太阳能路灯

太阳能路灯(solar street light)，^[2]也称太阳能光伏照明路灯，主要由灯具、太阳能电池组件、蓄电池、太阳能控制器、灯杆、基座、供电线缆等部件组成。^[4]灯具由光源、光学元件、机械部件、电器部件组成，不仅具备街道照明功能，也负责亮化、美化环境。^[5][6]太阳能电池板是系统的核心部件，作用是将太阳的辐射能力转换为电能送至蓄电池中存储起来，由太阳能电池片串并联，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框，具有抗风、抗冰雹能力强，安装方便等特性。^[7]蓄电池是太阳能路灯系统的贮能部件，其作用是将太阳电池产生的电能贮存起来，当光照不足，或晚上负载需求大于太阳电池所发的电量时，将贮存的电能释放以满足负载的能量需求。太阳能控制器是太阳能路灯系统的核心控制部件，其作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，以及延长蓄电池的使用寿命等。^[8]灯杆主要用来敷设供电线缆以及承载路灯，基座和基础起固定灯柱的作用，^[9]供电线缆用于传输供电电压。^[1]白天太阳能路灯在智能控制器的控制下，太阳能电池板吸收太阳能光并转换成电能，向蓄电池组充电，晚上蓄电池组提供电力给光源供电，实现照明功能。^[3]

太阳能路灯的发展经历了19世纪至20世纪中叶、20世纪60年代至80年代、20世纪90年代之后的三个阶段，太阳能路灯的想法诞生于1900年，当时来自马里兰州巴尔的摩的发明家克拉伦斯·肯普(Clarence Kemp)为第一个太阳能路灯设计申请了专利。^[10]20世纪60年代，光伏驱动的导航设备和照明出现在街道上，标志着太阳能照明的诞生。1973年，世界各国开始太阳能电池地面应用研究，在这之后各国的路灯项目如雨后春笋般涌现。20世纪90年代时世界各国政府纷纷推出推广清洁能源的举措，将太阳能推向公众意识的前沿，这使太阳能电池板在民用、商业和工业领域的应用（包括街道照明）迅速增加。LED技术^[11]以及新电池技术的发展扩大了太阳能路灯的实际用途。由于其能源效率高、使用寿命长且维护要求低，它们在街道照明系统中越来越受欢迎。世界各国政府也实施税收减免、退税和研发资金等政策和激励措施，以鼓励太阳能路灯的广泛采用。到2022年太阳能路灯市场规模为45.6亿美元，其中亚太地区是太阳能路灯市场最大的地区。^[12][13]

太阳能路灯的分类多种多样，可以按使用能源^[14]、供电方式^[7]、用途以及灯头形式进行区分。^[15]太阳能路灯因具备节能环保、安装便捷、操作简单、性能稳定、成本低、收益高、开发潜力巨大等优势，^[16]被广泛应用于街道照明、公园美化、工业建设、军事领域、机场、停车场等场景中，^[17]随着生产与制造技术的进步，太阳能路灯在技术上逐渐成熟和完善。这些技术的应用，不仅能够提高太阳能路灯的照明效果，还降低了太阳电池板的选配功率和蓄电池的选配容量，从而大幅降低了路灯的全寿命成本，从而提高了太阳能路灯的照明效果，^[18]极大地促进了可持续能源消耗，使城市变得更加智能和绿色，推动了太阳能路灯^[12]向着太阳能电池板、蓄电池、光源高效化，路灯控制器、管理体系智能化，产品设计标准化等方向发展。^[19]

1839年，法国物理学家A·E·克勒尔(A.E.Becqurel)发现了光伏效应。1883年，美国发明家查尔斯·弗里茨(Charles Fritts)造出了第一个太阳能电池，他也被认为是太阳能灯的发明者。^[20]1891年，弗里茨在纽约市的屋顶上安装了第一个太阳能电池板，这是太阳能电池首次用于照明。^[18]太阳能路灯的想法诞生于1900年，当时来自马里兰州巴尔的摩的发明家克拉伦斯·肯普(Clarence Kemp)为第一个太阳能路灯设计申请了专利。他的设计使用抛物面反射器将阳光聚集到硒xī电池上，产生足够的电力来为灯供电。^[10]

1954年，美国贝尔研究所首先试制成功实用型单晶硅太阳能电池，^[21]20世纪60年代的太空竞赛加速了太阳能技术的发展，美国宇航局(NASA)使用小型太阳能电池为卫星提供动力。大约在同一时间，光伏驱动的导航设备和照明出现在街道上，标志着太阳能照明的诞生。^[13]

1973年，世界各国开始太阳能电池地面应用研究。最早的太阳能公共照明实验之一是1974年的巴巴哥公园(Papago Park)太阳能示范项目。太阳能电池板和电池用于照亮沙尘暴警告标志，微电网用于为太阳能路灯试验台供电。1980年，特拉华大学(University of Delaware)的太阳能公园在校园内安装了第一个大型太阳能街道照明系统。与此同时，法国、印度和日本的项目如雨后春笋般涌现，该路灯系统使用太阳能电池板和电池，通常采用新开发的CFL和DC镇流器。中国最早报道太阳能并给出太阳能路灯结构图的是黄一心的论文《太阳能路灯》。^[13][19]

