太陽能路燈系統中蓄電池的優化設計與管理

云南天達光伏科技股份有限公司 普平貴

一 引言

隨著人們對環境污染問題和新能源開發的日趨重視，太陽能路燈已經在城市和鄉村的道路照明中得到了廣泛應用。目前使用的太陽能路燈一般采用與太陽電池組件電壓匹配的直流光源，系統中電氣部分主要由太陽電池組件、蓄電池、控制器和光源組成。隨著太陽電池組件供求關系的日趨平衡和技術的持續進步，其價格不斷下降；同時，太陽能路燈系統中常用的LED直流光源，在生產規模快速擴大和技術逐步成熟后，其壽命和可靠性也在增加，價格呈下降趨勢。

目前安裝的太陽能路燈，通常采用閥控式密封免維護鉛酸(膠體)蓄電池，雖然標準狀況下使用壽命較長，一般均在10年以上，但由于受氣候條件、放電深度、充放電管理等因素的影響，往往運行3年左右即報廢，必須重新更換蓄電池，大大增加了系統的投資造價和后期維護管理。

本文從太陽能路燈系統設計配置、控制器放電管理、蓄電池安裝方式和蓄電池類型選擇等方面，分析對蓄電池壽命和成本有影響的因素，提出蓄電池的優化設計配置和較好的管理方法。

二 蓄電池配置的優化設計

1 蓄電池特性

蓄電池壽命通常采用循環壽命和使用時間壽命兩種方式衡量。循環壽命按照蓄電池每次放電深度與其可循環使用的次數相結合計算得到。蓄電池的放電深度越大，其相應的循環次數也就越少。圖1為某廠家12V系列鉛酸蓄電池的循環壽命曲線圖。

蓄電池的使用時間壽命按照標準條件下(氣候條件等同)以浮充狀態進行衡量，目前工業使用的鉛酸蓄電池的時間壽命一般均在10年以上。

在實際使用過程中，對蓄電池壽命影響最大的是頻繁深度放電、長時間處于虧電狀態和溫度變化。

圖1 12V系列鉛酸蓄電池循環壽命曲線

2 太陽能路燈系統的設計配置

為保證蓄電池的壽命盡可能長，在系統設計配置方面，需考慮太陽電池組件每天發電量、光源每天用電量、蓄電池配置容量和與使用地的氣候狀況合理匹配，以避免蓄電池頻繁深度放電和長時間處于虧電狀態。為避免蓄電池頻繁深度放電，配置的蓄電池容量需滿足陰雨天用電需求；為避免蓄電池長時間處于虧電狀態，陰雨天過后蓄電池的虧電量需盡快補充。

現以北京市朝陽氣象點的太陽輻射數據為例，分析太陽電池組件和蓄電池配置與蓄電池儲電量和工程造價的關系如表1所示。

表1 北京市朝陽氣象點太陽輻射量 單位:kWh/(d·m2)

若太陽能路燈要求整晚通宵照明，北京地區光源的用電量冬季比夏季多。在確保太陽電池組件全年發電量盡可能高的情況下，設計太陽電池組件面向正南的傾角可保證冬季多發電。

現假設某一路燈功耗為48W(24V)，配置240Wp太陽電池組件、150Ah24V鉛酸蓄電池，整夜通宵照明，以此為例分析系統各月用電量的情況。

表2為根據表1太陽輻射數據，按照滿足北京地區全年每天通宵照明要求，計算的光源每天用電量、太陽電池組件在不同傾角下平均每天發電量、每天節余可以儲存到蓄電池的電量。表2中，每月每天的夜長時間以每月15日為參考，太陽電池組件表面的太陽輻射量為每月的日平均值，夜長按照日出至日落間時長減去1h。

表2 不同傾角下全年各月電量情況

從表2可以看出，以通宵方式照明配置的太陽能路燈，由于冬季夜長、太陽輻射量較少，不論采用何種傾角，冬季總有3個月處于蓄電池的凈放電時間。但隨著太陽電池組件傾角的不斷增大，冬季蓄電池每天的凈放電量會逐漸減小。因此，諸如北京等高緯度地區，太陽能路燈中組件的傾角應盡量大一點。

3 蓄電池使用壽命分析

根據表2分析，在系統設計配置方面，由于冬夏兩季發電量和用電量的反差關系，導致按照此方式配置的路燈系統，每年3～10月蓄電池為日均凈充電狀態，此段時間內，除過長的連續陰雨天外，蓄電池的放電深度均不會超過20%；11月～次年1月共3個月時間內，蓄電池為日均凈放電狀態，蓄電池開始逐步虧電，放電深度越來越深，直至2月份才能開始補充電量，到3月份才能充滿蓄電池。

如果這樣設計，一年內有110多天的蓄電池處于不斷虧電狀態，將加速蓄電池的硫酸鹽化程度，大大減短蓄電池的使用壽命。

4 蓄電池放電管理

為解決蓄電池冬季連續虧電的問題，需要從路燈系統中的控制管理單元考慮。目前我們實際工程中使用的控制器，采用跟蹤蓄電池容量的方式管理放電過程，蓄電池當天黎明時的剩余電量和白天充電量的情況，會計入次日夜間蓄電池放電管理中。根據蓄電池的實際電量，結合路燈照明需要的時間段，自動控制路燈在蓄電池虧電較長時間時，除保證重要時間段照明外，其他時間將不再照明或降功率照明，以保證蓄電池能夠在較短時間內，盡快恢復電能。

三 蓄電池的安裝位置

影響蓄電池壽命的至關因素除容量匹配合理性和充放電管理外，溫度對其影響也非常大。

太陽能路燈配套的蓄電池，必須選擇合適的蓄電池安裝位置，保證其盡可能處于最佳工作溫度范圍，才能提高蓄電池的實際使用壽命。對于全年溫差較大的北方和西北地區，溫度較高的華南及中東部等地區，必須保證蓄電池運行的適合溫度，否則后期的維護管理將耗資巨大。

四 蓄電池類型的選擇

目前太陽能路燈系統中通常使用鉛酸和膠體兩種閥控式密封免維護蓄電池，這兩種蓄電池在充電和放電過程中損耗很大。

實驗數據表明，常溫狀態下，鉛酸蓄電池在充電和放電過程中總的電能損失高達12%～15%，相當于太陽電池組件約15%的發電量白白浪費在此環節。

而目前技術逐步成熟的錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池，常溫下充放電過程中的電能損耗不超過2%，效率極高，并且其深度放電的循環使用次數要比鉛酸蓄電池高。同時，其循環使用壽命長于一般蓄電池，較輕便、特性較好。若采用鋰離子電池，由于其電壓和常規電池有差異，一般通過72片或36片串聯電池片組件，也可以對單塊組件的串聯電池片數量做調整，以保證充電電壓適合鋰電池。

綜合考慮路燈系統中各種設備的特性和配置結構，部分路燈系統更適合采用鋰離子蓄電池作為儲能設備。

五 結論

(1)太陽能路燈系統中應建立以蓄電池為中心的設計配置理念，圍繞蓄電池使用壽命，綜合考慮各種影響因素。

(2)整個路燈系統中，控制器的功能對蓄電池的使用壽命起至關重要的作用。

(3)路燈系統的設備選型應綜合考慮整個系統的造價和運行可靠性，技術的創新可以帶來總投資的降低，便于太陽能路燈的推廣。

[1]周志敏. 閥控式密封鉛酸蓄電池使用技術[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004.