基于LED和超級電容的智能小區太陽(yáng)能路燈

　　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：

　　式中，C 為蓄電池組容量，單位為A·h; D 為最長(cháng)無(wú)日照用電天數，取6 天； F 為蓄電池組放電效率的修正系數，通常取1. 05; Q 為日用電量，單位為W·h，本系統取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(xiàn)路損失，通常取0. 98; Vt為系統工作電壓，取12 V。

　　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。