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          太陽能路燈常規配置計算

          時間:2014-05-17 09:53:30 來源:

          太陽能路燈以太陽光為能源,白天充電晚上使用,無需復雜昂貴的管線鋪設,可任意調整燈具的布局,

          安全節能無污染,無需人工操作工作穩定可靠,節省電費免維護。
           
          1.系統組成
           
            系統由太陽能電池組件部分(包括支架)、LVD無極燈具、控制箱 (內有控制器、蓄電池)和燈桿

          幾部分構成;使用品牌太陽能電池板光效達到127Wp/m2,效率較高,對系統的抗風設計非常有利;燈頭

          部分以長壽命、高光效、低工作電流的LVD無極燈作為配置光源。
             控制箱箱體以不銹鋼為材質,美觀耐用;控制箱內放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。系統選

          用閥控密封式鉛酸蓄電池,由于其維護很少,故又被稱為“免維護電池”,有利于系統維護費用的降低

          ;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、過放保護和反接保護等)與成

          本控制,實現很高的性價比。
           
          2.工作原理
           
            系統工作原理簡單,利用光生伏特效應原理制成的太陽能電池白天電池板接收太陽輻射能并轉化為

          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至10lux左右、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8.5小時后,充放電控制

          器動作,蓄電池放電結束。充放電控制器的主要作用是保護蓄電池。
           
          3.電池組件支架
           
            1) 傾角設計
             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

          個最佳傾角。
             關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討,近年來在一些學術刊物上出現得不少。根據路燈使用地

          區來選定太陽能電池組件支架傾角。相關資料可在網上查找。
             2)抗風設計
             在太陽能路燈系統中,結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計?癸L設計主要分為兩大塊,

          一為電池組件支架的抗風設計,二為燈桿的抗風設計。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設計
             依據電池組件廠家的技術參數資料,太陽能電池組件可以承受的迎風壓強大約為2700Pa。若抗風系

          數選定為27m/s(相當于十級臺風),根據非粘性流體力學,電池組件承受的風壓只有365Pa。所以,組

          件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以,設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿

          的連接。
             在路燈系統的設計中電池組件支架與燈桿的連接設計使用螺栓桿固定連接。
            、 路燈燈桿的抗風設計
             路燈的參數如下:
             設定電池板傾角A = 16o 燈桿高度 = 5m
             設計選取燈桿底部焊縫寬度δ = 4mm 燈桿底部外徑 = 168mm
             焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W 的計算點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,風荷載在燈桿破壞面上的作

          用矩M = F×1.545。
             根據27m/s的設計最大允許風速,2×30W的雙燈頭長沙光合太陽能路燈電池板的基本荷載為730N。

          考慮1.3的安全系數,F = 1.3×730 = 949N。
             所以,M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
             根據數學推導,圓環形破壞面的抵抗矩W = π×(3r2δ+3rδ2+δ3)。
             上式中,r是圓環內徑,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應力 = M/W
             = 1466/(88.768×10-6) =16.5×106pa =16.5 Mpa<<215Mpa
             其中,215 Mpa是Q235鋼的抗彎強度。
             所以,設計選取的焊縫寬度滿足要求,只要焊接質量能保證,燈桿的抗風是沒有問題的。
           
          4.控制器
           
            太陽能充放電控制器的主要作用是保護蓄電池;竟δ鼙仨毦邆溥^充保護、過放保護、光控、時

          控與防反接等。
             1)當蓄電池電壓達到設定值后就改變電路的狀態。
             在選用器件上,目前有采用單片機的,也有采用比較器的,方案較多,各有特點和優點,應該根據

          客戶群的需求特點選定相應的方案,在此不一一詳述。
             2)表面處理
             該系列產品采用靜電涂裝新技術,以FP專業建材涂料為主,可以滿足客戶對產品表面色彩及環境協