这一时期世界各国政府纷纷推出推广清洁能源的举措，将太阳能推向公众意识的前沿，这使太阳能电池板在民用、商业和工业领域的应用（包括街道照明）迅速增加。1996年在佐治亚州亚特兰大举行的夏季奥运会，是最早大规模使用太阳能照明的大型体育赛事之一，该照明项目也被称为1996年亚特兰大奥运会太阳能照明项目，旨在展示奥运会期间可再生能源和可持续技术的使用。^[13]

直到2000年代初，CFL和HID灯的低效能以及对铅酸电池技术的依赖限制了太阳能路灯的应用。然而，20世纪60年代由尼克·何伦亚克(Nick Holonyak Jr.)发明的LED技术^[11]以及新电池技术的发展扩大了太阳能路灯的实际用途。由于其能源效率高、使用寿命长且维护要求低，它们在街道照明系统中越来越受欢迎。在许多社区，太阳能路灯比老化的并网解决方案更具成本效益、弹性和可靠。2003年至2011年伊拉克战争期间，人们非常重视使用太阳能等可再生能源，以减少对传统燃料发电机的依赖，并提高军事行动中的能源效率。太阳能灯在为军事基地、检查站和其他地区提供照明方面特别有价值，特别是在稳定电网有限的偏远和离网地区。^[13]

世界各国政府正在实施税收减免、退税和研发资金等政策和激励措施，以鼓励太阳能路灯的广泛采用。2022年太阳能路灯市场规模为45.6亿美元，其中亚太地区是太阳能路灯市场最大的地区，中国是亚太地区最大的太阳能路灯市场，其次是印度、日本和韩国。^[12]

太阳能路灯主要由灯具^[5]、太阳能电池组件、蓄电池、太阳能控制器、灯杆、基座等部件组成。^[4][8]

大部分灯具由光源、光学元件、机械部件、电器部件组成，不仅具备街道照明功能，也负责亮化、美化环境。^[5][6]

光源，把电能转化为光能，^[9]主要分类有荧光灯、钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高频无极灯、和LED光源等，^[8]普通太阳能路灯常选择此类光源中的一种，或两种以上的混合光源，以满足道路照明亮度和照度的设计规范要求，各类光源的发光原理不尽相同。^[22]若光源为交流负载，需要配置逆变器将直流电压转换为交流电供负载使用。^[1][23]

荧光灯也叫日光灯，是一种充有惰性气体的低压汞蒸气放电灯，通过引燃灯管内稀薄汞蒸气进行弧光放电，汞离子受激产生紫外线辐射，照射到灯管内荧光粉涂层上，紫外线的能量被荧光材料所吸收，其中一部分转化为可见光并释放出来。直管形荧光灯的典型结构由内涂荧光粉的玻璃管、涂敷电子发射物质的灯丝、汞和惰性气体、芯柱、灯头等组成。除直管形外，还有U形、环形等。^[24]荧光灯发光效率超80Lm/W，寿命达8000-10000h，显色指数50以上，但是功率小、附件多且当电压较低时灯管发黑，因其耗电量仅为白炽灯的1/4，故也称节能灯。^[22][25]

钠灯是利用钠蒸气放电发光的光源，按钠蒸气工作压力的高低分为高压钠灯和低压钠灯两大类。^[26]

高压钠灯

高压钠灯主要由灯丝、双金属片热继电器、放电管、玻璃外壳等组成。灯丝由钨丝绕成，能储存一定数量的碱土金属氧化物，当灯丝发热时碱土金属氧化物成为电子发射材料，放电管内充有氙气、汞滴和钠，双金属片热继电器用两种不同热膨胀系数的金属制成。当高压钠灯接入电源后一段时间，热电阻发热，使双金属片热继电器断开，断开瞬间镇流器线圈产生很高的自感电动势，它和电源电压合在一起加在放电管两端，使管内氙xiān气电离放电，温度升高，继而使汞变为蒸气状态，当管内温度进一步升高时，使钠也变为蒸气状态，开始放电而放射出较强的可见光。高压钠灯的发光效率约为120Lm/W，使用寿命可达24000h，功率范围30-1000W。^[22][27]

低压钠灯

低压钠灯由灯头、电极、钠球、发光管、支持板、外管组成，发光管一般采用双层套管玻璃，电极为涂敷氧化物的钨，外套管内部抽真空，其内壁涂上氧化铟yīn之类透明性红外反射层。^[28]低压钠灯内填充了钠金属和少量氖nǎi与氩yà混合的惰性气体，钠原子在放电时受到激发和电离，当受激钠原子从激发态跃迁回基态时，将在589.0nm和589.6nm波长位置产生共振辐射，发出可见光。^[29]低钠灯光效为40~50Lm/W，能产生暖和的金黄色光，寿命长、透雾性强，但显色性差。^[30]

