路灯光伏系统中太阳电池板的安装位置.pdf

2 0 1 2 年 8 月 1 5日 第 3 5卷第 1 6期 现代电子技术 Mo d e r n E l e c t r o n i c s Te c h n i q u e Au g2 01 2 Vo I _ 3 5 NO 1 6 路灯光伏系统中太阳电池板的安装位置 杜 忠 明 ，熊飞峤 ，徐航 ( 遵义师范学 院 物理 系，贵州 遵义5 6 3 0 0 2 ) 摘要 ： 以遵 义市为例 ， 通过对城 市道路 和草坪的遮光分 析， 认 为城 市 中地 面的遮光 比较严重 ， 应该 灵活处理 光伏 系统 中太阳电池板的安装。提 出在 形成 遮光的区域把 太阳电池板和 灯杆 分离， 将太 阳电池板安装在 建筑物或不遮 光的空地上 更 能 发 挥 太 阳 电池 的 作 用 ， 优 化 光 伏 系统 的 结 构 ， 降低 光 伏发 电 成 本 。 关键词 ： 光伏 系统 ；太阳电池；遮光分析 ；太阳电池板 中图分类号 ： TN 9 1 1 - 3 4 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 O O 4 3 7 3 X( 2 0 1 2 ) 1 6 0 1 8 5 0 3 M o u nt i n g p l a c e o f s o n a r p a n e l o n s t r e e t l a mp PV s y s t e m DU Zho ng - mi ng，X1 0NG Fei- q i a o，XU Ha ng ( Phy s i c s Dep a r t m e n t o f Zun yi No r mal Col l e ge，Zu ny i 56 30 02，Ch i n a) A b s t r a c t ：Ta k i n g Z u n y i C i t y a s a n e x a mp l e ，t h e s h a d i n g s i t u a t i o n o f s t r e e t s a n d l a wn s i s a n a l y z e d Th e a n a l y s i s r e s u l t i n d i c at e s t ha t s o me s t r e e t s a nd l a wns ar e s e ve r e l y s h a de d，a n d t he s on a r p a ne l s s ho ul d b e mou nt e d f l e x i bl y Th at i s，t he s on a r p a n e l s c a n b e mo u n t e d o n t h e t o p o f b u i l d i n g s o r i n o p e n s p a c e s ，wh i c h a r e a p a r t f r o m l a mp h o l e s Th e me a s u r e s c a n ma k e f u l l u s e o f t h e f u n c t i o n s o f t h e s o n a r c e l l s ，o p t i mi z e s y s t e m c o n f i g u r a t i o n a n d r e d u c e t h e c o s t Ke y wo r d s ：PV s y s t e m ；s o l a r c e l l ；s h a d i n g a n a l y s i s ；s o n a r p a n e 1 i n s t a l l a t i o n 太 阳能是 一种 取之 不尽 的可再 生能 源 ， 光 伏发 电是 太阳能应用的一种方法。各国正加紧光伏发电的步伐 ， 我 国也 提 出相关 的法 律 和政 策 鼓励 太 阳能 光 伏 发 电 的 发 展 。