网站原创摘 要：高昂的成本和其不稳定供电特性严重制约太阳能路灯的发展,就在不增加成本的情况下对太阳能路灯的节能方案进行探讨.
关 键 词：太阳能路灯；节能；成本控制
中图分类号：TKS12文献标识码：A文章编号：1671－7597（2012）0220060－02
0引言
在石油煤炭等能源日益枯竭的今天,太阳能路灯取代传统路灯已经成了社会发展的必然趋势.目前,对太阳能路灯的成本控制成了太阳能路灯研究的重中之重,但是对于太阳能路灯供电不足的情况,通常是牺牲其成本来满足的,这不利于太阳能路灯的发展.事实上,在不提高太阳能路灯成本的情况下,目前的太阳能路灯仍有很大的节能空间.常用的做法有调整路灯间距,使用高效光源等方法,但对于路灯控制本身的节能方案研究并不多.
1整体方案
路灯的基本作用是照明,在满足照明需求的情况下,针对路灯的节能研究,则变相的降低了其成本.
太阳能路灯的基本结构图如下：
由图中可见,太阳能路灯由太阳能板（发电部分）,蓄电池（储电部分）,控制器及外接线路（输电部分）和LED路灯（用电部分）组成.以下就其各部分的节能进行说明.
2发电部分（太阳能板）
目前的太阳能电池板是以功率计算的,大约为8元/瓦.选用大功率电池板会增加成本,因此,常见的方法有两种：
一是调节太阳能板的角度,使太阳能板尽量与阳光保持90度角直射,仅从节能来看,对于阳光不足的地区,它能有效的提高太阳能板受到的光照强度,但是,调节太阳能板角度的电机会造成一部分的能量损耗,这部分能耗虽然不多,但也对这种方法的推广造成了影响.而且,安装多角度感光器件,以及机械部件的磨损则会增加太阳能路灯系统的成本,甚至因此而缩短了太阳能路灯的维护周期,增加了维护成本.
二是最大功率跟踪.由于太阳能电池的输出电压和输出电流随着日照强度和电池结温的变化具有强烈的非线性,因此在特定的工作环境下存在着一个唯一的最大功率输出点.
太阳能电池板的外接负载阻值与功率曲线见图2.
在实际应用系统中,为了在同样的日照强度和电池结温下获得尽可能多的电能,就存在着一个最大功率输出点跟踪（MPPT）的问题.MPPT指为充分利用太阳能,控制改变太阳能电池阵列的输出电压或电流的方法,使阵列始终工作在最大功率点附近.为了实现太阳电池最大功率点跟踪,国内外提出了许多种实现方法,主要方法有附增量电导法,曲线拟合法,神经网络,干扰观测法等.而且,每一种控制方法又有多种实现算法.
3储电部分（蓄电池）
目前太阳能路灯所使用的储电设备通常为铅酸蓄电池,它虽然便宜,也能满足太阳能发电的不稳定性要求,但需较多的维护,且寿命较短.通常每3-5年就需要更换一次.在太阳能路灯的寿命内通常需要更换3次以上的蓄电池.
根据《GB24460-2009太阳能光伏照明装置总技术规范》要求：照明部件功率与蓄电池的额定输出功率之比应大于90%.因此,蓄电池的节能上限约为10%.但是,采用适当的充放电控制却可以使蓄电池使用寿命更长,更能持久放电,减少其维护成本.
4输电部分
输电部分的耗电分为两部分,一部分为系统各元件的耗电,另一部分为控制器外接输电线的电能损耗.
4.1系统耗电（控制器）
减少控制的功率元件,使之在工作和待机时消耗的电流尽量减少.系统耗电的主要元器件有LED指示灯和数码管显示,通讯设备,开关元器件动作耗电.以及不恰当的工作模式造成的电能浪费.国家标准《GB/T19064-2003家用太阳能光伏电源系统技术条件和试验方法》规定控制器的最大自身耗电不得超过其充电电流的1%.因此其节能最大效率为：1%.
