發(fā)布時(shí)間:2018/9/3 9:06:50 來(lái)源:本站
太陽(yáng)能路燈是以太陽(yáng)能作為電能供給,用來(lái)提供夜間道路照明的小型獨(dú)立光伏系統(tǒng),是光伏的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。隨著綠色能源及低碳生活的不斷深化、光伏組件成本的下降及新型光源的不斷推出,以不消耗常規(guī)電能、不鋪設(shè)供電線路、安裝簡(jiǎn)單、免維護(hù),可用于公園、道路、街道、草坪、工業(yè)園區(qū)、景觀亮化、旅游風(fēng)景區(qū)、廣場(chǎng)等場(chǎng)所照明及亮化裝飾的太陽(yáng)能路燈在太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)正在越來(lái)越多地被廣泛應(yīng)用,如最近實(shí)施社會(huì)主義新農(nóng)村“綠色光亮工程”就全部用太陽(yáng)能路燈。太陽(yáng)能路燈由于地處戶外,工作環(huán)境較為惡劣且位置分散,不易實(shí)施集中監(jiān)控且數(shù)據(jù)采集不易,對(duì)其工作情況的掌控仍有待提高。本文將就目前正在被廣泛使用太陽(yáng)能路燈照明系統(tǒng)的運(yùn)行特性采用仿真方法進(jìn)行研究,以提高對(duì)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)工作情況的了解。
太陽(yáng)能路燈由如圖1所示的部分構(gòu)成,白天在光照條件下,太陽(yáng)電池組件將所發(fā)電能通過(guò)充放電控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充電,將由光能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能貯存起來(lái)。當(dāng)蓄電池被充滿電時(shí),控制器內(nèi)的自保系統(tǒng)動(dòng)作,切斷充電電源。晚間,太陽(yáng)能電池板充當(dāng)了光電控制器(也可時(shí)控),啟動(dòng)控制器讓蓄電池給照明燈供電,點(diǎn)亮照明燈具。當(dāng)蓄電池所儲(chǔ)存的電能放到蓄電池所允許的下限時(shí),控制器會(huì)切斷照明燈電源,以保護(hù)蓄電池不被過(guò)放電,此時(shí)路燈將停電。次日凌晨,太陽(yáng)能電池板又充當(dāng)光電控制器啟動(dòng)控制器,切斷照明燈電源并在光照條件許可的情況下重新開始對(duì)蓄電池的充電工作。在此工作過(guò)程中蓄電池是系統(tǒng)關(guān)鍵的設(shè)備之一,同時(shí)也是最薄弱的設(shè)備,它的可靠性幾乎決定了系統(tǒng)工作的可靠性。
圖1 太陽(yáng)能路燈構(gòu)成框圖
Fig.1 Frame of PV lamp
現(xiàn)代的太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)主要為直流系統(tǒng),有12 V或24 V兩種工作電壓。蓄電池采用免維護(hù)鉛酸蓄電池,光源多采用LED燈,功率從十幾瓦到上百瓦不等,且功率可調(diào)。在許多應(yīng)用場(chǎng)所,出于節(jié)能考慮,在后半夜(午夜12點(diǎn)以后)活動(dòng)人群稀少的條件下,一般都將光源功率調(diào)減到額定功率的二分之一甚至三分之一狀態(tài)下運(yùn)行。
按照通常的配置計(jì)算方法,所需光伏組件的充電電流為:
式中W為負(fù)載日用電量,單位wh,H s代表光伏組件受到的全年日平均標(biāo)準(zhǔn)日照時(shí)數(shù),V為蓄電池電壓,η為考慮蓄電池效率、光伏組件工作溫度和電壓損耗、灰塵遮擋、線路損耗、組合損耗等因素引起的系統(tǒng)效率系數(shù),其數(shù)值在0.5-0.7之間。由此可計(jì)算得到在負(fù)載日用電量為W的條件下所需配置的光伏組件功率:
式中V m為光伏組件峰值功率電壓。
蓄電池容量:
式中D為為連續(xù)陰雨天數(shù),V為蓄電池電壓,η慮蓄電池效率(鉛酸蓄電池的安時(shí)效率通常為85%左右),DOD 為蓄電池放電深度,通?紤]DOD不低于50%,但對(duì)路燈系統(tǒng),現(xiàn)行做法是不低于70%.