路灯 光伏 系统作 为光 伏发 电 的一 种应 用 ， 正 处 于 大力推广之中。太阳电池组件在整个路灯光伏系统中 所 占的成本 比例 较 高 ， 太 阳 电池 组 件 花 费 占总 成 本 费 用 1 的 6 O 7 0 。因此应 该 充分 有 效 地利 用 太 阳 电 池， 优化光伏系统的结构， 降低路灯光伏系统 中的成本 。 城市光伏系统处于比较特殊的环境中， 太 阳电池板的安 装 也应 该做 相应 的处理 。 1 街 道和 草坪 路灯光 伏 系统的遮 光 当前路 灯光 伏 系统 和 草坪 灯 光伏 系统 中太 阳 电池 板和太阳电池灯是连接在一起的， 路灯光伏系统中的太 阳电池板安装在路灯杆上 ， 太阳能草坪灯光伏系统则把 太 阳电池 安装在 太 阳能 灯 的 上方 。如 图 1所 示 是 部 分 路灯光伏系统的外观l_ 2 。 。太阳电池板的这种安装方法 不一定 适合 每一 个城 市 ， 也 不一定 适合 每一 个城 市 的每 一 条街 道 ， 或每 一条街 道 的每个位 置 。如果 街道 宽阔 而 且没有高层建筑和行道树遮光 ， 这种路灯光伏系统是可 取 的 ； 如果 草坪 足够 开 阔 ， 则 草 坪 灯 直 接 和太 阳电 池 连 收稿日期 ： 2 0 1 I - 0 2 2 6 基金项目： 遵义师范 学院教研 项 目( 1 1 2 7 ) ； 贵州 省重点支 持 学科项 目( 黔教高发( 2 0 1 1 ) 2 7 5号) 资助 成一体的结构也非 常实用。但是对大多数 的街道和草 坪来说 遮光 是一个 比较 突 出的 问题 。 图 1部 分路 灯 光 伏 系统 和 草 坪 灯 光伏 系统 地球上不同地方 的不同季节对应不同的太 阳高度 角。太阳高度角定义为太阳视运动轨迹所在平面与观察 点所在水平 面之间 的夹 角 。北 半球夏 至 的太 阳高度 角 = ( 9 0 。 一纬度) +2 3 。 2 7 ， 见文献E 6 - 1 ； 冬至的太 阳高度角 一 ( 9 0 。 一纬度 ) 一2 3 。 2 7 。 以遵 义 市 为例 ， 遵 义 的 纬度 是 北 纬 2 7 。 4 2 ， 遵义市上海路为东西走向， 两侧大多数楼房的 高度约为 2 0 i n ， 人 行 道 宽 平 均 约 为4 in， 中 间公 路 宽 为 1 2 in。 根据这些数据可以大致了解建筑物对街道的遮光 情况。根据太阳高度角的计算方法可以得到， 遵义市夏 至太 阳的高度 角是 8 5 。 4 5 ， 冬 至太 阳的高度 角是 2 8 。 5 1 。 图 2 是某一天遵义市上海路正午的太阳辐射示意图， 为 太阳高度角。根据几何关系可以计算出夏至正午太阳照 射到路面南方墙脚 的距离为 1 5 m； 冬至正午太阳照射 到路面上离南方墙脚的距离为 3 6 3 in， 此时太阳所照射 1 8 6 现代 电子 技术 2 0 1 2 年第 3 5 卷 到北边建筑物的最低点离地面的高度为 9 1 m。 图 2遵 义 市上 海 路路 况 示 意 图 由此可以看到， 在太阳高度角较低的正午有一段时 间阳光照射 不到街 道 上 。太 阳高 度角 较小 时 ， 是 一 年 中 太阳辐射较差的阶段， 如果按如图 1 所示的方法将太阳 电池板安装在 路灯 杆 的上方 ， 则在 太 阳辐射 较 差 的季节 里 ， 一天 中太 阳辐射 最强 的 时问 阳光 照射 不到 太 阳 电池 上 ， 特别是街道南 方的人行道上 ， 一天 中太 阳电池上没 有 太阳辐射的时间将更长。在南北走向的街道上， 由于太 阳每天从东向西运动 ， 街道东边的建筑物可能在早上对 街 道形成遮 光 ， 西边 的建 筑物 在 下午也 可 能对 街 道形 成 一 段时间的遮光。不同建筑物的高度和不同街道的宽度 对太 阳电池 板的遮光严重 程度也不 同 。即使 不考虑 建筑 物对太 阳电池板 的遮 光 ， 人行 道 上树木 的遮光 也 会对 太 阳电池板形 成较大 的影 响 。如 图 3 所 示是遵 义市 的一 条 街道 和一个 广场 的一部分 。