Technical articles
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一、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。太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源,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。太陽能作為一種安全、環(huán)保新能源越來越受重視。同時,隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,太陽能燈具產(chǎn)品在環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢,太陽能路燈、太陽能庭院燈、草坪燈等方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模,太陽能發(fā)電在路燈照明領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。
全球性的能源短缺和環(huán)境污染在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的中國表現(xiàn)得尤為突出,節(jié)能和環(huán)保是中國實現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展急需解決的問題。每年照明消耗電能約占全部電能消耗的12%~15%,作為能源消耗的大戶,必須盡快尋找可以替代傳統(tǒng)光源的新一代節(jié)能環(huán)保光源。據(jù)我國國家綠色照明工程促進(jìn)項目辦公室的專項調(diào)查顯示,我國照明用電每年在3000億度以上,道路照明用電量占1/3如用太陽能取代,這相當(dāng)于總投資規(guī)模超過2000億元的三峽工程的全年發(fā)電量。
二、國家政策
中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步于20世紀(jì)70年代,經(jīng)過30多年的努力,迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”和“送電到鄉(xiāng)”等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下,我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。到2007年年底,全國光伏系統(tǒng)的累計裝機(jī)容量達(dá)到10萬千瓦,2008年太陽能電池的產(chǎn)量達(dá)到了200萬千瓦。2008下半年以來,金融風(fēng)暴危及到中國,光伏企業(yè)深受影響:訂單減少,多晶硅價格下降。這次金融危機(jī)的影響是深遠(yuǎn)的,但太陽能以其獨特的優(yōu)勢,決定了它的發(fā)展趨勢并沒有也不可能改變。此次金融危機(jī),對正處于行業(yè)洗牌階段的太陽能產(chǎn)業(yè)來說,并不一定是件壞事,反而對促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的快速升級具有現(xiàn)實意義。另外中央實行的一些措施都著眼于拉動內(nèi)需、拉動農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、拉動中小企業(yè)發(fā)展,對太陽能熱利用行業(yè)發(fā)展非常有益。
在金融危機(jī)形勢下,2009年3月中國出臺了“太陽能屋頂計劃”,2009年7月21日財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合宣布在我國正式啟動“金太陽”示范工程。這些政策將推動國內(nèi)太陽能發(fā)電市場的發(fā)展,在我國政府強(qiáng)有力的政策引導(dǎo)下,光伏產(chǎn)業(yè)不僅讓國內(nèi)企業(yè)看到了機(jī)遇,而且已經(jīng)吸引了世界的目光。中國科學(xué)院黨組已正式批準(zhǔn)啟動實施太陽能行動計劃,該計劃以2050年前后太陽能作為重要能源為遠(yuǎn)景目標(biāo),并確定了2015年分布式利用、2025年替代利用、2035年規(guī)模利用三個階段目標(biāo),太陽能產(chǎn)業(yè)在中國市場發(fā)展前景廣闊。
無論是現(xiàn)在還是將來,太陽能都擁有廣闊的市場前景。潛力無限的太陽能是一種清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源。同時,使用太陽能也是一個明智的選擇。如果使用太陽能電池板為您的電器供電,在收到每個月的電費單時,您就能體會到這一點。另外,太陽能是環(huán)保的選擇——如果您知道使用太陽能將為您的孩子留下一個更環(huán)保的美好世界,您一定會感到自豪。
三、太陽能路燈的優(yōu)勢
1、市電照明路燈安裝復(fù)雜:市電照明路燈工程中有復(fù)雜的作業(yè)程序,首先要鋪設(shè)電纜,這里就需要進(jìn)行電纜溝的開挖、鋪設(shè)暗管、管內(nèi)穿線、回填等大量基礎(chǔ)工程。然后進(jìn)行長時間的安裝調(diào)試,如任何一條線路有問題,則要大面積返工。而且地勢和線路要求復(fù)雜、人工和輔助材料成本高昂。太陽能路燈安裝簡便:太陽能路燈安裝時,不用鋪設(shè)復(fù)雜的線路,只要做一個水泥基座,然后用不銹鋼螺絲固定就可。
2、市電照明路燈電費高昂:市電照明路燈工作中需要支付固定高昂的電費,并且需要長期不間斷對線路和其它配置進(jìn)行維護(hù)或更換,維護(hù)成本逐年遞增。太陽能路燈具免電費:太陽能路燈是一次性投入,幾乎無任何維護(hù)成本,長期受益。
3、市電照明路燈存在安全隱患:市電照明路燈在施工質(zhì)量、景觀工程的改造、材料老化、供電不正常、水電氣管道的沖突等方面都會帶來諸多安全隱患。 農(nóng)村太陽能路燈沒有安全隱患:太陽能路燈是超低壓產(chǎn)品,運行安全可靠。太陽能路燈的其它優(yōu)勢:綠色環(huán)保。
4、綜上對比所述,太陽能路燈具有安全無隱患、節(jié)能無消耗、綠色環(huán)保、安裝簡便、自動控制免維護(hù)等特性。
四、太陽能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計
1、太陽能路燈的組成
太陽能路燈由以下幾個部分組成:太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池組、光源、燈桿及支架。
2、工作原理介紹
