基于超级电容的太阳能楼道照明系统的设计

2011-10-20王志勇田树仁夏国明马香普

河北科技大学学报 2011年4期

王志勇，田树仁，夏国明，李凯，马香普

（1.河北工程技术高等专科学校电力工程系，河北沧州 061001；2.河北工程技术高等专科学校教务处，河北沧州 061001）

目前的楼道照明系统有诸多不足［1］，利用太阳能开发太阳能楼道照明系统对于节约电能具有重要意义。笔者设计的基于超级电容的太阳能楼道照明系统，就是利用了太阳能这种可再生能源，并且采用超级电容作为绿色储能元件，采用LED作为光源，为用户提供了一种节能、环保、安全可靠的照明系统。

1 太阳能楼道照明系统的设计原则

为了取得更好的控制效果，提高居民的生活质量，用红外探测器和光探测器控制楼道照明，连续阴雨天太阳能不足时，由交流市电供电。从节能和环保的角度出发，笔者采用超级电容作为绿色储能器件，不采用对环境有污染的蓄电池，光源采用白光LED灯具。在满足负载用电的前提下，尽量减小太阳能电池组件的容量和超级电容的容量，以降低初期投资；采用国际流行的“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，来确定太阳能电池板的最佳倾角。

2 太阳能楼道照明系统的设计方法

本系统主要由照明灯具、探测器、太阳能电池、超级电容和控制器组成，如图1所示。

2.1 照明灯具的设计

传统的照明灯具多是白炽灯和节能灯。白炽灯只有不到1／10的电能转变成光能，其他都以热能的形式浪费掉了。在这种情况下节能灯应运而生。节能灯虽然比白炽灯的电-光转换效率提高了，但是它也有如下缺点。

1）污染严重。在生产过程中和废弃后均有汞污染，危害人体健康，污染环境。

2）易破碎。由于是玻璃制品，不方便运输和安装。

3）耗电量较大。能耗为LED灯的2倍。

4）寿命短。节能灯灯丝容易烧毁、易损坏，节能不省钱就是它的最好写照。

LED是发光二极管，四周用环氧树脂密封，当它处于正向工作状态（即两端加上正向电压），电流从LED阳极流向阴极时，会以光子的形式发出能量。LED灯特点如下［2］。

1）体积小。LED基本上是一块很小的晶片，被封装在环氧树脂里面，所以它的体积、质量都小。

2）高效节能。LED耗电量相当低，一般LED的工作电压是2～3.6V，工作电流是0.02～0.03A。这就是说，它的电功率不超过0.15W。LED灯的电-光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上，白光LED灯的能耗仅为白炽灯的1／8、节能灯的1／4。

3）使用寿命长。在合适的电流和电压下，LED灯的使用寿命可达10万h，比传统光源寿命长10倍以上。

4）高亮度、低热量。LED灯使用冷发光技术，发热量比普通照明灯具低很多。

5）环保。LED灯是由无毒的材料制成，不像荧光灯因含水银会造成污染，同时LED灯也可以回收再利用，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。

6）坚固耐用。LED被完全封装在环氧树脂里面，比灯泡和荧光灯管都坚固，灯体内也没有松动的部分，这些特点使得LED灯不易损坏。

以上特点决定了LED灯是一种节能且绿色环保的照明灯具，比传统灯具更适合当今建筑，特别是用在楼道这种频繁启动或关断的照明场合。基于上述情况，本系统的照明灯具采用2W的白光LED楼道灯，其照明效果相当于25W的白炽灯，但是耗电量大大降低，节约了电能。

图1 太阳能楼道照明系统的组成框图Fig.1 Structure block diagram of solar corridor lighting system

2.2 探测器的设计［3］

探测器相当于传统照明方式的开关，用来启动或关断照明，但它是一种自动开关，可以单独装设，也可和照明灯具做在一起。本系统采用的是集LED灯照明、红外探测器、光控、智能控制于一体的产品。白天光控作用下，灯具处于关闭状态；夜晚照度低于设定值后，光控开启，当有人走动时，红外探测器感应到人体发射的红外线后，启动照明，并延时关闭。这种照明装置的累计工作寿命可达50 000h以上。它避免了开关损坏的可能，免除了在黑暗中寻找开关的烦恼，也不存在触摸开关导致的危险，更不会存在声控开关的误启动问题。

2.3 太阳能电池的设计

2.3.1 太阳能电池板的倾角设计［4］

根据笔者所在位置，通常太阳能电池板应该朝向赤道方向安装，面向正南或稍微偏西，并且相对地平面要有合适的倾角，这就是太阳能电池板的倾角。由于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能电池板接收的太阳能量也随之改变，所以太阳能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能电池板的最佳倾角，使其接收的太阳光全年平均量最大。太阳能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［5］，可以使用Hay提出的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射量，结合“全年均衡冬季最大”理论，可以确定太阳能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射量大，冬季大倾角的电池板接收到的太阳辐射量大，所以可以在38°倾角基础上适当增加5°～10°［6］，效果会更好。而且有利于积雪滑落，减小维护工作量。本系统太阳能电池板倾角取43°。

2.3.2 太阳能电池容量的设计［7］

以6层楼为例，每个LED灯的功率为2W，每个单元的楼道照明负载为12W，假设每天工作10h；设太阳能电池的功率为WS，系统效率为40%，留20%的余量，每天日照工作时间为5h，则有

