太阳能路灯优化设计

太阳能路灯系统的优化设计

Optimal sizing of solar streetlight system

鞠振河沈阳110136

摘要:论述了利用太阳能电池组件“全年均衡冬半年最大”的接收太阳能辐射量原则以及利用全年累计最大亏欠量和放电深度计算蓄电池组件容量的方法，确定沈阳工程学院新校区太阳能路灯优化设计结果。

关键词：太阳能路灯系统优化设计

一、概述

面对人类的可持续发展，从现有常规能源向清洁、可再生的新能源过渡已提到议事上来了。因为新能源是依托高新技术的发展，开辟持久可再生能源的道路，以满足人类不断增长的能源需求，并保护地球的洁净。利用太阳能发电，既不需要燃料，也没有烟尘和灰渣，不污染环境，非常清洁。特别是太阳能电池组件，使用寿命可达20年以上，性能稳定，同时维护费用较低。

太阳能道路照明灯不需要架设输电线路或挖沟铺设电缆，不用专人管理和控制，可安装在广场、停车场、高尔夫球场、校园、公园、街道和高速公路等任何地方。本文是笔者为沈阳工程学院新校区设计的两款太阳能路灯主要内容和结果。

1.设计原则

太阳能电池组件发电路灯系统设计的总原则是，在保证满足负载供电需要的前提下，确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量，以尽量减少初始投资。对系统设计者来说，在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择，可轻易地使系统的投资成倍地增加，而且未必见得就能够满足使用要求。

在设计计算中，需要的基本数据主要有：现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔高度等；安装地点的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况。气象资料一般无法做出长期预测，只能以过去10年到20年的平均值作为依据。

采取目前国际上流行的“全年均衡冬半年最大”的接收太阳能辐射量的光伏系统设计原则，即根据蓄电池组件均衡充电的要求，以夏半年和冬半年在组件面上的日辐射量相等，但同时还要使组件上冬半年的日辐射量尽量达到最大值，从而增加组件在太阳辐射强度较弱月份的发电量原则，来确定太阳能电池组件面的最佳倾角及其最佳发电电流值,同时统计出全年累计最大的连续亏欠电量,结合适当的蓄电池组件放电深度,确定出组件和蓄电池组件的合理搭配容量。

2. 设计方法

首先根据各向异性的天空辐射模型，计算出在纬度为φ处，倾角为β的斜面

上的太阳辐射量H T 。在实际应用时，可在当地纬度的-20°~ +30°范围内分别算出夏半年和冬半年的平均日辐射量21H H 和，然后根据前述原则，确定当地的最佳倾角及各月平均日辐射量。

（1）平均峰值日照时数m T

求出全年平均日太阳辐射量T H ，并用单位mWh/c 2m 表示，除以标准日太阳辐射照度，即可求出平均峰值日照时数m T 。

()()

2

2100−−⋅⋅=cm

mW cm mWh H T T m (1)i

（2）确定太阳能电池组件最佳电流

太阳能太阳能电池组件应输出的最小电流为

=

min I 3

21ηηη⋅⋅⋅m T L

(2)ii

式中，L 为负载每天总耗电量；1η为蓄电池组件充电效率（0.80~0.90）；2η为太阳能太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取

0.9~0.95iii ；3η为太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数，通常可取0.9~0.95。

由太阳能电池组件面上各月中最小的太阳能总辐射量min T H 可算出各月中最小的峰值时数min T ，则太阳能太阳能电池组件应输出的最大电流为：

3

21min

max ηηη⋅⋅⋅=

T L

I (3)iv

太阳能电池组件的最佳电流值介于min I 和max I 之间，具体数值可用试验方法确定。方法是先选定一个电流值A I ，按月求出太阳能电池组件的输出发电量，对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据式 (4)进行计算。

3321ηηη⋅⋅⋅⋅⋅=T A A H N I E /100(mW ・cm 2

) (4)

式中，Ｎ为当月天数。而各月负载耗电量为：

L N E L ⋅= (5)

两者相减，若L A E E E −=∆为正，表示该月太阳能电池组件发电量大于用电

量，能给蓄电池组件充电；若E ∆为负，表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量，要用蓄电池组件贮存的电能来补充，蓄电池组件处于亏损状态。如果蓄电

池组件全年荷电状态低于原定的放电深度（一般≤0.5）

，则应增加太阳能电池组件输出电流；如果荷电状态始终大大高于放电深度允许值，则可减少太阳能电池组件输出电流。当然，也可以增加或减少蓄电池组件容量。

（3）蓄电池组件容量的确定

列表算出全年各月i E ∆的数值，并算出全年中E ∆连续为负值（即连续亏欠量）的累积值∑∆i E 。如果全年只有一个连续亏欠期，它就是累积亏欠量之和。对北半球来说，由于岁末年初是冬季，在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。如有几个不连续的亏欠期，即在连续两个亏欠期之间有i E ∆为正的盈余量，则应扣除此盈余量。最后求出累积亏欠量∑∆i E ，这样即可确定蓄电池组件的容量：

DOD

E C i

∑∆=

(6)

式中，DOD 为放电深度，对铅酸蓄电池组件最大可达75%—80%。但考虑蓄电池组件的寿命等影响因素，一般取DOD=60—70%v 为宜。

蓄电池组件容量与负载日耗电量相除，即可得到蓄电池组件的储备天数：

n = C/L (7) 通常取n = 4～11天即可vi 。如得出的n 太大，则适当增加所取太阳能电池组件的工作电流，重新进行计算。如n 过小，则适当减小太阳能电池组件的工作电流，直到n 处于以上范围为止。

（4）确定太阳能电池组件的工作电压

太阳能电池组件的输出工作电压应足够大，以保证全年能有效地对蓄电池组件充电。因此，太阳能电池组件在任何季节的工作电压须满足

A V ＝i d f V V V ++ (8)

式中，f V 为蓄电池组件浮充电压；d V 为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降；i V 为因温度升高引起的压降。众所周知，厂商出售的太阳能电池组件所标出的标称工作电压和输出功率最大值（p W ）

，都是在标准状态下测试的结果。由太阳能电池组件的温度特性曲线可知，当温度升高时，其工作电压有较明显的下降，可用式（9）计算因温度升高而引起的压降i V 。

a i V t a V )25(max −= (9)

式中，a 是太阳能电池组件的温度系数，对单晶硅和多晶硅电池组件来说，

a=0.005，对非晶硅电池组件来说，a=0.003；max T 为太阳能电池组件的最高工作