نظام مصباح الشارع LED بالطاقة الشمسية مع المكثفات الفائقة

يتكون نظام مصباح الشارع LED الشمسي مع المكثفات الفائقة من لوحة الخلايا الكهروضوئية ، ووحدة التحكم الكهروضوئية ، والمكثفات الفائقة ، ووحدة التحكم بالشحن ، والبطارية ، والمحول الحالي ، وحمل LED ، وقطب المصباح وغيرها من الملحقات. يظهر الهيكل في الشكل 1. يتم توصيل المكثف الفائق بين ناقل التيار المستمر والسلك الأرضي للحفاظ على جهد ناقل التيار المستمر وتخزين الطاقة الزائدة التي توفرها الخلية الكهروضوئية ، والتفريغ في الوقت المناسب لتلبية احتياجات الحمل وإمدادات الطاقة للبطارية للشحن.

1. لوحة الخلايا الضوئية
اللوح الشمسي هو المكون الذي يوفر الطاقة لمصباح الشارع الشمسي. وتتمثل وظيفتها في تحويل الطاقة الضوئية للشمس إلى طاقة كهربائية ، والتي تنتقل إلى البطارية للتخزين. إنه المكون الأكثر قيمة في مصباح الشارع الشمسي. السليكون أحادي البلورية هو المادة الأساسية للخلايا الشمسية. إن الفوتون الشمسي والحرارة المشعة هما اللذان يدفعان ويؤثران على ثقوب الوصلة PN والإلكترونات في الخلايا الشمسية. يُعرف أيضًا باسم مبدأ التأثير الكهروضوئي. الآن تبلغ قوة التحويل الكهروضوئي حوالي 13٪ - 15٪ من السيليكون أحادي البلورية و 11٪ - 13٪ من السيليكون متعدد البلورات. تتضمن أحدث المهارات الآن الخلايا الكهروضوئية ذات الأغشية الرقيقة.

2. تحكم الكهروضوئية

كنظام ضوئي صغير ، يجب أن يكون تيار الفقد لوحدة التحكم في نظام مصباح الشارع الشمسي أقل من 1 ٪ من تيار العمل المقنن. يتم تحديد مكونات الطاقة المنخفضة في تصميم دائرة تحكم النظام. يستخدم مقارن الجهد المكون من مكبر تشغيلي متكامل كدائرة تحكم. هذه الدائرة بسيطة وموثوقة وسهلة الصيانة ومنخفضة التكلفة واستهلاك منخفض جدًا للطاقة للدائرة نفسها. دائرة ذات مطابقة جيدة. يتمثل مفتاح هذه الدائرة في تصميم فرق أفضل في إرجاع الجهد وفقًا لخصائص الشحن والتفريغ للبطارية. في الوقت نفسه ، يجب أن يكون اختيار المكونات موثوقًا به. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الدائرة التي تشير إلى حالة الشحن والتفريغ المكونة من LED تصبح دائرة تحكم بوظائف عملية ، والتي لها وظائف منع الإفراط في التفريغ والشحن الزائد للبطارية.

استنادًا إلى وحدة التحكم الكهروضوئية ووحدة التحكم في الشحن ، يضيف نظام التحكم المكثفات الفائقة ، والتي يتم توصيلها بين ناقل التيار المستمر والسلك الأرضي لتثبيت جهد ناقل التيار المستمر ، وتخزين الطاقة الزائدة التي توفرها الخلية الكهروضوئية ، ثم تفريغها إلى البطارية ثم توفيرها للحمل.

في تصميم وحدة التحكم الكهروضوئية ، تُستخدم دائرة التعزيز عادةً لتوليد جهد أعلى من طرفي اللوحة الكهروضوئية ، مما يساعد على شحن البطارية. في الوقت نفسه ، يتغلب على العيب المتمثل في أن الصمام الثنائي المضاد للشحن العكسي في الدائرة التقليدية يثبت جهد البطارية عند 12 فولت. ومع ذلك ، عندما يكون الضوء غير كافٍ ، إذا كانت البطارية قادرة على الاستمرار في الشحن ، فإن دائرة التحكم ستتسبب في فصل نقطة عمل الخلية الكهروضوئية عن نقطة خرج الطاقة القصوى ، مما يقلل من كفاءة توليد الطاقة لنظام مصباح الشارع الكهروضوئي. لذلك ، عند تصميم نظام التحكم ، من الضروري ضبط القيمة الحدية للضوء الضعيف مسبقًا لضمان الشحن العادي للبطارية من خلال المخزن المؤقت الفائق المكثف تحت الضوء الضعيف.

