基于LED和超級電容的智能小區太陽能路燈
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來說至關重要,在太陽能路燈系統優化設計中,要根據負載情況、當地氣候狀況和經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設計原則。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,以提高系統在太陽輻射較弱月份的發電量,滿足蓄電池均衡充電和負載的需要。
以滄州市區過去10 ~ 20 年的氣象資料數據為依據,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°傾角基礎上適當增加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10 W,每天工作12 h; 設太陽電池的功率為WS,效率為40%,留20% 的余量,每天日照工作時間為5 h,則有:
WS × 5 h × 40% ÷ 120% = 10 W × 12 h
解得WS = 72 W為了滿足蓄電池的儲能要求,太陽電池組功率選擇要大些,系統選擇12 V、100 W 的太陽電池組。
目前來說大容量、價格便宜的儲能器件還是鉛酸蓄電池,雖然超級電容優點很多,可是其儲能量對于太陽能路燈系統來說,應付連續的陰雨天還是不容易實現的。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,提高系統的供電可靠性。其結構如圖1所示。
圖1 太陽能路燈系統的結構
3.1 蓄電池組容量的選擇
在太陽能路燈系統中,蓄電池是儲能設備,其容量大小直接關系到照明時間的長短,對蓄電池組選擇的依據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,取6 天; F 為蓄電池組放電效率的修正系數,通常取1. 05; Q 為日用電量,單位為W·h,本系統取120 W·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為系統工作電壓,取12 V。
根據公式算出蓄電池組容量C = 120 A·h,可以選擇120 A·h /12 V 的單體蓄電池一只。
負載的日耗電量為10 W × 12 h = 120 W·h,即10 A·h,120 A·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,擁有大至數千法的電容量,其性能介于傳統充電電池和普通電容器之間,可以在很短的時間內充滿電,同時又如其他充電電池一般可儲存大量電能。放電時利用移動導體間的電子( 而不依靠化學反應) 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,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,這種不穩定的充電電流影響了蓄電池壽命,無形中會提高系統成本,造成更多的環境污染。所以系統設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,控制系統把太陽電池輸出的不穩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的陰雨天為路燈提供更多的能量,增加照明時間。
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