基于超級電容的太陽能樓道照明系統(tǒng)的設(shè)計

王志勇，田樹仁，夏國明，李 凱，馬香普

（1.河北工程技術(shù)高等專科學(xué)校電力工程系，河北滄州 061001；2.河北工程技術(shù)高等?？茖W(xué)校教務(wù)處，河北滄州 061001）

目前的樓道照明系統(tǒng)有諸多不足［1］，利用太陽能開發(fā)太陽能樓道照明系統(tǒng)對于節(jié)約電能具有重要意義。筆者設(shè)計的基于超級電容的太陽能樓道照明系統(tǒng)，就是利用了太陽能這種可再生能源，并且采用超級電容作為綠色儲能元件，采用LED作為光源，為用戶提供了一種節(jié)能、環(huán)保、安全可靠的照明系統(tǒng)。

1 太陽能樓道照明系統(tǒng)的設(shè)計原則

為了取得更好的控制效果，提高居民的生活質(zhì)量，用紅外探測器和光探測器控制樓道照明，連續(xù)陰雨天太陽能不足時，由交流市電供電。從節(jié)能和環(huán)保的角度出發(fā)，筆者采用超級電容作為綠色儲能器件，不采用對環(huán)境有污染的蓄電池，光源采用白光LED燈具。在滿足負載用電的前提下，盡量減小太陽能電池組件的容量和超級電容的容量，以降低初期投資；采用國際流行的“全年均衡冬季最大”的接收太陽能輻射量的光伏系統(tǒng)設(shè)計原則，來確定太陽能電池板的最佳傾角。

2 太陽能樓道照明系統(tǒng)的設(shè)計方法

本系統(tǒng)主要由照明燈具、探測器、太陽能電池、超級電容和控制器組成，如圖1所示。

2.1 照明燈具的設(shè)計

傳統(tǒng)的照明燈具多是白熾燈和節(jié)能燈。白熾燈只有不到1／10的電能轉(zhuǎn)變成光能，其他都以熱能的形式浪費掉了。在這種情況下節(jié)能燈應(yīng)運而生。節(jié)能燈雖然比白熾燈的電-光轉(zhuǎn)換效率提高了，但是它也有如下缺點。

1）污染嚴(yán)重。在生產(chǎn)過程中和廢棄后均有汞污染，危害人體健康，污染環(huán)境。

2）易破碎。由于是玻璃制品，不方便運輸和安裝。

3）耗電量較大。能耗為LED燈的2倍。

4）壽命短。節(jié)能燈燈絲容易燒毀、易損壞，節(jié)能不省錢就是它的最好寫照。

LED是發(fā)光二極管，四周用環(huán)氧樹脂密封，當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，會以光子的形式發(fā)出能量。LED燈特點如下［2］。

1）體積小。LED基本上是一塊很小的晶片，被封裝在環(huán)氧樹脂里面，所以它的體積、質(zhì)量都小。

2）高效節(jié)能。LED耗電量相當(dāng)?shù)?，一般LED的工作電壓是2～3.6V，工作電流是0.02～0.03A。這就是說，它的電功率不超過0.15W。LED燈的電-光功率轉(zhuǎn)換接近100%，相同照明效果比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%以上，白光LED燈的能耗僅為白熾燈的1／8、節(jié)能燈的1／4。

3）使用壽命長。在合適的電流和電壓下，LED燈的使用壽命可達10萬h，比傳統(tǒng)光源壽命長10倍以上。

4）高亮度、低熱量。LED燈使用冷發(fā)光技術(shù)，發(fā)熱量比普通照明燈具低很多。

5）環(huán)保。LED燈是由無毒的材料制成，不像熒光燈因含水銀會造成污染，同時LED燈也可以回收再利用，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

6）堅固耐用。LED被完全封裝在環(huán)氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固，燈體內(nèi)也沒有松動的部分，這些特點使得LED燈不易損壞。

以上特點決定了LED燈是一種節(jié)能且綠色環(huán)保的照明燈具，比傳統(tǒng)燈具更適合當(dāng)今建筑，特別是用在樓道這種頻繁啟動或關(guān)斷的照明場合。基于上述情況，本系統(tǒng)的照明燈具采用2W的白光LED樓道燈，其照明效果相當(dāng)于25W的白熾燈，但是耗電量大大降低，節(jié)約了電能。

圖1 太陽能樓道照明系統(tǒng)的組成框圖Fig.1 Structure block diagram of solar corridor lighting system

2.2 探測器的設(shè)計［3］

探測器相當(dāng)于傳統(tǒng)照明方式的開關(guān)，用來啟動或關(guān)斷照明，但它是一種自動開關(guān)，可以單獨裝設(shè)，也可和照明燈具做在一起。本系統(tǒng)采用的是集LED燈照明、紅外探測器、光控、智能控制于一體的產(chǎn)品。白天光控作用下，燈具處于關(guān)閉狀態(tài)；夜晚照度低于設(shè)定值后，光控開啟，當(dāng)有人走動時，紅外探測器感應(yīng)到人體發(fā)射的紅外線后，啟動照明，并延時關(guān)閉。這種照明裝置的累計工作壽命可達50 000h以上。它避免了開關(guān)損壞的可能，免除了在黑暗中尋找開關(guān)的煩惱，也不存在觸摸開關(guān)導(dǎo)致的危險，更不會存在聲控開關(guān)的誤啟動問題。

2.3 太陽能電池的設(shè)計

2.3.1 太陽能電池板的傾角設(shè)計［4］

根據(jù)筆者所在位置，通常太陽能電池板應(yīng)該朝向赤道方向安裝，面向正南或稍微偏西，并且相對地平面要有合適的傾角，這就是太陽能電池板的傾角。由于太陽光的照射角度隨時間的變化而變化，使得固定傾角下的太陽能電池板接收的太陽能量也隨之改變，所以太陽能電池板傾角的確定對整個系統(tǒng)來說至關(guān)重要。在太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計中，要根據(jù)負載情況、當(dāng)?shù)貧夂驙顩r和經(jīng)緯度來確定太陽能電池板的最佳傾角，使其接收的太陽光全年平均量最大。太陽能電池板最佳傾角的確定采用了國際流行的“全年均衡冬季最大”的接收太陽能輻射量的光伏系統(tǒng)設(shè)計原則。即在保證全年電池板日照量均衡的前提下，最佳傾角使冬季日照量盡量達到最大，以提高系統(tǒng)在太陽輻射較弱月份的發(fā)電量，滿足蓄電池均衡充電和負載的需要。

以滄州市區(qū)過去10～20年的氣象資料數(shù)據(jù)為依據(jù)［5］，可以使用Hay提出的天空散射輻射各向異性的模型，算出太陽能電池板不同傾角時所接收到的太陽輻射量，結(jié)合“全年均衡冬季最大”理論，可以確定太陽能電池板傾角取本地緯度38°即可。因為夏季小傾角的電池板接收到的太陽輻射量大，冬季大傾角的電池板接收到的太陽輻射量大，所以可以在38°傾角基礎(chǔ)上適當(dāng)增加5°～10°［6］，效果會更好。而且有利于積雪滑落，減小維護工作量。本系統(tǒng)太陽能電池板傾角取43°。

2.3.2 太陽能電池容量的設(shè)計［7］

以6層樓為例，每個LED燈的功率為2W，每個單元的樓道照明負載為12W，假設(shè)每天工作10h；設(shè)太陽能電池的功率為WS，系統(tǒng)效率為40%，留20%的余量，每天日照工作時間為5h，則有

解得

為滿足蓄電裝置的儲能要求，太陽能電池組功率選擇要大些，系統(tǒng)選擇12V，100Wp的太陽能電池組。

2.4 超級電容的選擇

每個單元的樓道照明負載為12W，照明時間為10h，負載的日耗電量為12W×10h=120W·h，即120／12=10A·h。如需要則太陽能路燈的二次電源超級電容陣列提供1天的照明。

為了滿足電壓的需要，采用5個2.7V的超級電容串聯(lián)，其單體工作電壓范圍為0.75～2.7V，其最小容量應(yīng)等于10A·h，設(shè)單體電容量為C，則有下面式子成立［8］：

解得

單體電容量太大，采用2組并聯(lián)組成超級電容陣列，則單體電容量為0.5×3 692=1 846F，本系統(tǒng)選擇了2.7V，2 000F的超級電容。

2.5 控制器的設(shè)計

樓道太陽能照明系統(tǒng)作為一種小型光伏系統(tǒng)，其控制器自身損耗電流應(yīng)小于額定工作電流的1%，系統(tǒng)控制器電路的設(shè)計都選擇了低功耗器件，采用的是由集成電路構(gòu)成的電壓比較器作為控制電路，這種電路簡單可靠、維護方便、成本低，電路本身功耗也極低，是一種匹配性很好的電路。這種電路的關(guān)鍵是針對超級電容的充放電特性設(shè)計一個比較好的電壓回差，同時器件的選擇要可靠，再加上發(fā)光二極管構(gòu)成的充放電狀態(tài)指示電路，便形成了一個具有實用功能的控制器電路，具有防超級電容過放電、過充電功能。

2.5.1 超級電容的等效電路

超級電容器的等效電路如圖2所示，由理想電容元件C并聯(lián)絕緣電阻R1，然后串聯(lián)電阻R2組成。R1反映超級電容器總的漏電情況，一般只影響長期儲能過程，也稱為漏電電阻。在本系統(tǒng)中，超級電容器通過功率變換器與電源連接，R1的影響可以忽略。R2電阻主要由電極物質(zhì)內(nèi)阻、溶液內(nèi)阻和接觸電阻組成，在大電流充放電情況下，必須盡可能減小R2的阻值，以減小其內(nèi)阻消耗。一般電池的內(nèi)阻消耗可達50%，而超級電容小于10%。