高压汞灯由硬玻璃外壳、石英玻璃放电管、两个主电极、引燃极和电阻组成。硬玻璃外壳内壁涂有荧光粉，外壳与石英玻璃放电管之间充有保护作用的氨气，在石英玻璃放电管内充有适量的水银和惰性气体。^[31]刚点燃时，低压汞蒸气和氩气放电，辐射带蓝色的辉光，随着放电产生热量使电弧管内汞蒸气升压，电弧开始收缩并产生电离激发，使放电管中电子、原子和离子碰撞而发光。^[32]高压汞灯的发光效率可达20~60Lm/W，其光色较好，耐震、耐热性能好，但该灯启辉时间较长，适应电压波动性能差（电压下降5%可能会引起自熄）。^[33][34]

金属卤化物灯是一种气体放电灯，主要由电弧、橄榄形石英电弧管以及电极钼片密封结构组成，氙气、汞滴以及金属卤化物被填充于弧光管内，弧光管管壁一般用石英制成。^[35]其基本原理是在放电管内电子、原子、离子之间相互碰撞，从而使原子或分子电离，形成激发态，再经电子或离子复合而发光。^[36]金属卤化物灯显色指数达60~80，使用寿命可达10000h，光效达80Lm/W左右。缺点是光色一致性不稳定，启动时间较长。^[37]

高频无极荧光灯，又称高频等离子体放电无极灯，由高频发生，功率耦合线圈、灯管组成。这种灯是根据电磁感应原理制成的新型光源，利用高频率电磁场，来加速灯内的气体的运动，通过多次碰撞产生的等离子体来激发汞原子发出紫外线，然后再去激发涂在玻璃球泡内壁的三基色荧光粉变为可见光。高频无极灯发光效率最大可达90Lm/W，寿命通常可达40000-60000h，显色性好，光强衰减小，通过IC电路进行工作，电路集成了良好的调光控制性能。^[22]

LED灯是将一块半导体材料芯片上固定到支架上，然后连接芯片和电路板，四周用环氧树脂密封保护，最后安装外壳形成的灯具。半导体芯片由两部分组成，一端是P型半导体，另一端是N型半导体。这两种半导体连接起来时，就形成P-N结，当P-N结加正向电压时，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，光的波长由P-N结的材料决定。^[38]LED灯光源因具备使用寿命长，可达100000h，工作电压低，不需要逆变器，光效较高等优点而被广泛使用。^[1]

光学元件主要有反射器、折射器、遮光器等等，有助于控制光线分布。^[5][39]

反射器是一个重新分配光源光通量的器件。光源发出的光经反射器反射后，投射到预定的方向去。为了提高效率，反射器由高反射率的材料做成，这些材料有铝、镀铝的玻璃或塑料等。反射器的形式多种多样，例如，球面反射器、柱面反射器、旋转对称反射器、抛物面反射器及组合反射器等不同形式。无论反射器的形式如何变化，其目的都是为了适应各种不同形状的光源和受照面的照明需要。^[39]

折射器利用光的折射原理将某些透光材料做成灯具元件，用于改变原先光线前进的方向，获得合理的光分布。灯具中经常使用的折射器有棱纹板和透镜两大类。棱纹板多数由塑料或亚克力制成，表面花纹图案由三角锥、圈锥以及其他棱镜组成。^[39]透镜通常由玻璃或PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）制成。^[40][41]

其作用是将入射光向许多方向散射出去。这一散射过程可以发生在材料内部，如在白色塑料板中，也可以发生在材料表面，如在磨砂玻璃面上。漫射器可以使从灯具中透射出来的光线均匀漫布开来，并能模糊发光光点，减少眩光。^[39]

灯具在偏离垂直方向45°~85°范围内投射出的光容易造成眩光，因而应予以控制。最好的情况是在此角度范围内看不到灯具中的发光光源，这就需要视仰角（指水平线和视线之间的夹角）小于灯具保护角。虽然通过灯具（光源）自身的设计来增大保护角是可行的，但这样往往会使光源的反射器或灯罩变深。因此可以通过附加到灯具上的遮光器件，达到增大灯具保护角、减少眩光的目的。^[39]

LED路灯光源室装有钢化玻璃透光罩，利用光的导向性可有效控制光线的分布范围，使LED模组发出的光成为一个长条形光带沿路面方向铺展。^[42]

机械部件指轨道、金属支架等，起固定和支撑灯具的作用。^[5]

由于大功率LED路灯亮度要求高、发热量大，所以需要重点解决散热问题。散热过差会导致LED快速老化，稳定性降低，设计时散热面位于侧上面有利于空气自然对流散热。除此之外，由于在户外应用的道路灯具，也应具有必需等级的防尘防水功效（IP）。LED路灯散热器采用一体化铝合金压铸散热外壳，由于整个灯体上部无任何开口，整体的加工为铝合金一次性压铸成型，在灯体的上部不存在渗水和防尘问题，仅对灯体向下方向的光源室和电器室进行防护即可，只需采用硅橡胶条进行防水防尘，就能达到IP65的防护等级，具备吸热快、热阻小、散热顺畅、防护等级高、机械强度好的优点，能将LED模组温度控制在60℃以下。^[42]

对于不太宽的道路，车道侧两旁的灯具，除了照明车行道外，还要兼顾人行道，照明灯具需尽量水平安装，或者把路灯灯臂的仰角控制在50°以内，使车道和人行道都有较好的照度。^[42]

电器部件如电线、灯座、镇流器等，可为灯具提供电流。^[5]对于LED路灯来说，电器部件还包括DC/DC恒流驱动器、电器室盖板、电器室三部分。^[42]

