超级电容在智能小区太阳能路灯系统中的应用

最新更新时间:2014-06-21来源: 互联网关键字:超级电容  智能小区  太阳能 手机看文章 扫描二维码
随时随地手机看文章

  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。

 

  

  图1 太阳能路灯系统的结构

 

  3.1 蓄电池组容量的选择

  在太阳能路灯系统中,蓄电池是储能设备,其容量大小直接关系到照明时间的长短,对蓄电池组选择的依据主要是额定电压和额定容量。蓄电池容量的计算公式为:

  

  式中,C 为蓄电池组容量,单位为A·h; D 为最长无日照用电天数,取6 天; F 为蓄电池组放电效率的修正系数,通常取1. 05; Q 为日用电量,单位为W·h,本系统取120 W·h; L 为蓄电池组充放电效率,通常取0. 9; U 为蓄电池组的放电深度,通常取0. 6; Ka为线路损失,通常取0. 98; Vt为系统工作电压,取12 V。

  根据公式算出蓄电池组容量C = 120 A·h,可以选择120 A·h /12 V 的单体蓄电池一只。

  负载的日耗电量为10 W × 12 h = 120 W·h,即10 A·h,120 A·h 蓄电池可以提供12 天的用电量,按照放电深度为0. 6,则可以使用7 天。实际使用中连续7 个阴雨天太阳能路灯能够正常照明。

  3.2 超级电容的选择

  超级电容器是一种新型储能元器件,它是以双电层为原理,采用多孔碳材料为电极的EDLC超级电容,拥有大至数千法的电容量,其性能介于传统充电电池和普通电容器之间,可以在很短的时间内充满电,同时又如其他充电电池一般可储存大量电能。放电时利用移动导体间的电子( 而不依靠化学反应) 释放电流,从而为灯具提供电源。但是目前来说其价格太高,大容量供电不易实现,只能用来辅助蓄电池。

  太阳电池的输出功率随天气的变化而变化,这种不稳定的充电电流影响了蓄电池寿命,无形中会提高系统成本,造成更多的环境污染。所以系统设计了超级电容这种可以快速充电、放电的中间元件。特别是在太阳光照射不强时,控制系统把太阳电池输出的不稳定的电能存储在超级电容器里面,充满之后再以恒定电流给蓄电池充电,这样可以提高蓄电池的寿命,同时超级电容的储能也可以在连续的阴雨天为路灯提供更多的能量,增加照明时间。

  超级电容充电时间可以用下面公式计算:

  

  式中,C 为电容器的额定容量; dv 为电容器工作电压变化; I 为电容器充电电流; t 为电容器充电时间。

  根据式(1) ,13. 5 V、480 F 的电容器充电时间为( 充电电流为10 A):

  

  可以看出其充电时间是很短的,便于系统快速充电。

  超级电容的放电时间由公式:

  

  得到:

  

  如果放电截止电压为3. 5V,则放电时间为:

  

  由式(2) 可以看出,超级电容器的储能对负载放电可以达到1. 6 h,延长了系统的供电时间。

  4 太阳能控制器的设计

 

  太阳能路灯系统作为一种小型光伏系统,其控制器自身损耗电流应小于额定工作电流的1%,系统控制器电路的设计都选择了低功耗元器件,采用的是由集成运放构成的电压比较器作为控制电路,这种电路简单可靠、维护方便、成本低并且电路本身功耗也极低,是一种匹配性很好的电路。这种电路的关键是针对蓄电池的充放电特性设计一个比较好的电压回差,同时元器件的选择要可靠,再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路,便成了一个具有实用功能的控制器电路,具有防蓄电池过放电、过充电功能。

  控制系统在光伏控制器和充电控制器基础上增加了超级电容,跨接在直流母线和地线之间,以便稳定直流母线的电压,并缓冲光电池提供的过大能量,然后放电给蓄电池,再提供给负载。

  光伏控制器在设计时通常采用升压电路,产生比光伏电池板两端更高的电压,以利于向蓄电池充电,同时也克服了传统电路中防倒灌二极管将蓄电池电压钳位在12 V 的弊端。但当光照不足时,若要使蓄电池能够继续充电,该控制电路会导致光伏电池的工作点脱离最大功率输出点,会使得光伏路灯系统的发电效率下降。因此设计控制系统时需预设弱光段的阈值,以实现在弱光下能通过超级电容缓冲来保证蓄电池正常充电的目的。

  若直接采用光伏电池对蓄电池充电,当光照较弱且存在其他干扰因素时其输出电压会不稳定,导致光伏电池在充电时难以保持在充电最小电压上,最后导致系统在该光照范围内不能对蓄电池正常充电。系统通过采用超级电容,把阴天时太阳电池的不稳定的输出能量蓄积起来,等到满足一定的电压条件时,通过升压电路把超级电容中的能量释放到蓄电池,升压电路图如图2 所示。这种采用超级电容的方式可以提高在太阳光照射不强时的发电效率。

