Solar-LED-Straßenlaternensystem mit Superkondensatoren

Das Solar-LED-Straßenlaternensystem mit Superkondensatoren besteht aus einem Photovoltaik-Zellenpanel, einem Photovoltaik-Controller, Superkondensatoren, einem Laderegler, einer Batterie, einem Stromwandler, einer LED-Last, einem Lampenmast und anderem Zubehör. Die Struktur ist in Abbildung 1 dargestellt. Der Superkondensator ist zwischen dem DC-Bus und dem Erdungskabel angeschlossen, um die Spannung des DC-Busses aufrechtzuerhalten und die von der Photovoltaikzelle bereitgestellte überschüssige Energie zu puffern und sich zu einem geeigneten Zeitpunkt zu entladen, um den Last- und Stromversorgungsbedarf der Batterie zum Laden zu decken.

1. Photovoltaik-Zellenpanel
Das Solarpanel ist die Komponente, die die Solarstraßenlaterne mit Energie versorgt. Seine Funktion besteht darin, die Lichtenergie der Sonne in elektrische Energie umzuwandeln, die zur Speicherung an die Batterie übertragen wird. Es ist die wertvollste Komponente der Solarstraßenlaterne. Monokristallines Silizium ist das Hauptmaterial für Solarzellen. Es sind das Sonnenphoton und die Strahlungswärme, die die P-N-Übergangslöcher und Elektronen in Solarzellen antreiben und beeinflussen. Es ist auch als Prinzip des photovoltaischen Effekts bekannt. Jetzt beträgt die Leistung der photoelektrischen Umwandlung etwa 13 % bis 15 % von monokristallinem Silizium und 11 % bis 13 % von polykristallinem Silizium. Zu den neuesten Kompetenzen zählen nun auch Dünnschicht-Photovoltaikzellen.

2. Photovoltaik-Controller

Als kleine Photovoltaikanlage sollte der Verluststrom des Reglers der Solarstraßenlaternenanlage weniger als 1 % des Nennarbeitsstroms betragen. Beim Entwurf der Systemsteuerungsschaltung werden Komponenten mit geringem Stromverbrauch ausgewählt. Als Steuerschaltung dient der Spannungskomparator bestehend aus dem integrierten Operationsverstärker. Diese Schaltung ist einfach, zuverlässig, leicht zu warten, kostengünstig und weist einen sehr geringen Stromverbrauch der Schaltung selbst auf. Eine Schaltung mit guter Anpassung. Der Schlüssel dieser Schaltung besteht darin, eine bessere Spannungsrückführungsdifferenz entsprechend den Lade- und Entladeeigenschaften der Batterie zu erzielen. Gleichzeitig sollte die Auswahl der Komponenten zuverlässig sein. Darüber hinaus wird die aus LEDs bestehende Lade- und Entladezustandsanzeigeschaltung zu einer Steuerschaltung mit praktischen Funktionen, die eine Überentladung und Überladung der Batterie verhindert.

Basierend auf der Photovoltaik-Steuerung und der Ladesteuerung fügt das Steuerungssystem Superkondensatoren hinzu, die zwischen den DC-Bus und das Erdungskabel geschaltet werden, um die Spannung des DC-Busses zu stabilisieren, die von der Fotozelle bereitgestellte überschüssige Energie zu puffern, sie dann an die Batterie zu entladen und sie dann der Last bereitzustellen.

Bei der Konstruktion von Photovoltaik-Controllern wird die Boost-Schaltung normalerweise verwendet, um eine höhere Spannung als die beiden Enden des Photovoltaik-Panels zu erzeugen, was dem Laden der Batterie förderlich ist. Gleichzeitig wird der Nachteil überwunden, dass die Anti-Reverse-Ladediode in der herkömmlichen Schaltung die Batteriespannung auf 12 V begrenzt. Wenn jedoch das Licht nicht ausreicht und die Batterie weiter aufgeladen werden kann, bewirkt die Steuerschaltung, dass sich der Arbeitspunkt der Photovoltaikzelle vom Punkt maximaler Leistungsabgabe trennt, was die Stromerzeugungseffizienz des Photovoltaik-Straßenlaternensystems verringert. Daher ist es beim Entwurf des Steuerungssystems erforderlich, den Schwellenwert des schwachen Lichts voreinzustellen, um das normale Laden der Batterie durch den Superkondensatorpuffer bei schwachem Licht sicherzustellen.