图 中所示 街道上 种 的是 法 国 梧桐树 ， 树的主干高度约4 m， 树枝高度超过 i 0 m， 而且 相邻树枝已经互相交叉， 在路上形成了较浓密的树荫。 图 3街 上 和 广 场 上 的 树 木 有的街道上即使 目前行道树较低 ， 不会对街道形成 明显的遮光 ， 但是从长时 间的角度上看 ， 行道树长高后 形 成 的遮光 也不 容忽视 。校 园 、 广场 和公 园是 比较 开 阔 的地方 ， 但 是为 了绿化 和 美 化 环境 的需 要 ， 这 些 地 方也 种了很多树 。虽然也存在一部分空地 ， 但是树木经过一 段时间后会长高， 太阳在不 同季节， 高度角和一天 内相 对地面辐射角度都在变化 ， 草坪上很多地方也会形成遮 光。由此可见 ， 城市中遮光形成的主要原因是建筑物和 行道树的影响。可以想像 ， 在高层建筑较多的街道和纬 度较高的城市中， 沿街建筑物的影响更为突出。假如按 图 1所示 的方 式 ， 把 光伏 系统 的太 阳 电池 板安装 在路 灯 杆上 ， 有可 能会 形成 严重 的遮光 问题 。 2遮 光对太 阳 电池 的影响 太 阳电池 遮光 区域 不能 发 电 ， 导致 太 阳 电池板 的输 出功率降低。如果从能量转换的角度来认识 ， 则可以认 为遮 光面积和太 阳电池板 的面积 之 比即为太 阳 电池板 少 发 电量与无遮光 时 的发 电量 之 比 ， 但是 实 际情 况 更 为 复 杂 。太 阳电池 的等 效 电路 如 图 4所 示 l 。 图中 R 是 太 阳电池 的串联 电阻 ， R 是 旁路 电阻 ， 主要 由下 列 因 素 引 起 ： 表面沾污而产生的沿着电池边缘的表面漏 电流； 沿着 硅片位错和 晶粒 间界 的不规则 扩散 或 者在 电极金 属化处 理后 ， 沿着微观裂 隙 、 晶粒间界 和晶体 缺陷等 形成 的细小 桥 路而产生 的漏 电流 。R表 示外 电路 电阻 。为 了达 到 用 电器的要求 ， 太 阳电池 板 由多 片太 阳 电池 连接 而 成 。电 池板 中太 阳电池的连接形 式如 图 5所示 l 7 。鉴 于太 阳电 池的等效 电路 和 电池板 中太 阳电池 的联 接 形式 ， 某 片太 阳电池由于遮光而不发电时， 其他太阳电池提供 的电流 流过旁路 电阻， 同时二极管上也有反 向饱和电流流过。 此时 的太 阳电池充 当了一 个用 电器 的作 用 ， 将 消耗 一 定 量的能量 ， 使电池板整体输出的能量进一步降低。 图 4 太 阳 电 池 等 效 电路 光 伏系 统 中主要 的设 计 参 数 是 太 阳 电池 的标 称 值 和蓄电池的容量 ， 两者的设计都必须和当地气象条件相 结合。根据系统中用电器的耗电要求 ， 结合 当地气象条 件 来确 定太 阳 电池板 的 电压 和 电流标 称值 ， 以满足 整个 系统 的用 电需 要 。蓄 电池作 为储 能工 具 ， 将 太 阳 电池所 发 的电能储 存起 来 ， 用 于在 夜 间和 阴雨天 给用 电器 提供 电能 ， 所 以通常都是根据连续阴雨天数和一年 中太阳电 池发 电量 的变化 来设 计 容 量 的 。这 种 设 计 是基 于 系统 中太 阳 电池无遮 光 的条 件 下 进 行 的 。假 如 路 灯 光伏 系 统的太阳电池板被遮光 ， 则相对无遮光条件下太阳电池 的发 电量将 减小 ， 必 然引起 系统 中太 阳电池 的发 电量不 足 ， 使 蓄 电池 长期处 于 深 度放 电状 态 ， 甚 至 在 日照 较差 的季 节 引起断 电现 象 的发 生 ， 而且对 整 个光伏 系统 的使 用寿命也将产生影响。如果将树荫的遮光和建筑物的 遮 光 因素考虑 到太 阳电池 标 称 值 和 蓄 电池 容 量 的标 称 值中， 则系统设计将变得极其复杂 。 3 太 阳电池 板安 装 的建议 行 道树 是城市 绿化 的重 要组 成部 分 ， 能减 少空气 污 染 ， 吸收有害气体 ， 能起到滞尘减尘的作用 ， 具有 良好的 第1 6 期 杜忠明 ， 等 ： 路灯光伏系统中太阳电池板的安装位置 1 8 7 生 态效益 8 。