太陽能路燈照明系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

杜國紅 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為負載，進行太陽能路燈照明系統(tǒng)的選型設計和實際系統(tǒng)運行分析，通過測得的參數(shù)表明，實際系統(tǒng)符合設計要求。

關鍵詞：光伏技術 ?照明系統(tǒng) ?Matlab

中圖分類號：TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）09（b）-0075-02

隨著全球對能源需求的不斷增加，光伏發(fā)電作為一種具有廣闊前景的綠色能源技術已逐步滲透到人們日常生產生活的方方面面。伴隨著“節(jié)能減排”的號召，在中國政府的大力扶持和倡導下，光伏產品受到越來越多的關注，市場上也出現(xiàn)了很多諸如太陽能路燈等的太陽能產品。本文對光伏板的特性和太陽能路燈照明系統(tǒng)選型進行了初步研究，對太陽能路燈照明系統(tǒng)的設計具有一定的參考意義。

1 ?太陽能路燈照明系統(tǒng)選型設計

獨立光伏發(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。太陽能路燈的設計思路可依據(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計太陽能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，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長壽命的優(yōu)勢。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)化設計達到可靠性與經濟性的最佳結合。杭州市處于亞熱帶季風區(qū)，四季分明，年日照時數(shù)約為1765h。杭州在夏季和冬季的日照時間有很大的區(qū)別，夏季光照非常充足，但冬季夜晚的時間較長，所以為了保證太陽能路燈在冬季也能正常運行，必須以冬季的使用時數(shù)為數(shù)據(jù)來進行設計。冬季時，杭州在18點時，已經天黑，早上6點時，天才開始亮起來，這時人們已可以憑借自然光看清事物，早起的人們也在這時開始出門活動。但在23點之后，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，本文假設要求保證連續(xù)3個陰雨天氣能正常工作，并假設兩個連續(xù)陰雨天氣之間的時間為5d。本文根據(jù)負載特性，選定12V的VRLA鉛酸蓄電池。

（1）計算負載日耗電量。

式中W為負載功率，H為日工作時間，V蓄電池標稱電壓;

（2）蓄電池容量的確定。

上面的假設是保證3個連續(xù)陰雨天的正常工作，兩個連續(xù)陰雨天之間隔時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。它產生的能量必須足夠負載安全、穩(wěn)定的運行。因為光伏板的輸出是在標準狀態(tài)下測得的，但在實際使用時，光照條件以及環(huán)境條件是不可能與標準狀態(tài)完全相同的，所以在計算時要有一定的余量。查表得杭州日照峰值時數(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）計算滿足負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為日照峰值時間，D為陰雨天間隔時間;

（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路燈實際運行分析

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測數(shù)據(jù)。

從表1的數(shù)據(jù)中可以看出，光伏陣列的實際輸出與理論曲線基本一致。實測數(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有非常明顯的變化，在陽光充足的情況下，可達0.45A左右。充電電流完全能夠滿足負載的用電要求。移除光伏陣列，測試蓄電池容量，結果顯示7.2Ah的鉛酸蓄電池能夠滿足連續(xù)3d點燈5h的要求。

3 ?結語

太陽能光伏發(fā)電技術和產業(yè)不僅是當今能源的一個重要補充，更具備成為未來主能源的潛力。本文對光伏板的特性和太陽能路燈照明系統(tǒng)選型進行了初步的研究，對太陽能路燈照明系統(tǒng)的設計具有一定的參考意義。

參考文獻

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