超级电容技术应用于高校光伏路灯的探索

2020-06-12朱卫东孙仲良

上海节能 2020年5期

朱卫东孙仲良

1.东华大学；

2.华东理工大学

0 前言

太阳能是地球上最直接最普遍也是最清洁的能源，并且太阳能在路灯照明系统方面的应用已经逐渐形成规模，但是传统太阳能路灯在实际应用中通常存在受光伏板配置局限，导致阴雨天无法正常使用。其次，太阳能光伏产生的电能储存效率，导致维护成本高、污染环境等具体问题，使得传统的太阳能路灯的推广和发展存在难以持续的瓶颈。

超级电容技术的发展和产品的问世，将储电技术与光伏电源结合，用于太阳能光伏路灯可有效地解决原先存在的诸多技术问题。鉴于松江校区某高校部分室外道路以及足球场需要配置和安装照明的需求。该高校在2018年7月，尝试采用超级电容技术与光伏微光产能技术结合应用于校内太阳能路灯的节能技术改造项目。该改造项目在实施半年多时间的期间，曾经受了2019年春季长达23天连续阴雨天的极端天气的考验，2020年春节前后又经历了2次连续一周以上的阴雨天的考验。该改造项目由于采用了超级电容技术，科学合理、设计得当，新安装的路灯在完全没有额外补充电源的情况下，完全达到前期设计的目标和要求，完全不受极端天气的影响，确保每天的正常照明。为此，本文将该项目的前期设计和器材的配置等相关内容作一阐述和分享。

1 相关技术与设计

太阳能路灯的安装，首先要考虑的是所配备的太阳能光伏板发电量能满足路灯照明负荷的需求，其次太阳能光伏板所发的电能能否被有效地储存和应用。因此，选择优质的电能储存配件尤为重要。本项目超级电容具有在连续极端天气情况下光伏板发电量极少，但太阳能板产生的弱电流仍可涓流充入超级电容器，实现完全吸收和储存的优越性能，保障了路灯系统对可再生能源的充分利用。本项目所选用的超级电容内阻≤0.5 mΩ，内阻极小，自身放电极小，在充电很少的情况下仍能长时间维持内部的能量不降低，对光伏路灯在连续极端天气情况下正常启用提供供能保障（见图1）。

