太阳能路灯系统的优化配置

本文主要针对当前市场上太阳能路灯存在的一些问题,提出了解决方法。并以太阳能无极灯路灯系统为例,从能耗的降低、性能的稳定以及系统成本的减少方面入手,合理配置系统,从而提高太阳能路灯的节能性和经济性。

引言

在能源日益短缺、环境污染和环境保护越来越受重视的情况下,充分开发利用太阳能已成为当前社会各界所关注的焦点之一。太阳能路灯作为新能源的一种典型应用,在国内的不少地区都有相应的应用实例。太阳能路灯具有安装后无需支付电费、无需架设输电线路或铺设电缆、清洁环保、维护费用低等优点,受到了相关方的青睐,在很多城市和乡村都能看见以试验或示范形式出现的太阳能路灯。但目前太阳能路灯在应用中也存在不少问题,随着实际应用的增多,接到用户投诉和报修的问题也越来越多。

1　太阳能路灯系统组成及使用中存在的问题

太阳能照明系统可以分成3大类型,包括独立系统、并网系统和混合系统。独立系统常见于居民区路灯、停车场标志灯和电网公共照明系统,它们通常需要电池,有较高的存储修复损耗和维护费用。

太阳能独立路灯系统根据负载可分成交流型和直流型,如图1、图2所示。目前由于主流灯具都是交流灯具,因此第1类太阳能照明系统应用较多(如太阳能低压节能灯) 。第2 类太阳能照明系统由于受目前光效、成本等因素影响,使用量还不大,但随着今后技术的革新,其使用也会越来越多。图3是无极灯太阳能路灯的系统组成。

图1　交流型太阳能路灯框图

图2　直流型太阳能路灯框图

图3　无极灯太阳能路灯系统框图

在保证灯具在规定工作条件的情况下,系统配置的好坏主要看太阳能组件、路灯控制器、蓄电池之间的匹配与否。而根据目前太阳能路灯出现的问题和当前的技术水平,存在的问题主要有2点:

(1)路灯在使用一段时间后,经常几天不工作;(2)设计蓄电池使用寿命在2～5年左右,实际蓄电池使用往往低于设计寿命,甚至不足1年。

2　问题分析

不少厂家在路灯配置时不关注各个地区日照的具体不同,只是经验性地选配光伏组件,有时候为了满足客户低成本的要求,低配了太阳能组件,或者只考虑单日发电量与耗电的匹配,而没有考虑蓄电池充电问题。

(1)路灯在使用一段时间后,经常几天不工作。

出现该问题的主要原因在于组件配置过低,也会有蓄电池配置过高的情况,但主要还是前者。连续几天阴雨后,路灯系统蓄电池会过放,控制器会出现过放保护,此时如果太阳能发电量偏少,蓄电池电压达不到控制器的恢复放电电压,控制器与负载间一直断电,组件容量过小或阴雨天过长必然导致长时间不放电。因此在组件容量计算时需要考虑蓄电池充电时间问题,尽可能2～3天充满。

(2)设计蓄电池使用寿命在2～5年左右,实际蓄电池使用往往低于设计寿命,甚至不足1年。

出现该问题的主要原因在于蓄电池配置或工作不当。比如蓄电池容量相对于连续阴雨的天数偏小,或蓄电池工作时一直处于深度循环。其中第2种是主要原因。

有些厂家,为了减少出现上面问题,往往把控制器恢复放电电压设置过小,导致蓄电池往往充电很少就又处于放电状态,没有很好利用蓄电池,减少了其使用寿命。

因此在控制器恢复放电的电压设置上需要合理选择。

3　系统优化配置步骤

以下就配置及以上问题提出相应的应对和优化方法。

以24V的40W无极灯为例,按每天使用小时数为8h、连续阴雨天4天要求,在镇江应用时,结合当地光照(如表1)具体配置步骤如下:

(1)先确定蓄电池容量。

配置蓄电池时考虑放电深度0175、充放电效率0185及安全系数111等,根据负载估算蓄电池容量:

111 ×40 ×8 ×4 ÷0185 ÷0175 ÷24 = 9211Ah此时实际选用2个12V /100Ah蓄电池串联即可。

(2)初步配置太阳能组件。

在配置组件时参照当地日照辐射量,选取合适的倾斜角,和并网发电不同,太阳能路灯应保证最低日照月份辐射尽可能大,如表1 所示。此时倾斜角在30°,最低辐射在10月份,只有4113kWh /m2 /d,折算到标准日照强度1kW /m2 时为4113h /d。

表1　镇江峰值日照时间表

考虑发电量会受方位角、灰尘、局部阳光遮挡、组件的光电转换效率和系统其他效率损失等影响,系统设计寿命期内平均发电效率按78%取值,同时考虑蓄电池系统效率问题。

光伏组件容量= 40 ×8 ×111 ÷0185 ÷4113 ÷0178 = 12816Wp。此时如果以为组件130Wp 够了,很可能出现上面连续几天路灯不工作现象。

(3)优化组件配置

考虑到路灯连续工作要求在4天,为了保证在连续4天放电后,能尽快恢复工作,组件容量需增大,缩短充满电时间,如果当地连续4天阴雨的天数较多,则充电时间要控制在2天以内。

以选用160Wp 组件为例,估算充电时间。充电效率在019～0195,取019。

平均蓄电池充电时间= 2 ×100 ×12 ×0175 / (019×0178 ×160 ×4145 ) = 316 天, 时间过长。选取190Wp,此时充电时间在3 天左右。而240Wp 组件也需充电214天。考虑成本等因素实际选择190Wp组件。

从中可以看出在配置组件时不能只看单日耗电量,还要结合蓄电池容量来优化配置。

(4)路灯控制器选择及优化

因为路灯工作电压是24V,蓄电池串联输出额定电压也是24V,所以控制器也应该选择24V额定工作电压,其光伏组件的额定输出电压为34V。现在市场上大部分控制器最大输入电压是额定工作电压的2倍。因此对总容量为190Wp 的系统, 可以用2 块ZXM095W18V - 12502组件(单晶硅太阳能电池)串联构成,其参数见表2。如果单块190Wp组件最大功率工作电压在30～34V亦可选用。

表2　太阳能电池组件参数表

此时串联工作电压= 3414V,最大输出开路电压= 4214V,短路电流= 5199A。因此控制器额定充电电流选用10A。

在控制器选择时,还需要关注过充保护、恢复充电、过放保护、恢复放电电压,如图3所示。特别是针对恢复放电电压,目前市场上24V控制器主要设置在25V以上,有些甚至是26V。就如前面分析的第1个问题,此时很可能出现太阳能路灯连续几天不亮。

如果系统配置不合理,很可能会长时间不工作,用户很可能就以为路灯坏了,企业声誉必然受到影响。因此对恢复放电电压不能设置过高。

但同样的,如果为了减少出现这种问题的机会,把恢复放电电压设置过低,甚至低于23V,就如前面分析的第2个问题,很可能会出现使用寿命缩短的问题,特别对蓄电池更是如此。

针对控制器的这2个问题,为了兼顾平衡,可以设置多项恢复条件,而不再是固定的值。控制器的具体恢复电压设置可以参考图4。

图4　控制优化流程图

4　结束语

太阳能路灯是当前国内太阳能发电应用的一个主要领域,特别在一些地区是作为太阳能利用的示范工程在做。其实际应用的好坏将很大程度上影响今后光伏系统在国内的推广使用。因此作为光伏产业中的一员,我们需要加强对实际应用系统的经验积累,综合考量用户的成本和系统的稳定。

随着产业技术的革新,新材料、太阳能电池的转化效率、蓄电池的性价比、中间控制转换环节的改善,成本必然会大大降低。相信太阳能照明系统在很多场合完全可以取代传统照明,逐渐走进寻常百姓家,同时也会在很大程度上改善能源结构和减轻环保压力,增强我国的能源安全。