镇流器是电感值很大的带有铁芯的线圈，用于荧光灯、弧光灯、氙灯等，启动时有帮助起燃作用，灯亮后可限制电流在一定范围以内。^[43]

驱动电路是一种专为LED供电的特种电源，具有简单的电路结构、较小的占用体积以及较高的转换效率。驱动电路的输出电参数（电流、电压）要与被驱动LED的技术参数相匹配，并具有较高精度的恒流控制、合适的限压功能；且多路输出时，每一路的输出都能单独控制；具有线性度较好的调光功能，以满足不同应用场合对LED发光亮度调节的要求；在异常状态（LED开路、短路、驱动电路故障）时，电路具有保护作用。^[42]

太阳能电池板是系统的核心部件，作用是将太阳的辐射能力转换为电能送至蓄电池中存储起来，主要形式有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池及非晶硅太阳能电池等。太阳能电池组件由太阳能电池片串并联，用钢化玻璃、EVA及TPT热压密封而成，周边加装铝合金边框，具有抗风、抗冰雹能力强，安装方便等特性。^[7][8]

低铁钢化玻璃（又称“白玻璃”），常见厚度在3.2mm左右，在太阳能电池光谱响应的波长范围内（320~1100nm），透光率达90%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率，同时耐紫外光线的辐照，透光率不会下降。^[7]

EVA是一种热融胶黏剂，厚度在0.4-0.6mm，表面平整，厚度均匀，内含交联剂。常温下无黏性且具抗黏性，经过一定调价热压便发生熔融黏结与交联固化，并变得完全透明。固化后的EVA能承受大气变化且具有弹性，它将电池片“上盖下垫”包封，并和上层保护材——玻璃，下层保护材料背板（TPT、BBF等），利用真空层压技术合为一体。它和玻璃黏合后能提高玻璃的透光率，起着增透的作用，并对太阳能电池板的输出有增益作用。^[7]

太阳能电池片是光电转换的最小单元，尺寸一般为125mmX125mm或156mmX156mm。太阳能电池片的工作电压约为0.5V，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池片进行串并联封装后，可以得到太阳能电池板，可以单独作为电源使用。^[7]

单晶硅太阳能电池是以高纯的单晶硅棒为原料的太阳能电池，一般单晶硅棒是在单晶硅炉中拉制而成，通常要经过滚圆，切片制成，为了充分利用硅片，4个角保留圆弧，成为准方片。^[44]当光照射p-n结时，在结区激发电子-空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺着电场运动，电子逆着电场运动，最后在n区边界积累光生电子，在p区边界积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场。^[45]单晶硅太阳能电池转换效率高，技术较成熟。但制造高纯度的单晶硅成本及能耗高，制造工艺烦琐。^[46]因单晶硅太阳能电池性能参数稳定，更适合在阴雨天比较多、日照相对不是很充足的南方地区，多选用单晶硅太阳能电池。^[1]

多晶硅太阳能电池是以多晶硅为基体材料的太阳能电池。多晶硅通常是由铸锭炉浇筑成的大块的多晶硅锭，经过破锭机和多线切片机切割成厚度为0.15~0.3mm的方片再制成电池，因此多晶硅电池一般为方形。^[44]与单晶硅太阳能电池同属晶体硅太阳能电池，发电原理一致。^[47]多晶硅太阳能电池的制造省去了高成本的单晶拉制过程，成本和能耗相对较低，为应用最多的太阳能电池，在光伏市场占50%以上的份额。但是，由于多晶硅含有晶界、位错和杂质等缺陷，因此其光电转换效率比单晶硅太阳能电池低1%~2%。^[46]多晶硅太阳电池制作工艺相对简单，价格比单晶硅太阳电池低，在太阳光充足日照好的中国东、西部地区，应用较多。^[1]

非晶硅太阳能电池是用辉光放电或其它方法分解硅烷（SiH4）气体，在导电玻璃或不锈钢衬底上沉积很薄（约1μ）的无定形硅薄膜方法而制成的太阳能电池。^[48]非晶硅太阳能电池工作原理也是基于光生伏特效应，但其结构是p-i-n结构。在p层和n层之间加入本征层i，光生载流子的生成主要在i层，依靠内建电场作用将光生成的载流子在复合之前分离并收集到电极上。非晶硅太阳能电池的光生载流子主要依靠电池内电场作用下的漂移运动，而晶硅太阳能电池的光生载流子以内建电场外的扩散运动为主。^[49]制造成本低、能量回收期短、便于大面积连续生产以及可以制成柔性可卷曲形状等优点使非晶硅太阳能电池应用范围更加广泛。^[46]因为相比较其他两种太阳电池，非晶硅太阳电池感光性能更好，故其在室外阳光缺乏的区域使用较多。^[1]

此类路灯的电池指的是用多种元素半导体材料制成的太阳能电池。世界各国研究的品种繁多，大多数尚未工业化生产，主要有：硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、铜钢硒太阳能电池（新型多元带隙梯度Cu（InGa）Se2，薄膜太阳能电池）等。^[7]