          調一致的要求,同時產品自潔性高、抗蝕性強,耐老化,適用于任何氣候環境。加工工藝設計為熱浸鋅

          的基礎上涂裝,使產品性能大大提高,達到了最嚴格的AAMA2605.2005的要求,其它指標均已達到或超過

          GB的相關要求。
           
           5. 太陽能路燈設計中配置常規計算

             隨著傳統能源的日益緊缺,太陽能的應用將會越來越廣泛,尤其太陽能發電領域在短短 的數年時

          間內已發展成為成熟的朝陽產業。
             1: 目前制約太陽能發電應用的最重要環節之一是價格,以一盞雙路的太陽能路燈為例,兩路負載

          如為60瓦,(以長江中下游地區有效光照4.5h/天、每夜放電7小時、增加電池板20%預留額計算)其電

          池板就需要160W左右,按每瓦30元計算,電池板的費用就要4800元,再加上180AH左右的蓄電池組費用也

          在1800左右,整個路燈一次性投入成本大大高于市電路燈,造成了太陽能路燈應用領域的主要瓶頸。
             2:蓄電池的使用壽命也應該考慮在整個路燈系統應用中,一般的蓄電池保修三年或五年,但一般

          的蓄電池在一年、甚至半年以后就會出現充電不滿的情況,有些實際充電率有可能下降到50%左右,這

          必將影響連續陰雨天時期的夜間正常照明,所以選擇一款較好的蓄電池尤為重要。
             3:一些工程商常選用LED燈做為太陽能路燈的照明,但是LED燈的質量層差不齊,光衰嚴重的LED半

          年就有可能衰減50%光照度。所以最佳選擇為光壽命長、光效高、光衰較慢的LVD無極燈,或者選用低壓

          鈉燈等。
             4:控制器的選擇往往也是被工程商忽略的一個問題,控制器的質量層差不齊,12V/10A的控制器市

          場價格在100-200元不等,雖然是整個路燈系統中價值最小的部分,但它卻是非常重要的一個環節?刂

          器的好壞直接影響到太陽能路燈系統的組件壽命以及整個系統的采購成本,一:應該選擇功耗較低的控

          制器,控制器24小時不間斷工作,如其自身功耗較大,則會消耗部分電能,最好選擇功耗在1毫安(MA)

          以下的控制器。二:要選擇充電效率高的控制器,具有MCT充電模式的控制器能自動追蹤電池板的最大電

          流,尤其在冬季或光照不足的時期,MCT充電模式比其他高出20%左右的效率。三:應選擇具有兩路調節

          功率的控制器,具有功率調節的控制器已被廣泛推廣,在夜間行人稀少時段可以自動關閉一路或兩路照

          明,節約用電,還可以針對LVD燈進行功率調節。除選擇以上節電功能外,還應該注重控制器對蓄電池等

          組件的保護功能,像具有涓流充電模式的控制器就可以很好的保護蓄電池,增加蓄電池的壽命,另外設

          置控制器欠壓保護值時,盡量把欠壓保護值調在 ≥ 11.1V ,防止蓄電池過放。
             5: 距離市區較遠的地方還應該注意防盜工作,很多工程商因為施工疏忽,沒有進行有效的防盜,

          導致蓄電池、電池板等組件被盜,不僅影響了正常照明,也造成了不必要的財產損失。目前工程案例中

          被盜居多為蓄電池,蓄電池埋于地下用水泥澆筑是一種有效防盜措施,在燈桿 上加裝蓄電池箱的最好將

          其進行焊接加固。
             6: 控制器的防水,控制器一般裝于燈罩、電池箱中,一般也不會進水,但在實際工程案例中 控制

          器端子的連接線往往因為雨水順著連接線流入控制器造成短路。所以在施工時應該注意將 內部連接線彎

          成“U”字型并固型,外部連接線也可以固定為“U”型,這樣雨水就無法淋入造成 控制器短路,另外還

          可在內外線接口處涂抹防水膠。
             7: 在眾多太陽能路燈實際應用中,很多地方的太陽能路燈不能滿足正常照明需要,尤其在陰雨天

          更為突出,除使用了質量較差的相關組件外,另一個主要的原因就是一味降低組件成本,不按需求設計

          配置,減小電池板和蓄電池的使用標準,所以導致在陰雨天路燈無法提供照明。
           
           
           
