太阳能LED路灯照明系统优化分析
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摘 要：在提倡可持续发展和绿色环保的今天，对各类可再生资源的有效利用已经被纳入了政府高层的决策之中。太阳能作为一种取之不尽用之不竭的可再生能源，尤其受到青睐。而太阳能LED路灯的投入使用不仅为政府节约了大笔的电费，同时管理起来也相对容易。太阳能LED路灯是一种依靠光源控制技术以及可再生能源传输系统的光源系统。为了有效提高系统性能，需要对电池组件的倾角、蓄电池的容量以及当地的气候等这几个因素进行优化，一方面保障系统稳定运行，另一方面延长太阳能LED路灯的使用寿命，节约政府资金投入。
关键词：太阳能LED路灯 太阳电池 照明系统 优化设计
中图分类号：TK512 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）11（c）-0075-02
1 合理选择太阳能LED路灯的光源
太阳能LED路灯和普通路灯不同，不需要人工架设电线以及光缆等设施，只需要在光源上安装太阳能电池板作为能源即可。但是结合当前全国各地的太阳能LED路灯照明系统来说，都采用了白炽灯光源。本身太阳能LED路灯的前期成本投入就很高，又加上白炽灯光源的功率不稳定，能耗较大且容易破损，在某种程度上增加的政府的控制成本。基于此，有必要对太阳能LED路灯的光源进行合理选择。
例如政府部门在安装太阳能LED路灯时可以选用LED作为光源。LED作为一种新型的半导体发光元器件，具有功率稳定、能耗低，使用寿命长的特点，除此之外，LED发出的光较为柔和，不刺眼，非常适合在城市街道、公园、学校等地区投放。根据一项数据研究表明，LED光源和普通白炽灯光源相比具有很好的光效，是其2倍之多，且可达到10万h以上的超长使用寿命。
2 做好电路控制设计
一般来说，太阳能LED路灯系统使用的电路系统的电压都比较低，根据电器电压标准可知，类似于公用设施的电器设备其电压都处于220V～330V之间，且自耗电流低于工作电流的1%。基于此，在安装公用光源设施时一定要对其电路进行合理控制，太阳能LED路灯系统也不例外。综合来讲，太阳能LED路灯的控制电路主要由集成运放组合而成，该控制系统下的电气设备无一例外都是由硬件组成的，且由于花费少、可控性强、便于维护和日常管理等优点受到不少电器生产厂商的青睐。基于此，为了有效提高路灯的功率，需要对其电路控制系统进行调节。
例如在进行太阳能LED路燈的控制电路设计时一定要对其蓄电池元祖件的蓄电能力进行检验，确保其拥有良好充放电特点的同时还要拥有非常好的电压回差。在进行设计时要采用一些质量良好的元器件如发光二极管共同构成指示电路。从而将太阳能LED路灯因充放电时间过长产生的不利影响降到最低。除此之外，还要针对蓄电池和光源的特点及时调整自耗电流，进而调整其功率，确保太阳能LED路灯照明系统可以在阴天或者梅雨季节内正常使用。而这一点是没有进行电路控制设计的照明系统无法做到的，在太阳辐射较低的季节中，这类照明系统的蓄电池的充电效果会显著下降，进而导致电压增加，能耗上升，无法正常保持太阳能LED路灯系统的正常使用，而且长时间的高负荷运转还会减少其寿命。
3 合理调整太阳能电池板的倾角
通常情况下，太阳能LED路灯照明系统的工作方式有两种：（1）定时运行;（2）根据光效运行。就第一种运行方式而言，该方式下的太阳能LED路灯系统受外界干扰较小，只需要在控制器上定好开关时间即可。但是受到天气以及季节等因素的影响，经常会出现天没亮路灯就灭了这样的现象，对市民的正常出行和生活带来一定的困扰;就第二种工作方式来说，根据光效运行的太阳能LED路灯系统可以敏感感应到周围光线明暗的变化，当周围的亮度不足200勒克斯时，就会自动切换到开灯模式，当光效增加时就会自动关闭。基于此，第二种运行方式是当前非常受到青睐的一种方式。但是光控工作系统也存在一定的缺陷，当太阳能电池板的倾角角度不合理时，也会出现天没亮灯灭了这种问题。由此可见。太阳能电池板的倾角角度是提高太阳能LED路灯利用效率的一个重要因素。
例如为了有效调整太阳能LED路灯光控方式的运行时间，需要结合路灯安装地区的日出日落时间进行计算，并得出一个最佳倾角。首先需要结合该地区维度给出日出和日落时期对角公式，公式如下：，其中表示该地区所处的纬度，而δ表示太阳赤纬。假设此时为正午时分，此时的赤纬角是太阳光线直射方向与赤道的平面夹角。计算过程如下：
其中：
