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太阳能路灯系统的优化设计
发布日期：2009-12-18
论述了利用太阳能电池组件“全年均衡冬半年”的接收太阳能辐射量原则以及利用全年累计亏欠量和放电深度计算蓄电池组件容量的方法，确定沈阳工程学院新校区太阳能路灯优化设计结果。太阳能路灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。本文是笔者为沈阳工程学院新校区设计的两款太阳能路灯主要内容和结果。
设计原则
        太阳能电池组件发电路灯系统设计的总原则是：在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量，以尽量减少初始投资。对系统设计者来说，在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择，可轻易地使系统的投资成倍地增加，而且未必见得就能够满足使用要求。
        在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和、气温，最长连续阴雨天数，风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10～20年的平均值作为依据。  

        采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年” 的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则，即根据蓄电池组件均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的倾角及其发电电流值,同时统计出全年累计的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池组件放电深度,确定出组件和蓄电池组件的合理搭配容量。
设计方法
        首先根据各向异性的天空辐射模型，计算出在纬度为ф处，倾角为β的斜面上的太阳辐射量HT 。在实际应用时，可在当地纬度的-20°~+30°范围内分别算出夏半年和冬半年的平均日辐射量H1和H2，然后根据上述原则，确定当地的倾角及各月平均日辐射量。
      1.平均峰值日照时数
      求出全年平均日太阳辐射量HT，并用单位mWh/cm2 表示，除以标准日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数Tm 。
                                                                     (1)
      2.确定太阳能电池组件电流
      太阳能电池组件应输出的最小电流为：
                                                                  　(2)
      式中，L为负载每天总耗电量，η1为蓄电池组件充电效率（0.80~0.90），η2为太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9~0.95，η3为太阳能电池组件组合损失和对功率点偏离的修正系数，通常可取0.9~0.95。
      由太阳能电池组件面上各月中最小的太阳能总辐射量HTmin可算出各月中最小的峰值时数Tmin，则太阳能电池组件应输出的电流为：
　　　　　　　　　                                      　(3)
      太阳能电池组件的电流值介于Imin和Imax之间，具体数值可用试验方法确定。方法是先选定一个电流值IA，按月求出太阳能电池组件的输出发电量，对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据式(4)进行计算：
                                                                     (4)
      式中，Ｎ为当月天数。而各月负载耗电量为：
　　　　　　　　　　　                                   (5)
        两者相减，若ΔE=EA-EL为正，表示该月太阳能电池组件发电量大于用电量，能给蓄电池组件充电；若ΔE为负，表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量，要用蓄电池组件贮存的电能来补充，蓄电池组件处于亏损状态。如果蓄电池组件全年荷电状态低于原定的放电深度（一般≤0.5），则应增加太阳能电池组件输出电流；如果荷电状态始终大大高于放电深度允许值，则可减少太阳能电池组件输出电流。当然，也可以增加或减少蓄电池组件容量。
      3.蓄电池组件容量的确定
        列表算出全年各月ΔEi的数值，并算出全年中ΔE连续为负值（即连续亏欠量）的累积值∑ΔEi。如果全年只有一个连续亏欠期，它就是累积亏欠量之和。对北半球来说，由于岁末年初是冬季，在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。如有几个不连续的亏欠期，即在连续两个亏欠期之间有ΔEi为正的盈余量，则应扣除此盈余量，最后求出累积亏欠量∑ΔEi，这样即可确定蓄电池组件的容量：
                                                                    (6)
      式中，DOD为放电深度，对铅酸蓄电池组件可达75%～80%。但考虑蓄电池组件的寿命等影响因素，一般取DOD=60%～70%为宜。
      蓄电池组件容量与负载日耗电量相除，即可得到蓄电池组件的储备天数：
                                                      n = C/L     (7)
        通常取n = 4～11天即可。如得出的n太大，则适当增加所取太阳能电池组件的工作电流，重新进行计算。如n过小，则适当减小太阳能电池组件的工作电流，直到n处于以上范围为止。
      4.确定太阳能电池组件的工作电压
      太阳能电池组件的输出工作电压应足够大，以保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此，太阳能电池组件在任何季节的工作电压须满足
                                　　　　　　　                (8)
        式中，Vf为蓄电池组件浮充电压，Vd为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降，Vi为因温度升高引起的压降。众所周知，厂商出售的太阳能电池组件所标出的标称工作电压和输出功率值（Wp ），都是在标准状态下测试的结果。由太阳能电池组件的温度特性曲线可知，当温度升高时，其工作电压有较明显的下降，可用式（9）计算因温度升高而引起的压降Vi：
　　　                                                       　(9)
        式中，a是太阳能电池组件的温度系数，对单晶硅和多晶硅电池组件来说，a=0.005，对非晶硅电池组件来说，a=0.003；tmax为太阳能电池组件的工作温度（45℃~60℃）；Va为太阳能电池组件的标称工作电压。
      5.确定太阳能电池组件功率
      太阳能电池组件板的功率
                                                                  (10)
        式中，a、tmax 取值与式（9）中相同，K为考虑一些未知工作因素，而引入的安全系数，可根据电压等级、数据准确程度、运行环境等，在1.05~1.30之间选取。这样，只要根据算出的蓄电池组件容量、太阳能电池组件的电流、电压及功率，参照厂商提供的蓄电池组件和太阳能电池组件性能参数，就可以选取合适的组件型号和规格了。

