在能源日益短缺、環境污染和環境保護越來越受重視的情況下,充分開發利用太陽能已成為當前社會各界所關注的焦點之一。太陽能路燈作為新能源的一種典型應用,在國內的不少地區都有相應的應用實例。太陽能路燈具有安裝后無需支付電費、無需架設輸電線路或鋪設電纜、清潔環保、維護費用低等優點,受到了相關方的青睞,在很多城市和鄉村都能看見以試驗或示范形式出現的太陽能路燈。但目前太陽能路燈在應用中也存在不少問題,隨著實際應用的增多,接到用戶投訴和報修的問題也越來越多。

1　太陽能路燈系統組成及使用中存在的問題

太陽能照明系統可以分成3大類型,包括獨立系統、并網系統和混合系統。獨立系統常見于居民區路燈、停車場標志燈和電網公共照明系統,它們通常需要電池,有較高的存儲修復損耗和維護費用。

太陽能獨立路燈系統根據負載可分成交流型和直流型,如圖1、圖2所示。目前由于主流燈具都是交流燈具,因此第1類太陽能照明系統應用較多(如太陽能低壓節能燈) 。第2 類太陽能照明系統由于受目前光效、成本等因素影響,使用量還不大,但隨著今后技術的革新,其使用也會越來越多。圖3是無極燈太陽能路燈的系統組成。

在保證燈具在規定工作條件的情況下,系統配置的好壞主要看太陽能組件、路燈控制器、銀泰蓄電池之間的匹配與否。而根據目前太陽能路燈出現的問題和當前的技術水平,存在的問題主要有2點:

(1)路燈在使用一段時間后,經常幾天不工作;(2)設計蓄電池使用壽命在2～5年左右,實際蓄電池使用往往低于設計壽命,甚至不足1年。

2　問題分析

不少廠家在路燈配置時不關注各個地區日照的具體不同,只是經驗性地選配光伏組件,有時候為了滿足客戶低成本的要求,低配了太陽能組件,或者只考慮單日發電量與耗電的匹配,而沒有考慮蓄電池充電問題。

(1)路燈在使用一段時間后,經常幾天不工作。

出現該問題的主要原因在于組件配置過低,也會有蓄電池配置過高的情況,但主要還是前者。連續幾天陰雨后,路燈系統蓄電池會過放,控制器會出現過放保護,此時如果太陽能發電量偏少,蓄電池電壓達不到控制器的恢復放電電壓,控制器與負載間一直斷電,組件容量過小或陰雨天過長必然導致長時間不放電。因此在組件容量計算時需要考慮蓄電池充電時間問題,盡可能2～3天充滿。

(2)設計蓄電池使用壽命在2～5年左右,實際蓄電池使用往往低于設計壽命,甚至不足1年。

出現該問題的主要原因在于蓄電池配置或工作不當。比如蓄電池容量相對于連續陰雨的天數偏小,或蓄電池工作時一直處于深度循環。其中第2種是主要原因。

有些廠家,為了減少出現上面問題,往往把控制器恢復放電電壓設置過小,導致銀泰蓄電池往往充電很少就又處于放電狀態,沒有很好利用蓄電池,減少了其使用壽命。

因此在控制器恢復放電的電壓設置上需要合理選擇。

3　系統優化配置步驟

以下就配置及以上問題提出相應的應對和優化方法。

以24V的40W無極燈為例,按每天使用小時數為8h、連續陰雨天4天要求,在鎮江應用時,結合當地光照(如表1)具體配置步驟如下:

(1)先確定蓄電池容量。

配置蓄電池時考慮放電深度0175、充放電效率0185及安全系數111等,根據負載估算蓄電池容量:

111 ×40 ×8 ×4 ÷0185 ÷0175 ÷24 = 9211Ah此時實際選用2個12V /100Ah蓄電池串聯即可。

(2)初步配置太陽能組件。

在配置組件時參照當地日照輻射量,選取合適的傾斜角,和并網發電不同,太陽能路燈應保證最低日照月份輻射盡可能大,如表1 所示。此時傾斜角在30°,最低輻射在10月份,只有4113kWh /m2 /d,折算到標準日照強度1kW /m2 時為4113h /d。

表1　鎮江峰值日照時間表

考慮發電量會受方位角、灰塵、局部陽光遮擋、組件的光電轉換效率和系統其他效率損失等影響,系統設計壽命期內平均發電效率按78%取值,同時考慮蓄電池系統效率問題。

光伏組件容量= 40 ×8 ×111 ÷0185 ÷4113 ÷0178 = 12816Wp。此時如果以為組件130Wp 夠了,很可能出現上面連續幾天路燈不工作現象。

(3)優化組件配置

考慮到路燈連續工作要求在4天,為了保證在連續4天放電后,能盡快恢復工作,組件容量需增大,縮短充滿電時間,如果當地連續4天陰雨的天數較多,則充電時間要控制在2天以內。

以選用160Wp 組件為例,估算充電時間。充電效率在019～0195,取019。

平均蓄電池充電時間= 2 ×100 ×12 ×0175 / (019×0178 ×160 ×4145 ) = 316 天, 時間過長。選取190Wp,此時充電時間在3 天左右。而240Wp 組件也需充電214天。考慮成本等因素實際選擇190Wp組件。

從中可以看出在配置組件時不能只看單日耗電量,還要結合蓄電池容量來優化配置。

(4)路燈控制器選擇及優化

因為路燈工作電壓是24V,蓄電池串聯輸出額定電壓也是24V,所以控制器也應該選擇24V額定工作電壓,其光伏組件的額定輸出電壓為34V。現在市場上大部分控制器最大輸入電壓是額定工作電壓的2倍。因此對總容量為190Wp 的系統, 可以用2 塊ZXM095W18V - 12502組件(單晶硅太陽能電池)串聯構成,其參數見表2。如果單塊190Wp組件最大功率工作電壓在30～34V亦可選用。

此時串聯工作電壓= 3414V,最大輸出開路電壓= 4214V,短路電流= 5199A。因此控制器額定充電電流選用10A。

在控制器選擇時,還需要關注過充保護、恢復充電、過放保護、恢復放電電壓,如圖3所示。特別是針對恢復放電電壓,目前市場上24V控制器主要設置在25V以上,有些甚至是26V。就如前面分析的第1個問題,此時很可能出現太陽能路燈連續幾天不亮。

如果系統配置不合理,很可能會長時間不工作,用戶很可能就以為路燈壞了,企業聲譽必然受到影響。因此對恢復放電電壓不能設置過高。

但同樣的,如果為了減少出現這種問題的機會,把恢復放電電壓設置過低,甚至低于23V,就如前面分析的第2個問題,很可能會出現使用壽命縮短的問題,特別對蓄電池更是如此。

針對控制器的這2個問題,為了兼顧平衡,可以設置多項恢復條件,而不再是固定的值。控制器的具體恢復電壓設置可以參考圖4。

4　結束語

太陽能路燈是當前國內太陽能發電應用的一個主要領域,特別在一些地區是作為太陽能利用的示范工程在做。其實際應用的好壞將很大程度上影響今后光伏系統在國內的推廣使用。因此作為光伏產業中的一員,我們需要加強對實際應用系統的經驗積累,綜合考量用戶的成本和系統的穩定。

隨著產業技術的革新,新材料、太陽能電池的轉化效率、蓄電池的性價比、中間控制轉換環節的改善,成本必然會大大降低。相信太陽能照明系統在很多場合完全可以取代傳統照明,逐漸走進尋常百姓家,同時也會在很大程度上改善能源結構和減輕環保壓力,增強我國的能源安全。