Wenn Photovoltaikzellen die Batterie direkt aufladen, ist die Ausgangsspannung bei schwachem Licht und anderen Störfaktoren instabil, was es schwierig macht, die Mindestladespannung beim Laden der Photovoltaikzellen aufrechtzuerhalten, und schließlich kann das System die Batterie innerhalb des Lichtbereichs nicht normal laden. Durch den Einsatz von Superkondensatoren akkumuliert das System an bewölkten Tagen die instabile Ausgangsenergie der Solarzelle. Wenn bestimmte Spannungsbedingungen erfüllt sind, wird die Energie in den Superkondensatoren über den Boost-Schaltkreis an die Batterie abgegeben. Das Boost-Schaltbild ist in Abbildung 2 dargestellt. Diese Methode kann die Effizienz der Stromerzeugung verbessern, wenn das Sonnenlicht nicht stark ist.

Der Steuerkreis von LEDs ist relativ einfach, kann mit Gleichstrom betrieben werden und hat eine Lebensdauer von bis zu 100.000 Stunden. Allerdings hat die Stärke des Antriebsstroms einen großen Einfluss auf die Lebensdauer von LEDs. Wenn der Strom zu groß ist, kann dies zu einem erheblichen Leistungsabfall des LED-Lichts führen und die Lebensdauer verkürzen. Daher muss die Ansteuerschaltung sinnvoll ausgelegt sein, wie in Abbildung 3 gezeigt ist die LED-Konstantstrom-Steuerschaltung, die durch die Abwärtsschaltung realisiert wird.

3. Superkondensatoren
Superkondensator ist eine neue Energiespeicherkomponente Es basiert auf dem Prinzip der doppelten elektrischen Schicht und verwendet porösen Kohlenstoff als Elektrode. Er hat eine große Kapazität und seine Leistung liegt zwischen der eines herkömmlichen Akkus und der eines gewöhnlichen Kondensators. Er kann in kürzester Zeit vollständig aufgeladen werden und speichert wie andere wiederaufladbare Batterien viel elektrische Energie. Beim Entladen wird der Strom durch die Elektronen zwischen sich bewegenden Leitern freigesetzt (anstatt auf einer chemischen Reaktion zu beruhen), um so Strom für Lampen bereitzustellen. Derzeit werden jedoch Superkondensatoren für Hilfsbatterien verwendet, da die Kosten hoch sind und eine Stromversorgung mit großer Kapazität nicht einfach in kurzer Zeit zu erreichen ist.

Die Ausgangsleistung der Solarzelle ändert sich mit dem Wetterwechsel. Dieser instabile Ladestrom beeinträchtigt die Batterielebensdauer, was die Systemkosten erhöht und zu mehr Umweltverschmutzung führt. Deshalb fügt das System Superkondensatoren hinzu, die schnell laden und entladen können. Insbesondere bei geringer Sonneneinstrahlung speichert das Steuerungssystem die instabile elektrische Energieabgabe der Solarzelle in den Superkondensatoren und lädt die Batterie nach dem vollständigen Laden mit einem konstanten Strom auf, was die Lebensdauer der Batterie verbessern kann Darüber hinaus kann der Energiespeicher des Superkondensators auch an Dauerregentagen mehr Energie für die Straßenlaternen liefern und die Leuchtdauer verlängern.

Die Ladezeit des Superkondensators kann mit der folgenden Formel berechnet werden:

In der obigen Formel ist C die Nennkapazität, DV die Arbeitsspannung, I der Ladestrom,  t ist die Ladezeit.

Gemäß Formel (1) beträgt die Ladezeit von 13,5 V, 480f-Kondensatoren (Ladestrom beträgt 10 A):

Man erkennt, dass die Ladezeit sehr kurz ist, was für ein schnelles Aufladen des Systems praktisch ist.

