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太陽能路燈結(jié)構(gòu)原理
 
1、系統(tǒng)介紹
    1.1 系統(tǒng)基本組成簡(jiǎn)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(duì)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)選用高壽命鋰電池,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(jiǎn)單,利用光生伏特效應(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(cè)到這一電壓值后動(dòng)作,蓄電池對(duì)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。下面將以廣州的這款太陽能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(jiǎn)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)最短天數(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 太陽能組件的最少總功率數(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(jiǎn)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,再加上第一個(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)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,組件本身是完全可以承受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)最大允許風(fēng)速,2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N。考慮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(duì)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)到了最嚴(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)采用了目前最通用的設(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最先進(jìn)的技術(shù)工藝;路燈整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(chǎng)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(duì)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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