太陽能路燈是利用光生伏特效應(yīng)原理制成的太陽能電池板,白天接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出,經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中,夜晚當(dāng)照度逐漸降低至5lux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12小時后,充放電控制器動作,蓄電池放電結(jié)束。充放電控制器的主要作用是控制路燈打開和關(guān)閉,同時保護(hù)蓄電池,延長蓄電池使用壽命。
3、系統(tǒng)設(shè)計
3.1、總體設(shè)計
根據(jù)《工業(yè)企業(yè)照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》和《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定,廠區(qū)道路主干路平均照度12lux,均勻度0.35,次干路平均照度8lux,均勻度0.35,支路平均照度5lux,均勻度0.3。設(shè)計時充分考慮到冬天日照時間短,我們采取多項措施保證全年100%的亮燈率。具體有以下幾個方面:
A、我們加大了太陽能電池板的輸出功率,常規(guī)情況下90W的光源,太陽能電池板選用150WP*2可正常工作。為了保證全年100%的亮燈率,我們針對這個項目加裝市電互補的功能,可以實現(xiàn)電池欠壓的情況下自動切換成市電供電。
B、結(jié)合梯次電池的單塊電芯的容量和電壓,我們配比了單塊116AH電芯,做成6串1并的電池組,實際標(biāo)準(zhǔn)容量為22.2v116ah。
設(shè)計效果
1.照度
水平照度最大值為20Lux;
水平照度最小值為5Lux;
水平照度平均值為12Lux;
2.顯色指數(shù):80以上;
3.色溫: 4000K。
3.2、 太陽能電池組件設(shè)計
太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分,也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能,送至蓄電池中存儲起來。在眾多太陽光電池中較普遍且較實用的是單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池。在太陽光充足、日照好的東西部地區(qū),采用多晶硅太陽能電池為好,因為多晶硅太陽能電池生產(chǎn)工藝相對簡單,價格比單晶低。在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū),采用單晶硅太陽能電池為好,因為單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。由于佛山地區(qū)平均日照短的特性(經(jīng)計算平均照時數(shù)約為3.8H/天),綜合對比和當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境分析我們采用單晶硅太陽能電池板,太陽能組件選用總功率數(shù)300WP的太陽能電池組件,保證連續(xù)陰雨都能正常亮燈。以充分發(fā)揮其性能,保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
3.3、太陽能控制器設(shè)計
無論太陽能燈具大小,一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的??刂破鞑粌H延長蓄電池的使用壽命,且對它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方,控制器還具備溫度補償功能。同時太陽能控制器還要具有路燈控制功能,具有光控、時控、市電互補功能,并具有夜間自動切控負(fù)載功能,便于陰雨天延長路燈工作時間。
3.4、物聯(lián)網(wǎng)模塊
太陽能系統(tǒng)增加4G物聯(lián)網(wǎng)模塊,實現(xiàn)對控制器的遠(yuǎn)程讀取、控制,并保存燈具數(shù)據(jù),并實現(xiàn)故障報警等功能。
3.5、燈桿及支架
(1) 傾角設(shè)計
為了讓太陽能電池組件在一年中接收到盡可能多的太陽輻射能,我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。 關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討,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)為重慶地區(qū),選定太陽能電池組件支架傾角為30度。
(2) 抗風(fēng)設(shè)計
在太陽能路燈系統(tǒng)中,結(jié)構(gòu)上一個需要非常重視的問題就是抗風(fēng)設(shè)計??癸L(fēng)設(shè)計主要分為兩大塊,一為電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計,二為燈桿的抗風(fēng)設(shè)計。下面按以上兩塊分別做分析:
A、太陽能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計
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)于十級臺風(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,組件本身是完全可以承受27m/s的風(fēng)速而不至于損壞的。所以,設(shè)計中關(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)計中電池組件支架與燈桿的連接設(shè)計使用螺栓桿固定連接。
B、路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計
采用舊燈桿改造,不做闡述。
(3)表面處理
采用舊燈桿改造,不做闡述。
3.6、防雷接地:
LED路燈的工作電壓一般為12V或24V,屬安全電壓,不做電氣保護(hù)接地。
六、太陽能燈具和普通燈具的投資比較
按照太陽能市電互補,按使用壽命10年進(jìn)行分析對比。見下表:
通過以上分析得知:太陽能一次性投入略高于普通燈具,但在運行成本及維護(hù)上大大節(jié)省。太陽能路燈除儲電池外整體可用25年,10年后太陽能路燈的經(jīng)濟(jì)效益更為可觀,并且完全符合節(jié)能減排的國家相關(guān)政策,并為子孫后代造福。
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