超級電容在智能小區太陽(yáng)能路燈系統中的應用.pdf
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智能小區不只是高科技的應用，更注重節能和環(huán)保，本太陽(yáng)能路燈照明系統在一般太陽(yáng)能路燈的基礎上進(jìn)一步進(jìn)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(cháng)，比一般太陽(yáng)能路燈更加節能和環(huán)保。本太陽(yáng)能路燈系統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(gè)部分構成。 1 照明燈具及控制方式的設計 1.1 照明燈具的設計 傳統的照明燈具效率低，如白熾燈、鹵鎢燈等，不適合智能建筑節能理念，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45 lm/W，雖然不高，但是發(fā)出的光線(xiàn)都在可見(jiàn)光范圍內，適合用于照明光源。LED 燈具壽命長(cháng)，可達100 000 h 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(kāi)、關(guān)。因此太陽(yáng)能照明系統選擇了12 V、10 W 的白光超亮大功率LED 燈具，其光效可以達450 lm/W，相當于50 W 的白熾燈，可以達到良好的照明效果。 
1.2 照明燈具的控制方式 太陽(yáng)能照明燈具的開(kāi)、關(guān)控制方式主要有兩種： 定時(shí)控制和光照控制。 定時(shí)控制是設定每天的開(kāi)、關(guān)燈時(shí)間后由系統自動(dòng)控制，但是隨著(zhù)季節的變化需要不斷調整設定時(shí)間，否則就會(huì )出現天黑不亮燈，天亮不熄燈的情況，造成能源浪費。光照控制是系統通過(guò)檢測光照度來(lái)開(kāi)、關(guān)照明燈具，如光照度低于10 lx時(shí)開(kāi)燈，高于10 lx 時(shí)熄燈，這樣既能滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，又能節約電能，符合智能建筑的理念。所以系統照明燈具的開(kāi)、關(guān)采用光照控制方式。 光照控制方式的工作時(shí)間和本地的緯度及當天的太陽(yáng)赤緯角有關(guān)，而且日出前半小時(shí)和日落前半小時(shí)，天空的余光足夠照明，可以不開(kāi)路燈，這樣每天可以少開(kāi)燈1 h。智能小區位于東緯116. 84°、北緯38. 31°的位置，本地區光照控制路燈在冬至時(shí)工作時(shí)間最長(cháng)為12 h，夏至時(shí)工作時(shí)間最短為9h�？梢钥闯�，光照太陽(yáng)能路燈工作時(shí)間變化不是太大，可以認為是均衡性負載，其對太陽(yáng)電池板傾角的影響不大。 2 太陽(yáng)電池 2.1 太陽(yáng)電池板最佳傾角的確定 太陽(yáng)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(yáng)電池板傾角。因為太陽(yáng)光的照射角度隨時(shí)間的變化而變化，使得固定傾角下的太陽(yáng)電池板接收的太陽(yáng)能量也隨之改變，所以太陽(yáng)電池板傾角的確定對整個(gè)系統來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，在太陽(yáng)能路燈系統優(yōu)化設計中，要根據負載情況、當地氣候狀況和經(jīng)緯度來(lái)確定太陽(yáng)電池板的最佳傾角，使其接收的太陽(yáng)光全年平均量最大。本系統負載近似為均衡性負載，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)輻射較弱月份的發(fā)電量，滿(mǎn)足蓄電池均衡充電和負載的需要。 以滄州市區過(guò)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(yáng)能電池板不同傾角時(shí)所接收到的太陽(yáng)輻照量，結合“全年均衡冬季最大”理論，可以確定太陽(yáng)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(yáng)輻照量大，冬季大傾角的電池板接收到的太陽(yáng)輻照量大，所以可以在38°傾角基礎上適當增加5° ～ 10°，效果會(huì )更好，而且有利于積雪滑落，減小維護工作量。本系統太陽(yáng)電池板傾角取43°。 2.2 太陽(yáng)電池組容量的確定 LED 的功率為10 W，每天工作12 h; 設太陽(yáng)電池的功率為WS，效率為40%，留20% 的余量，每天日照工作時(shí)間為5 h，則有： WS × 5 h × 40% ÷ 120% = 10 W × 12 h 解得WS = 72 W為了滿(mǎn)足蓄電池的儲能要求，太陽(yáng)電池組功率選擇要大些，系統選擇12 V、100 W 的太陽(yáng)電池組。 3 蓄電池組及超級電容的選擇 目前來(lái)說(shuō)大容量、價(jià)格便宜的儲能器件還是鉛酸蓄電池，雖然超級電容優(yōu)點(diǎn)很多，可是其儲能量對于太陽(yáng)能路燈系統來(lái)說(shuō)，應付連續的陰雨天還是不容易實(shí)現的。不過(guò)超級電容器可以輔助蓄電池更好地進(jìn)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(cháng)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(yáng)能路燈系統的結構 3.1 蓄電池組容量的選擇 在太陽(yáng)能路燈系統中，蓄電池是儲能設備，其容量大小直接關(guān)系到照明時(shí)間的長(cháng)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：
