研究性学习代表成果

研究课题（不超过50个字）：关于太阳能路灯在桥梁的应用

学校：南京金陵中学

班级：高二8

姓名：陈**

指导教师：傅中秋

成果简介（不超过300个字）

全球变暖是人类的行为造成地球气候变化的后果，在碳中和的大背景下采用在桥梁上使用太阳能路灯，也就是是采用晶体硅太阳能电池供电，免维护阀控式密封蓄电池（胶体电池）储存电能，超高亮LED灯具作为光源，并由智能化充放电控制器控制，用于代替传统公用电力照明的路灯，达到节能减排绿色环保的目的。

关于太阳能路灯在桥梁上应用

摘要：太阳能路灯作为一种科学环保的照明使用方式，一直以来都备受关注，但是目前很多种可证实太阳能路灯使用的可行性，如何真正将太阳能路灯在桥梁照明中，还需要认真分析和探讨。

关键词：太阳能路灯；桥梁照明；应用

1 引言

1.1 研究背景与意义

首先，化石能源的大量使用产生的温室气体导致地球变暖会使降水量重新分布、冰川和冻土消融、海平面上升等一系列自然环境问题，不仅危害自然生态环境，也影响人类健康。其次，随着地球资源的匮乏，基础能源的投资成本日益攀升，各种安全和污染的隐患无处不在，而太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的安全，绿色新能源越来越受到重视。同时随着光伏技术的发展与普及，太阳能路灯作为桥梁照明领域的发展已经日趋成熟。

2 太阳能路灯在桥梁应用的关键点

   太阳能路灯原理是白天太阳能电池板经过大功率二级管把吸收的光能转换成电能，存储于灯杆下面安装的控制箱的蓄电池里面，即充电过程。晚上，具备光控的电池板，发布控制开启指令使得蓄电池点亮照明灯具，即放电过程。

2.1 设计数据

2.1.1 太阳辐射量

结合桥梁所在区域太阳辐射数据库资料，来确定桥梁当地在太阳能电池组件的倾角与方位角，并计算当地标准日照峰值时间。

2.1.2 光源功率

太阳能路灯功率选择的大小，影响桥梁照明的标准值，对于桥梁安全至关重要。

2.1.3 工作时间

太阳能路灯夜间工作所需要时间，是决定太阳能路灯系统组件包括蓄电池，路灯功率核心的参数。

2.2 太阳能路灯技术参数

由2.1节可得，根据物体保持平衡状态的能力可将物体的平衡状态分为稳定平衡、不稳定平衡以及随域平衡三种类型。物体受到微扰后，物体的重心往往会发生偏移，但微扰作用下物体的动能并不发生明显变化。由此可得，物体受到微扰后能否回到原来的平衡状态可通过物体机械能的变化进行判别。根据能量最低原理，处于平衡位置的物体在其附近邻域内能量最低，若物体受到微扰后能量升高，那么物体将自行回复到低能量状态，即恢复原来的平衡。通过重心位置的升降可以作为判断小球受微扰后平衡状态的依据。从图1中不难看出，受微扰后小球如果重心上升，则原平衡状态为稳定平衡；若重心下降，则原平衡状态为不稳定平衡；若重心位置在竖直方向不发生变化，则原平衡状态是随域平衡。

2.2.1电池组件

太阳能电池组件是由高效单晶/多晶太阳能电池片、低铁超白绒面钢化玻璃、封装材料（EVA、POE等）、功能背板，互联条，汇流条，接线盒以及铝合金边框组成。使用寿命可达15-25年。需要配置旁路二极管，避免发生热斑效应发生电池被烧毁。

2.2.2控制器

1、负载过流保护以及短路保护，负载过流超过额定电流或者负载短路后，将负载关闭或者纠正后可以继续使用。

2、夜间防止反充电保护，即白天给太阳能电池组件给蓄电池充电，夜间阻止给予蓄电池充电

2.2.3蓄电池

选择磷酸铁锂等满足国家规范要求的优质电池，降低低温度对电池性能与寿命造成的影响。还需要通过侵水性和渗水性实验蓄电池舱进行测试，确定其不会进水。

3桥梁太阳能路灯局限性

原先在桥梁上建设路灯与围栏，需要与桥面固定连接，桥体原本是要实现公路或者铁路的运输功能，桥面面积有限如果为路灯基座提供防风抗颠覆功能，还要针对路灯管线进行预埋，施工与后期难度大。太阳能路灯虽然有一定形式的避免管线预埋，以及不会存在管线问题导致路灯集体故障，但也存在以下的局限：

3.1 不适合北方天气

因为北方冰雪天气较多，并且积雪较为厚，会覆盖太阳能板，影响光能转换。如果积雪较为厚，那么容易造成电池板损坏，因此目前太阳能路灯不适合东北桥梁。

有两种方式可以解决：其一，针对目前现有的桥梁进行改装加装太阳能路灯设备并利用原先的电气配电装置，在无法体现太阳能路灯的优势的时间段中，采用原先的供电方式。其二，理论上可以加装融雪装置解决此问题。首先当太阳能板上积雪较厚时可以利用融雪装置加热融雪，利用太阳能板的倾角自然流走，其次加装无线太阳能板倾角调节装置，达到可以调节太阳能板的倾角让积雪自然滑落，然后提供太阳能板倾角重置功能重新调节校准倾角方位角，让太阳能路灯正常工作。

3.2桥梁太阳能路灯维护问题

太阳能路灯受到日照条件影响显著，昼夜更迭和气候变化以及太阳能电池表面灰尘都会影响其工作效率。

其自身组件的损耗也会导致其工作效率低下，如控制器失灵、逆变器损失、蓄电池效能低下、线路损失。

太阳能路灯本身寿命从原理上是比较长的，但是太阳能组件受到雨水、积雪、紫外线的辐射而恶化，此外脏污、灰尘都影响它的使用寿命，太阳能路灯如果不能定期清洁由于本身工作原理的热效应也会产生损坏。

桥梁本身受到地形以及极高安全要求限制，本身的维护工作就比较繁重，在桥梁上建设太阳能路灯还会带来更多的维护工作。

4 小结

太阳能路灯的技术快速发展，使得在桥梁上建设太阳能路灯照明带来了可能。不仅节能减排使用清洁能源，也为碳中和做出贡献，同时也因此降低桥梁用电量。但在桥梁上应用太阳能路灯，要从建设和维护以及效能等多方面分析其科学应用，应用过程中要明确设计原则，才能提高使用效率。

参考文献

[1]  李钟实.太阳能光伏发电系统设计与施工维护[M].北京：人民邮电出版社.2015

[2]  王长贵.王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M]北京：化学工业出版社.2015

[3] 黄汉云.太阳能光伏发电系统应用原理[M]北京：化学工业出版社.2015.