          以下提供太陽能電池板和蓄電池配置計算公式:
             一:首先計算出電流:
             如:12V蓄電池系統; 40W的燈2只,共80瓦。
             電流 = 80W÷12V = 6.7 A
             二:計算出蓄電池容量需求:
             如:路燈每夜累計照明時間需要為滿負載 7小時(h);
            。ㄈ缤砩8:00開啟,夜11:30關閉1路,凌晨4:30開啟2路,凌晨5:30關閉)
             需要滿足連續陰雨天5天的照明需求。(5天另加陰雨天前一夜的照明,計6天)
             蓄電池 = 6.7A × 7h ×( 5+1)天 = 6.7A × 42h =280 AH
             另外為了防止蓄電池過充和過放,蓄電池一般充電到90%左右;放電余留20%左右。
             所以280AH也只是應用中真正標準的70%左右。
             三:計算出電池板的需求峰值(WP):
             路燈每夜累計照明時間需要為 7小時(h);
             ★:電池板平均每天接受有效光照時間為4.5小時(h);
             最少放寬對電池板需求20%的預留額。
             WP÷17.4V = (6.7A × 7h × 120%)÷ 4.5h
             WP÷17.4V = 12.5
             WP = 217(W)
             ★ :4.5h每天光照時間為長江中下游附近地區日照系數。
             另外在太陽能路燈組件中,線損、控制器的損耗、及鎮流器或恒流源的功耗各有不同,實際應用中

          可能在5%-25%左右。所以162W也只是理論值,根據實際情況需要有所增加。
             太陽能路燈方案:
             相關組件選擇:
             24VLVD無極燈:選擇LVD無極燈照明,LVD燈使用壽命長,光照柔和,價格合理,可以在夜間行人稀

          少時段實現功率調節,有利于節電,從而可以減少電池板的配置,節約成本。每瓦80lm左右,光衰小于

          年≤5%;
             12V 蓄電池(串24V):選擇鉛酸免維護蓄電池,價格適中,性能穩定,太陽能路燈首選;
             12V電池板(串24V):轉換率15%以上單晶正片;
             24V控制器:MCT充電方式、帶調功功能(另附資料);
             6M燈桿(以造型美觀,耐用、價格合理為主)
           
           
             一、40瓦備選方案配置一(常規)
             1、 LVD燈,單路、40W,24V系統;
           
             2、 當地日均有效光照以4h計算;
             3、每日放電時間10小時,(以晚7點-晨5點 為例)
             4、滿足連續陰雨天5天(另加陰雨前一夜的用電,計6天)。
             電流 = 40W÷24V =1.67 A
             計算蓄電池 = 1.67A × 10h ×(5+1)天
            。 1.67A × 60h=100 AH
             蓄電池充、放電預留20%容量;路燈的實際電流在2A以上(加20%
             損耗,包括恒流源、線損等)
             實際蓄電池需求=100AH 加20%預留容量、再加20%損耗
             100AH ÷ 80% × 120% = 150AH
             實際蓄電池為24V /150AH,需要兩組12V蓄電池共計:300AH
           
           
            計算電池板:
             1、 LVD燈 40W、 電流:1.67
           
             2、每日放電時間10小時(以晚7點-晨5點 為例)
             3、電池板預留最少20%
             4、當地有效光照以日均4h計算
             WP÷17.4V =(1.67A × 10h × 120%)÷ 4 h
             WP = 87W
             實際恒流源損耗、線損等綜合損耗在20%左右
           
             電池板實際需求=87W × 120% = 104W
             實際電池板需24V /104W,所以需要兩塊12V電池板共計:208W
             綜合組件價格:正片電池板191W,31元/瓦左右, 計 6448元左右
             蓄電池300AH ,7元/AH 計:2100元左右
             40W LVD燈: 計:1000元左右
           