β代表太阳能电池板的斜面倾角，ρ代表地面物体的太阳辐射反射率θi代表太阳入射角，结合常识可知，一般日出日落前后0.5h内天光尚亮，此时的暗度没有达到200勒克斯以下，所以得出公式：。将安装路灯地区的纬度和赤纬代入公式中就可得出光控时间的变化，结合一年中冬至、夏至、春分以及秋分的太阳直射时间变化，得出冬至时分低纬度地区的太阳能LED路灯工作时间较长，且工作时长由低纬度地区向高纬度地区逐渐递减;在夏至时期低纬度地区的太阳能LED路灯工作时间较短，且由低纬度向高纬度地区逐渐递增。但是综合来说，低纬度地区的时间变化差异不大，纬度越低，差异越小。由此可见，要对太阳能LED路灯的电池板倾角进行合理控制，通过调节其角度合理控制路灯运行时间，在提高工作效率的同时节约能耗。最后，经过分析和计算得出太阳能LED路灯工作时间最长和最短的一天分别是每年的冬至日和夏至日，在这一天太阳直射北（南）回归线，导致白昼最短（长），黑夜最长（短）。而且太阳能LED路灯四季的工作时间都各不相同，由此导致其存在负载不均衡的情况。基于此，除了调整其倾角之外一定要对太阳能LED路灯的开关进行适当的调整，并且要在安装时选用一些质量良好的控制器，考虑到成本，本人建议选用带有光感控制器的太阳的LED路灯作为城市照明设备。 4 合理设计太阳能的蓄电池容量
在对太阳能LED路灯照明系统进行设计时还要考虑到其太阳能蓄电池的容量。由于每个地区的气候条件和光照时间都各不相同，所以为了确保太阳能LED路灯可以在阴雨天正常使用，必须要对蓄电池容量进行合理优化。同时，为了降低太阳能前期投入成本，需要在确保光效的基础上用最少的太阳能电池组件来达到完美的负载需求。通常，我国对负载缺电率的衡量单位为 LOLP，LOLP 的数值处于0～1之间，且数值越低说明其负载缺电率越好，照明系统的可靠性越强。除此之外，根据我国城市建设标准，太阳能LED路灯除了损坏外不可以停电，换而言之，即要求LOLP 数值为0，但是结合我国实际的供电情况来说，几乎不能达到这一标准。基于此，必須要对太阳能的蓄电池容量进行设计。
例如可以结合照明系统安装地区一年内的天气情况对蓄电池容量作出优化设计，一般情况下，太阳能LED路灯照明系统的LOLP 推荐值为 0.1，处于该数值下的路灯照明系统即便在连续一周的阴雨天中也可以维持正常的供电。根据这一标准，对路灯系统的配置如下：（1）采用8支额定功率为1W的白光LED;（2）两块的太阳电池组件;（3）电压为12V，电流为40AH的铅酸蓄电池。
5 根据路灯照明系统安装地区的气候条件进行优化
我国地势西高东低，国内以秦岭-淮河为分界线形成不同的季风区，秦岭以北为广义上的北方，属于大陆性季风气候;淮河以南为南方，气候类型为亚热带季风气候。综合来说，我国光照辐射量最高的地区多以北方为主，北方降水少，蒸发量大，且光照时间充足，所以非常适合安装太阳能LED路灯照明系统。就一份统计数据表明，我国北方大部分地区的夏季蒙古高压控制，天气干燥、晴朗，日照时间长，新疆某些地区的光照时长可达到15h，且冬季也不例外，以晴天居多，很少有雨雪天气。
以北方地区为例，每年的11月～2月份，属于冬季，这一季节内虽然太阳辐射量较大，且赤纬的角度较大，不同纬度地区的光照时长各异，且纬度越高白昼越短，由此可推测出北方冬季虽然太阳辐射强烈，但是光照时间较长。所以要及时对路灯照明系统的开关时间进行合理规划。6～8月为夏季，虽然近些年气候异常，但是综合来说北方地区的夏季还是以晴朗高温为主，且在夏至这一天时光照时间最长，由此可以推出北方夏季不仅太阳辐射高，且光照时间较长，基于此，需要尽可能地缩短路灯开放时间。结合一份数据可知，冬季路灯开关时间要比夏季延长2.5～3h左右。除此之外，需要根据季节变化随时调整太阳能电池板的倾角，在冬季时的倾角要尽量调整的高一些，倾角调整范围控制在30°～45°之间;在夏季时可以适当的减小倾角，将其调整到15°～20°之间，在春秋两季由于太阳直射点的位移，所以变化幅度不大，无需进行大规模角度调整。而且需要尽可能地和黄赤交角平行，从而最大限度的实现太阳光直射太阳能电池板，进而提高太阳能LED路灯功率。此外，结合对太阳能LED路灯不同季节耗电量的对比可知，由于冬季的日照时间较短，导致太阳能LED路灯的负载量不断攀升，这和太阳能电池板的倾角并没有多大关系，完全是由冬季的日照时间决定的。鉴于原因，需要在冬季按时对太阳能LED路灯系统进行检修，必要时可以对其蓄电池进行人工充电，确保其能够进行正常充放电，进而延长使用寿命。
6 结语
综上所述，太阳路灯系统属于光伏发电系统中的一种，但是由于当前很多太阳能光源产品未能达到光伏发电系统的运行标准，从而导致很多太阳能光源系统无法稳定运行。基于此，本文针对太阳能LED路灯的特点，从太阳能电池板倾角、日照时间、蓄电池容量等角度出发对其系统进行了优化设计。一方面为政府节约太阳能LED路灯投入成本，另一方面保障太阳能LED路灯照明系统可以正常运行。最后，经过大量的实验和数据分析得出只要通过加强对太阳能LED路灯的正常养护维修且在冬季对其进行人工充放电，即可保障路灯的正常运行。
参考文献
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