基于10W新型LED光源的太陽能路燈系統(tǒng)的設(shè)計

智能小區(qū)不只是高科技的應(yīng)用，更注重節(jié)能和環(huán)保，本太陽能路燈照明系統(tǒng)在一般太陽能路燈的基礎(chǔ)上進一步進行了優(yōu)化，采用了LED光源和超級電容，充電效率更高，元件壽命更長，比一般太陽能路燈更加節(jié)能和環(huán)保。本太陽能路燈系統(tǒng)主要由光伏電池極板、儲能電池、超級電容器、照明燈具和控制器等幾個部分構(gòu)成。
1照明燈具及控制方式的設(shè)計
1.1照明燈具的設(shè)計
傳統(tǒng)的照明燈具效率低，如白熾燈、鹵鎢燈等，不適合智能建筑節(jié)能理念，各種照明光源的性能比較如表1所示。白光超高亮度的LED燈具，光效為45lm/W，雖然不高，但是發(fā)出的光線都在可見光范圍內(nèi)，適合用于照明光源。LED燈具壽命長，可達100000h以上，可以有效減少燈具垃圾。另外，LED由低壓直流電源供電，更加安全，而且適合頻繁開、關(guān)。因此太陽能照明系統(tǒng)選擇了12V、10W的白光超亮大功率LED燈具，其光效可以達450lm/W，相當(dāng)于50W的白熾燈，可以達到良好的照明效果。
基于10W新型LED光源的太陽能路燈系統(tǒng)的設(shè)計
基于10W新型LED光源的太陽能路燈系統(tǒng)的設(shè)計
1.2照明燈具的控制方式
太陽能照明燈具的開、關(guān)控制方式主要有兩種：定時控制和光照控制。
定時控制是設(shè)定每天的開、關(guān)燈時間后由系統(tǒng)自動控制，但是隨著季節(jié)的變化需要不斷調(diào)整設(shè)定時間，否則就會出現(xiàn)天黑不亮燈，天亮不熄燈的情況，造成能源浪費。光照控制是系統(tǒng)通過檢測光照度來開、關(guān)照明燈具，如光照度低于10lx時開燈，高于10lx時熄燈，這樣既能滿足用戶的需要，又能節(jié)約電能，符合智能建筑的理念。所以系統(tǒng)照明燈具的開、關(guān)采用光照控制方式。
光照控制方式的工作時間和本地的緯度及當(dāng)天的太陽赤緯角有關(guān)，而且日出前半小時和日落前半小時，天空的余光足夠照明，可以不開路燈，這樣每天可以少開燈1h。智能小區(qū)位于東緯116.84°、北緯38.31°的位置，本地區(qū)光照控制路燈在冬至?xí)r工作時間最長為12h，夏至?xí)r工作時間最短為9h?？梢钥闯?，光照太陽能路燈工作時間變化不是太大，可以認為是均衡性負載，其對太陽電池板傾角的影響不大。
2太陽電池
2.1太陽電池板最佳傾角的確定
太陽電池板要朝向赤道安裝，通常面向正南或稍微偏西，而且相對地平面應(yīng)有一定的傾角，即太陽電池板傾角。因為太陽光的照射角度隨時間的變化而變化，使得固定傾角下的太陽電池板接收的太陽能量也隨之改變，所以太陽電池板傾角的確定對整個系統(tǒng)來說至關(guān)重要，在太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，要根據(jù)負載情況、當(dāng)?shù)貧夂驙顩r和經(jīng)緯度來確定太陽電池板的最佳傾角，使其接收的太陽光全年平均量最大。本系統(tǒng)負載近似為均衡性負載，太陽電池板最佳傾角的確定采用了國際流行的“全年均衡冬季最大”的接收太陽能輻射量的光伏系統(tǒng)設(shè)計原則。即在保證全年電池板日照量均衡的前提下，最佳傾角使冬季日照量盡量達到最大，以提高系統(tǒng)在太陽輻射較弱月份的發(fā)電量，滿足蓄電池均衡充電和負載的需要。
以滄州市區(qū)過去10～20年的氣象資料數(shù)據(jù)為依據(jù)，可以使用天空散射輻射各向異性的模型，算出太陽能電池板不同傾角時所接收到的太陽輻照量，結(jié)合“全年均衡冬季最大”理論，可以確定太陽電池板傾角取本地緯度38°即可。因為夏季小傾角的電池板接收到的太陽輻照量大，冬季大傾角的電池板接收到的太陽輻照量大，所以可以在38°傾角基礎(chǔ)上適當(dāng)增加5°～10°，效果會更好，而且有利于積雪滑落，減小維護工作量。本系統(tǒng)太陽電池板傾角取43°。
2.2太陽電池組容量的確定
LED的功率為10W，每天工作12h;設(shè)太陽電池的功率為WS，效率為40%，留20%的余量，每天日照工作時間為5h，則有：
WS×5h×40%÷120%=10W×12h
解得WS=72W為了滿足蓄電池的儲能要求，太陽電池組功率選擇要大些，系統(tǒng)選擇12V、100W的太陽電池組。
3蓄電池組及超級電容的選擇
目前來說大容量、價格便宜的儲能器件還是鉛酸蓄電池，雖然超級電容優(yōu)點很多，可是其儲能量對于太陽能路燈系統(tǒng)來說，應(yīng)付連續(xù)的陰雨天還是不容易實現(xiàn)的。不過超級電容器可以輔助蓄電池更好地進行工作，超級電容和蓄電池組成儲能元器件，可以提高充電效率，延長蓄電池的壽命，提高系統(tǒng)的供電可靠性。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1太陽能路燈系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
3.1蓄電池組容量的選擇
在太陽能路燈系統(tǒng)中，蓄電池是儲能設(shè)備，其容量大小直接關(guān)系到照明時間的長短，對蓄電池組選擇的依據(jù)主要是額定電壓和額定容量。蓄電池容量的計算公式為：
式中，C為蓄電池組容量，單位為A·h;D為最長無日照用電天數(shù)，取6天；F為蓄電池組放電效率的修正系數(shù)，通常取1.05;Q為日用電量，單位為W·h，本系統(tǒng)取120W·h;L為蓄電池組充放電效率，通常取0.9;U為蓄電池組的放電深度，通常取0.6;Ka為線路損失，通常取0.98;Vt為系統(tǒng)工作電壓，取12V。
根據(jù)公式算出蓄電池組容量C=120A·h，可以選擇120A·h/12V的單體蓄電池一只。
負載的日耗電量為10W×12h=120W·h，即10A·h，120A·h蓄電池可以提供12天的用電量，按照放電深度為0.6，則可以使用7天。實際使用中連續(xù)7個陰雨天太陽能路燈能夠正常照明。
3.2超級電容的選擇
超級電容器是一種新型儲能元器件，它是以雙電層為原理，采用多孔碳材料為電極的EDLC超級電容，擁有大至數(shù)千法的電容量，其性能介于傳統(tǒng)充電電池和普通電容器之間，可以在很短的時間內(nèi)充滿電，同時又如其他充電電池一般可儲存大量電能。放電時利用移動導(dǎo)體間的電子（而不依靠化學(xué)反應(yīng)）釋放電流，從而為燈具提供電源。但是目前來說其價格太高，大容量供電不易實現(xiàn)，只能用來輔助蓄電池。
太陽電池的輸出功率隨天氣的變化而變化，這種不穩(wěn)定的充電電流影響了蓄電池壽命，無形中會提高系統(tǒng)成本，造成更多的環(huán)境污染。所以系統(tǒng)設(shè)計了超級電容這種可以快速充電、放電的中間元件。特別是在太陽光照射不強時，控制系統(tǒng)把太陽電池輸出的不穩(wěn)定的電能存儲在超級電容器里面，充滿之后再以恒定電流給蓄電池充電，這樣可以提高蓄電池的壽命，同時超級電容的儲能也可以在連續(xù)的陰雨天為路燈提供更多的能量，增加照明時間。
超級電容充電時間可以用下面公式計算：
式中，C為電容器的額定容量；dv為電容器工作電壓變化；I為電容器充電電流；t為電容器充電時間。
根據(jù)式（1），13.5V、480F的電容器充電時間為（充電電流為10A）：
可以看出其充電時間是很短的，便于系統(tǒng)快速充電。
超級電容的放電時間由公式：
得到：