Die Entladezeit eines Superkondensators wird durch die Formel bestimmt:

Erhalten:

Wenn die Entlade-Abschaltspannung 3,5 V beträgt, beträgt die Entladezeit:

Aus Formel (2) ist ersichtlich, dass der Energiespeicher des Superkondensators 1,6 Stunden lang an die Last entladen werden kann, was die Stromversorgungszeit des Systems verlängert.

4. Laderegler
Abbildung 4 zeigt die Batterieladesteuerungsstrategie. Bei dieser Strategie wird die Hysterese-Vergleichssteuerungsstrategie der Superkondensatorspannung bei geringer Beleuchtung angewendet und die Spannung an beiden Enden des Superkondensators wird als Feedback-Abtastsignal verwendet Wenn die Spannung an beiden Enden des Superkondensators unter dem voreingestellten unteren Grenzwert von Voff liegt, stoppt der Ladevorgang der Batterie und der Photovoltaik-Controller verfolgt die maximale Leistung zum Laden des Superkondensators. Wenn die Spannung des Superkondensators groß genug ist, um Von (Von > Voff) zu betragen, wird die Batterie mit der dreistufigen 10-Stunden-Lademethode der Batterie aufgeladen. Wenn das Licht zu diesem Zeitpunkt weiterhin schwach ist, sinkt die Spannung des Superkondensators wieder auf den unteren Grenzwert Voff, das System stoppt den Ladevorgang für die Batterie erneut und führt den gleichen Zyklus durch. Wenn die Spannung des Superkondensators bei ausreichendem Licht Von übersteigt, laden Sie den Akku mit der dreistufigen 10-Stunden-Lademethode auf, und die Spannung des Superkondensators steigt weiter an. Zu diesem Zeitpunkt hält der Controller die Spannung des Superkondensators innerhalb der neuen Obergrenze Vmax

5. Batterie

Die Batterie ist der Stromspeicher der Solar-Straßenlaterne, der den gesammelten Strom an die Straßenlaterne zur Beleuchtung weiterleitet. Da die Eingangsenergie des Solar-Photovoltaik-Stromerzeugungssystems äußerst instabil ist, muss es normalerweise mit dem Batteriesystem ausgestattet werden, um zu funktionieren. Normalerweise gibt es Blei-Säure-Batterien, Ni-Cd-Batterien und Ni-H-Batterien. Die Auswahl der Batteriekapazität folgt in der Regel den folgenden Regeln: Erstens sollte unter der Voraussetzung, dass nachts ausreichend Licht vorhanden ist, die Energie der Solarzellenmodule tagsüber so weit wie möglich gespeichert werden und die gespeicherte Energie den Beleuchtungsbedarf an aufeinanderfolgenden Regentagen und -nächten decken.

Wenn die Batteriekapazität zu gering ist, kann die Energie den Bedarf der Nachtbeleuchtung nicht decken. Im Gegenteil, die Batterie befindet sich in einem Zustand des Leistungsverlusts, was sich auf ihre Lebensdauer auswirkt und zu Verschwendung führt. Die Batterie sollte zur Solarzelle und zum elektrischen Verbraucher (Straßenlaterne) passen. Damit das System normal funktionieren kann, muss die Leistung der Solarzelle mehr als das Vierfache der Lastleistung betragen. Die Spannung der Solarzelle übersteigt die Arbeitsspannung der Batterie um 20–30 %, um so die normale negative Ladung der Batterie sicherzustellen. Es ist erforderlich, dass die Batteriekapazität sechsmal höher ist als der tägliche Lastverbrauch

6. Stromwandler
Der Strom wird durch die Impedanz in ein lineares Gleichspannungssignal umgewandelt, das in der LED-Last verwendet wird.

7.LED-Last
Der Hauptstandard bei der Auswahl der Lichtquelle besteht darin, den Anforderungen des täglichen Betriebs von Solarlampen gerecht zu werden. Im Allgemeinen werden für Solarlampen Niederspannungs-Energiesparlampen, Niederdruck-Natriumlampen, elektrodenlose Lampen und LED-Lichtquellen ausgewählt, und einige Hochleistungs-LED-Lichtquellen werden ausgewählt.

8. Lampenmast und anderes Zubehör

 Das Straßenlaternenmastgerät unterstützt LED-Straßenlaternen