如果忽略R1，超級電容陣列的阻值可按照下式計算：

圖2 超級電容器的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of super capacitor

式中：N1為串聯(lián)器件數(shù)；N2為并聯(lián)支路數(shù)。本系統(tǒng)的電容器每個阻值為0.35mΩ，串聯(lián)器件數(shù)為5，并聯(lián)支路數(shù)為2，則超級電容陣列的阻值為

2.5.2 超級電容器的充放電控制［9］

控制器主回路如圖3所示。其中充電回路采用的是BUCK型降壓電路。它是通過斬波形式降低平均輸出電壓，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)光伏電池輸出電壓，使其符合超級電容的要求?？刂齐娐分械拈_關(guān)管Q不斷導(dǎo)通和截止，把光伏電池輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為脈沖電壓，再經(jīng)過LC濾波，輸出直流電壓。另外，為了防止超級電容給光伏電池反充電，設(shè)計了二極管D1。

圖3 控制器主電路Fig.3 Main circuit of the controller

樓道照明系統(tǒng)的負載為大功率LED燈，由超級電容器供電。當(dāng)光線暗到一定程度，控制器檢測到后就給出控制信號，使超級電容器對外放電，LED燈被點亮。為了保證LED燈的工作電壓或電流恒定，需要在超級電容器與負載之間增加穩(wěn)壓器或恒流器。本系統(tǒng)采用了DC-DC穩(wěn)壓電路［10］（如圖4所示）來確保LED燈工作于穩(wěn)定狀態(tài)。

實際上，超級電容器過放電會影響其壽命，另外，超級電容器的工作電壓不能低于負載的要求，所以系統(tǒng)設(shè)計了過放電和過充電控制電路。通過檢測超級電容器的端電壓，由控制器來控制充電和放電。

2.5.3 光電和市電的切換控制

由于超級電容的容量限制，其儲能只能提供1～2d的照明，所以本系統(tǒng)設(shè)計了交流市電作為備用的供電方式，如圖5所示，當(dāng)連續(xù)陰雨天，太陽能不足時，系統(tǒng)通過聯(lián)動開關(guān)自動切換到市電供電模式，通過開關(guān)電源輸出12V直流給LED照明燈。這樣就保證了樓道照明的供電質(zhì)量。

圖4 LED的驅(qū)動穩(wěn)壓電路Fig.4 Voltage-stabilizing circuit of driving LED

圖5 光電和市電的切換示意圖Fig.5 Diagram of switching photoelectric and alternating current

3 樓道太陽能照明系統(tǒng)的配置［11］

以6層樓1個單元的樓道太陽能照明系統(tǒng)為例，其基本配置如表1所示。

4 防雷接地設(shè)計

LED路燈的工作電壓為12V，屬安全電壓，不做電氣保護接地。但控制箱的金屬外殼應(yīng)做防雷接地，接地電阻小于10Ω。交流電源部分有接地保護，小于4Ω［12-13］。

表1 樓道太陽能照明系統(tǒng)的基本配置Tab.1 Basic configuration of solar corridor lighting system

5 經(jīng)濟效益

對于普通25W照明燈，如每天使用10h，1年按310天（除去陰雨天）計［5］，則每個單元6盞燈1年所需要的電費（0.5元／kW·h）為25×10×310×6÷1 000×0.5=232.5元。每棟樓4個單元的樓道照明所需電費為930元。也就是說使用本太陽能樓道照明系統(tǒng)，每棟樓每年可節(jié)約電費近千元，使用20年可節(jié)約電費約2萬元。整個小區(qū)的節(jié)電情況會更加可觀。

目前超級電容的價格較高，系統(tǒng)成本的回收年限可能會長一些。但隨著國產(chǎn)超級電容器技術(shù)的逐步成熟，價格的降低，回收年限會逐漸縮短。值得注意的是超級電容的環(huán)保價值是不可估量的。

6 結(jié) 語

基于超級電容的樓道太陽能照明系統(tǒng)，完全是從實用、節(jié)能和環(huán)保的角度出發(fā)進行設(shè)計的。太陽能的利用會大大節(jié)約電能，LED照明燈具和超級電容的使用會減少環(huán)境污染，紅外探測器和光探測器給居民的生活帶來了更大的便利。備用的交流市電保證了樓道照明不會中斷。隨著科技的發(fā)展、超級電容容量的提高，將來可以完全依靠超級電容這種綠色能源給樓道照明系統(tǒng)供電，連續(xù)的陰雨天也不會中斷。

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