太陽(yáng)能與LED結合設計--太陽(yáng)能路燈照明系統

太陽(yáng)能路燈照明系統通常由太陽(yáng)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(yáng)電池板最佳傾角確定；④太陽(yáng)電池組件和蓄電池容量確定等幾個(gè)方面對在珠海運行的太陽(yáng)能路燈照明系統進(jìn)行了設計優(yōu)化。

太陽(yáng)能路燈與普通路燈不同，它采用太陽(yáng)電池作為唯一的供電源，因為目前太陽(yáng)電池組件的成本還比較高，所以為了降低系統成本，必須使用高效
的光源。LED是一種能夠將電能轉化為可見(jiàn)光的半導體發(fā)光器件，近年來(lái)LED技術(shù)已經(jīng)有了關(guān)鍵的突破，其性能價(jià)格比也有較大的提高，與傳統的路燈光源相比LED光源具有光效率高，接近白熾燈的兩倍，壽命長(cháng)，可達到105h以上；傳統的光源功耗比較大，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，使調節明暗，頻繁開(kāi)關(guān)成為可能。
太陽(yáng)能路燈系統一般都是小型光伏系統，世界銀行的標準是小型光伏系統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計與低
功耗器件的選擇非常重要。太陽(yáng)能路燈中采用的是由集成運放構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，簡(jiǎn)單可靠、維護方便、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計一個(gè)比較好的電壓同差，同時(shí)器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構成的充放電狀態(tài)指示電路，便成了一個(gè)具有實(shí)用功能的控制器電路，具有防蓄電池過(guò)放電、過(guò)充電功能。系統采用直接耦合的方式的充放電控制器電路，根據LED同蓄電池的匹配特性，能夠做到功率自適應，在太陽(yáng)輻照不足的幾個(gè)月，由于蓄電池的充電狀態(tài)通常較低，使蓄電池放電時(shí)端電壓也較低，這樣負載工作電流較小、功率小，系統也能夠工作更長(cháng)的時(shí)間。反之在太陽(yáng)輻照比較充足時(shí)，負載工作電流較大、功率大，也會(huì )更亮。

確定太陽(yáng)電池板最佳傾角

在獨立光伏系統設計中，太陽(yáng)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(yáng)輻照量隨季節、氣候變化，傾角不一樣，各個(gè)月份而接受到的太陽(yáng)輻照造差別很大，而且由于蓄電池充電時(shí)受其額定容量限制，放電時(shí)義受到放電深度限制，因此在太陽(yáng)能路燈優(yōu)化設計中，要按照負載情況，當地氣候狀況、地理條件來(lái)確定最佳傾角度，使方陣平面上的太陽(yáng)輻照量盡量滿(mǎn)足連續性，均勻性，極大性的要求，降低系統成本。

負載情況

太陽(yáng)能路燈類(lèi)產(chǎn)品主要有定時(shí)和光控兩種工作方式，實(shí)際上是衡型負載方式和季節性負載方式T作。定時(shí)控制：不受外界影響，定時(shí)開(kāi)關(guān)燈， 是存在天黑燈不亮或天亮燈還亮的問(wèn)題 光控太陽(yáng)能路燈在戶(hù)外光線(xiàn)暗到一定程度(200 lx)時(shí)自動(dòng)開(kāi)燈，天亮時(shí)自動(dòng)關(guān)燈，優(yōu)點(diǎn)是可以根據光照情況自動(dòng)控制光源工作，不存在天未黑光源就工作和滅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(shí)間與當地的緯度和當日的太
陽(yáng)赤緯相關(guān)。由日出和日落的時(shí)角公式：
COs= COS L一― tan ~tan8o ] (1)，
j6一緯度； 一赤緯，當天赤緯角為在太陽(yáng)時(shí)正午，光線(xiàn)與赤道平面的夾角。
在通常情況下，日出前0．5 h和口落后0．5 h，雖然沒(méi)有日照，但是天空尚有余光，這是可以不需要開(kāi)燈照明，因此光控太陽(yáng)能路燈工作時(shí)間 J．以減
少1 h，可以用下面公式計算路燈工作時(shí)間為：
T= 23―2／15cos一[一tan~tan8] (2)
通過(guò)公式(2)計算，呵得到安裝在珠海的光控太陽(yáng)能路燈全年工作時(shí)間變化圖1，從圖中可以看出光控太陽(yáng)能路燈最長(cháng)工作時(shí)間在冬至，為12．35 h，在夏至時(shí)最短j二作時(shí)間9．65 h；由于珠海地區緯度比較低，光控太陽(yáng)能路燈全年工作時(shí)間變化不是很大，因此雖然該處光控太陽(yáng)能路燈是季節性不均衡負載，但是負載量變化不是很大，負載情況不是影響太陽(yáng)電池組件最佳傾角的主要因素。再考慮到控制開(kāi)關(guān)燈的可靠性和控制器成本，在珠海設計的
太陽(yáng)能路燈采用的光控方式工作。

氣候情況

珠海市地處北回歸線(xiàn)以南，屬南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，光照充足。太陽(yáng)輻射年總量為4 651．6MJ／n~，是廣東省內太陽(yáng)能資源較豐富的地區之一。從圖2可以看出，珠海地區一年中總輻射量最少的時(shí)段是春季，陰雨天氣比較多，大氣透明度差，巾、低云層經(jīng)常布滿(mǎn)天空，該段時(shí)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到65．6％；夏季主要是晴熱天氣，陽(yáng)光充足，水平面上太陽(yáng)輻照
度是全年最大的，而且太陽(yáng)輻照量中直接輻照占的比例很高；秋季的珠海地區秋高氣爽，晴空萬(wàn)里，雖然太陽(yáng)高度角相逐漸減小，但是太陽(yáng)輻照量仍然
比較高；冬季，晴天屠多，尤其足前冬，雨量稀少。
傾斜面太陽(yáng)輻照度計算
傾斜面上太陽(yáng)輻照計算一般是以過(guò)去10～20年的氣象資料數據作為依據，在提供的水平面太陽(yáng)輻照量數據基礎上，可以使用Hay_I 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(yáng)輻照量。
其表達式為：
HT：H R8+Ho I_R H }H +0．s 、～HB|Ho)
(1+cosf1)J+0．5pH (1一cosp) (3)
R ：cos0 ／cos0
入射角： =COS [cos0 cosfl+sin0 sinflcos
(y 一y J J
天頂角： =c0s [sinasin~+c0s c0s c0s∞][3
太陽(yáng)方位角： ys = d * d y 。+
f_l 1* *180。_3
熱 n [ ={ 。 }’
f l ≯ (≯一 01 f l ∞ 01
I―l 其他 』’ I―l其他』’
=ar~cos(tan3／tan~)