Sistema de farola LED solar con supercondensadores

El sistema de farolas LED solares con supercondensadores está compuesto por un panel de celdas fotovoltaicas, un controlador fotovoltaico, supercondensadores, un controlador de carga, una batería, un convertidor de corriente, una carga LED, un poste de luz y otros accesorios. La estructura se muestra en la Figura 1. El supercondensador está conectado entre el bus de CC y el cable de tierra para mantener el voltaje del bus de CC y amortiguar el exceso de energía proporcionado por la celda fotovoltaica, y descargarse en el momento apropiado para satisfacer las necesidades de carga y suministro de energía de la batería para cargar.

1. panel de celdas fotovoltaicas
El panel solar es el componente que suministra energía a la farola solar. Su función es transformar la energía lumínica del sol en energía eléctrica, que se transmite a la batería para su almacenamiento. Es el componente más valioso de la farola solar. El silicio monocristalino es el material principal para las células solares. Es el fotón solar y el calor radiante lo que empuja y afecta los agujeros de unión P-N y los electrones en las células solares. También se le conoce como el principio del efecto fotovoltaico. Ahora el poder de conversión fotoeléctrica es de aproximadamente 13% - 15% de silicio monocristalino y 11% - 13% de silicio policristalino. Ahora, las últimas habilidades incluyen celdas fotovoltaicas de película delgada.

2. controlador fotovoltaico

Como sistema fotovoltaico pequeño, la pérdida de corriente del controlador del sistema de farolas solares debe ser inferior al 1 % de la corriente nominal de trabajo. Los componentes de baja potencia se seleccionan en el diseño del circuito del controlador del sistema. El comparador de tensión compuesto por el amplificador operacional integrado se utiliza como circuito de control. Este circuito es simple, confiable, fácil de mantener, de bajo costo y muy bajo consumo de energía del circuito en sí. Un circuito con buena combinación. La clave de este circuito es diseñar una mejor diferencia de retorno de voltaje según las características de carga y descarga de la batería. Al mismo tiempo, la selección de componentes debe ser confiable. Además, el circuito indicador de estado de carga y descarga compuesto por LED se convierte en un circuito controlador con funciones prácticas, que tiene las funciones de evitar la descarga excesiva y la sobrecarga de la batería.

Basado en el controlador fotovoltaico y el controlador de carga, el sistema de control agrega supercondensadores, que se conectan entre el bus de CC y el cable de tierra para estabilizar el voltaje del bus de CC, amortiguar el exceso de energía proporcionado por la fotocélula y luego descargarlo a la batería y luego proporcionarlo a la carga.

En el diseño del controlador fotovoltaico, el circuito de refuerzo generalmente se usa para generar un voltaje más alto que los dos extremos del panel fotovoltaico, lo que favorece la carga de la batería. Al mismo tiempo, supera el inconveniente de que el diodo de carga inversa en el circuito tradicional fija el voltaje de la batería a 12 V. Sin embargo, cuando la luz es insuficiente, para que la batería pueda continuar cargándose, el circuito de control hará que el punto de trabajo de la celda fotovoltaica se separe del punto de máxima potencia de salida, lo que reducirá la eficiencia de generación de energía del sistema de farolas fotovoltaicas. Por lo tanto, al diseñar el sistema de control, es necesario preestablecer el valor umbral de la luz débil para garantizar la carga normal de la batería a través del búfer del supercondensador bajo la luz débil.

Si las celdas fotovoltaicas cargan la batería directamente, el voltaje de salida será inestable cuando la luz sea débil y existan otros factores de interferencia, lo que dificulta mantener el voltaje de carga mínimo cuando las celdas fotovoltaicas están cargadas y, finalmente, el sistema no puede cargar la batería normalmente dentro del rango de luz. Mediante el uso de supercondensadores, el sistema acumula la energía de salida inestable de la celda solar en días nublados. Cuando se cumplen ciertas condiciones de voltaje, la energía de los supercondensadores se libera a la batería a través del circuito de refuerzo. El diagrama del circuito de refuerzo se muestra en la Figura 2. Este método puede mejorar la eficiencia de la generación de energía cuando la luz del sol no es fuerte.

El circuito de control del LED es relativamente simple, puede ser impulsado por CC y su vida útil puede alcanzar las 100 000 horas. Sin embargo, la fuerza de la corriente de conducción tiene un gran impacto en la vida útil del LED. Si la corriente es demasiado grande, puede causar un deterioro grave de la luz LED y reducir la vida útil. Por lo tanto, el circuito de excitación debe diseñarse razonablemente, como se muestra en la Figura 3, el circuito de control de corriente constante del LED realizado por el circuito reductor.

3. súper condensadores
El supercondensador es un nuevo componente de almacenamiento de energía Se basa en el principio de doble capa eléctrica y utiliza carbón poroso como electrodo. Tiene una gran capacitancia y su desempeño está entre la batería recargable tradicional y el capacitor ordinario. Puede cargarse completamente en muy poco tiempo y almacenar mucha energía eléctrica como otras baterías recargables. Al descargar, la corriente es liberada por los electrones entre los conductores en movimiento (en lugar de depender de una reacción química), para proporcionar energía a las lámparas. Pero en la actualidad, los supercondensadores se utilizan para baterías auxiliares debido al alto costo y la fuente de alimentación de gran capacidad no es fácil de lograr en poco tiempo.

La potencia de salida de la celda solar cambia con el cambio de clima. Esta corriente de carga inestable afecta la vida útil de la batería, lo que aumentará el costo del sistema y causará más contaminación ambiental. Entonces, el sistema agrega supercondensadores, que pueden cargarse y descargarse rápidamente. Particularmente cuando la luz del sol no es fuerte, el sistema de control almacena la salida de energía eléctrica inestable de la celda solar en los supercondensadores y luego carga la batería con una corriente constante después de que esté completamente cargada, lo que puede mejorar la vida útil de la batería. Además, el almacenamiento de energía del supercondensador también puede proporcionar más energía para las farolas en días de lluvia continua y aumentar el tiempo de iluminación.

El tiempo de carga del supercondensador se puede calcular con la siguiente fórmula:

En la fórmula anterior, C es la capacidad nominal, DV es el voltaje de trabajo, I es la corriente de carga,  t es el tiempo de carga.

Según la fórmula (1), el tiempo de carga de los condensadores de 13,5 V y 480 f es (la corriente de carga es de 10 A):

Se puede ver que el tiempo de carga es muy corto, lo cual es conveniente para una carga rápida del sistema.

El tiempo de descarga del supercondensador está determinado por la fórmula:

Conseguir:

Si el voltaje de corte de descarga es de 3,5 V, el tiempo de descarga es:

Se puede ver en la fórmula (2) que el almacenamiento de energía del supercondensador puede descargarse a la carga durante 1,6 h, lo que prolonga el tiempo de suministro de energía del sistema.

4. controlador de carga
La figura 4 muestra la estrategia de control de carga de la batería. En esta estrategia, la estrategia de control de comparación de histéresis del voltaje del supercondensador se adopta con poca iluminación, y el voltaje en ambos extremos del supercondensador se usa como señal de muestreo de retroalimentación. Si el voltaje en ambos extremos del supercondensador es inferior al valor límite inferior preestablecido de Voff, la batería dejará de cargarse y el controlador fotovoltaico rastreará la potencia máxima para cargar el supercondensador. cuando el voltaje del supercondensador es lo suficientemente grande como para ser Von (Von＞Voff), la batería se cargará con el método de carga de 10 horas en tres etapas de la batería. Si la luz continúa siendo baja en este momento, el voltaje del supercondensador caerá nuevamente al valor límite inferior Voff, el sistema dejará de cargar la batería nuevamente y realizará un ciclo como este. Cuando el voltaje del supercondensador exceda Von con suficiente luz, cargue la batería con el método de carga de 10 horas en tres etapas y el voltaje del supercondensador seguirá aumentando. En este momento, el controlador mantiene el voltaje del supercondensador dentro del nuevo límite superior Vmax

5. Batería

La batería es la memoria de energía de la farola solar, que suministra la energía recolectada a la farola para la iluminación. Debido a que la energía de entrada del sistema de generación de energía solar fotovoltaica es extremadamente inestable, generalmente necesita estar equipado con un sistema de batería para funcionar. Por lo general, hay baterías de plomo-ácido, baterías de Ni-Cd y baterías de Ni-H. La selección de la capacidad de la batería generalmente sigue las siguientes reglas: primero, con la premisa de satisfacer la iluminación suficiente durante la noche, la energía de los módulos de celdas solares durante el día debe almacenarse tanto como sea posible y la energía almacenada puede cumplir con los requisitos de iluminación en días y noches lluviosas sucesivas.

La energía no puede satisfacer las necesidades de iluminación nocturna si la capacidad de la batería es demasiado pequeña. Por el contrario, la batería estará en un estado de pérdida de energía, lo que afectará su vida útil y hará que se desperdicie. La batería debe coincidir con la celda solar y la carga eléctrica (farola). Es necesario que la potencia de la celda solar sea más de 4 veces la potencia de carga, para que el sistema pueda funcionar normalmente. El voltaje de la celda solar excede el voltaje de trabajo de la batería en un 20-30%, para garantizar la carga negativa normal de la batería. Es necesario que la capacidad de la batería sea 6 veces superior al consumo diario de carga

6. convertidor de corriente
La corriente se convierte en una señal de voltaje de CC lineal por impedancia, que se utiliza en la carga de LED.

7. Carga LED
El estándar principal para elegir la fuente de luz es satisfacer la necesidad del funcionamiento diario de las lámparas solares. En general, se seleccionan lámparas ahorradoras de energía de bajo voltaje, lámparas de sodio de baja presión, lámparas sin electrodos y fuentes de luz LED para las lámparas solares, y se seleccionan algunas fuentes de luz LED de alta potencia.

8. poste de luz y otros accesorios

 Dispositivo de poste de farola compatible con farola LED