4.2输电线损（外接线）
根据《GB24460-2009太阳能光伏照明总技术规范》要求：太阳能电池组件以额定电流通过控制器对蓄电池充电时,太阳能电池组件输出端与控制器输入端的线路压降应不大于蓄电池额定电压的3%；蓄电池以额定电流通过控制器对照明部件放电时,蓄电池输出端与控制器的蓄电池输入端之间的线路压降不大于蓄电池额定电压的1%,控制器输出端与照明部件输入端的压降应不大于蓄电池额定电压的3%.即节能的最大效率为7%.
5用电部分（LED路灯）
太阳能路灯的用电部分即为作为发光光源的路灯,其节能方法包括减少电能转换为光能的能耗,和对路灯的限电来实现.限电的常用方法包括调节功率,限时供电,轮流供电等.对路灯的限电,其实质是降低路灯的照度.对于降低照度来实现节能,必要考虑降低照度所造成的影响.
5.1转化效率
根据《GB24460-2009太阳能光伏照明总技术规范》要求：道路照明灯具效率不低于70%.现行使用的道路照明灯具通常为太阳能LED路灯,其转化效率基本上都在90%以上.因此,其最大节能效率为（1-90%）/90%等于11.11%.
5.2调节功率
现有的LED路灯通常自带恒流源,以保障其光照度和使用寿命,若将恒流源与路灯的控制相结合,可以通过控制电流的输出来调节光照度.LED光源为恒流源驱动它的能耗（亮度）几乎不随电源电压变化.LED光源工作电流大小是可控的．因此,路灯的亮度可根据道路环境的亮度进行自动控制；或上半夜使其满功率工作,亮度达到最高；下半夜控制为适当降低功率工作,可进一步节省能源.
应用实例：
如某一庭院路灯,夜晚亮灯时间为18点,在18点至21点之间为全功率供电；在21点至24点,则保持80%功率工作；在0点至4点,以50%功率工作；4点至5点,以70%功率工作；5点至7点,以80%功率工作；7点以后路灯关闭.
总计耗电为3*100%+3*80%+4*50%+1*70%+2*80%等于9.7小时；
而在不调节功率的情况下,路灯耗电为18点到7点之间,共13个小时；
节能效率为（13-9.7）/13≈25.38%.
5.3限时供电
根据环境状况分时段灭灯,在深夜无人的时候灭灯,凌晨时亮灯.控制路灯当天的亮灯实际小时数,以延长蓄电池电能的使用天数.这种节能方式因在一段时间内完全灭灯,可能会导致一些不便,因此比较适合于一些人流分布比较集中的特殊场合.
应用实例：
如某一人行路灯,夜晚亮灯时间为晚上18点,在凌晨1点之后关闭路灯,在早上5点再次开灯,直到7点以后灭灯.则以此方式,一天的实际工作时长为9个小时,不节能的情况下工作时长为13个小时,节能效率为（13-9）/13等于30.77%.
5.4轮流供电
在多个路灯组网的情况下,通过通讯控制将部分LED路灯灭灯,适当的减少照度.在组网下的分时段轮流亮灭,需要依赖于组网通讯控制,但能保证时时刻刻都有照明.
应用实例：
如某一公路照明路灯,从18点开始亮灯,在夜晚22点之间正常亮灯,22点后车流量减少,关闭一部分路灯,使之间隔亮灯,在早上5点时恢复正常亮灯,直到早上7点天亮灭灯.其总计耗电为4*100%+7*50%+2*100%等于9.5个小时,不节能的情况下工作时长为13个小时,节能效率为（13-9.5）/13等于26.97%.
6总结
从以上的节能方式分析中,可以看出,要在不增加太阳能路灯成本的前提下实现太阳能路灯的节能,其效率最高的则是通过对路灯的限电来实现.将调节功率、限时供电以及轮流供电的方式相结合,可以把节能效率更进一步提高.但是,限电是以牺牲光照度实现的节能,这必须要根据安装环境才能制定出合适的节能方案.而在其他方面的节能,虽然节能效果不大,但亦有很大的发展前景.
随着技术的发展,市电互补,风光互补这些带有辅助能源的太阳能路灯出现在人们的视野中,他们的出现弥补了太阳能路灯供电不足和不稳定的情况.但是,节能技术仍是当今社会所关注的核心问题,事实上,近几年以来国内审核通过的路灯节能专利就已达到了200余项.