إذا كانت الخلايا الكهروضوئية تشحن البطارية مباشرة ، فإن جهد الخرج سيكون غير مستقر عندما يكون الضوء ضعيفًا وتوجد عوامل تداخل أخرى ، مما يجعل من الصعب الحفاظ على الحد الأدنى لجهد الشحن عند شحن الخلايا الكهروضوئية ، وفي النهاية لا يمكن للنظام شحن البطارية بشكل طبيعي ضمن نطاق الضوء. باستخدام المكثفات الفائقة ، يقوم النظام بتجميع الطاقة الناتجة غير المستقرة للخلية الشمسية في الأيام الملبدة بالغيوم. عند استيفاء شروط جهد معينة ، يتم إطلاق الطاقة الموجودة في المكثفات الفائقة إلى البطارية من خلال دائرة التعزيز. يظهر مخطط دائرة التعزيز في الشكل 2. يمكن أن تحسن هذه الطريقة من كفاءة توليد الطاقة عندما لا يكون ضوء الشمس قوياً.

دائرة التحكم في LED بسيطة نسبيًا ، ويمكن تشغيلها عن طريق التيار المستمر ، ويمكن أن تصل مدة خدمتها إلى 100000 ساعة. ومع ذلك ، فإن قوة تيار القيادة لها تأثير كبير على عمر LED. إذا كان التيار كبيرًا جدًا ، فقد يتسبب ذلك في تسوس ضوء LED وتقليل العمر الافتراضي. لذلك ، يجب تصميم دائرة القيادة بشكل معقول ، كما هو موضح في الشكل 3 هي دائرة التحكم في التيار المستمر LED التي تحققها دائرة باك.

3. المكثفات الفائقة
مكثف فائق هو مكون جديد لتخزين الطاقة يعتمد على مبدأ الطبقة الكهربائية المزدوجة ويستخدم الكربون المسامي كقطب كهربائي. لها سعة كبيرة وأداؤها بين البطارية التقليدية القابلة لإعادة الشحن والمكثف العادي. يمكن شحنها بالكامل في وقت قصير للغاية وتخزين الكثير من الطاقة الكهربائية مثل البطاريات الأخرى القابلة لإعادة الشحن. عند التفريغ ، يتم إطلاق التيار بواسطة الإلكترونات بين الموصلات المتحركة (بدلاً من الاعتماد على التفاعل الكيميائي) ، وذلك لتوفير الطاقة للمصابيح. ولكن في الوقت الحاضر ، تُستخدم المكثفات الفائقة للبطاريات الإضافية بسبب التكلفة العالية ، وليس من السهل تحقيق مصدر طاقة كبير السعة في وقت قصير.

تتغير الطاقة الخارجة للخلايا الشمسية مع تغير الطقس. يؤثر تيار الشحن غير المستقر على عمر البطارية ، مما يزيد من تكلفة النظام ويسبب المزيد من التلوث البيئي. لذلك يضيف النظام مكثفات فائقة ، يمكنها الشحن والتفريغ بسرعة. خاصة عندما لا يكون ضوء الشمس قوياً ، يقوم نظام التحكم بتخزين الطاقة الكهربائية غير المستقرة الناتجة عن الخلية الشمسية في المكثفات الفائقة ، ثم يقوم بشحن البطارية بتيار ثابت بعد شحنها بالكامل ، مما يمكن أن يحسن من عمر البطارية علاوة على ذلك ، يمكن أن يوفر تخزين الطاقة للمكثف الفائق مزيدًا من الطاقة لمصابيح الشوارع في الأيام الممطرة المستمرة ويزيد من وقت الإضاءة.

يمكن حساب وقت الشحن للمكثف الفائق بالصيغة التالية ：

في الصيغة أعلاه ، C هي السعة المقدرة ، DV هي جهد العمل ، أنا تيار الشحن ،  ر هو وقت الشحن.

وفقًا للصيغة (1) ، يكون وقت الشحن من المكثفات 13.5V و 480f (تيار الشحن 10A) ：

يمكن ملاحظة أن وقت الشحن قصير جدًا ، وهو مناسب للشحن السريع للنظام.