另外 ， 行道树 对 吸收噪 音和 改善街 道 温度 状况等都具有十分重要的作用 。所以不能 因为太阳电 池板的安装而把行道树的树枝进行大面积的修剪 。假 如把太阳电池板的支架做得很高 ， 将增加路灯光伏系统 的成本 ， 也不 能保证 完 全 的不 遮光 。在 新建 的街 道上如 果 因为 安装 了路灯 光 伏 系统 而 不 种行 道 树 的做 法也 不 可取 ， 因为不能为了路灯而牺牲 了城市 的绿化 ， 而且 即 使 没有 行道 树 的影 响 ， 建筑物 的遮 光也 同样存 在 。 把太阳电池板安装在建筑物上可以做到太 阳电池 不 受遮 光 的影响 。这 种安 装 中光 伏 系统 的其 他 组 成部 分 在路 灯所 在 的灯 杆上 ， 太 阳 电池 板所 发 的电通 过导线 顺 着建 筑物 引到地 面 ， 再经过 地 面下 引入路 灯所 在位置 的其他部件中。如图 6所示 ， 街道南方的太 阳电池板 2 为 灯泡 2提 供 电能 ， 街 道北方 的太 阳 电池板 1为路 灯 1 提 供 电能 。如果南 方 建筑 物 在 冬 至 正午 的遮 光 只 遮住 北 方建 筑物 的一部 分 高度 ， 就 可 以不把 太 阳电池板 安装 在 北方 建筑 物 的屋 顶上 ， 适 当降低 太 阳电池 板安装 的高 度 ， 例如 把太 阳电池板 放在 3的位 置为 路灯 1 供 电 。这 样 减少从 电池板 到路灯 之 间的距 离 ， 从 而减少 导线 的使 用量 ， 降低成本。假如南方有更高大的建筑物则太 阳电 池板 1 ， 2的位置还可以适 当移动 ， 以不产生遮光为准。 在 南北走 向的街道 安 装太 阳 电池 板 时 主要 考 虑 是否 有 高 层建筑 物遮 住太 阳电 池所 安 装 的建 筑 物 。如果 有 高 层建筑存在应该事先算出高层建 筑在一年 中遮光的区 域 ， 避免 将太 阳 电池 板安 装在 遮光 区域 中 。 经过这种处理后路灯 的安装 高度可 以完全根据照 明的需要 进行 设计 ， 路灯 杆 的高度 和强度 可 以降低 。相 对于高大的太 阳电池灯杆来说 ， 导线的成本可以说是非 常低 ， 所以把太阳电池安装在建筑物上可以降低 系统的 成本 。太 阳电池板 安装 在 建 筑物 上 后 太 阳电 池板 的安 装倾 角可 以根 据 当地 气象 条件 灵活设 计 ， 使太 阳 电池 板 的发 电处于最佳状态 ， 保证蓄电池的充电和路灯 的不断 电使用 ， 从而保证光伏系统的质量 ， 降低发 电成本。 翮 _I 二 ： U 二 ( a ) 串联结构 ( b ) 网壮结构 ( c ) 桥式 结构 图 5 太 阳 电池 板 中 电池 的连 接 没有种 树 的空地 上不一 定就 是需 要安装 草 坪灯 的 地方 ， 所 以在草 坪灯光 伏 系统 中 ， 可 以根据 实际情 况 ， 把 太 阳电池 支架 和灯杆 分离 开 ， 尽量 将太 阳电池板 安装 在 空地上 ， 并根据需要把太阳能草坪灯安装在任何需要安 装 的位 置 ， 也可 以把 太 阳 电池 安 装在 附近 的建筑 上 ， 从 而达 到太 阳 电池 板 不遮 光 的 目的 。分 开太 阳 电池 和 太 阳能灯 后 可能会 增加 支架 和导线 等成 本 ， 但 太 阳电池 发 电量的增加和系统的稳定运行可以抵消一部分成本 ， 甚 至能 降低 总 的发 电成 本 。 0 路灯 图 6 太 阳电池板在建筑物上的安装示意 图 4 结 语 光伏系统经过优化设计可以降低发电成本 ， 路灯光 伏系统 中太 阳电池板 的安 装也 是 优 化 光伏 系统 的 一个 重要组 成部 分 。建筑 物 和行 道 树 等 对 街道 的遮 光 是 不 可避免 的， 可以说遮光问题在任何城市都会遇到， 应该 根据实际情况， 至少将一部分路灯光伏系统的太阳电池 板和灯杆分离开 ， 而不是整条街的太阳电池板都安装在 灯杆上 。如果将太阳电池和蓄电池集中， 同时为多盏路 灯供电， 还可能进一步降低路灯用 电成本 ， 有利于太阳 能光伏 发 电的推 广 。 参