图1 超级电容光伏路灯控制系统基本结构示意图

1.1 太阳能光伏板在不同天气状况下的能效

经过实际测试，太阳能板在不同天气条件下实际产电效率见表1。

表1 太阳能板在不同天气条件下实际产电效率

1.2 6 m路灯的配置设计

1）每杆6 m路灯配置2片85 W路灯用A级单晶硅太阳能板，每天能发电170 W。

2）配置5串超级电容，其能量值为287.5 Wh（每个超容单体为57.5 WH,电压2.3 V，25 AH）。

3）6 m光伏路灯开灯时间和功率（见表2）。

表2 6 m光伏路灯开灯时间和功率

6 m光伏路灯从节能考虑采用二段制照明控制，所需要的光源总耗电量为180 Wh。

4）6 m路灯按上述设计配置在阴雨天时的情况推演。

（1）间歇阴雨天气条件

超级电容每天充电能量值=太阳能板总功率×间歇性阴雨天充电效率（取下限值）×充电时间=170 W×18%×8 h=244.8 Wh＞180 Wh，

即在间歇阴雨等天气条件下每天储存的能量大于每天消耗的能量，超级电容内储存的电量持续增多，确保路灯每天正常工作。

（2）连续阴雨天等极端恶劣天气条件

超级电容每天充电能量值=太阳能板总功率×阴雨天及其它恶劣天气充电效率（取下限值）×充电时间=170 W*15%*6 h=153 Wh。

至少可满足路灯正常工作供电天数=电容容量/（日耗电量-阴雨天发电量）

=287.5 Wh÷（180 Wh/d-153 Wh/d）=10.6 d。

1.3 16 m高杆灯的配置设计

1）每杆16 m高杆灯配置8片250 W路灯用A级单晶硅太阳能板，每天发电2 000 W。

2）配置20串5并（共一百个）超级电容的能量值为5 750 Wh（每个超容单体为57.5 Wh,电压2.3V，25AH）。

3）16 m超级电容光伏高杆灯开灯时间和功率（见表3）。

表3 16 m超级电容光伏高杆灯开灯时间和功率

即每杆16 m高杆路灯的光源总耗电量为2 400 Wh。

4）16 m高杆灯按上述设计配置在阴雨天时的情况推演。

（1）间歇阴雨天气条件

超级电容每天充电能量值=太阳能板总功率×间歇性阴雨天充电效率（取下限值）×充电时间=2 000 W×18%×8 h=2 880 Wh＞2 400 Wh，

即在间歇阴雨等天气条件下每天储存的能量大于每天消耗的能量，超级电容内储存的电量持续增多，确保路灯每天正常工作。

（2）连续阴雨天等极端恶劣天气条件

超级电容每天充电能量值=太阳能板总功率×阴雨天及其它恶劣天气充电效率（取下限值）×充电时间=2 000 W*15%*6 h=1 800 Wh。

至少可满足高杆灯灯正常工作供电天数=电容容量/（日耗电量-阴雨天发电量）=5 750 Wh÷（2 400 Wh/d-1 800 Wh/d）=9.58 d。

1.4 超级电容路灯配件配置列表见表4和表5

1.5 某高校超级电容光伏路灯及高杆灯项目见图2

表4 6 m超级电容路灯配件配置表

表5 16 m超级电容高杆灯配件配置表

图2 某高校超级电容光伏路灯及高杆灯实图

2 采用超级电容技术的光伏路灯具有五大优势特性

2.1 阴雨天正常充电

超容单体的额定电压是2.7 V，内阻≤0.2 mΩ,串并成储能模块组后，其充放电压范围拉宽，可以从0 V充电至模块组的额定电压。当阴雨天时，太阳能板所产生的弱电流仍可涓流充入超级电容器，解决了原太阳能蓄电池阴雨天无法充电的难题，使超级电容光伏路灯能够适用于日照匮乏、长时间频繁阴雨天的3～4类地区。

2.2 超宽温度范围

超级电容的工作温度范围达到-40～65℃，在寒冷和高温等极端气候下仍可照常工作，使得太阳能光伏路灯完全能够适用于各种区域的严寒酷暑的天气环境。

2.3 绿色无污染

超级电容属物理储能，无化学反应，应用于光伏路灯系统无任何污染，属于全系列标准低碳核心产品。

2.4 一体化集成便捷安装

超级电容通过合理设计可以将其放置在太阳能板背面或者安装在灯杆内部放置，简化了走线方式，结构更加简洁，便于安装，极大地缩短了工程施工时间。在道路更改或扩建时可以整体搬迁，不用重新挖坑埋电源布线等工序，不但美观而且还有效解决了以往蓄电池容易被盗的问题。

2.5 超长使用寿命

具体表现在所配置的各元器件的优异性能。

1）太阳能光伏板

设计使用寿命大于25年，电池片全部采用行业内最新的A级原片，光电转化效率高。

2）超级电容控制器

设计寿命10年，拥有远程智能监控、过压和欠压保护、可采用光控、时控开关灯等智能控制系统。

3）LED光源

设计寿命15年，二次配光优化的透镜设计，具有高均匀性，光效超过每瓦140流明、高效率光学级透镜设计、全封闭钢化玻璃罩、内部配备防雷击保护器等优质附件，使之具有防潮、防水、通透散热等特点，且便于组装、生产和现场维护。

4）灯杆

设计寿命15年，采用Q235A优质碳素合金钢，灯杆焊接熔透性好，强度高，焊缝致密美观，灯杆采用冰花型热镀锌防腐处理，光泽一致，灯杆表面喷塑处理。

5）超级电容器储能组件

超级电容循环使用寿命超长，按每天充放电一次的使用频率计算，使用寿命超过30年，远远超过路灯其它部件的终身寿命。因其原理为物理储能，频繁深度放电或长期亏电状况对其寿命不会产生任何影响，同时节约了整套系统重复修建的成本，减少了废弃电源处理工序的频率，是一次投入终身受益的“绿色电源”。保守估算寿命大于10年，并具有防水、防裂、防盗、防腐，安装简易等优点。

