太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中蓄電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)與管理

云南天達(dá)光伏科技股份有限公司 普平貴

一 引言

隨著人們對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題和新能源開(kāi)發(fā)的日趨重視，太陽(yáng)能路燈已經(jīng)在城市和鄉(xiāng)村的道路照明中得到了廣泛應(yīng)用。目前使用的太陽(yáng)能路燈一般采用與太陽(yáng)電池組件電壓匹配的直流光源，系統(tǒng)中電氣部分主要由太陽(yáng)電池組件、蓄電池、控制器和光源組成。隨著太陽(yáng)電池組件供求關(guān)系的日趨平衡和技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，其價(jià)格不斷下降；同時(shí)，太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中常用的LED直流光源，在生產(chǎn)規(guī)?？焖贁U(kuò)大和技術(shù)逐步成熟后，其壽命和可靠性也在增加，價(jià)格呈下降趨勢(shì)。

目前安裝的太陽(yáng)能路燈，通常采用閥控式密封免維護(hù)鉛酸(膠體)蓄電池，雖然標(biāo)準(zhǔn)狀況下使用壽命較長(zhǎng)，一般均在10年以上，但由于受氣候條件、放電深度、充放電管理等因素的影響，往往運(yùn)行3年左右即報(bào)廢，必須重新更換蓄電池，大大增加了系統(tǒng)的投資造價(jià)和后期維護(hù)管理。

本文從太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置、控制器放電管理、蓄電池安裝方式和蓄電池類型選擇等方面，分析對(duì)蓄電池壽命和成本有影響的因素，提出蓄電池的優(yōu)化設(shè)計(jì)配置和較好的管理方法。

二 蓄電池配置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 蓄電池特性

蓄電池壽命通常采用循環(huán)壽命和使用時(shí)間壽命兩種方式衡量。循環(huán)壽命按照蓄電池每次放電深度與其可循環(huán)使用的次數(shù)相結(jié)合計(jì)算得到。蓄電池的放電深度越大，其相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)也就越少。圖1為某廠家12V系列鉛酸蓄電池的循環(huán)壽命曲線圖。

蓄電池的使用時(shí)間壽命按照標(biāo)準(zhǔn)條件下(氣候條件等同)以浮充狀態(tài)進(jìn)行衡量，目前工業(yè)使用的鉛酸蓄電池的時(shí)間壽命一般均在10年以上。

在實(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)蓄電池壽命影響最大的是頻繁深度放電、長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)和溫度變化。

圖1 12V系列鉛酸蓄電池循環(huán)壽命曲線

2 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)配置

為保證蓄電池的壽命盡可能長(zhǎng)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置方面，需考慮太陽(yáng)電池組件每天發(fā)電量、光源每天用電量、蓄電池配置容量和與使用地的氣候狀況合理匹配，以避免蓄電池頻繁深度放電和長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)。為避免蓄電池頻繁深度放電，配置的蓄電池容量需滿足陰雨天用電需求；為避免蓄電池長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)，陰雨天過(guò)后蓄電池的虧電量需盡快補(bǔ)充。

現(xiàn)以北京市朝陽(yáng)氣象點(diǎn)的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)為例，分析太陽(yáng)電池組件和蓄電池配置與蓄電池儲(chǔ)電量和工程造價(jià)的關(guān)系如表1所示。

表1 北京市朝陽(yáng)氣象點(diǎn)太陽(yáng)輻射量 單位:kWh/(d·m2)

若太陽(yáng)能路燈要求整晚通宵照明，北京地區(qū)光源的用電量冬季比夏季多。在確保太陽(yáng)電池組件全年發(fā)電量盡可能高的情況下，設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池組件面向正南的傾角可保證冬季多發(fā)電。

現(xiàn)假設(shè)某一路燈功耗為48W(24V)，配置240Wp太陽(yáng)電池組件、150Ah24V鉛酸蓄電池，整夜通宵照明，以此為例分析系統(tǒng)各月用電量的情況。

表2為根據(jù)表1太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，按照滿足北京地區(qū)全年每天通宵照明要求，計(jì)算的光源每天用電量、太陽(yáng)電池組件在不同傾角下平均每天發(fā)電量、每天節(jié)余可以儲(chǔ)存到蓄電池的電量。表2中，每月每天的夜長(zhǎng)時(shí)間以每月15日為參考，太陽(yáng)電池組件表面的太陽(yáng)輻射量為每月的日平均值，夜長(zhǎng)按照日出至日落間時(shí)長(zhǎng)減去1h。

表2 不同傾角下全年各月電量情況

從表2可以看出，以通宵方式照明配置的太陽(yáng)能路燈，由于冬季夜長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射量較少，不論采用何種傾角，冬季總有3個(gè)月處于蓄電池的凈放電時(shí)間。但隨著太陽(yáng)電池組件傾角的不斷增大，冬季蓄電池每天的凈放電量會(huì)逐漸減小。因此，諸如北京等高緯度地區(qū)，太陽(yáng)能路燈中組件的傾角應(yīng)盡量大一點(diǎn)。