根據(jù)上述計(jì)算可提供一個(gè)合理的系統(tǒng)配置范圍,最終的選擇則要視實(shí)際情況而定。
根據(jù)太陽(yáng)能路燈的工作原理及構(gòu)成框圖,采用 MATLAB/SI MULINK、 MATLAB/SI MPOWERSYSTEMS提供的模塊建立如圖 2所示的工作模型:
圖2 路燈系統(tǒng)MATLAB工作模型
Fig.2 MATLAB module of la mp syste m
模型中采用SOC控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)鉛酸蓄電池充放電控制,太陽(yáng)電池組件的供電及負(fù)載耗電采用受控電流源方式實(shí)現(xiàn)?紤]到一般路燈安裝地?zé)o詳細(xì)太陽(yáng)輻照數(shù)據(jù),模型中采用全年太陽(yáng)輻照平均的方法,將全年太陽(yáng)輻照轉(zhuǎn)換為日平均標(biāo)準(zhǔn)日照時(shí)數(shù)估算太陽(yáng)電池所發(fā)電能的安時(shí)數(shù)。
考慮一個(gè)功率為30 W的LED燈,每天工作12h(前6h全功率運(yùn)行,后6h半功率運(yùn)行),安裝地的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)日照時(shí)間為4h(相當(dāng)于二類地區(qū)),系統(tǒng)應(yīng)能保正4個(gè)連續(xù)陰雨天正常工作,由上兩式可計(jì)算得到如下配置:140 W 光伏組件,12 V200 Ah鉛酸蓄電池。
針對(duì)上述配置的系統(tǒng),采用圖2所示MATLAB工作模型對(duì)140 W光伏組件、12 V200 Ah的系統(tǒng)進(jìn)行仿真運(yùn)算(開始蓄電池處于充滿狀態(tài)),得到如圖3-圖7所示工作曲線,曲線反映了路燈系統(tǒng)在不同的天氣情況下蓄電池電壓及其荷電狀態(tài)(SOC)的變化情況,圖中陰雨天時(shí)仍考慮100 mA的充電電流。
圖3 正常天氣下蓄電池電壓及SOC變化曲線
Fig.3 Battery voltage and SOC curve at nor mal weather
圖4 1d陰雨時(shí)蓄電池電壓及SOC變化曲線
Fig.4 Battery voltage and SOC curve at 1 raining day
圖5 連續(xù)2d陰雨時(shí)蓄電池電壓及SOC變化曲線
Fig.5 Battery voltage and SOC curve at 2 raining days
圖6 連續(xù)3d陰雨時(shí)蓄電池電壓及SOC變化曲線
Fig.6 Battery voltage and SOC curve at 3 raining days
圖7 連續(xù)4d陰雨時(shí)蓄電池電壓及SOC變化曲線
Fig.7 Battery voltage and SOC curve at 4 raining days
圖8 180 W組件配置連續(xù)4d陰雨時(shí)蓄電池電壓及SOC變化曲線
Fig.8 180wPV battery voltage and SOC curve at 4 raining days
從上面幾個(gè)圖中我們可看到系統(tǒng)在正常天氣情況及連續(xù)陰雨天較短(如小于1d)下能實(shí)現(xiàn)蓄電池不虧電條件下的工作循環(huán),放電深度僅11%-20%,并且蓄電池能夠在數(shù)十小時(shí)恢復(fù)狀態(tài)(SOC=1).但在連續(xù)陰雨天較長(zhǎng)時(shí)(3-4d),蓄電池要恢復(fù)到SOC等于1的狀態(tài)則需要數(shù)百小時(shí),這就要求有連續(xù)10d以上的晴天,這就使得在以后的工作循環(huán)中蓄電池將長(zhǎng)期處于虧電狀態(tài),若再遇到以后天氣不理想,蓄電池虧電運(yùn)行時(shí)間將更長(zhǎng),甚至停電,而這種情況在雨季經(jīng)常發(fā)生。長(zhǎng)期將導(dǎo)致系統(tǒng)中蓄電池出現(xiàn)酸分層及極板硫酸鹽化,導(dǎo)致其使用壽命大為縮短。為此除了對(duì)蓄電池進(jìn)行科學(xué)的能量控制管理外,提高光伏組件的配置功率是解決此問(wèn)題的較好途徑,圖8是將光伏組件提高到180 W后連續(xù)4個(gè)陰雨天的運(yùn)行情況,與圖7對(duì)比可見,系統(tǒng)恢復(fù)到滿充狀態(tài)(SOC=1)的時(shí)間明顯縮短,180 W光伏組件系統(tǒng)211h恢復(fù)到SOC等于1狀態(tài)(相當(dāng)于連續(xù)9個(gè)晴天),而140 W光伏組件系統(tǒng)則需近300h(相當(dāng)于連續(xù)12個(gè)晴天)才能恢復(fù)到相同狀態(tài)。
故此我們認(rèn)為在計(jì)算光伏組件功率時(shí),出于對(duì)蓄電池保護(hù)及系統(tǒng)可靠性的角度,應(yīng)適當(dāng)提高光伏組件的功率余量,也就是在(2)式中乘上一個(gè)針對(duì)連續(xù)陰雨天蓄電池狀態(tài)恢復(fù)的系數(shù)R:
R為大于1的系數(shù),應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖馇闆r及系統(tǒng)配置情況而定,在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下提高光伏組件的配置功率有利于路燈系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。
MATLAB是一個(gè)較普及和容易使用的科學(xué)計(jì)算軟件,其中的 SI MULINK、SI MPOWERSYSTEMS軟件包提供的模塊可以方更的對(duì)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行情況進(jìn)行仿真研究。本文通過(guò)對(duì)一個(gè)常規(guī)配置系統(tǒng)的仿真數(shù)據(jù),獲得了在不同天氣情況下太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行詳情。數(shù)所表明,按通常的配置計(jì)算方法,太陽(yáng)能路燈能夠正?煽窟\(yùn)行,同時(shí)我們也看到了常規(guī)配置計(jì)算中存在的不足并提出了改進(jìn)算法。
|
||