يتم تحديد وقت تصريف supercapacitor بواسطة الصيغة ：

يحصل:

إذا كان جهد قطع التفريغ 3.5 فولت ، يكون وقت التفريغ ：

يمكن أن نرى من الصيغة (2) أن تخزين الطاقة للمكثف الفائق يمكن تفريغه للحمل لمدة 1.6 ساعة ، مما يطيل وقت إمداد الطاقة للنظام.

4. متحكم الشحن
يوضح الشكل 4 إستراتيجية التحكم في شحن البطارية. في هذه الإستراتيجية ، تم تبني إستراتيجية التحكم في مقارنة التباطؤ لجهد المكثف الفائق تحت إضاءة منخفضة ، ويتم استخدام الجهد عند طرفي المكثف الفائق كإشارة أخذ عينات ردود الفعل إذا كان الجهد في كلا طرفي المكثف الفائق أقل من قيمة الحد الأدنى المعينة مسبقًا لـ Voff ، ستتوقف البطارية عن الشحن ، وستتتبع وحدة التحكم الكهروضوئية الطاقة القصوى لشحن المكثف الفائق. عندما يكون جهد المكثف الفائق كبيرًا بما يكفي ليكون Von (Von ＞ Voff) ، سيتم شحن البطارية بطريقة الشحن المكونة من ثلاث مراحل لمدة 10 ساعات للبطارية. إذا استمر الضوء في الانخفاض في هذا الوقت ، سينخفض ​​جهد المكثف الفائق مرة أخرى إلى قيمة الحد الأدنى Voff ، وسيتوقف النظام عن الشحن إلى البطارية مرة أخرى ، ويدور مثل هذا. عندما يتجاوز جهد المكثف الفائق Von في ضوء كافٍ ، اشحن البطارية بطريقة الشحن المكونة من ثلاث مراحل لمدة 10 ساعات ، وسيستمر جهد المكثف الفائق في الارتفاع. في هذا الوقت ، تحافظ وحدة التحكم على جهد المكثف الفائق ضمن الحد الأعلى الجديد Vmax

5. بطارية

البطارية هي ذاكرة الطاقة الخاصة بمصباح الشارع الشمسي ، والذي يوفر الطاقة المجمعة لمصباح الشارع للإضاءة. نظرًا لأن طاقة الإدخال لنظام توليد الطاقة الكهروضوئية الشمسية غير مستقرة للغاية ، فعادة ما تحتاج إلى أن تكون مجهزة بنظام البطارية للعمل. عادة ما تكون هناك بطارية حمض الرصاص وبطارية Ni-Cd وبطارية Ni-H. عادةً ما يتبع اختيار سعة البطارية القواعد التالية: أولاً ، على أساس إرضاء الإضاءة الكافية في الليل ، يجب تخزين طاقة وحدات الخلايا الشمسية في النهار قدر الإمكان ، والطاقة المخزنة التي يمكن أن تلبي متطلبات الإضاءة في الأيام والليالي الممطرة المتتالية.

لا يمكن أن تلبي الطاقة احتياجات الإضاءة الليلية إذا كانت سعة البطارية صغيرة جدًا. على العكس من ذلك ، ستكون البطارية في حالة فقد للطاقة ، مما سيؤثر على عمرها ويسبب ضياعها. يجب أن تتطابق البطارية مع الخلايا الشمسية والحمل الكهربائي (مصباح الشارع). من الضروري أن تكون طاقة الخلايا الشمسية أكثر من 4 مرات من طاقة التحميل ، حتى يتمكن النظام من العمل بشكل طبيعي. يتجاوز جهد الخلية الشمسية جهد التشغيل للبطارية بنسبة 20-30٪ ، وذلك لضمان الشحن السالب العادي للبطارية. من الضروري أن تكون سعة البطارية أعلى 6 مرات من استهلاك الحمل اليومي

6. المحول الحالي
يتم تحويل التيار إلى إشارة جهد تيار مستمر خطي بواسطة الممانعة ، والتي تُستخدم في حمل LED.

7.LED تحميل
المعيار الرئيسي لاختيار مصدر الضوء هو تلبية حاجة العمل اليومي للمصابيح الشمسية. بشكل عام ، يتم اختيار المصابيح الموفرة للطاقة ذات الجهد المنخفض ، ومصابيح الصوديوم ذات الضغط المنخفض ، والمصابيح التي لا تحتوي على قطب كهربائي ومصادر إضاءة LED للمصابيح الشمسية ، ويتم اختيار بعض مصادر ضوء LED عالية الطاقة.

8. عمود المصباح وغيرها من الملحقات

 يدعم جهاز مصباح الشارع مصباح الشارع LED