何氣候環境。加工工藝設計為(wèi)熱浸鋅的(de)基礎上塗裝，使産品性能大大提高(gāo)，達到了最嚴格的(de)AAMA2605.2005的(de)要求，其它指标均已達到或超過GB的(de)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(de)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(de)設計方法，設計思想比較科學(xué)；抗風設計從電池組件支架與燈杆兩塊做(zuò)了分析，分析比較全面；表面處理(lǐ)采用了目前最先進的(de)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(de)初投資問題仍然是困擾我們的(de)一(yī)個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高(gāo)，而價格會逐漸降低(dī)，同樣地(dì)市場上LED光效在快速地(dì)提高(gāo)，而價格卻在降低(dī)。與太陽能的(de)可(kě)再生、清潔無污染以及LED的(de)環保節能相比，常規化石能源日趨緊張，并且使用後對環境會造成了日益嚴重的(de)污染。所以，太陽能LED照明作為(wèi)一(yī)種方興未艾的(de)戶外照明，展現給我們的(de)将是無窮的(de)生命力和(hé)廣闊的(de)前景。

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