设计依据

      1.主要指标

      组件采用保定天威英利新能源有限公司生产的多晶硅太阳能电池组件，设计使用寿命不小于25年，转换效率达到14%，功率损失≯10％ ；

      蓄电池组件采用深圳环宇昌电池组件有限公司生产的阀控式密封铅酸蓄电池组件，其容量设计能满足工作地最长的连续阴雨天负载的正常供电要求。

      负载每天耗电：0.084 和0.168 kWh（度）。

      2.计算的参数结果

      经计算沈阳地区平均实际日照时数7小时,平均峰值日照时数(组件面上)为4.56小时，最小的日峰值日照时数为3.68小时。
      太阳能电池组件倾角为51°。
      太阳能路灯的构成及技术性能


图2 太阳能路灯接线图
        太阳能路灯相当于非并网的小型独立电站，采取免维护密封铅酸蓄电池组件贮能。
        太阳能路灯的系统由太阳能电池组件、蓄电池组件、智能控制器、高效节能直流灯、灯架、安装材料等组成。系统的工作原理是：在智能控制器的控制下，白天太阳能电池组件向蓄电池组件充电,晚上蓄电池组件提供电力给直流灯负载。直流控制器能够在任何条件下（阳光充足或长期阴雨天）都能确保蓄电池组件不因过充或过放而被损坏，同时具备光控、时控、声控、温度补偿及防雷、反极性保护等功能。本控制器采用先进的无触点控制技术，具有先进的光控功能，晚上自动点亮，白天关灯，也可以定时关灯，而且具有夜间自动切换负载的功能，特别适合路灯和光伏电源控制，并且具有多种保护功能。
        控制器负责监视电池组件的充电状态，管理充电过程包括负载的开与关，使电池组件能量充分利用，并延长使用寿命。在温度作用下，充电过程的发生根据IU曲线的特点。
        保护措施：电池组件：限制充电电压防止过充，关闭负载防止过放；控制器：防止电流过大、温度过高；控制器可以自动开/关负载或组件。负载：在过电压的情况下，关闭负载；系统电压的自动检测（12V/24V）。LED指示灯会显示工作过程中的所有重要情况。
表1 用电负荷计算

技术经济比较计算

        1．照明时间为6小时路灯系统
        根据上表和当地近30年平均基本气象资料、水平面的辐射资料，根据前面公式（1）～（10），利用沈阳工程学院新能源研究中心编制的独立光伏系统设计专用软件计算出组件倾斜面上的平均日辐射数据，算出组件接收面倾角，得出太阳能电池组件和蓄电池组件之间不同的容量组合，其中蓄电池组件容量是根据全年累计亏欠量和放电深度确定的。整个计算过程只需输入安装地的水平面逐年逐月日平均太阳能辐射数据、蓄电池组件放电深度及负载大小，程序将自动完成计算，根据已有数据库对太阳能电池组件和蓄电池组件进行自动实际设备选型、经济分析（部分数据见表2）和蓄电池组件荷电状态的校核（表3），确定出太阳能电池组件和蓄电池组件的容量组合参数。

                                  表2 太阳能电池组件与蓄电池组件容量组合及经济组合点的确定
       注：太阳能电池组件价格为35元/Wp,蓄电池组件价格为5元/Ah。组合点为对应组件输出电流为2.07A,太阳能电池组件和蓄电池组件容量分别为40Wp, 55Ah。

                              表3 SL1406路灯系统对应组件2.07A电流时蓄电池组件荷电状态校核
       2．照明时间为12小时路灯系统

       经过上述同样的计算可得到照明时间为12小时的路灯,经济组合点为对应组件电流为4.24A,其太阳能电池组件、蓄电池组件容量分别为85Wp、90Ah。经过蓄电池组件荷电状态校核其放电深度为55.13%,小于60%设计要求(荷电状态校核表略)。

      经过计算比较校核，最后确定出表4所列太阳能路灯系统参数。

表4 太阳能路灯系统配置
结论

        两套太阳能路灯系统的最长连阴天数是计算机程序根据太阳能辐射数据自动计算的，与基本气象数据中平均5天降水天数相吻合。经过对SL1412 路灯系统1～3月实际近2个月的测试观察，其结果基本满足设计要求，智能控制器能够准确地对整个系统进行控制。太阳能电池组件能够正确对蓄电池组件进行充电，蓄电池组件在经过4天的连阴天后，路灯仍然准时工作，且经测试蓄电池组件放电深度为49.2%，系统仍能完成第五天的照明工作。经检验设计工作成功，可以对相关产品进行CE认证和批量加工生产。

主营产品：路灯-扬州路灯-路灯供应商-路灯厂家-路灯生产厂家-路灯价格-路灯网-中国路灯网-路灯制造基地-路灯-道路灯-路灯杆-太阳能路灯-路灯制造商-路灯高杆灯-路灯庭院灯-路灯景观灯-路灯草坪灯-广场路灯-广场路灯高杆灯
 

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