太陽能路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜國(guó)紅 葉飛 沈柳青

摘 ? 要：本文以太陽能路燈照明系統(tǒng)為研究對(duì)象，首先分析了太陽能電池的工作原理，建立了太陽能光伏電池的模型;然后給出了光伏陣列輸入輸出特性方程，建立了Matlab模型，給出了溫度、光照參數(shù)變化情況下輸入輸出的非線性特性;最后以LED為負(fù)載，進(jìn)行太陽能路燈照明系統(tǒng)的選型設(shè)計(jì)和實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行分析，通過測(cè)得的參數(shù)表明，實(shí)際系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：光伏技術(shù) ?照明系統(tǒng) ?Matlab

中圖分類號(hào)：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）09（b）-0075-02

隨著全球?qū)δ茉葱枨蟮牟粩嘣黾樱夥l(fā)電作為一種具有廣闊前景的綠色能源技術(shù)已逐步滲透到人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)生活的方方面面。伴隨著“節(jié)能減排”的號(hào)召，在中國(guó)政府的大力扶持和倡導(dǎo)下，光伏產(chǎn)品受到越來越多的關(guān)注，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了很多諸如太陽能路燈等的太陽能產(chǎn)品。本文對(duì)光伏板的特性和太陽能路燈照明系統(tǒng)選型進(jìn)行了初步研究，對(duì)太陽能路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 ?太陽能路燈照明系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

獨(dú)立光伏發(fā)電照明系統(tǒng)主要由光伏板、蓄電池組、光源以及控制電路等組成。太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路可依據(jù)一般的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，先確定太陽能電池組件的功率，然后計(jì)算蓄電池的容量。但太陽能路燈又具有其特殊性，需要確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與可靠。下面以杭州市的地理位置和氣候情況為例來設(shè)計(jì)太陽能LED路燈系統(tǒng)。

目前LED光效的局限性本身也存在著自身耐溫能力有限的問題，所以在選擇LED燈具時(shí)，要選擇散熱性能好的燈具，保證LED在安全溫度下工作，這樣才能真正體現(xiàn)出LED長(zhǎng)壽命的優(yōu)勢(shì)。本文選定3W功率的白光LED，額定電壓12～24V。

1.1 蓄電池的選用

太陽能照明系統(tǒng)必須配備蓄電池才能正常工作，光伏板與蓄電池容量的組合，即是在保證路燈負(fù)載可靠性需要的前提下，確定使用最少的光伏板組件和蓄電池容量，以最優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到可靠性與經(jīng)濟(jì)性的最佳結(jié)合。杭州市處于亞熱帶季風(fēng)區(qū)，四季分明，年日照時(shí)數(shù)約為1765h。杭州在夏季和冬季的日照時(shí)間有很大的區(qū)別，夏季光照非常充足，但冬季夜晚的時(shí)間較長(zhǎng)，所以為了保證太陽能路燈在冬季也能正常運(yùn)行，必須以冬季的使用時(shí)數(shù)為數(shù)據(jù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)。冬季時(shí)，杭州在18點(diǎn)時(shí)，已經(jīng)天黑，早上6點(diǎn)時(shí)，天才開始亮起來，這時(shí)人們已可以憑借自然光看清事物，早起的人們也在這時(shí)開始出門活動(dòng)。但在23點(diǎn)之后，路上是基本沒有行人的。為了降低成本，可以讓路燈晚上工作5h。考慮到陰雨天氣，本文假設(shè)要求保證連續(xù)3個(gè)陰雨天氣能正常工作，并假設(shè)兩個(gè)連續(xù)陰雨天氣之間的時(shí)間為5d。本文根據(jù)負(fù)載特性，選定12V的VRLA鉛酸蓄電池。

（1）計(jì)算負(fù)載日耗電量。

式中W為負(fù)載功率，H為日工作時(shí)間，V蓄電池標(biāo)稱電壓;

（2）蓄電池容量的確定。

上面的假設(shè)是保證3個(gè)連續(xù)陰雨天的正常工作，兩個(gè)連續(xù)陰雨天之間隔時(shí)5d。

式中d等于3，為連續(xù)陰雨天的天數(shù)，0.75為蓄電池放電深度，1.1是蓄電池安全系數(shù)。取7.2Ah，選取1個(gè)12V7.2Ah的蓄電池組成蓄電池組。

1.2 光伏板的選用

光伏板的選用，最重要的就是它的容量，也就是光伏板的功率。它產(chǎn)生的能量必須足夠負(fù)載安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。因?yàn)楣夥宓妮敵鍪窃跇?biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下測(cè)得的，但在實(shí)際使用時(shí)，光照條件以及環(huán)境條件是不可能與標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)完全相同的，所以在計(jì)算時(shí)要有一定的余量。查表得杭州日照峰值時(shí)數(shù)和太陽能陣列最佳傾角的角度數(shù)值，有了這些數(shù)據(jù)就可以確定光伏陣列的功率了。分析如下：

（1）計(jì)算滿足負(fù)載日用電的光伏電池組件的充電電流。

式中1.05為太陽能充電綜合損失系數(shù)，h等于3.44，為日照峰值時(shí)間，0.85為蓄電池充電效率，0.9為控制器效率;

（2）連續(xù)陰雨天后恢復(fù)蓄電池容量的光伏板組件的充電電流，。

式中C為蓄電池組容量，h為日照峰值時(shí)間，D為陰雨天間隔時(shí)間;

（3）光伏板組件功率確定。

式中12為光伏板組件工作電壓。因此選取1塊峰值功率為10Wp的光伏板組件。

2 ?太陽能LED路燈實(shí)際運(yùn)行分析

表1是在不同溫度，不同日輻照度的情況下光伏陣列輸出的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，光伏陣列的實(shí)際輸出與理論曲線基本一致。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，LED燈工作電壓12V，工作電流0.26A左右，功率略大于3W。光伏陣列工作電壓在12V左右，輸出電流隨光照變化會(huì)有非常明顯的變化，在陽光充足的情況下，可達(dá)0.45A左右。充電電流完全能夠滿足負(fù)載的用電要求。移除光伏陣列，測(cè)試蓄電池容量，結(jié)果顯示7.2Ah的鉛酸蓄電池能夠滿足連續(xù)3d點(diǎn)燈5h的要求。

3 ?結(jié)語

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和產(chǎn)業(yè)不僅是當(dāng)今能源的一個(gè)重要補(bǔ)充，更具備成為未來主能源的潛力。本文對(duì)光伏板的特性和太陽能路燈照明系統(tǒng)選型進(jìn)行了初步的研究，對(duì)太陽能路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

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