如果放電截止電壓為3.5V，則放電時間為：

由式（2）可以看出，超級電容器的儲能對負載放電可以達到1.6h，延長了系統(tǒng)的供電時間。
4太陽能控制器的設(shè)計
太陽能路燈系統(tǒng)作為一種小型光伏系統(tǒng)，其控制器自身損耗電流應(yīng)小于額定工作電流的1%，系統(tǒng)控制器電路的設(shè)計都選擇了低功耗元器件，采用的是由集成運放構(gòu)成的電壓比較器作為控制電路，這種電路簡單可靠、維護方便、成本低并且電路本身功耗也極低，是一種匹配性很好的電路。這種電路的關(guān)鍵是針對蓄電池的充放電特性設(shè)計一個比較好的電壓回差，同時元器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個具有實用功能的控制器電路，具有防蓄電池過放電、過充電功能。
控制系統(tǒng)在光伏控制器和充電控制器基礎(chǔ)上增加了超級電容，跨接在直流母線和地線之間，以便穩(wěn)定直流母線的電壓，并緩沖光電池提供的過大能量，然后放電給蓄電池，再提供給負載。
光伏控制器在設(shè)計時通常采用升壓電路，產(chǎn)生比光伏電池板兩端更高的電壓，以利于向蓄電池充電，同時也克服了傳統(tǒng)電路中防倒灌二極管將蓄電池電壓鉗位在12V的弊端。但當(dāng)光照不足時，若要使蓄電池能夠繼續(xù)充電，該控制電路會導(dǎo)致光伏電池的工作點脫離最大功率輸出點，會使得光伏路燈系統(tǒng)的發(fā)電效率下降。因此設(shè)計控制系統(tǒng)時需預(yù)設(shè)弱光段的閾值，以實現(xiàn)在弱光下能通過超級電容緩沖來保證蓄電池正常充電的目的。
若直接采用光伏電池對蓄電池充電，當(dāng)光照較弱且存在其他干擾因素時其輸出電壓會不穩(wěn)定，導(dǎo)致光伏電池在充電時難以保持在充電最小電壓上，最后導(dǎo)致系統(tǒng)在該光照范圍內(nèi)不能對蓄電池正常充電。系統(tǒng)通過采用超級電容，把陰天時太陽電池的不穩(wěn)定的輸出能量蓄積起來，等到滿足一定的電壓條件時，通過升壓電路把超級電容中的能量釋放到蓄電池，升壓電路圖如圖2所示。這種采用超級電容的方式可以提高在太陽光照射不強時的發(fā)電效率。