解得

为满足蓄电装置的储能要求，太阳能电池组功率选择要大些，系统选择12V，100Wp的太阳能电池组。

2.4 超级电容的选择

每个单元的楼道照明负载为12W，照明时间为10h，负载的日耗电量为12W×10h=120W·h，即120／12=10A·h。如需要则太阳能路灯的二次电源超级电容阵列提供1天的照明。

为了满足电压的需要，采用5个2.7V的超级电容串联，其单体工作电压范围为0.75～2.7V，其最小容量应等于10A·h，设单体电容量为C，则有下面式子成立［8］：

解得

单体电容量太大，采用2组并联组成超级电容阵列，则单体电容量为0.5×3 692=1 846F，本系统选择了2.7V，2 000F的超级电容。

2.5 控制器的设计

楼道太阳能照明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器件，采用的是由集成电路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，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超级电容的充放电特性设计一个比较好的电压回差，同时器件的选择要可靠，再加上发光二极管构成的充放电状态指示电路，便形成了一个具有实用功能的控制器电路，具有防超级电容过放电、过充电功能。

2.5.1 超级电容的等效电路

超级电容器的等效电路如图2所示，由理想电容元件C并联绝缘电阻R1，然后串联电阻R2组成。R1反映超级电容器总的漏电情况，一般只影响长期储能过程，也称为漏电电阻。在本系统中，超级电容器通过功率变换器与电源连接，R1的影响可以忽略。R2电阻主要由电极物质内阻、溶液内阻和接触电阻组成，在大电流充放电情况下，必须尽可能减小R2的阻值，以减小其内阻消耗。一般电池的内阻消耗可达50%，而超级电容小于10%。

如果忽略R1，超级电容阵列的阻值可按照下式计算：

图2 超级电容器的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of super capacitor

式中：N1为串联器件数；N2为并联支路数。本系统的电容器每个阻值为0.35mΩ，串联器件数为5，并联支路数为2，则超级电容阵列的阻值为

2.5.2 超级电容器的充放电控制［9］

控制器主回路如图3所示。其中充电回路采用的是BUCK型降压电路。它是通过斩波形式降低平均输出电压，通过调节占空比来调节光伏电池输出电压，使其符合超级电容的要求。控制电路中的开关管Q不断导通和截止，把光伏电池输出的直流电压转换为脉冲电压，再经过LC滤波，输出直流电压。另外，为了防止超级电容给光伏电池反充电，设计了二极管D1。

图3 控制器主电路Fig.3 Main circuit of the controller

楼道照明系统的负载为大功率LED灯，由超级电容器供电。当光线暗到一定程度，控制器检测到后就给出控制信号，使超级电容器对外放电，LED灯被点亮。为了保证LED灯的工作电压或电流恒定，需要在超级电容器与负载之间增加稳压器或恒流器。本系统采用了DC-DC稳压电路［10］（如图4所示）来确保LED灯工作于稳定状态。

实际上，超级电容器过放电会影响其寿命，另外，超级电容器的工作电压不能低于负载的要求，所以系统设计了过放电和过充电控制电路。通过检测超级电容器的端电压，由控制器来控制充电和放电。

2.5.3 光电和市电的切换控制

由于超级电容的容量限制，其储能只能提供1～2d的照明，所以本系统设计了交流市电作为备用的供电方式，如图5所示，当连续阴雨天，太阳能不足时，系统通过联动开关自动切换到市电供电模式，通过开关电源输出12V直流给LED照明灯。这样就保证了楼道照明的供电质量。

图4 LED的驱动稳压电路Fig.4 Voltage-stabilizing circuit of driving LED

图5 光电和市电的切换示意图Fig.5 Diagram of switching photoelectric and alternating current

3 楼道太阳能照明系统的配置［11］

以6层楼1个单元的楼道太阳能照明系统为例，其基本配置如表1所示。

4 防雷接地设计

LED路灯的工作电压为12V，属安全电压，不做电气保护接地。但控制箱的金属外壳应做防雷接地，接地电阻小于10Ω。交流电源部分有接地保护，小于4Ω［12-13］。

表1 楼道太阳能照明系统的基本配置Tab.1 Basic configuration of solar corridor lighting system

5 经济效益

对于普通25W照明灯，如每天使用10h，1年按310天（除去阴雨天）计［5］，则每个单元6盏灯1年所需要的电费（0.5元／kW·h）为25×10×310×6÷1 000×0.5=232.5元。每栋楼4个单元的楼道照明所需电费为930元。也就是说使用本太阳能楼道照明系统，每栋楼每年可节约电费近千元，使用20年可节约电费约2万元。整个小区的节电情况会更加可观。

目前超级电容的价格较高，系统成本的回收年限可能会长一些。但随着国产超级电容器技术的逐步成熟，价格的降低，回收年限会逐渐缩短。值得注意的是超级电容的环保价值是不可估量的。

6 结语

基于超级电容的楼道太阳能照明系统，完全是从实用、节能和环保的角度出发进行设计的。太阳能的利用会大大节约电能，LED照明灯具和超级电容的使用会减少环境污染，红外探测器和光探测器给居民的生活带来了更大的便利。备用的交流市电保证了楼道照明不会中断。随着科技的发展、超级电容容量的提高，将来可以完全依靠超级电容这种绿色能源给楼道照明系统供电，连续的阴雨天也不会中断。

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