太阳能路灯照明系统设计与实现
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摘 要：本文以太阳能路灯照明系统为研究对象，首先分析了太阳能电池的工作原理，建立了太阳能光伏电池的模型;然后给出了光伏阵列输入输出特性方程，建立了Matlab模型，给出了温度、光照参数变化情况下输入输出的非线性特性;最后以LED为负载，进行太阳能路灯照明系统的选型设计和实际系统运行分析，通过测得的参数表明，实际系统符合设计要求。
关键词：光伏技术 照明系统 Matlab
中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（b）-0075-02
随着全球对能源需求的不断增加，光伏发电作为一种具有广阔前景的绿色能源技术已逐步渗透到人们日常生产生活的方方面面。伴随着“节能减排”的号召，在中国政府的大力扶持和倡导下，光伏产品受到越来越多的关注，市场上也出现了很多诸如太阳能路灯等的太阳能产品。本文对光伏板的特性和太阳能路灯照明系统选型进行了初步研究，对太阳能路灯照明系统的设计具有一定的参考意义。
1 太阳能路灯照明系统选型设计
独立光伏发电照明系统主要由光伏板、蓄电池组、光源以及控制电路等组成。太阳能路灯的设计思路可依据一般的太阳能发电系统，先确定太阳能电池组件的功率，然后计算蓄电池的容量。但太阳能路灯又具有其特殊性，需要确保系统工作的稳定与可靠。下面以杭州市的地理位置和气候情况为例来设计太阳能LED路灯系统。
目前LED光效的局限性本身也存在着自身耐温能力有限的问题，所以在选择LED灯具时，要选择散热性能好的灯具，保证LED在安全温度下工作，这样才能真正体现出LED长寿命的优势。本文选定3W功率的白光LED，额定电压12～24V。
1.1 蓄电池的选用
太阳能照明系统必须配备蓄电池才能正常工作，光伏板与蓄电池容量的组合，即是在保证路灯负载可靠性需要的前提下，确定使用最少的光伏板组件和蓄电池容量，以最优化设计达到可靠性与经济性的最佳结合。杭州市处于亚热带季风区，四季分明，年日照时数约为1765h。杭州在夏季和冬季的日照时间有很大的区别，夏季光照非常充足，但冬季夜晚的时间较长，所以为了保证太阳能路灯在冬季也能正常运行，必须以冬季的使用时数为数据来进行设计。冬季时，杭州在18点时，已经天黑，早上6点时，天才开始亮起来，这时人们已可以凭借自然光看清事物，早起的人们也在这时开始出门活动。但在23点之后，路上是基本没有行人的。为了降低成本，可以让路灯晚上工作5h。考虑到阴雨天气，本文假设要求保证连续3个阴雨天气能正常工作，并假设两个连续阴雨天气之间的时间为5d。本文根据负载特性，选定12V的VRLA铅酸蓄电池。
（1）计算负载日耗电量。
式中W为负载功率，H为日工作时间，V蓄电池标称电压;
（2）蓄电池容量的确定。
上面的假设是保证3个连续阴雨天的正常工作，两个连续阴雨天之间隔时5d。
式中d等于3，为连续阴雨天的天数，0.75为蓄电池放电深度，1.1是蓄电池安全系数。取7.2Ah，选取1个12V7.2Ah的蓄电池组成蓄电池组。
1.2 光伏板的选用
光伏板的选用，最重要的就是它的容量，也就是光伏板的功率。它产生的能量必须足够负载安全、稳定的运行。因为光伏板的输出是在标准状态下测得的，但在实际使用时，光照条件以及环境条件是不可能与标准状态完全相同的，所以在计算时要有一定的余量。查表得杭州日照峰值时数和太阳能阵列最佳倾角的角度数值，有了这些数据就可以确定光伏阵列的功率了。分析如下：
（1）计算满足负载日用电的光伏电池组件的充电电流。
式中1.05为太阳能充电综合损失系数，h等于3.44，为日照峰值时间，0.85为蓄电池充电效率，0.9为控制器效率;
（2）连续阴雨天后恢复蓄电池容量的光伏板组件的充电电流，。
式中C为蓄电池组容量，h为日照峰值时间，D为阴雨天间隔时间;
（3）光伏板组件功率确定。
式中12为光伏板组件工作电压。因此选取1块峰值功率为10Wp的光伏板组件。
2 太阳能LED路灯实际运行分析
表1是在不同温度，不同日辐照度的情况下光伏阵列输出的实测数据。
从表1的数据中可以看出，光伏阵列的实际输出与理论曲线基本一致。实测数据显示，LED灯工作电压12V，工作电流0.26A左右，功率略大于3W。光伏阵列工作电压在12V左右，输出电流随光照变化会有非常明显的变化，在阳光充足的情况下，可达0.45A左右。充电电流完全能够满足负载的用电要求。移除光伏阵列，测试蓄电池容量，结果显示7.2Ah的铅酸蓄电池能够满足连续3d点灯5h的要求。
3 结语
太阳能光伏发电技术和产业不仅是当今能源的一个重要补充，更具备成为未来主能源的潜力。本文对光伏板的特性和太阳能路灯照明系统选型进行了初步的研究，对太阳能路灯照明系统的设计具有一定的参考意义。
参考文献
[1] 杨硕.智能建筑太阳能应用系统的研究[D].长安大学，2009.
[2] 申蕾.太阳能照明線路及逆变上网监控系统的研究与实现[D].华北电力大学（河北），2009.
[3] 马杰.太阳能路灯微机监控技术的研究与实现[D].华北电力大学（河北），2009.
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