3 蓄電池使用壽命分析

根據(jù)表2分析，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)配置方面，由于冬夏兩季發(fā)電量和用電量的反差關(guān)系，導(dǎo)致按照此方式配置的路燈系統(tǒng)，每年3～10月蓄電池為日均凈充電狀態(tài)，此段時(shí)間內(nèi)，除過(guò)長(zhǎng)的連續(xù)陰雨天外，蓄電池的放電深度均不會(huì)超過(guò)20%；11月～次年1月共3個(gè)月時(shí)間內(nèi)，蓄電池為日均凈放電狀態(tài)，蓄電池開(kāi)始逐步虧電，放電深度越來(lái)越深，直至2月份才能開(kāi)始補(bǔ)充電量，到3月份才能充滿蓄電池。

如果這樣設(shè)計(jì)，一年內(nèi)有110多天的蓄電池處于不斷虧電狀態(tài)，將加速蓄電池的硫酸鹽化程度，大大減短蓄電池的使用壽命。

4 蓄電池放電管理

為解決蓄電池冬季連續(xù)虧電的問(wèn)題，需要從路燈系統(tǒng)中的控制管理單元考慮。目前我們實(shí)際工程中使用的控制器，采用跟蹤蓄電池容量的方式管理放電過(guò)程，蓄電池當(dāng)天黎明時(shí)的剩余電量和白天充電量的情況，會(huì)計(jì)入次日夜間蓄電池放電管理中。根據(jù)蓄電池的實(shí)際電量，結(jié)合路燈照明需要的時(shí)間段，自動(dòng)控制路燈在蓄電池虧電較長(zhǎng)時(shí)間時(shí)，除保證重要時(shí)間段照明外，其他時(shí)間將不再照明或降功率照明，以保證蓄電池能夠在較短時(shí)間內(nèi)，盡快恢復(fù)電能。

三 蓄電池的安裝位置

影響蓄電池壽命的至關(guān)因素除容量匹配合理性和充放電管理外，溫度對(duì)其影響也非常大。

太陽(yáng)能路燈配套的蓄電池，必須選擇合適的蓄電池安裝位置，保證其盡可能處于最佳工作溫度范圍，才能提高蓄電池的實(shí)際使用壽命。對(duì)于全年溫差較大的北方和西北地區(qū)，溫度較高的華南及中東部等地區(qū)，必須保證蓄電池運(yùn)行的適合溫度，否則后期的維護(hù)管理將耗資巨大。

四 蓄電池類型的選擇

目前太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中通常使用鉛酸和膠體兩種閥控式密封免維護(hù)蓄電池，這兩種蓄電池在充電和放電過(guò)程中損耗很大。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，常溫狀態(tài)下，鉛酸蓄電池在充電和放電過(guò)程中總的電能損失高達(dá)12%～15%，相當(dāng)于太陽(yáng)電池組件約15%的發(fā)電量白白浪費(fèi)在此環(huán)節(jié)。

而目前技術(shù)逐步成熟的錳酸鋰電池和磷酸鐵鋰電池，常溫下充放電過(guò)程中的電能損耗不超過(guò)2%，效率極高，并且其深度放電的循環(huán)使用次數(shù)要比鉛酸蓄電池高。同時(shí)，其循環(huán)使用壽命長(zhǎng)于一般蓄電池，較輕便、特性較好。若采用鋰離子電池，由于其電壓和常規(guī)電池有差異，一般通過(guò)72片或36片串聯(lián)電池片組件，也可以對(duì)單塊組件的串聯(lián)電池片數(shù)量做調(diào)整，以保證充電電壓適合鋰電池。

綜合考慮路燈系統(tǒng)中各種設(shè)備的特性和配置結(jié)構(gòu)，部分路燈系統(tǒng)更適合采用鋰離子蓄電池作為儲(chǔ)能設(shè)備。

五 結(jié)論

(1)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中應(yīng)建立以蓄電池為中心的設(shè)計(jì)配置理念，圍繞蓄電池使用壽命，綜合考慮各種影響因素。

(2)整個(gè)路燈系統(tǒng)中，控制器的功能對(duì)蓄電池的使用壽命起至關(guān)重要的作用。

(3)路燈系統(tǒng)的設(shè)備選型應(yīng)綜合考慮整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)和運(yùn)行可靠性，技術(shù)的創(chuàng)新可以帶來(lái)總投資的降低，便于太陽(yáng)能路燈的推廣。

[1]周志敏. 閥控式密封鉛酸蓄電池使用技術(shù)[M]. 北京: 中國(guó)電力出版社, 2004.