智能小區(qū)太陽能路燈的設(shè)計(jì)

　　為了突出智能建筑“節(jié)能和環(huán)保”的理念，給智能小區(qū)設(shè)計(jì)了太陽能路燈。對(duì)照明燈具、太陽電池板的傾角和容量、蓄電池及超級(jí)電容器的容量進(jìn)行了設(shè)計(jì)。采用新型光源LED，增強(qiáng)了照明效果，延長(zhǎng)了燈具壽命。使用超級(jí)電容，提高了充電效率，增加了蓄電池的壽命，減少了蓄電池垃圾。結(jié)果表明，太陽能、LED 和超級(jí)電容是一個(gè)很好的優(yōu)化組合。同時(shí)，超級(jí)電容器的使用，有利于這種綠色儲(chǔ)能元件的發(fā)展和推廣。

　　在能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，太陽能的開發(fā)利用既節(jié)約了能源又保護(hù)了環(huán)境。太陽能路燈不用布線，安裝方便，一次投資后無需日后的電費(fèi)開支，日常維護(hù)的工作量也很小，所以很受歡迎，其應(yīng)用場(chǎng)合越來越廣。作為以節(jié)能和環(huán)保為主題的智能小區(qū)更是應(yīng)該對(duì)太陽能充分利用，滄州市某智能小區(qū)在陽光充足的健身廣場(chǎng)和大門口安裝了12 盞太陽能路燈，對(duì)其設(shè)計(jì)作以下介紹。

　　一、工程概況

　　小區(qū)樓房多是小高層建筑，樓下路邊采光不充分，不適合用太陽能路燈，因此只在健身廣場(chǎng)和大門口陽光充足的地段采用了太陽能路燈。廣場(chǎng)長(zhǎng)80 m，寬20 m。按照住宅小區(qū)路燈規(guī)范，在廣場(chǎng)兩側(cè)分別安裝了5 盞太陽能路燈，間距為20 m，小區(qū)門口安裝了2 盞，共12 盞太陽能路燈。

　　二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

　　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(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化，采用了LED 光源和超級(jí)電容，充電效率更高，元件壽命更長(zhǎng)，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(chǔ)能電池、超級(jí)電容器、照明燈具和控制器等幾個(gè)部分構(gòu)成。

　　1. 照明燈具及控制方式的設(shè)計(jì)

　?。?） 照明燈具的設(shè)計(jì)

　　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45 lm/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(zhǎng)，可達(dá)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、關(guān)。因此太陽能照明系統(tǒng)選擇了12 V、10 W 的白光超亮大功率LED 燈具，其光效可以達(dá)450 lm/W，相當(dāng)于50 W 的白熾燈，可以達(dá)到良好的照明效果。

表1 常用路燈光源技術(shù)性能

　?。?） 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(shí)控制和光照控制。

　　定時(shí)控制是設(shè)定每天的開、關(guān)燈時(shí)間后由系統(tǒng)自動(dòng)控制，但是隨著季節(jié)的變化需要不斷調(diào)整設(shè)定時(shí)間，否則就會(huì)出現(xiàn)天黑不亮燈，天亮不熄燈的情況，造成能源浪費(fèi)。光照控制是系統(tǒng)通過檢測(cè)光照度來開、關(guān)照明燈具，如光照度低于10 lx時(shí)開燈，高于10 lx 時(shí)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(shí)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(shí)和日落前半小時(shí)，天空的余光足夠照明，可以不開路燈，這樣每天可以少開燈1 h。智能小區(qū)位于東緯116. 84°、北緯38. 31°的位置，根據(jù)文獻(xiàn)［1］的計(jì)算和實(shí)際統(tǒng)計(jì)可知本地區(qū)光照控制路燈在冬至?xí)r工作時(shí)間最長(zhǎng)為12 h，夏至?xí)r工作時(shí)間最短為9h?？梢钥闯?，光照太陽能路燈工作時(shí)間變化不是太大，可以認(rèn)為是均衡性負(fù)載，其對(duì)太陽電池板傾角的影響不大。

　　2. 太陽電池

　?。?） 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(duì)地平面應(yīng)有一定的傾角，即太陽電池板傾角。因?yàn)樘柟獾恼丈浣嵌入S時(shí)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(duì)整個(gè)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(jì)中，要根據(jù)負(fù)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(fù)載近似為均衡性負(fù)載，太陽電池板最佳傾角的確定采用了國(guó)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(jì)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(dá)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(fù)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(shí)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?yàn)橄募拘A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(huì)更好，而且有利于積雪滑落，減小維護(hù)工作量。本系統(tǒng)太陽電池板傾角取43°。

　?。?） 太陽電池組容量的確定

　　LED 的功率為10 W，每天工作12 h; 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(shí)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(chǔ)能要求，太陽電池組功率選擇要大些，系統(tǒng)選擇12 V、100 W 的太陽電池組。

　　3. 蓄電池組及超級(jí)電容的選擇

　　目前來說大容量、價(jià)格便宜的儲(chǔ)能器件還是鉛酸蓄電池，雖然超級(jí)電容優(yōu)點(diǎn)很多，可是其儲(chǔ)能量對(duì)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(shí)現(xiàn)的。不過超級(jí)電容器可以輔助蓄電池更好地進(jìn)行工作，超級(jí)電容和蓄電池組成儲(chǔ)能元器件，可以提高充電效率，延長(zhǎng)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)

　　（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(chǔ)能設(shè)備，其容量大小直接關(guān)系到照明時(shí)間的長(zhǎng)短，對(duì)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(jì)算公式為：

　　式中，C 為蓄電池組容量，單位為A·h; D 為最長(zhǎng)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(tǒng)工作電壓，取12 V。

　　根據(jù)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(fù)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(xù)7 個(gè)陰雨天太陽能路燈能夠正常照明。

　?。?） 超級(jí)電容的選擇

　　超級(jí)電容器是一種新型儲(chǔ)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(jí)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(shí)間內(nèi)充滿電，同時(shí)又如其他充電電池一般可儲(chǔ)存大量電能。放電時(shí)利用移動(dòng)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(jià)格太高，大容量供電不易實(shí)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(huì)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(jì)了超級(jí)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(qiáng)時(shí)，控制系統(tǒng)把太陽電池輸出的不穩(wěn)定的電能存儲(chǔ)在超級(jí)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(shí)超級(jí)電容的儲(chǔ)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(shí)間。

　　根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］ 選擇單體2. 7 V、2 400 F的超級(jí)電容器5 只串聯(lián)，作為一個(gè)耐壓13. 5 V、480 F 的電容器組。

　　超級(jí)電容充電時(shí)間可以用下面公式計(jì)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