珠海太陽能led路燈優(yōu)化設(shè)計

珠海太陽能led路燈優(yōu)化設(shè)計

在世界能源短缺和污染日益嚴(yán)重的情況下，充分利用太陽能是世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。太陽能路燈以其不用專人管理和控制,安裝一次性投資無需日后電費開支,無需架設(shè)輸電線路或挖溝鋪設(shè)電纜,可以方便安裝在廣場、校園、公園、街道等多方面的優(yōu)點而越來越受重視。中山大學(xué)太陽能系統(tǒng)研究所在珠海清華大學(xué)科技園安裝了41盞采用白光超高亮度LED作為光源的太陽能路燈,到目前已經(jīng)正常運行將近兩年,結(jié)合運行中遇到的問題,通過科學(xué)計算的方法,對太陽能路燈進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化,做到既能保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行,又能盡量減少系統(tǒng)規(guī)模和降低成本。太陽能路燈照明系統(tǒng)通常由太陽電池組件、蓄電池、光源、控制器(交流光源還需逆變器)等幾部分組成。本文從:(1)光源選擇;(2)控制電路;(3)太陽電池板最佳傾角確定;(4)太陽電池組件和蓄電池容量確定等幾個方面對在珠海運行的太陽能路燈照明系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。1led好氧漂單片處理太陽能路燈與普通路燈不同,它采用太陽電池作為唯一的供電源,因為目前太陽電池組件的成本還比較高,所以為了降低系統(tǒng)成本,必須使用高效的光源。LED是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的半導(dǎo)體發(fā)光器件,近年來LED技術(shù)已經(jīng)有了關(guān)鍵的突破其性能價格比也有較大的提高如表所示,與傳統(tǒng)的路燈光源相比LED光源具有光效率高,接近白熾燈的兩倍,壽命長,可達(dá)到105h以上;傳統(tǒng)的光源功耗比較大,而且大多在高壓下工作,使用升壓逆變環(huán)節(jié)又降低了能源利用率,而LED采用低壓直流供電,安全而且光源控制成本低,使調(diào)節(jié)明暗,頻繁開關(guān)成為可能。2蓄電池充放電控制電路太陽能路燈系統(tǒng)一般都是小型光伏系統(tǒng),世界銀行的標(biāo)準(zhǔn)是小型光伏系統(tǒng)控制器自耗電流要小于額定工作電流的1%,因此控制器電路的設(shè)計與低功耗器件的選擇非常重要。珠海太陽能路燈中采用的是由集成運放構(gòu)成的電壓比較器作為控制電路,這種電路完全是由硬件組成的控制系統(tǒng),簡單可靠、維護(hù)方便、成本低、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。本系統(tǒng)采用直接耦合的方式的充放電控制器電路,根據(jù)LED同蓄電池的匹配特性,能夠做到功率自適應(yīng),在太陽輻照不足的幾個月,由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低,使蓄電池放電時端電壓也較低,這樣負(fù)載工作電流較小、功率小,系統(tǒng)也能夠工作更長的時間。反之在太陽輻照比較充足時,負(fù)載工作電流較大、功率大,也會更亮。3最佳傾角度的確定在獨立光伏系統(tǒng)設(shè)計中,太陽電池組件平面通常朝向赤道,相對地平面有一定傾角。由于太陽輻照量隨季節(jié)、氣候變化,傾角不同,各個月方陣面接受到的太陽輻照量差別很大,而且由于蓄電池在充電時受其額定容量限制,放電時又受到放電深度限制,因此在太陽能路燈優(yōu)化設(shè)計中,要按照負(fù)載情況,當(dāng)?shù)貧夂驙顩r、地理條件來確定最佳傾角度,使方陣平面上的太陽輻照量盡量滿足連續(xù)性,均勻性,極大性的要求,降低系統(tǒng)成本。3.1太陽能燈總工期動時時間特征為太陽能路燈類產(chǎn)品主要有定時和光控兩種工作方式,實際上是衡型負(fù)載方式和季節(jié)性負(fù)載方式工作。定時控制:不受外界影響,定時開關(guān)燈,但是存在天黑燈不亮或天亮燈還亮的問題。光控太陽能路燈在戶外光線暗到一定程度(200lx)時自動開燈,天亮?xí)r自動關(guān)燈,優(yōu)點是可以根據(jù)光照情況自動控制光源工作,不存在天未黑光源就工作和天已黑還不工作的情況,一年四季均可以正常工作。光控方式的工作時間與當(dāng)?shù)氐木暥群彤?dāng)日的太陽赤緯相關(guān)。由日出和日落的時角公式:—緯度;δ—赤緯,當(dāng)天赤緯角為在太陽時正午,光線與赤道平面的夾角。在通常情況下,日出前0.5h和日落后0.5h,雖然沒有日照,但是天空尚有余光,這是可以不需要開燈照明,因此光控太陽能路燈工作時間可以減少1h,可以用下面公式計算路燈工作時間為:通過公式(2)計算,可得到安裝在珠海的光控太陽能路燈全年工作時間變化圖1,從圖中可以看出光控太陽能路燈最長工作時間在冬至,為12.35h,在夏至?xí)r最短工作時間9.65h;由于珠海地區(qū)緯度比較低光控太陽能路燈全年日工作時間變化不是很大,因此雖然該處光控太陽能路燈是季節(jié)性不均衡負(fù)載,但是負(fù)載量變化不是很大,負(fù)載情況不是影響太陽電池組件最佳傾角的主要因素。再考慮到控制開關(guān)燈的可靠性和控制器成本,在珠海設(shè)計的太陽能路燈采用的光控方式工作。