             控制器(只) 150元左右
             6米 燈桿 700元 左右
             本套組件 總計:10398元左右
             二、40瓦備選方案配置二(帶調節功率)
             1、 LVD燈,單路、40W,24V系統。
           
             2、 當地日均有效光照以4h計算,
             3、每日放電時間10小時,(以晚7點-晨5點 為例)通過控制器夜間
             分時段調節LVD燈的功率,降低總功耗,實際按每日放電7小時計算。
            。ɡ唬和7點至11點100%功率,11點至凌晨5點為50%功率。合計:7h)
            。ɡ7:00-10:30為100%,10:30-4:30為50%,4:30-5:00為100%)
             4、滿足連續陰雨天5天(另加陰雨前一夜的用電,計6天)。
             電流 = 40W÷24V
           
            。1.67 A
             計算蓄電池 = 1.67A × 7h ×(5+1)天
            。 1.67A × 42h
            。70 AH
             蓄電池充、放電預留20%容量;路燈的實際電流在2A以上(加20%
             損耗,包括恒流源、線損等)
             實際蓄電池需求=70AH 加20%預留容量、再加20%損耗
             70AH ÷ 80% × 120% = 105AH
             實際蓄電池為24V /105AH,需要兩組12V蓄電池共計:210AH
             計算電池板
           
             1、 LVD燈 40W、 電流:1.67A
             2、每日放電時間10小時,調功后實際按7小時計算(調功同上蓄電池)
             3、電池板預留最少20%
             4、當地有效光照以日均4h計算
             WP÷17.4V = (1.67A × 7h × 120%)÷ 4 h
             WP = 61W
             實際恒流源損耗、線損等綜合損耗在20%左右
             電池板實際需求=61W × 120% = 73W
             實際電池板需24V /73W,所以需要兩塊12V電池板共計:146W
             綜合組件價格:正片電池板146W,
             蓄電池210AH
             40W LVD燈:
             控制器(只)
             6米 燈桿
             三、40瓦備選方案三(帶調節功率、帶恒流)
             采用自帶恒流、恒壓、調功一體控制器降低系統功耗、降低組件成本。
            。▽嶋H降低系統總損耗20%左右,以下以15%計算)
             1、 LED燈,單路、40W,24V系統。
             2、 當地日均有效光照以4h計算,
             3、每日放電時間10小時,(以晚7點-晨5點 為例)通過控制器夜間
             分時段調節LVD燈的功率,降低總功耗,實際按每日放電7小時計算。
            。ɡ唬和7點至11點100%功率,11點至凌晨5點為50%功率。合計:7h)
            。ɡ7:00-10:30為100%,10:30-4:30為50%,4:30-5:00為100%)
             4、滿足連續陰雨天5天(另加陰雨前一夜的用電,計6天)。
             電流 = 40W÷24V
            。1.67 A
             計算蓄電池 = 1.67A × 7h ×(5+1)天
            。 1.67A × 42h
            。70 AH
             蓄電池充、放電預留20%容量;路燈的實際電流小于1.75A(加5%
             線損等)
             實際蓄電池需求=70AH 加20%預留容量、再加5%損耗
             70AH ÷ 80% × 105% = 92AH
             實際蓄電池為24V /92AH,需要兩組12V蓄電池共計:184AH
             計算電池板:
             1、LVD燈 40W、 電流:1.67A
           
             2、每日放電時間10小時,實際按7小時計算(調功同上蓄電池)
             3、電池板預留最少20%
             4、當地有效光照以日均4h計算
             WP÷17.4V = (1.67A × 7h × 120%)÷ 4 h
             WP = 61W
             實際線損等綜合損耗小于5%
             電池板實際需求=122W × 105% = 64W
             實際電池板需24V /64W,所以需要兩塊12V電池板共計:128W
             綜合組件價格:正片電池板128W,31元/瓦, 計:3968元
             蓄電池184AH ,7元/AH
             40W LVD燈:
             控制器(只)
             6米 燈桿

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