太陽(yáng)能路燈系統的優(yōu)化配置

本文主要針對當前市場(chǎng)上太陽(yáng)能路燈存在的一些問(wèn)題,提出了解決方法。并以太陽(yáng)能無(wú)極燈路燈系統為例,從能耗的降低、性能的穩定以及系統成本的減少方面入手,合理配置系統,從而提高太陽(yáng)能路燈的節能性和經(jīng)濟性。

引言

在能源日益短缺、環(huán)境污染和環(huán)境保護越來(lái)越受重視的情況下,充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能已成為當前社會(huì )各界所關(guān)注的焦點(diǎn)之一。太陽(yáng)能路燈作為新能源的一種典型應用,在國內的不少地區都有相應的應用實(shí)例。太陽(yáng)能路燈具有安裝后無(wú)需支付電費、無(wú)需架設輸電線(xiàn)路或鋪設電纜、清潔環(huán)保、維護費用低等優(yōu)點(diǎn),受到了相關(guān)方的青睞,在很多城市和鄉村都能看見(jiàn)以試驗或示范形式出現的太陽(yáng)能路燈。但目前太陽(yáng)能路燈在應用中也存在不少問(wèn)題,隨著(zhù)實(shí)際應用的增多,接到用戶(hù)投訴和報修的問(wèn)題也越來(lái)越多。

1　太陽(yáng)能路燈系統組成及使用中存在的問(wèn)題

太陽(yáng)能照明系統可以分成3大類(lèi)型,包括獨立系統、并網(wǎng)系統和混合系統。獨立系統常見(jiàn)于居民區路燈、停車(chē)場(chǎng)標志燈和電網(wǎng)公共照明系統,它們通常需要電池,有較高的存儲修復損耗和維護費用。

太陽(yáng)能獨立路燈系統根據負載可分成交流型和直流型,如圖1、圖2所示。目前由于主流燈具都是交流燈具,因此第1類(lèi)太陽(yáng)能照明系統應用較多(如太陽(yáng)能低壓節能燈) 。第2 類(lèi)太陽(yáng)能照明系統由于受目前光效、成本等因素影響,使用量還不大,但隨著(zhù)今后技術(shù)的革新,其使用也會(huì )越來(lái)越多。圖3是無(wú)極燈太陽(yáng)能路燈的系統組成。

圖1　交流型太陽(yáng)能路燈框圖

圖2　直流型太陽(yáng)能路燈框圖

圖3　無(wú)極燈太陽(yáng)能路燈系統框圖

在保證燈具在規定工作條件的情況下,系統配置的好壞主要看太陽(yáng)能組件、路燈控制器、蓄電池之間的匹配與否。而根據目前太陽(yáng)能路燈出現的問(wèn)題和當前的技術(shù)水平,存在的問(wèn)題主要有2點(diǎn):

(1)路燈在使用一段時(shí)間后,經(jīng)常幾天不工作;(2)設計蓄電池使用壽命在2～5年左右,實(shí)際蓄電池使用往往低于設計壽命,甚至不足1年。

2　問(wèn)題分析

不少廠(chǎng)家在路燈配置時(shí)不關(guān)注各個(gè)地區日照的具體不同,只是經(jīng)驗性地選配光伏組件,有時(shí)候為了滿(mǎn)足客戶(hù)低成本的要求,低配了太陽(yáng)能組件,或者只考慮單日發(fā)電量與耗電的匹配,而沒(méi)有考慮蓄電池充電問(wèn)題。

(1)路燈在使用一段時(shí)間后,經(jīng)常幾天不工作。

出現該問(wèn)題的主要原因在于組件配置過(guò)低,也會(huì )有蓄電池配置過(guò)高的情況,但主要還是前者。連續幾天陰雨后,路燈系統蓄電池會(huì )過(guò)放,控制器會(huì )出現過(guò)放保護,此時(shí)如果太陽(yáng)能發(fā)電量偏少,蓄電池電壓達不到控制器的恢復放電電壓,控制器與負載間一直斷電,組件容量過(guò)小或陰雨天過(guò)長(cháng)必然導致長(cháng)時(shí)間不放電。因此在組件容量計算時(shí)需要考慮蓄電池充電時(shí)間問(wèn)題,盡可能2～3天充滿(mǎn)。

(2)設計蓄電池使用壽命在2～5年左右,實(shí)際蓄電池使用往往低于設計壽命,甚至不足1年。

出現該問(wèn)題的主要原因在于蓄電池配置或工作不當。比如蓄電池容量相對于連續陰雨的天數偏小,或蓄電池工作時(shí)一直處于深度循環(huán)。其中第2種是主要原因。

有些廠(chǎng)家,為了減少出現上面問(wèn)題,往往把控制器恢復放電電壓設置過(guò)小,導致蓄電池往往充電很少就又處于放電狀態(tài),沒(méi)有很好利用蓄電池,減少了其使用壽命。

因此在控制器恢復放電的電壓設置上需要合理選擇。

3　系統優(yōu)化配置步驟

以下就配置及以上問(wèn)題提出相應的應對和優(yōu)化方法。

以24V的40W無(wú)極燈為例,按每天使用小時(shí)數為8h、連續陰雨天4天要求,在鎮江應用時(shí),結合當地光照(如表1)具體配置步驟如下:

(1)先確定蓄電池容量。

配置蓄電池時(shí)考慮放電深度0175、充放電效率0185及安全系數111等,根據負載估算蓄電池容量:

111 ×40 ×8 ×4 ÷0185 ÷0175 ÷24 = 9211Ah此時(shí)實(shí)際選用2個(gè)12V /100Ah蓄電池串聯(lián)即可。

(2)初步配置太陽(yáng)能組件。

在配置組件時(shí)參照當地日照輻射量,選取合適的傾斜角,和并網(wǎng)發(fā)電不同,太陽(yáng)能路燈應保證最低日照月份輻射盡可能大,如表1 所示。此時(shí)傾斜角在30°,最低輻射在10月份,只有4113kWh /m2 /d,折算到標準日照強度1kW /m2 時(shí)為4113h /d。

表1　鎮江峰值日照時(shí)間表

考慮發(fā)電量會(huì )受方位角、灰塵、局部陽(yáng)光遮擋、組件的光電轉換效率和系統其他效率損失等影響,系統設計壽命期內平均發(fā)電效率按78%取值,同時(shí)考慮蓄電池系統效率問(wèn)題。

光伏組件容量= 40 ×8 ×111 ÷0185 ÷4113 ÷0178 = 12816Wp。此時(shí)如果以為組件130Wp 夠了,很可能出現上面連續幾天路燈不工作現象。

(3)優(yōu)化組件配置

考慮到路燈連續工作要求在4天,為了保證在連續4天放電后,能盡快恢復工作,組件容量需增大,縮短充滿(mǎn)電時(shí)間,如果當地連續4天陰雨的天數較多,則充電時(shí)間要控制在2天以?xún)取?/p>

以選用160Wp 組件為例,估算充電時(shí)間。充電效率在019～0195,取019。

平均蓄電池充電時(shí)間= 2 ×100 ×12 ×0175 / (019×0178 ×160 ×4145 ) = 316 天, 時(shí)間過(guò)長(cháng)。選取190Wp,此時(shí)充電時(shí)間在3 天左右。而240Wp 組件也需充電214天?？紤]成本等因素實(shí)際選擇190Wp組件。

從中可以看出在配置組件時(shí)不能只看單日耗電量,還要結合蓄電池容量來(lái)優(yōu)化配置。

(4)路燈控制器選擇及優(yōu)化

因為路燈工作電壓是24V,蓄電池串聯(lián)輸出額定電壓也是24V,所以控制器也應該選擇24V額定工作電壓,其光伏組件的額定輸出電壓為34V?，F在市場(chǎng)上大部分控制器最大輸入電壓是額定工作電壓的2倍。因此對總容量為190Wp 的系統, 可以用2 塊ZXM095W18V - 12502組件(單晶硅太陽(yáng)能電池)串聯(lián)構成,其參數見(jiàn)表2。如果單塊190Wp組件最大功率工作電壓在30～34V亦可選用。

表2　太陽(yáng)能電池組件參數表

此時(shí)串聯(lián)工作電壓= 3414V,最大輸出開(kāi)路電壓= 4214V,短路電流= 5199A。因此控制器額定充電電流選用10A。

在控制器選擇時(shí),還需要關(guān)注過(guò)充保護、恢復充電、過(guò)放保護、恢復放電電壓,如圖3所示。特別是針對恢復放電電壓,目前市場(chǎng)上24V控制器主要設置在25V以上,有些甚至是26V。就如前面分析的第1個(gè)問(wèn)題,此時(shí)很可能出現太陽(yáng)能路燈連續幾天不亮。

如果系統配置不合理,很可能會(huì )長(cháng)時(shí)間不工作,用戶(hù)很可能就以為路燈壞了,企業(yè)聲譽(yù)必然受到影響。因此對恢復放電電壓不能設置過(guò)高。

但同樣的,如果為了減少出現這種問(wèn)題的機會(huì ),把恢復放電電壓設置過(guò)低,甚至低于23V,就如前面分析的第2個(gè)問(wèn)題,很可能會(huì )出現使用壽命縮短的問(wèn)題,特別對蓄電池更是如此。

針對控制器的這2個(gè)問(wèn)題,為了兼顧平衡,可以設置多項恢復條件,而不再是固定的值?？刂破鞯木唧w恢復電壓設置可以參考圖4。

圖4　控制優(yōu)化流程圖

4　結束語(yǔ)

太陽(yáng)能路燈是當前國內太陽(yáng)能發(fā)電應用的一個(gè)主要領(lǐng)域,特別在一些地區是作為太陽(yáng)能利用的示范工程在做。其實(shí)際應用的好壞將很大程度上影響今后光伏系統在國內的推廣使用。因此作為光伏產(chǎn)業(yè)中的一員,我們需要加強對實(shí)際應用系統的經(jīng)驗積累,綜合考量用戶(hù)的成本和系統的穩定。

隨著(zhù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新,新材料、太陽(yáng)能電池的轉化效率、蓄電池的性?xún)r(jià)比、中間控制轉換環(huán)節的改善,成本必然會(huì )大大降低。相信太陽(yáng)能照明系統在很多場(chǎng)合完全可以取代傳統照明,逐漸走進(jìn)尋常百姓家,同時(shí)也會(huì )在很大程度上改善能源結構和減輕環(huán)保壓力,增強我國的能源安全。