背板是电池板背面的保护材料，一般有TPT、BBF、DNP等。这些保护材料具有良好的抗环境侵蚀能力、绝缘能力，并且可以和EVA良好黏结。太阳电池的背面覆盖物一一氟塑料膜为白色，对阳光起反射作用，对电池板的效率略有提高作用，其还具有较高的红外发射率，可以降低电池板的工作温度，有利于电池板的效率。^[7]

接线盒用硅胶黏结在背板表面，一般由ABS制成，并加有防老化和抗紫外线辐射剂，能确保电池板在室外使用25年以上不出现老化破裂现象。接线柱由外镀镍niè层的高导电解铜制成，可以确保电气导通及电气连接的可靠。^[7]

边框采用硬制铝合金制成，表面氧化层厚度大于10μm，可以保证电池板在室外环境长达25年以上的使用，不会被腐蚀。^[7]

蓄电池是太阳能路灯系统的贮能部件，其作用是将太阳电池产生的电能贮存起来，当光照不足，或晚上负载需求大于太阳电池所发的电量时，将贮存的电能释放以满足负载的能量需求，^[8]较普遍且常见的有阀控式密封铅酸蓄电池和锂电池两种。^[4]

阀控式密封铅酸蓄电池由电池槽、正负极板组、电解液、隔板、安全阀、引出端子（正、负极柱）等部分组成。正极板栅采用铅钙锡铝四元合金或低锑多元合金，负极板栅采用铅钙锡铝四元合金，正极活性物质是二氧化铅（PbO2），负极活性物质是海绵状铅（Pb），电解液是稀硫酸（H2SO4）。^[50][51]

阀控式密封铅酸蓄电池以电解液的状态不同而分为贫液式电池和胶体电池。贫液式电池用超细玻璃纤维（AGM）做正负极板间的隔板，并采用紧密装配和贫液设计，同时在电池的上盖中设置了一个单向的安全阀。胶体电池采用触变性二氧化硅凝胶（GEL）吸收电解液，胶体在凝固期间收缩形成微裂纹，采用富液式非紧密装配结构。^[50][51]其利用“内部氧循环”来实现免维护功能，即在安全阀控制电池内部气压的条件下，正极产生的氧气通过多孔超细玻璃纤维隔板的孔隙或胶体电解液微裂纹通道到达负极进行氧复合，促进内部实现氧循环。^[52]此类电池具备免维护、无污染、经济实用等优点，但电池的寿命和性能受温度的影响较大。^[53]

锂电池的正极材料为锂的氧化物，负极为石墨，电解液为含有六氟磷酸锂的有机溶液。充电时，电池的正极生成锂离子，锂离子通过电解液和隔膜运动到负极，与通过外部电路运动到负极的电子结合。放电时，锂离子从负极脱离，再次通过电解液及隔膜回到正极材料，电子通过外部电路运动到正极。^[54]锂电池的优点是电压高、比能量高、比功率高、无污染、无记忆效应、使用寿命长，缺点是成本较高，必须要有特殊的保护电路。^[55]

太阳能控制器是太阳能路灯系统的核心控制部件，其作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。还可以记录并显示系统各种重要数据，如充电电流、电压等。太阳能控制器也兼有路灯控制功能，具有光控、时控功能，并具有夜间自动切换负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间；在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。^[8]

太阳能路灯控制器使用单片机作为控制电路，单片机的PWM控制系统具有光伏组件最大功率点跟踪能力，使光伏电池利用率提高。PWM控制系统还可以在蓄电池趋向充满时，控制充电脉冲的频率和时间，使充电过程中平均充电电流的变化更符合蓄电池的荷电状态，真正实现0~100%的充电工作。太阳电池组件对蓄电池充电分为直充、浮充和涓流充电3个阶段。^[56]其基本上可分为五种类型：并联型光伏控制器、串联型光伏控制器、脉宽调制型光伏控制器、智慧型光伏控制器和最大功率跟踪型光伏控制器。^[57]

并联型光伏控制器的工作形式是当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模组上，然后以热的形式消耗掉。^[57]

串联型光伏控制器利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高的功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。^[57]

它以PWM脉冲方式控制光伏阵列的输入，当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。^[57]

基于MCU对光伏电源系统的运行参数进行高速即时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离和接通控制。^[57]

将太阳能电池电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳能电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并做出是否改变占空比的判断，通过这样的寻优过程可以保证太阳能电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳能电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。^[57]

灯杆是灯具的支撑物，主要用来敷设供电线缆以及承载路灯，灯柱的高度和灯具的布光角度（光束角）决定了照射范围，在灯杆上可承载的路灯可分为单、双两种。在某些场合下，建筑外墙、门柱也可起到支撑灯具的作用。^[9]灯杆由优质钢材采用表面热镀锌+喷塑处理防腐工艺焊接而成，设计抗风强度最大为7级，美观、耐腐蚀、耐老化，能保证5年灯杆颜色不变色，使用寿命20年以上。太阳能灯具全自动工作，不需要挖沟布线，但灯杆需要装置在预埋件（混凝土底座）上。^[4][8]

基座和基础起固定灯柱的作用，并把地下敷设的电缆引入灯柱，有些路灯基座还设有检修口。由于灯柱所处的环境不同，对照明方式以及灯具、灯柱和基座的造型、布置等也应提出不同的综合要求。^[9]

