常见问题

太阳能路灯是以太阳能作为电能供给，用来提供夜间道路照明的小型独立光伏系统，是光伏的一个重要应用领域。随着绿色能源及低碳生活的不断深化、光伏组件成本的下降及新型光源的不断推出，以不消耗常规电能、不铺设供电线路、安装简单、免维护，可用于公园、道路、街道、草坪、工业园区、景观亮化、旅游风景区、广场等场所照明及亮化装饰的太阳能路灯在太阳能资源丰富的地区正在越来越多地被广泛应用，如最近实施社会主义新农村“绿色光亮工程”就全部用太阳能路灯。太阳能路灯由于地处户外，工作环境较为恶劣且位置分散，不易实施集中监控且数据采集不易，对其工作情况的掌控仍有待提高。本文将就目前正在被广泛使用太阳能路灯照明系统的运行特性采用仿真方法进行研究，以提高对太阳能路灯系统工作情况的了解。

1 太阳能路灯的工作原理

太阳能路灯由如图1所示的部分构成，白天在光照条件下，太阳电池组件将所发电能通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。当蓄电池被充满电时，控制器内的自保系统动作，切断充电电源。晚间，太阳能电池板充当了光电控制器（也可时控），启动控制器让蓄电池给照明灯供电，点亮照明灯具。当蓄电池所储存的电能放到蓄电池所允许的下限时，控制器会切断照明灯电源，以保护蓄电池不被过放电，此时路灯将停电。次日凌晨，太阳能电池板又充当光电控制器启动控制器，切断照明灯电源并在光照条件许可的情况下重新开始对蓄电池的充电工作。在此工作过程中蓄电池是系统关键的设备之一，同时也是最薄弱的设备，它的可靠性几乎决定了系统工作的可靠性。

图1 太阳能路灯构成框图
Fig．1 Frame of PV lamp

现代的太阳能路灯系统主要为直流系统，有12 V或24 V两种工作电压。蓄电池采用免维护铅酸蓄电池，光源多采用LED灯，功率从十几瓦到上百瓦不等，且功率可调。在许多应用场所，出于节能考虑，在后半夜（午夜12点以后）活动人群稀少的条件下，一般都将光源功率调减到额定功率的二分之一甚至三分之一状态下运行。

2 路灯系统配置计算

按照通常的配置计算方法，所需光伏组件的充电电流为：

式中W为负载日用电量，单位wh，H s代表光伏组件受到的全年日平均标准日照时数，V为蓄电池电压，η为考虑蓄电池效率、光伏组件工作温度和电压损耗、灰尘遮挡、线路损耗、组合损耗等因素引起的系统效率系数，其数值在0．5－0．7之间。由此可计算得到在负载日用电量为W的条件下所需配置的光伏组件功率：

式中V m为光伏组件峰值功率电压。

蓄电池容量：

式中D为为连续阴雨天数，V为蓄电池电压，η虑蓄电池效率（铅酸蓄电池的安时效率通常为85%左右），DOD 为蓄电池放电深度，通常考虑DOD不低于50%，但对路灯系统，现行做法是不低于70%．

根据上述计算可提供一个合理的系统配置范围，最终的选择则要视实际情况而定。

3 系统MATLAB仿真模型

根据太阳能路灯的工作原理及构成框图，采用 MATLAB／SI MULINK、 MATLAB／SI MPOWERSYSTEMS提供的模块建立如图 2所示的工作模型：

图2 路灯系统MATLAB工作模型
Fig．2 MATLAB module of la mp syste m

模型中采用SOC控制方式实现对铅酸蓄电池充放电控制，太阳电池组件的供电及负载耗电采用受控电流源方式实现。考虑到一般路灯安装地无详细太阳辐照数据，模型中采用全年太阳辐照平均的方法，将全年太阳辐照转换为日平均标准日照时数估算太阳电池所发电能的安时数。

4 仿真分析

考虑一个功率为30 W的LED灯，每天工作12h（前6h全功率运行，后6h半功率运行），安装地的标准太阳日照时间为4h（相当于二类地区），系统应能保正4个连续阴雨天正常工作，由上两式可计算得到如下配置：140 W 光伏组件，12 V200 Ah铅酸蓄电池。

针对上述配置的系统，采用图2所示MATLAB工作模型对140 W光伏组件、12 V200 Ah的系统进行仿真运算（开始蓄电池处于充满状态），得到如图3－图7所示工作曲线，曲线反映了路灯系统在不同的天气情况下蓄电池电压及其荷电状态（SOC）的变化情况，图中阴雨天时仍考虑100 mA的充电电流。

图3 正常天气下蓄电池电压及SOC变化曲线
Fig．3 Battery voltage and SOC curve at nor mal weather

图4 1d阴雨时蓄电池电压及SOC变化曲线
Fig．4 Battery voltage and SOC curve at 1 raining day

图5 连续2d阴雨时蓄电池电压及SOC变化曲线
Fig．5 Battery voltage and SOC curve at 2 raining days

图6 连续3d阴雨时蓄电池电压及SOC变化曲线
Fig．6 Battery voltage and SOC curve at 3 raining days

图7 连续4d阴雨时蓄电池电压及SOC变化曲线
Fig．7 Battery voltage and SOC curve at 4 raining days

图8 180 W组件配置连续4d阴雨时蓄电池电压及SOC变化曲线
Fig．8 180wPV battery voltage and SOC curve at 4 raining days

从上面几个图中我们可看到系统在正常天气情况及连续阴雨天较短（如小于1d）下能实现蓄电池不亏电条件下的工作循环，放电深度仅11%－20%，并且蓄电池能够在数十小时恢复状态（SOC＝1）．但在连续阴雨天较长时（3－4d），蓄电池要恢复到SOC等于1的状态则需要数百小时，这就要求有连续10d以上的晴天，这就使得在以后的工作循环中蓄电池将长期处于亏电状态，若再遇到以后天气不理想，蓄电池亏电运行时间将更长，甚至停电，而这种情况在雨季经常发生。长期将导致系统中蓄电池出现酸分层及极板硫酸盐化，导致其使用寿命大为缩短。为此除了对蓄电池进行科学的能量控制管理外，提高光伏组件的配置功率是解决此问题的较好途径，图8是将光伏组件提高到180 W后连续4个阴雨天的运行情况，与图7对比可见，系统恢复到满充状态（SOC＝1）的时间明显缩短，180 W光伏组件系统211h恢复到SOC等于1状态（相当于连续9个晴天），而140 W光伏组件系统则需近300h（相当于连续12个晴天）才能恢复到相同状态。

故此我们认为在计算光伏组件功率时，出于对蓄电池保护及系统可靠性的角度，应适当提高光伏组件的功率余量，也就是在（2）式中乘上一个针对连续阴雨天蓄电池状态恢复的系数R：

R为大于1的系数，应根据当地天气情况及系统配置情况而定，在经济条件允许的情况下提高光伏组件的配置功率有利于路灯系统长期可靠运行。

5 结 论

MATLAB是一个较普及和容易使用的科学计算软件，其中的 SI MULINK、SI MPOWERSYSTEMS软件包提供的模块可以方更的对太阳能路灯系统的运行情况进行仿真研究。本文通过对一个常规配置系统的仿真数据，获得了在不同天气情况下太阳能路灯系统的运行详情。数所表明，按通常的配置计算方法，太阳能路灯能够正常可靠运行，同时我们也看到了常规配置计算中存在的不足并提出了改进算法。