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(shí)際使用中連續7 個(gè)陰雨天太陽(yáng)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(shí)間內充滿(mǎn)電，同時(shí)又如其他充電電池一般可儲存大量電能。放電時(shí)利用移動(dòng)導體間的電子（ 而不依靠化學(xué)反應） 釋放電流，從而為燈具提供電源。但是目前來(lái)說(shuō)其價(jià)格太高，大容量供電不易實(shí)現，只能用來(lái)輔助蓄電池。 太陽(yáng)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(wú)形中會(huì )提高系統成本，造成更多的環(huán)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(yáng)光照射不強時(shí)，控制系統把太陽(yáng)電池輸出的不穩定的電能存儲在超級電容器里面，充滿(mǎn)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(shí)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(shí)間。 超級電容充電時(shí)間可以用下面公式計算：
根據式（1） ，13. 5 V、480 F 的電容器充電時(shí)間為（ 充電電流為10 A）：
超級電容的放電時(shí)間由公式：
4 太陽(yáng)能控制器的設計 太陽(yáng)能路燈系統作為一種小型光伏系統，其控制器自身?yè)p耗電流應小于額定工作電流的1%，系統控制器電路的設計都選擇了低功耗元器件，采用的是由集成運放構成的電壓比較器作為控制電路，這種電路簡(jiǎn)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計一個(gè)比較好的電壓回差，同時(shí)元器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個(gè)具有實(shí)用功能的控制器電路，具有防蓄電池過(guò)放電、過(guò)充電功能。 控制系統在光伏控制器和充電控制器基礎上增加了超級電容，跨接在直流母線(xiàn)和地線(xiàn)之間，以便穩定直流母線(xiàn)的電壓，并緩沖光電池提供的過(guò)大能量，然后放電給蓄電池，再提供給負載。 光伏控制器在設計時(shí)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(shí)也克服了傳統電路中防倒灌二極管將蓄電池電壓鉗位在12 V 的弊端。但當光照不足時(shí)，若要使蓄電池能夠繼續充電，該控制電路會(huì )導致光伏電池的工作點(diǎn)脫離最大功率輸出點(diǎn)，會(huì )使得光伏路燈系統的發(fā)電效率下降。因此設計控制系統時(shí)需預設弱光段的閾值，以實(shí)現在弱光下能通過(guò)超級電容緩沖來(lái)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，當光照較弱且存在其他干擾因素時(shí)其輸出電壓會(huì )不穩定，導致光伏電池在充電時(shí)難以保持在充電最小電壓上，最后導致系統在該光照范圍內不能對蓄電池正常充電。系統通過(guò)采用超級電容，把陰天時(shí)太陽(yáng)電池的不穩定的輸出能量蓄積起來(lái)，等到滿(mǎn)足一定的電壓條件時(shí)，通過(guò)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(yáng)光照射不強時(shí)的發(fā)電效率。
圖2 充電升壓電路 LED 的控制電路比較簡(jiǎn)單，直流驅動(dòng)即可，且其壽命可達10 萬(wàn)h。但是，驅動(dòng)電流的大小在很大程度上影響著(zhù)LED 的壽命，如果電流太大，則可能引起LED 光衰現象嚴重，且壽命減少。故必須合理設計其驅動(dòng)電路，如圖3 所示為用BUCK電路實(shí)現的LED 恒流控制電路。
圖3 LED 的恒流控制電路 5 防雷接地的設計 LED 路燈的工作電壓為12 V，屬于安全電壓，不做電氣保護接地。但LED 路燈金屬燈桿應做防雷接地，接地電阻經(jīng)測試為8 Ω，符合要求。 太陽(yáng)能路燈照明系統的配置本智能小區的一盞太陽(yáng)能路燈的系統基本配置如表2 所示：
6 結束語(yǔ) 智能小區太陽(yáng)能路燈系統投入運行后，10 W的新型LED 光源足夠用來(lái)照明，超級電容的應用能夠保證給蓄電池合理充電，提高了充電效率，延長(cháng)儲能元器件的壽命，特別是陽(yáng)光不太充足的時(shí)候，系統能夠更好地存儲能量，其儲能可以連續供照明燈具使用7 天。系統的設計始終遵循智能建筑“節能和環(huán)�！钡睦砟�，應用了太陽(yáng)能、長(cháng)壽命的LED 光源和超級電容。如果再增加25 只超級電容器，則電容儲能可以供給路燈一天的照明，隨著(zhù)超級電容容量的擴大和價(jià)格的降低，將其用做儲能元件是可行的，智能小區的太陽(yáng)能路燈系統也是對超級電容器應用的一個(gè)嘗試。 來(lái)源：維庫 |