3 应用效果、经济与社会效益的比较

3.1 安全性对比

传统路灯照明需要铺设复杂的线缆，后期会受到工程的改造、施工质量、材料老化、供电不正常、水电气管道交叉安装等方面的影响。若检修不及时，就会带来诸多的安全隐患。

太阳能超级电容路灯不需要铺设复杂线缆，采用的是低压直流供电，电压比较稳定，运行可靠，不存在安全隐患，是学校、生态小区、路政单位建设和改建的理想产品。

3.2 费用对比

传统路灯照明电费高昂、线路复杂，需要长期不间断的对线路进行检修，特别是电压不稳的情况下，灯具损坏是不可避免的，随着使用年限的延长，线路就会老化、维修费用就会年年递增，而且传统路灯的使用寿命也短，更替就增加了费用。

太阳能超级电容路灯由于线路简单，几乎免维护，不产生维护费用，利用太阳能可再生能源来转换电能达到应有的照明效果，不使用市电所以无需缴纳昂贵的电费。太阳能超级电容路灯归类于一次投资长期受益的高新技术产品，节省了电费和维护费用。

3.3 安装对比

传统路灯施工中有复杂的作业程序。首先要辅设电缆，挖沟布管、穿线、回填等大量土建工程施工，消耗大量人力、物力、财力，还要进行调试，安装费时费工，一旦出现问题，会造成很大的消耗。

太阳能超级电容路灯安装时，不用辅设复杂线路，太阳能路灯的一体化设计，所含控制元件线路全都放置在灯杆内部，安装简单快捷。

太阳能超级电容路灯与其它路灯应用情况对比见表6。

综合超级电容在太阳能路灯上的应用状况和产生的经济及社会效益可以归纳如下：

1）超级电容光伏路灯在施工中不用另外铺设电缆，避免了大规模开挖土方，规避了道路的复杂情况，同时节约了大规模施工所产生的路基开挖费用；

2）超级电容光伏路灯安装便捷，缩短了工期，减少了环境污染、施工扰民的情况，把项目施工对于市民生活和工作的影响降到了最低；

3）主管部门的管理压力减小，避免交通线路调整等带来的一系列交通出行问题；

4）超级电容光伏路灯维护成本极低，大大减少了后期的服务支出，同时电力完全来源于可再生能源（太阳能），后期不产生任何电费的支出。

4 结束语

超级电容作为储能元件解决了近年来太阳能光伏路灯照明在阴雨天无法持续的不足和弊端。超级电容作为储能元件与光伏微光产能技术结合可以给光伏路灯在长期阴雨天的状况下正常工作提供保障，可实现路灯的绿色照明、高效节能、低碳环保和长年的安全运行提供保障。

超级电容光伏路灯的技术关键是超级电容的应用。超级电容作为介于传统电容与电池之间的新型物理储能元件，能量密度为传统电容的2 000～6 000倍，功率密度为一般蓄电池的10～100倍，具有百万次循环寿命和瞬间充放电等特性。超级电容技术的产品除了用于太阳能路灯，还可广泛应用于新能源汽车、新能源发电、工程机械、轨道交通、升降设备、工业节能减排和军事装备等领域，属于全系列标准化低碳经济类储能核心产品。

根据《国家中长期科学与技术发展规划纲要(2006～2020年)》，超级电容器关键技术已被列入前沿发展技术。发改委、科技部、商务部等部委2007年发布的《当前优先发展的高科技产业化重点领域指南》中明确了超级电容器为优先发展的重点领域。工信部发布的《电子信息产业创新发展工程》也将超级电容器列为重点支持方向。超级电容光伏路灯的发展完全符合国家产业政策和经济社会规划和发展，是落实科学发展观，建设资源节约型、环境友好性社会的重要举措，有利于节约电力资源，保护环境。