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HCC超级电容在智能小区太阳能路灯上的应用

2011-12-22 中国冷链物流网（www.cclcn.com）

智能小区不只是高科技的应用，更注重节能和环保，本太阳能路灯照明系统在一般太阳能路灯的基础上进一步进行了优化，采用了led 光源和超级电容，充电效率更高，元件寿命更长，比一般太阳能路灯更加节能和环保。本太阳能路灯系统主要由光伏电池极板、储能电池、超级电容器、照明灯具和控制器等几个部分构成。
1 照明灯具及控制方式的设计
1.1 照明灯具的设计
传统的照明灯具效率低，如白炽灯、卤钨灯等，不适合智能建筑节能理念，各种照明光源的性能比较如表1 所示。白光超高亮度的LED 灯具，光效为45 lm/W，虽然不高，但是发出的光线都在可见光范围内，适合用于照明光源。LED 灯具寿命长，可达100 000 h 以上，可以有效减少灯具垃圾。另外，LED 由低压直流电源供电，更加安全，而且适合频繁开、关。因此太阳能照明系统选择了12 V、10 W 的白光超亮大功率LED 灯具，其光效可以达450 lm/W，相当于50 W 的白炽灯，可以达到良好的照明效果。

1.2 照明灯具的控制方式
太阳能照明灯具的开、关控制方式主要有两种：定时控制和光照控制。
定时控制是设定每天的开、关灯时间后由系统自动控制，但是随着季节的变化需要不断调整设定时间，否则就会出现天黑不亮灯，天亮不熄灯的情况，造成能源浪费。光照控制是系统通过检测光照度来开、关照明灯具，如光照度低于10 lx时开灯，高于10 lx 时熄灯，这样既能满足用户的需要，又能节约电能，符合智能建筑的理念。所以系统照明灯具的开、关采用光照控制方式。
光照控制方式的工作时间和本地的纬度及当天的太阳赤纬角有关，而且日出前半小时和日落前半小时，天空的余光足够照明，可以不开路灯，这样每天可以少开灯1 h。智能小区位于东纬116. 84°、北纬38. 31°的位置，本地区光照控制路灯在冬至时工作时间最长为12 h，夏至时工作时间最短为9h。可以看出，光照太阳能路灯工作时间变化不是太大，可以认为是均衡性负载，其对太阳电池板倾角的影响不大。
2 太阳电池
2.1 太阳电池板最佳倾角的确定
太阳电池板要朝向赤道安装，通常面向正南或稍微偏西，而且相对地平面应有一定的倾角，即太阳电池板倾角。因为太阳光的照射角度随时间的变化而变化，使得固定倾角下的太阳电池板接收的太阳能量也随之改变，所以太阳电池板倾角的确定对整个系统来说至关重要，在太阳能路灯系统优化设计中，要根据负载情况、当地气候状况和经纬度来确定太阳电池板的最佳倾角，使其接收的太阳光全年平均量最大。本系统负载近似为均衡性负载，太阳电池板最佳倾角的确定采用了国际流行的“全年均衡冬季最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则。即在保证全年电池板日照量均衡的前提下，最佳倾角使冬季日照量尽量达到最大，以提高系统在太阳辐射较弱月份的发电量，满足蓄电池均衡充电和负载的需要。
以沧州市区过去10 ～ 20 年的气象资料数据为依据，可以使用天空散射辐射各向异性的模型，算出太阳能电池板不同倾角时所接收到的太阳辐照量，结合“全年均衡冬季最大”理论，可以确定太阳电池板倾角取本地纬度38°即可。因为夏季小倾角的电池板接收到的太阳辐照量大，冬季大倾角的电池板接收到的太阳辐照量大，所以可以在38°倾角基础上适当增加5° ～ 10°，效果会更好，而且有利于积雪滑落，减小维护工作量。本系统太阳电池板倾角取43°。
2.2 太阳电池组容量的确定
LED 的功率为10 W，每天工作12 h; 设太阳电池的功率为WS，效率为40%，留20% 的余量，每天日照工作时间为5 h，则有：
WS × 5 h × 40% ÷ 120% = 10 W × 12 h
解得WS = 72 W为了满足蓄电池的储能要求，太阳电池组功率选择要大些，系统选择12 V、100 W 的太阳电池组。
3 蓄电池组及超级电容的选择
目前来说大容量、价格便宜的储能器件还是铅酸蓄电池，虽然超级电容优点很多，可是其储能量对于太阳能路灯系统来说，应付连续的阴雨天还是不容易实现的。不过超级电容器可以辅助蓄电池更好地进行工作，超级电容和蓄电池组成储能元器件，可以提高充电效率，延长蓄电池的寿命，提高系统的供电可靠性。其结构如图1所示。

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