供电线缆在路灯照明控制线路中主要是连接配电箱与路灯，作为供电电压的传输通道，供电线缆的截面积可根据供电电量进行匹配选择不同截面积的供电线缆。^[1]

太阳能路灯利用光生伏特效应，即当光照射由两片金属浸入溶液构成的伏打电池时，会产生额外的伏打电动势。白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，通过充放电控制器储存在蓄电池中；夜晚控制器控制蓄电池对光源负载放电。智能控制器对蓄电池的过充、过放进行保护，并对光源的开启和亮灯时间进行控制。^[58][59]各部件具体工作原理如下：^[7]

太阳能电路板材料有多种，其发电原理基本相同，实质就是利用光伏效应将光子能量转换成电能的过程。以晶体硅为例描述发电过程：P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射太阳能电池表面时，PN结的空间电荷区、P区及N区吸收光子能量后，产生电子和空穴对，空穴带正电，电子带负电，因二者极性相反而在半导体PN结的静电场作用下分离后，带正电的空穴聚集P区，带负电的电子聚集在N区，^[60]在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部电路接通时，在电压的作用下，电流流过外部电路产生一定的输出功率。^[7]

直充也叫急充，属于快速充电，一般是在蓄电池电压较低的时候用大电流和相对高电压对蓄电池充电。但直充有个控制点，也叫保护点，直充保护点电压一般也是“过充保护点”电压，充电时蓄电池端电压不能高于这个保护点，否则会造成过充电，对蓄电池造成损害。^[7]

直充结束后，蓄电池一般会被充放电控制器静置一段时间，让其电压自然下落，当下落到“恢复电压”值时，会进入均充状态。设计均充是因为当直充完毕之后，可能会有个别电池端电压相对偏低，为了使所有的电池端电压具有均匀一致性，就需要以适中的电流搭配高电压配再充电一段时间，因此称为均充，即“均衡充电”。均充时间一般为几分钟至十几分钟，时间太长反而有害。^[7]

均充完毕后，蓄电池端电压下落至“维护电压”点时，进入浮充状态，均采用PWM（脉宽调制）方式，电池电压一降低即充电，如此反复，可避免电池温度持续升高。PWM方式是为了稳定蓄电池端电压设计而成，通过调节脉冲宽度来减小蓄电池充电电流，具体为在充电后期、蓄电池的剩余电容量>80%时，减小充电电流，以防止因过充电而过多释气（氧气、氢气和酸气）。^[7]

蓄电池放电不能低于过放保护终止电压。为了安全起见，一般将12V电池过放保护点电压人为加上0.3V作为温度补偿或控制电路的零点漂移校正，则12V电池系统的过放保护点电压即为11.10V，24V电池系统的过放保护点电压为22.20V。大部分厂家都采用22.2V（24V系统）作为标准。^[7]

蓄电池的基本工作机理为电子导体如铜、铝这类金属，和离子导体如电解质溶液一起形成金属一溶液一金属的导电系统，在金属溶液的界面上发生氧化还原反应，从而实现导电过程。以铅酸蓄电池为例：按照“双极硫酸盐化理论”，铅酸蓄电池在充、放电时的电池反应为：^[7]

充电时：

负极反应：PbSO₄+2e⁻=Pb+SO₄²⁻。^[61]

正极反应：PbSO₄+2H₂O=PbO₂+2e-+4H++SO₄²-。^[61]

放电时：

负极反应：Pb-2e+SO₄²-=PbSO₄。^[61]

正极反应：PbO₂+2e⁻+4H++SO₄²⁻=PbSO₄+2H₂O。^[61]

从反应方程式可以看出，铅酸蓄电池正极的活性物质是二氧化铅（PbO2），负极的活性物质是海绵状铅(Pb)电解液是硫酸（H2SO4），放电后，正、负两极的活性物质都转变为硫酸铅（PbSO2），放电反应和充电反应互为可逆反应，所以将这一理论称为“双极硫酸盐化理论”。可以看出，硫酸在电池中不仅起传导电流的作用，同时还参加电池反应，所以它又是反应物。放电过程中由于硫酸不断被消耗，而且电池反应还不断生成水，所以电池中的电解液浓度不断降低。充电过程与放电过程正好相反，正、负两极的硫酸铅分别反应生成二氧化铅和海绵状铅，同时不断生成硫酸，使电池中的电解液浓度回升。^[7]

逆变器一般由升压回路和逆变桥式回路构成。升压回路把太阳能电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压，逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。通过规则地重复逆变器开关输出波形，再采用高频脉宽调制（SPWM），使靠近正弦波两端的电压宽度变窄，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向通断，形成一个脉冲波列（拟正弦波），然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波输出。^[7]

早晨日出后，太阳辐射强度逐渐增强，太阳能电池的输出也随之增大。当达到逆变器工作所需的输出功率后，逆变器即自动开始运行。进入运行后，逆变器便时刻监视着太阳能电池组件的输出，当太阳能电池组件的输出功率大于逆变器工作所需的输出功率时，逆变器持续运行直到日落停机，遇到阴雨天逆变器也能运行；当太阳能电池组件输出功率变小，逆变器输出功率接近于0时，逆变器便进入待机状态。^[7]

太阳能电池组件的输出是随太阳辐射强度和太阳能电池组件自身温度（芯片温度）而变化的。另外由于太阳能电池组件具有电压随电流增大而下降的特性，因此存在能获取最大功率的最佳工作点。又因太阳能辐射强度是变化的，则最佳工作点也是变化的。相对于这些变化，始终让太阳能电池组件的工作点处于最大功率点，系统始终从太阳能电池组件获取最大功率输出，这种控制就是最大功率跟踪控制，太阳能发电系统逆变器的最大特点就是包括了最大功率点跟踪功能。^[7]

LED核心是PN结，它具有一般PN结的正向导通、反向截止、击穿等特性。在一定条件下，也具备发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区城的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在靠近PN结面的数微米范围以内产生。^[62]

离网型太阳能路灯以光伏电池板为发电部件，控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量送往蓄电池组储存，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。当蓄电池充满电后，控制器控制蓄电池不被过充；当蓄电池所储存的电能放完时，控制器控制蓄电池不被过放电。^[7]

随着太阳能光电子产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列，市电和备用柴油发电机的并网混合供电系统。并网型太阳能路灯将太阳能转化为直流电能后，通过并网逆变电源将直流电能转化为与电网同频同相的交流电能供给负载使用，并馈入电网。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，并还可以使用蓄电池进一步提高系统的负载供电保障率。^[7]

传统太阳能路灯只利用单一能源，对光照的依赖性强，受气侯环境因素影响，长期的雨雪天、明天、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。^[16]

风光互补路灯主要由风力发电机、太阳能电池组件、智能控制器（或控制/逆变器）、蓄电池组、灯具灯源、灯杆、电柜箱等组成。^[63]通过路灯的太阳能和风能发电设备集成系统供电，白天储存电能，晚上通过智能控制系统实现路灯供电照明，运行的时候通过蓄电池向负载放电，为负载提供电力。^[64]在夏天或晴天阳光充足时，可利用太阳光和风力资源发电；冬天或阴雨天风大时，利用风力发电机发电，风能与太阳能互补，使供电系统更具稳定性和可靠性。风光互补路灯不需要输电线路，人工操作和施工简单，维护方便。也不消耗电能，有明显的经济效益，但主要问题是技术还不够成熟，投资大，投资回收期较长。若风光互补路灯系统配有足量的储能设施，能保证路灯照明需要，可为城市道路等提供更加稳定的电源。^[14][65]

太阳能路灯按用途及灯头形式，可以分为单头庭院灯、双头庭院灯、单头道路灯、双头道路灯。^[15]

经度和纬度：通过地理位置可以了解并掌握当地的气象资源，比如月（年）平均太阳能辐照情况、平均气温、风力资源等，根据这些条件可以确定当地的太阳能标准峰值时数(h)和光伏组件的倾斜角(°)与方位角(°)。^[66]

光源的参数：工作电压(V)和功率(W)，直接影响整个系统的参数。^[66]

工作时间(H)：决定太阳能路灯系统组件大小的核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗和与之相应的太阳电池组件的充电电流。^[66]

需要保持的连续阴雨天数(d)：决定蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳电池组件功率。^[66]

两个连续阴雨天之间的间隔天数(D)：决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。^[66]

节能环保：太阳能资源取之不尽，用之不蝎，照射到地球上的太阳能要比人类消耗的能量大6000倍。太阳能发电不使用燃料，不排放包括温窒气体和其他废气在内的任何物质，不污染空气，不产生噪声，对环境友好，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击。^[16]

安装便捷：太阳能在地球上分布广泛，只要有光照的地方就可以使用光伏发电系统安装太阳能路灯，不受地域、海拔等因素的限制。可就近供电，不必长距离输送，避免了长距离输电线路所造成的电能损失。占地面积小，可节省宝贵的土地资源。^[16]

操作简单：光伏发电无机械传动部件，操作、维护简单，运行稳定可靠。一套光伏发电系统只要有太阳能电池组件就能发电，加之自动控制技术的广泛采用，基本上可实现无人值守，维护成本低。太阳能电池组件结构简单，体积小、质量轻，便于运输和安装。光伏发电系统建设周期短，而且根据用电负荷容量可大可小，方便灵活，极易组合、扩容。^[16]

性能稳定：发电系统工作性能稳定可靠，使用寿命长（30年以上）。晶体硅太阳能电池寿命可长达20~35年。在光伏发电系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命也可长达10-15年。^[16]

开发潜力大：光伏发电的能量转换过程简单，是直接从光子到电子的转换，没有中间过程（如热能转换为机械能、机械能转换为电磁能等）和机械运动，不存在机械磨损。根据热力学分析，光伏发电具有很高的理论发电效率，可达80%以上，技术开发潜力巨大。^[16]

成本低、收益高：太阳能路灯安装施工时不用预埋电缆，也不用开挖路面，降低了工程造价，相应地也节约了电费。同普通路灯相比，使用LED光源的太阳能路灯使用年限更长。此外，太阳能设备在全国用电高峰的时候接收光照积聚能量，在用电低谷的夜晚则照明供电，在一定程度上也起到了对用电的“调峰”作用。^[18]

能量密度低：太阳投向地球的能量总和巨大，但真正能够到达陆地表面的太阳能只有到达地球范围辐射能量的10%左右，在陆地单位面积上能够直接获得的太阳能量更少，太阳能的利用实际上是低密度能量的收集、利用。^[16]

受气侯环境因素影响：长期的雨雪天、明天、雾天甚至云层的变化都会严重影响系统的发电状态。尤其是空气中的颗粒物（如灰尘）等降落在太阳能电池组件的表面，阻挡了部分光线的照射，这样会使电池组件转换效率降低，从而造成发电量减少。^[16]

地城依赖性强：地理位置不同，气候不同，使各地区日照资源相差很大。在太阳能资源丰富的地区，太阳能路灯效果才会好。^[16]

光照范围窄：由于太阳能路灯的一般照度范围为6-7m，超过7m以外就会昏暗不清，不太适用于隧道、城市主干道、快速路这些对光照要求高的地方，主要适用于较窄的、休闲的、支路或者在一些供电场所难以实现的场所，这些地方不仅要求光照条件好，还要限制周边建构筑物高度。在一些城市的尝试过程中，小街小巷的太阳能路灯因受光不足而难以发挥道路照明作用。^[18]

电池制备困难：晶体硅电池的主要原料是纯净的硅。硅是地球上含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（二氧化硅）。从沙子一步步变成含量为99.9999%以上纯净的晶体硅，期间要经过多道化学和物理工序的处理，不仅要消耗大量能源，还会造成一定的环境污染。^[16]

转换效率低：光伏发电的转换效率指的是光能转换为电能的比率。晶体硅光伏电池转换效率为13%-17%，非晶硅光伏电池转换效率只有6%-8%。由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。因此，太阳能电池的转换效率低是制约太阳能路灯大面积推广的瓶颈。^[16]

系统成本高：由于转换效率低，整体系统造价高，一次性投入大。^[18]

街道照明：在人行道上安装一整套并网灯，需要对道路进行封闭，对于步行或汽车交通来说是不切实际的；另外，为更换必要的照明线路，可能会在街道居民的住处进行施工。而单个太阳能灯可以在不到两个小时内组装和安装，不需要封路、封锁建筑工地，也没有施工噪音，作为街道照明正合适。^[17]

停车场照明：多数停车场选择太阳能路灯作为照明设施，太阳能路灯可以大幅节省施工时间，并且完美满足停车场夜间的照明需求。^[17]

公园美化：不需要挖开地面并入电网，也不需要封闭施工区域，同时太阳能路灯还兼顾绿色清洁的特点。^[17]

建筑用照明：太阳能路灯部署快速便捷，在项目完成后，还可以在其他施工地点重复利用。^[17]

机场照明：飞机有时会在夜间没有转机门的情况下释放乘客，而太阳能路灯可以引导乘客安全进入航站楼。^[17]

军用照明：普通路灯并网混乱复杂、耗时且昂贵，太阳能路灯既清洁又快速，很好的替代了普通照明方案。^[17]

随着太阳能电池、大容量储能元件和低功率大照度照明设备（如LED光源）的生产与制造技术的进步，太阳能路灯在技术上已经逐渐成熟和完善。制约太阳能路灯进一步走向市场和产业化的最大障碍是成本问题，市场上也出现了多种智能型太阳能路灯，不仅融合了蓄电池充放电保护技术、光控技术、红外微波双鉴探测技术和市电旁路技术，而且引入了无线通信技术实现相邻路灯之间的通信功能，同时组合了多种可再生能源实现更多的经济效益。^[14]这些技术的应用，大幅降低了路灯的全寿命成本，从而提高了太阳能路灯的照明效果，^[18]极大地促进了可持续能源消耗，使城市变得更加智能和绿色，推动了太阳能路灯市场的发展。^[12]

提高太阳能电池板转换效率：在电池板材料的研制方面，在传统的3种电池板的基础上，改进其工作能力。减小电池板体积，提供更大功率，降低电池板价格。^[19]

光源的改进：采用新型LED灯具，降低功耗，提高照度、亮度；实现实时追踪太阳光，最大限度地提高太阳能的吸收利用率；充分利用风能。^[19]

蓄电池的改进：采用超级电容，提高蓄电池的寿命、降低成本，减小环境污染；对常规蓄电池的温度修正等改进；采用双电源供电系统，使之可以在快速路、主干道上使用，提高可靠性。^[19]

对路灯控制器的改进：如采用单片机智能控制、网络化智能控制全部路灯的启闭，实现统一管理，也可采用单片机模式和模拟电路模式。^[19]

太阳能路灯的整体管理控制：采用计算机控制系统，利用无线控制等方式，对所有太阳能路灯实现统一管理、操作，实现智能化管理。^[19]

制定太阳能产品质量标准和检测系统：规范产品标准、提高产品质量、实现光伏照明设计和产品系列化。使各地区太阳能路灯、草坪灯等设计和产品规格化，系列化；省去复杂的计算和选型，以便因地制宜安装城市太阳能路灯；制定太阳能路灯设计标准，包括太阳能电池选择、蓄电池选择、抗风计算等标准，以利提高太阳能路灯设计水平，促进太阳能照明发展。^[19]