 

  

  图2 充电升压电路

 

  LED 的控制电路比较简单,直流驱动即可,且其寿命可达10 万h。但是,驱动电流的大小在很大程度上影响着LED 的寿命,如果电流太大,则可能引起LED 光衰现象严重,且寿命减少。故必须合理设计其驱动电路,如图3 所示为用BUCK电路实现的LED 恒流控制电路。

 

  

  图3 LED 的恒流控制电路

 

  5 防雷接地的设计

 

  LED 路灯的工作电压为12 V,属于安全电压,不做电气保护接地。但LED 路灯金属灯杆应做防雷接地,接地电阻经测试为8 Ω,符合要求。

  太阳能路灯照明系统的配置本智能小区的一盏太阳能路灯的系统基本配置如表2 所示:

 

  

 

  6 结束语

 

  智能小区太阳能路灯系统投入运行后,10 W的新型LED 光源足够用来照明,超级电容的应用能够保证给蓄电池合理充电,提高了充电效率,延长储能元器件的寿命,特别是阳光不太充足的时候,系统能够更好地存储能量,其储能可以连续供照明灯具使用7 天。系统的设计始终遵循智能建筑“节能和环保”的理念,应用了太阳能、长寿命的LED 光源和超级电容。如果再增加25 只超级电容器,则电容储能可以供给路灯一天的照明,随着超级电容容量的扩大和价格的降低,将其用做储能元件是可行的,智能小区的太阳能路灯系统也是对超级电容器应用的一个尝试。

