智能小區太陽(yáng)能路燈的設計

　　為了突出智能建筑“節能和環(huán)?！钡睦砟?，給智能小區設計了太陽(yáng)能路燈。對照明燈具、太陽(yáng)電池板的傾角和容量、蓄電池及超級電容器的容量進(jìn)行了設計。采用新型光源LED，增強了照明效果，延長(cháng)了燈具壽命。使用超級電容，提高了充電效率，增加了蓄電池的壽命，減少了蓄電池垃圾。結果表明，太陽(yáng)能、LED 和超級電容是一個(gè)很好的優(yōu)化組合。同時(shí)，超級電容器的使用，有利于這種綠色儲能元件的發(fā)展和推廣。

　　在能源危機日益嚴重的今天，太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用既節約了能源又保護了環(huán)境。太陽(yáng)能路燈不用布線(xiàn)，安裝方便，一次投資后無(wú)需日后的電費開(kāi)支，日常維護的工作量也很小，所以很受歡迎，其應用場(chǎng)合越來(lái)越廣。作為以節能和環(huán)保為主題的智能小區更是應該對太陽(yáng)能充分利用，滄州市某智能小區在陽(yáng)光充足的健身廣場(chǎng)和大門(mén)口安裝了12 盞太陽(yáng)能路燈，對其設計作以下介紹。

　　一、工程概況

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

　　二、系統結構及設計

　　智能小區不只是高科技的應用，更注重節能和環(huán)保，本太陽(yáng)能路燈照明系統在一般太陽(yáng)能路燈的基礎上進(jìn)一步進(jìn)行了優(yōu)化，采用了LED 光源和超級電容，充電效率更高，元件壽命更長(cháng)，比一般太陽(yáng)能路燈更加節能和環(huán)保。本太陽(yáng)能路燈系統主要由光伏電池極板、儲能電池、超級電容器、照明燈具和控制器等幾個(gè)部分構成。

　　1. 照明燈具及控制方式的設計

　?。?） 照明燈具的設計

　　傳統的照明燈具效率低，如白熾燈、鹵鎢燈等，不適合智能建筑節能理念，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(xiàn)都在可見(jiàn)光范圍內，適合用于照明光源。LED 燈具壽命長(cháng)，可達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(kāi)、關(guān)。因此太陽(yáng)能照明系統選擇了12 V、10 W 的白光超亮大功率LED 燈具，其光效可以達450 lm/W，相當于50 W 的白熾燈，可以達到良好的照明效果。

表1 常用路燈光源技術(shù)性能

　?。?） 照明燈具的控制方式

　　太陽(yáng)能照明燈具的開(kāi)、關(guān)控制方式主要有兩種： 定時(shí)控制和光照控制。

　　定時(shí)控制是設定每天的開(kāi)、關(guān)燈時(shí)間后由系統自動(dòng)控制，但是隨著(zhù)季節的變化需要不斷調整設定時(shí)間，否則就會(huì )出現天黑不亮燈，天亮不熄燈的情況，造成能源浪費。光照控制是系統通過(guò)檢測光照度來(lái)開(kāi)、關(guān)照明燈具，如光照度低于10 lx時(shí)開(kāi)燈，高于10 lx 時(shí)熄燈，這樣既能滿(mǎn)足用戶(hù)的需要，又能節約電能，符合智能建筑的理念。所以系統照明燈具的開(kāi)、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天的太陽(yáng)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(kāi)路燈，這樣每天可以少開(kāi)燈1 h。智能小區位于東緯116. 84°、北緯38. 31°的位置，根據文獻［1］的計算和實(shí)際統計可知本地區光照控制路燈在冬至時(shí)工作時(shí)間最長(cháng)為12 h，夏至時(shí)工作時(shí)間最短為9h?？梢钥闯?，光照太陽(yáng)能路燈工作時(shí)間變化不是太大，可以認為是均衡性負載，其對太陽(yáng)電池板傾角的影響不大。

　　2. 太陽(yáng)電池

　?。?） 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°。

　?。?） 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

　?。?） 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。

　?。?） 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。

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

　　超級電容充電時(shí)間可以用下面公式計算：

　　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