3.2輻射輻照的季節(jié)和季節(jié)分布珠海市地處北回歸線以南,屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,光照充足。太陽輻射年總量為4651.6MJm2,是廣東省內(nèi)太陽能資源較豐富的地區(qū)之一。從圖2可以看出,珠海地區(qū)一年中總輻射量最少的時段是春季,陰雨天氣比較多,大氣透明度差,中、低云層經(jīng)常布滿天空,該段時間散射輻照量在總輻照量中占的比例很高,從表2可以看出2月份的散射輻照量比例是全年最高值達(dá)到65.6%;夏季主要是晴熱天氣,陽光充足,水平面上太陽輻照度是全年最大的,而且太陽輻照量中直接輻照占的比例很高;秋季的珠海地區(qū)秋高氣爽,晴空萬里,雖然太陽高度角相逐漸減小,但是太陽輻照量仍然比較高;冬季,晴天居多,尤其是前冬,雨量稀少。3.3不同傾斜角度下太陽輻照量的差異傾斜面上太陽輻照計算一般是以過去10-20年的氣象資料數(shù)據(jù)作為依據(jù),在提供的水平面太陽輻照量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上,可以使用Hay提出的天空散射輻射各向異性的模型算出朝向赤道不同傾角的方陣面上所接蘇到的太陽輻照量。其表達(dá)式為:β為斜面傾角,ρ為地物表面反射率,θi為入射角,θz為太陽天頂角;α為太陽高度角;γ為表面方位角,γs為太陽方位角。通過以上Hay模型的計算,得到圖3的不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。從圖3可以看出在2-4月是各傾角平面獲得太陽輻照量最低的時段,而且這段時間幾種傾角平面獲得的太陽輻照度相差不大,分析原因主要是因為2-4月是珠海地區(qū)的雨季,陰、雨天氣比較多,散射輻照量在總輻照量中占的比例很高,從表2可以看出這3個月散射輻照量比例都在55%以上,由于改變傾角對太陽電池組件多接受直接輻射作用比較大,但是對散射輻照作用不大,因此在2-4這3個月不同傾角的平面接受的太陽輻照量差別不是很大;在夏季的5-8幾個月,以0°平面接受的太陽輻照量最大,15°和22°傾斜角平面接受的太陽輻照度很接近,然而40°平面接受到的太陽輻照量相比較其他3種傾角來說輻照量降低很多;珠海地區(qū)在秋季天氣秋高氣爽,晴空萬里,雖然太陽高度角逐漸減小,太陽輻照量仍然比較高,15°、22°、40°幾種傾斜角平面獲得太陽輻照量很接近,而9月以后0°平面接受的太陽輻照量快速減少,降幅很大;冬季,晴天居多,尤其是前冬,雨量稀少,冬季的1和12月份,高度角是全年最低時期,從圖3以看出在不同角度傾斜面上,太陽輻照量差別較大,在40°時能獲得最大的太陽輻照量,水平面上的太陽輻照量被嚴(yán)重減小,同時冬至前后光控制太陽能照明系統(tǒng)工作時間是全年最長的,因此傾斜角度應(yīng)當(dāng)適當(dāng)照顧冬季的太陽輻照。通過對圖3不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化的分析,結(jié)合我們使用負(fù)載情況,在太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計時,首先要考慮系統(tǒng)在2-4月低太陽輻照量情況的正常工作需求,在珠海地區(qū)使用的光控太陽能路燈是冬季耗電量大的季節(jié)性負(fù)載,但是負(fù)載量變化不是很大,負(fù)載情況不是影響太陽電池板最佳傾角的主要因素,綜合幾個方面的因素,珠海太陽能路燈的太陽電池組件布置傾斜角度是取當(dāng)?shù)氐木暥?2°,這樣不但能夠適當(dāng)?shù)恼疹櫠緯r負(fù)載用電增加,而且在春季2-3月有最佳輸出,進(jìn)入夏季后又能比40°傾角時產(chǎn)出更多的電能,快速對蓄電池進(jìn)行恢復(fù)性充電,延長蓄電池的壽命。4光伏系統(tǒng)的可靠性確定太陽電池和蓄電池容量的組合,既是在保證路燈負(fù)載可靠性需要的前提下,確定使用最少的太陽電池組件和蓄電池容量,以最優(yōu)化設(shè)計達(dá)到可靠性和經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。對于可靠性國內(nèi)外大多采用負(fù)載缺電率來衡量其定義為系統(tǒng)停電與實際所需要用電時間比值。LOLP值在0到1之間,數(shù)值越小,可靠性越高。對于可靠性要求應(yīng)該有一定的限度,以往在國內(nèi)光伏系統(tǒng)設(shè)計時,往往不論其用途如何,總是設(shè)計成要達(dá)到不停電,即要求LOLP=0,實際上交流電網(wǎng)對大城市供電也只能達(dá)到LOLP=10-3數(shù)量級,因此要求價格相對昂貴的光伏系統(tǒng)達(dá)到100%的可靠性,顯然是不合理的。因而在太陽能路燈設(shè)計時,在滿足負(fù)載合理的可靠性的同時,要有最佳的經(jīng)濟(jì)性,由表3的推薦,珠海太陽能路燈設(shè)計的可靠性LOLP值為0.1,能夠保證4-5個陰雨天的供電。按照這個可靠性設(shè)計,系統(tǒng)配置如表4所示,使用8支1W大功率白光LED作為燈負(fù)載,2塊20Wp太陽電池組件(朝南220傾斜角布置),12V,40AH免維護(hù)鉛酸蓄電池。5太陽能燈線的設(shè)計優(yōu)化在光伏發(fā)電應(yīng)用的過程中,不少產(chǎn)品由于沒有按照光伏發(fā)電的工作特點和運行規(guī)律來進(jìn)行設(shè)計,往往使系統(tǒng)無法長期正常