关键字:超级电容  智能小区  太阳能 编辑:探路者 引用地址:超级电容在智能小区太阳能路灯系统中的应用

上一篇:小型太阳能光伏发电系统中的电路保护设计
下一篇:便携式车载逆变器的设计

推荐阅读最新更新时间:2023-10-12 22:41

天基太阳能:地球能源荒的终极方案?
艺术家对天基太阳能的概念想象图。图片来源:欧洲航天局 欧洲航天局日前发布了一位艺术家关于“天基太阳能”的概念图。图中,漂浮在太空中的巨型太阳能发电站产生的能量发射向地球。这样的场景让人们想起1941年美国科幻小说家艾萨克·阿西莫夫发表的短篇小说《理性》,其中提到了一种通过微波光束从空间站传输太阳能到附近行星的技术。 现在,科技的进步,加之对绿色能源日益增长的需求,正让这样的梦想照进现实。 今年稍早时间,在德国慕尼黑,空客公司在其X-Works创新工厂演示了使天基太阳能成为现实所需的关键技术。科学家使用微波束,在代表“太空”和“地球”的两点之间传输绿色能源超过36米。接收到的能量用以照亮一个模型城市,通过水的裂解成功
[新能源]
天基<font color='red'>太阳能</font>:地球能源荒的终极方案?
全球首个“全碳”太阳能电池被成功开发
近日,美国斯坦福大学研究小队开发了全球首款全碳太阳能电池。据介绍,该款超薄的电池将不仅可以减少生产成本,而且还可以涂在建筑物以及汽车窗户的玻璃上,时刻都准备着收集能源。该研发团队成Michael Vosgueritchian表示,虽然以前也出现过全碳太阳能电池,但是它们的碳材料只局限于位于电池中间的那层活跃层。而他们制造的太阳能电池是真的采用了100%的全碳材料,即使在其中使用的电极。     跟麻省理工学院此前开发的“全碳”太阳能电池一样,斯坦福大学开发的这款电池同样也是采用了由碳纳米管和巴基球组成的材料制成。 研发团队负责人Zhanan Bao表示,虽然目前这款电池的收集电量效率还不到1%,不过他相信随着材
[电源管理]
高倍聚光光伏(HCPV)电池作为第三代太阳能发电技术正逐渐成为太阳能领域的新焦点
  经过30多年的发展,高倍聚光光伏(HCPV)电池作为第三代太阳能发电技术正逐渐成为太阳能领域的新焦点,引起了行业内企业的追逐。在日光照射较好的几个欧美国家,已通过了优惠的上网电价法,随着具有40%转换效率的Ⅲ-V族半导体多结太阳能电池的普及和成本下降,高倍聚光光伏电池市场进入快速增长期。与前两代电池相比,HCPV采用多结的砷化镓电池,具有宽光谱吸收、高转换效率、良好的温度特性、低耗能的制造过程等优点,使它能在高倍聚焦的高温环境下仍保持较高的光电转换效率。高倍聚光光伏系统技术门槛较高且行业跨度大,涵盖半导体材料及工艺制造、半导体封装、光学设计制造、自动化控制、机械设计制造、金属加工等领域。HCPV行业的产品包括了多结电池片外延材
[新能源]
STSTEVAL-ISV006V25W太阳能电池充电器解决方案
 ST公司的STEVAL-ISV006V2是采用SPV1040的5W太阳能电池充电器,是高效率的DC/DC转换器,嵌入了MPPT算法,输入电压可低至0.3V,输入反相极性保护.而SPV1040的输入电压从0.3V到本世纪5.5V,具有140 mΩ同步整流器和120 mΩ电源开关,固定的100kHz PWM频率,效率高达成95%,主要用在智能手机和GPS系统,小型电器和传感器,PMP,数码相机,玩具和手提保健设备.本文介绍了SPV1040主要特性,方框图,应用电路以及评估板STEVAL-ISV006V2主要特性,电路图,材料清单和PCB布局图. The SPV1040 device is a low power, low voltag
[电源管理]
STSTEVAL-ISV006V25W<font color='red'>太阳能</font>电池充电器解决方案
太阳能LED照明原理与技术详析
太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源,太阳能作为一种巨量可再生能源,每天达到地球表面的辐射能大约等于2.5亿万桶石油,可以说是取之不尽、用之不竭。led的光谱几乎全部集中于可见光频段,所以发光效率高,一般人都认为,节能灯可节能4/5是伟大的创举,但LED比节能灯还要节能1/4,这是固体光源更伟大的改革。 太阳能LED照明集成了太阳能与LED的优点。 1、太阳能LED照明系统简介及工作原理 系统由太阳能电池组件部分(包括支架)、LED灯头、控制箱(内有控制器、蓄电池)和灯杆几部分构成;太阳能电池板光效达到127Wp/m2,效率较高,对系统的抗风设计非常有利;灯头部分以1W白光LED和1W黄光LED集成于印刷电
[电源管理]
中国研制出柔性太阳能电池 可用于可穿戴器件
  中国科学院化学研究所的研究团队近日成功研制了蜂巢状纳米支架,据此制备的柔性钙钛矿 太阳能电池 具有优异的耐弯折性,可广泛应用于各类 可穿戴 器件。柔性 可穿戴 电子是未来电子元器件发展的热点方向,电源是其重要的组成部分。目前,电源对 可穿戴 电子的户外使用性、大面积贴合性和安全性有较大限制。下面就随电源管理小编一起来了解一下相关内容吧。 蜂巢纳米支架的制备及可穿戴太阳能电源应用   中科院化学所绿色印刷院重点实验室研究员宋延林课题组通过纳米组装—印刷方式制备了蜂巢状纳米支架,可作为力学缓冲层和光学谐振腔,从而大幅提高柔性钙钛矿 太阳能电池 的光电转换效率和力学稳定性。   该研究为研发新一代可穿戴电子设备提供了新的思路
[电源管理]
基于AT89S52单片机的太阳能环境参数测试仪的系统设计
引 言 为了确保太阳能发电系统能够正常的工作,需要对太阳能发电系统的各项环境参数进行测量,从而有效地控制其运行。本文介绍了一种基于单片机的太阳能参数测试仪,提供了3种参数的测量功能和通信接口,以及2种供电方式,既可作为手持设备使用,又能安装在发电系统中,具有较高的实用价值。 1 硬件电路设计 1.1 总体结构 该测试仪以AT89S52单片机为核心,外接温湿度传感器SHTll、照度传感器TSL2561、四位共阴数码管、RS485总线通信接口以及显示切换按键。单片机上电工作后,对当前温度、湿度、光强度进行实时测量,通过按键切换将测得的3种参数通过LED数码管进行轮流显示;此外,还可以通过RS485总线与PC
[单片机]
基于AT89S52单片机的<font color='red'>太阳能</font>环境参数测试仪的系统设计
基于STM32设计的太阳能热水器
一、概述 本项目使用 STM32F103C8T6 微控制器作为核心处理器,结合多个传感器和执行器,实现了太阳能热水器的自动控制。通过对光照、温度、水位等各种参数的监测和分析,对水泵、电磁阀等设备进行自动控制,从而实现太阳能热水器的高效、安全、可靠运行。 二、硬件设计 (1)模块组成 太阳能热水器模块主要由以下几个部分组成: 光敏传感器模块:用于检测阳光强度,反映太阳辐射强度和方向。 温度传感器模块:用于检测太阳能集热器表面和水箱内的温度,并根据温度变化调整水泵、电磁阀等设备的运行状态。 液位传感器模块:用于检测水箱内的液位,并根据液位高低控制水泵和电磁阀的启停。 水泵模块:通过控制水泵的启停,实现水循环流动和充水功能。 电
[单片机]
基于STM32设计的<font color='red'>太阳能</font>热水器
小广播
最新电源管理文章
换一换 更多 相关热搜器件
电子工程世界版权所有 京B2-20211791 京ICP备10001474号-1 电信业务审批[2006]字第258号函 京公网安备 11010802033920号 Copyright © 2005-2024 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved