太陽能路燈系統(tǒng)的優(yōu)化配置

本文主要針對當(dāng)前市場上太陽能路燈存在的一些問題,提出了解決方法。并以太陽能無極燈路燈系統(tǒng)為例,從能耗的降低、性能的穩(wěn)定以及系統(tǒng)成本的減少方面入手,合理配置系統(tǒng),從而提高太陽能路燈的節(jié)能性和經(jīng)濟(jì)性。

引言

在能源日益短缺、環(huán)境污染和環(huán)境保護(hù)越來越受重視的情況下,充分開發(fā)利用太陽能已成為當(dāng)前社會各界所關(guān)注的焦點(diǎn)之一。太陽能路燈作為新能源的一種典型應(yīng)用,在國內(nèi)的不少地區(qū)都有相應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。太陽能路燈具有安裝后無需支付電費(fèi)、無需架設(shè)輸電線路或鋪設(shè)電纜、清潔環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),受到了相關(guān)方的青睞,在很多城市和鄉(xiāng)村都能看見以試驗(yàn)或示范形式出現(xiàn)的太陽能路燈。但目前太陽能路燈在應(yīng)用中也存在不少問題,隨著實(shí)際應(yīng)用的增多,接到用戶投訴和報(bào)修的問題也越來越多。

1　太陽能路燈系統(tǒng)組成及使用中存在的問題

太陽能照明系統(tǒng)可以分成3大類型,包括獨(dú)立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。獨(dú)立系統(tǒng)常見于居民區(qū)路燈、停車場標(biāo)志燈和電網(wǎng)公共照明系統(tǒng),它們通常需要電池,有較高的存儲修復(fù)損耗和維護(hù)費(fèi)用。

太陽能獨(dú)立路燈系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載可分成交流型和直流型,如圖1、圖2所示。目前由于主流燈具都是交流燈具,因此第1類太陽能照明系統(tǒng)應(yīng)用較多(如太陽能低壓節(jié)能燈) 。第2 類太陽能照明系統(tǒng)由于受目前光效、成本等因素影響,使用量還不大,但隨著今后技術(shù)的革新,其使用也會越來越多。圖3是無極燈太陽能路燈的系統(tǒng)組成。

圖1　交流型太陽能路燈框圖

圖2　直流型太陽能路燈框圖

圖3　無極燈太陽能路燈系統(tǒng)框圖

在保證燈具在規(guī)定工作條件的情況下,系統(tǒng)配置的好壞主要看太陽能組件、路燈控制器、蓄電池之間的匹配與否。而根據(jù)目前太陽能路燈出現(xiàn)的問題和當(dāng)前的技術(shù)水平,存在的問題主要有2點(diǎn):

(1)路燈在使用一段時(shí)間后,經(jīng)常幾天不工作;(2)設(shè)計(jì)蓄電池使用壽命在2～5年左右,實(shí)際蓄電池使用往往低于設(shè)計(jì)壽命,甚至不足1年。

2　問題分析

不少廠家在路燈配置時(shí)不關(guān)注各個(gè)地區(qū)日照的具體不同,只是經(jīng)驗(yàn)性地選配光伏組件,有時(shí)候?yàn)榱藵M足客戶低成本的要求,低配了太陽能組件,或者只考慮單日發(fā)電量與耗電的匹配,而沒有考慮蓄電池充電問題。

(1)路燈在使用一段時(shí)間后,經(jīng)常幾天不工作。

出現(xiàn)該問題的主要原因在于組件配置過低,也會有蓄電池配置過高的情況,但主要還是前者。連續(xù)幾天陰雨后,路燈系統(tǒng)蓄電池會過放,控制器會出現(xiàn)過放保護(hù),此時(shí)如果太陽能發(fā)電量偏少,蓄電池電壓達(dá)不到控制器的恢復(fù)放電電壓,控制器與負(fù)載間一直斷電,組件容量過小或陰雨天過長必然導(dǎo)致長時(shí)間不放電。因此在組件容量計(jì)算時(shí)需要考慮蓄電池充電時(shí)間問題,盡可能2～3天充滿。

(2)設(shè)計(jì)蓄電池使用壽命在2～5年左右,實(shí)際蓄電池使用往往低于設(shè)計(jì)壽命,甚至不足1年。

出現(xiàn)該問題的主要原因在于蓄電池配置或工作不當(dāng)。比如蓄電池容量相對于連續(xù)陰雨的天數(shù)偏小,或蓄電池工作時(shí)一直處于深度循環(huán)。其中第2種是主要原因。

有些廠家,為了減少出現(xiàn)上面問題,往往把控制器恢復(fù)放電電壓設(shè)置過小,導(dǎo)致蓄電池往往充電很少就又處于放電狀態(tài),沒有很好利用蓄電池,減少了其使用壽命。

因此在控制器恢復(fù)放電的電壓設(shè)置上需要合理選擇。

3　系統(tǒng)優(yōu)化配置步驟

以下就配置及以上問題提出相應(yīng)的應(yīng)對和優(yōu)化方法。

以24V的40W無極燈為例,按每天使用小時(shí)數(shù)為8h、連續(xù)陰雨天4天要求,在鎮(zhèn)江應(yīng)用時(shí),結(jié)合當(dāng)?shù)毓庹?如表1)具體配置步驟如下:

(1)先確定蓄電池容量。

配置蓄電池時(shí)考慮放電深度0175、充放電效率0185及安全系數(shù)111等,根據(jù)負(fù)載估算蓄電池容量:

111 ×40 ×8 ×4 ÷0185 ÷0175 ÷24 = 9211Ah此時(shí)實(shí)際選用2個(gè)12V /100Ah蓄電池串聯(lián)即可。

(2)初步配置太陽能組件。

在配置組件時(shí)參照當(dāng)?shù)厝照蛰椛淞?選取合適的傾斜角,和并網(wǎng)發(fā)電不同,太陽能路燈應(yīng)保證最低日照月份輻射盡可能大,如表1 所示。此時(shí)傾斜角在30°,最低輻射在10月份,只有4113kWh /m2 /d,折算到標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度1kW /m2 時(shí)為4113h /d。

表1　鎮(zhèn)江峰值日照時(shí)間表

考慮發(fā)電量會受方位角、灰塵、局部陽光遮擋、組件的光電轉(zhuǎn)換效率和系統(tǒng)其他效率損失等影響,系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)平均發(fā)電效率按78%取值,同時(shí)考慮蓄電池系統(tǒng)效率問題。

光伏組件容量= 40 ×8 ×111 ÷0185 ÷4113 ÷0178 = 12816Wp。此時(shí)如果以為組件130Wp 夠了,很可能出現(xiàn)上面連續(xù)幾天路燈不工作現(xiàn)象。

(3)優(yōu)化組件配置

考慮到路燈連續(xù)工作要求在4天,為了保證在連續(xù)4天放電后,能盡快恢復(fù)工作,組件容量需增大,縮短充滿電時(shí)間,如果當(dāng)?shù)剡B續(xù)4天陰雨的天數(shù)較多,則充電時(shí)間要控制在2天以內(nèi)。

以選用160Wp 組件為例,估算充電時(shí)間。充電效率在019～0195,取019。

平均蓄電池充電時(shí)間= 2 ×100 ×12 ×0175 / (019×0178 ×160 ×4145 ) = 316 天, 時(shí)間過長。選取190Wp,此時(shí)充電時(shí)間在3 天左右。而240Wp 組件也需充電214天?？紤]成本等因素實(shí)際選擇190Wp組件。

從中可以看出在配置組件時(shí)不能只看單日耗電量,還要結(jié)合蓄電池容量來優(yōu)化配置。

(4)路燈控制器選擇及優(yōu)化

因?yàn)槁窡艄ぷ麟妷菏?4V,蓄電池串聯(lián)輸出額定電壓也是24V,所以控制器也應(yīng)該選擇24V額定工作電壓,其光伏組件的額定輸出電壓為34V。現(xiàn)在市場上大部分控制器最大輸入電壓是額定工作電壓的2倍。因此對總?cè)萘繛?90Wp 的系統(tǒng), 可以用2 塊ZXM095W18V - 12502組件(單晶硅太陽能電池)串聯(lián)構(gòu)成,其參數(shù)見表2。如果單塊190Wp組件最大功率工作電壓在30～34V亦可選用。

表2　太陽能電池組件參數(shù)表

此時(shí)串聯(lián)工作電壓= 3414V,最大輸出開路電壓= 4214V,短路電流= 5199A。因此控制器額定充電電流選用10A。

在控制器選擇時(shí),還需要關(guān)注過充保護(hù)、恢復(fù)充電、過放保護(hù)、恢復(fù)放電電壓,如圖3所示。特別是針對恢復(fù)放電電壓,目前市場上24V控制器主要設(shè)置在25V以上,有些甚至是26V。就如前面分析的第1個(gè)問題,此時(shí)很可能出現(xiàn)太陽能路燈連續(xù)幾天不亮。

如果系統(tǒng)配置不合理,很可能會長時(shí)間不工作,用戶很可能就以為路燈壞了,企業(yè)聲譽(yù)必然受到影響。因此對恢復(fù)放電電壓不能設(shè)置過高。

但同樣的,如果為了減少出現(xiàn)這種問題的機(jī)會,把恢復(fù)放電電壓設(shè)置過低,甚至低于23V,就如前面分析的第2個(gè)問題,很可能會出現(xiàn)使用壽命縮短的問題,特別對蓄電池更是如此。

針對控制器的這2個(gè)問題,為了兼顧平衡,可以設(shè)置多項(xiàng)恢復(fù)條件,而不再是固定的值。控制器的具體恢復(fù)電壓設(shè)置可以參考圖4。

圖4　控制優(yōu)化流程圖

4　結(jié)束語

太陽能路燈是當(dāng)前國內(nèi)太陽能發(fā)電應(yīng)用的一個(gè)主要領(lǐng)域,特別在一些地區(qū)是作為太陽能利用的示范工程在做。其實(shí)際應(yīng)用的好壞將很大程度上影響今后光伏系統(tǒng)在國內(nèi)的推廣使用。因此作為光伏產(chǎn)業(yè)中的一員,我們需要加強(qiáng)對實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)積累,綜合考量用戶的成本和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新,新材料、太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率、蓄電池的性價(jià)比、中間控制轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的改善,成本必然會大大降低。相信太陽能照明系統(tǒng)在很多場合完全可以取代傳統(tǒng)照明,逐漸走進(jìn)尋常百姓家,同時(shí)也會在很大程度上改善能源結(jié)構(gòu)和減輕環(huán)保壓力,增強(qiáng)我國的能源安全。