Système de lampadaires solaires à LED avec supercondensateurs

Le système de lampadaire solaire à LED avec supercondensateurs est composé d'un panneau de cellules photovoltaïques, d'un contrôleur photovoltaïque, de supercondensateurs, d'un contrôleur de charge, d'une batterie, d'un convertisseur de courant, d'une charge LED, d'un mât et d'autres accessoires. Sa structure est illustrée à la figure 1. Le supercondensateur est connecté entre le bus CC et le fil de terre afin de maintenir la tension du bus CC et de tamponner l'énergie excédentaire fournie par la cellule photovoltaïque. Il se décharge au moment opportun pour répondre aux besoins de charge et d'alimentation de la batterie.

1. panneau de cellules photovoltaïques
Le panneau solaire est le composant qui alimente les lampadaires solaires. Sa fonction est de transformer l'énergie lumineuse du soleil en énergie électrique, transmise à la batterie pour stockage. C'est le composant le plus précieux des lampadaires solaires. Le silicium monocristallin est le matériau principal des cellules solaires. Ce sont les photons solaires et la chaleur rayonnante qui poussent et affectent les trous et les électrons de la jonction PN des cellules solaires. Ce principe est également connu sous le nom d'effet photovoltaïque. Actuellement, la puissance de conversion photoélectrique est d'environ 13 à 15 % pour le silicium monocristallin et 11 à 13 % pour le silicium polycristallin. Les dernières avancées technologiques incluent les cellules photovoltaïques à couches minces.

2. contrôleur photovoltaïque

Pour un petit système photovoltaïque, le courant de perte du contrôleur du lampadaire solaire doit être inférieur à 1 % du courant nominal de fonctionnement. Des composants basse consommation ont été sélectionnés lors de la conception du circuit de contrôle. Un comparateur de tension, composé d'un amplificateur opérationnel intégré, sert de circuit de commande. Ce circuit est simple, fiable, facile à entretenir, économique et consomme très peu d'énergie. Il est parfaitement adapté. L'objectif principal de ce circuit est de concevoir une meilleure différence de tension de retour en fonction des caractéristiques de charge et de décharge de la batterie. Parallèlement, le choix des composants doit être fiable. De plus, le circuit d'indication de l'état de charge et de décharge, composé de LED, constitue un circuit de contrôle pratique, permettant d'éviter les décharges et les surcharges excessives de la batterie.

Basé sur le contrôleur photovoltaïque et le contrôleur de charge, le système de contrôle ajoute des supercondensateurs, qui sont connectés entre le bus CC et le fil de terre pour stabiliser la tension du bus CC, tamponner l'énergie excessive fournie par la photocellule, puis la décharger vers la batterie puis la fournir à la charge.

Lors de la conception d'un contrôleur photovoltaïque, le circuit boost est généralement utilisé pour générer une tension supérieure à celle des deux extrémités du panneau photovoltaïque, favorisant ainsi la charge de la batterie. Il permet également de pallier l'inconvénient des diodes anti-inversion de charge des circuits traditionnels qui bloquent la tension de la batterie à 12 V. Cependant, en cas de faible luminosité, pour que la batterie puisse continuer à se charger, le circuit de commande provoque un écart entre le point de fonctionnement de la cellule photovoltaïque et son point de sortie maximal, ce qui réduit le rendement énergétique du système de lampadaires photovoltaïques. Par conséquent, lors de la conception du système de commande, il est nécessaire de prédéfinir un seuil de faible luminosité afin d'assurer une charge normale de la batterie via le supercondensateur tampon.

Si les cellules photovoltaïques chargent directement la batterie, la tension de sortie sera instable en cas de faible luminosité et d'interférences. Il sera alors difficile de maintenir la tension de charge minimale pendant la charge des cellules photovoltaïques, et le système ne pourra donc pas charger la batterie normalement dans les conditions de luminosité. Grâce à l'utilisation de supercondensateurs, le système accumule l'énergie de sortie instable de la cellule solaire par temps nuageux. Lorsque certaines conditions de tension sont remplies, l'énergie des supercondensateurs est restituée à la batterie via le circuit de suralimentation. Le schéma du circuit de suralimentation est illustré à la figure 2. Cette méthode permet d'améliorer l'efficacité de la production d'électricité lorsque l'ensoleillement est faible.

Le circuit de commande d'une LED est relativement simple. Il peut être alimenté en courant continu et sa durée de vie peut atteindre 100 000 heures. Cependant, l'intensité du courant d'attaque a un impact considérable sur la durée de vie de la LED. Un courant trop élevé peut entraîner une forte baisse de luminosité et réduire sa durée de vie. Par conséquent, le circuit d'attaque doit être conçu de manière judicieuse. La figure 3 illustre le circuit de commande à courant constant d'une LED réalisé par un circuit abaisseur de tension.

3. supercondensateurs
Le supercondensateur est un nouveau composant de stockage d'énergie. Il repose sur le principe de la double couche électrique et utilise du carbone poreux comme électrode. Sa grande capacité et ses performances se situent entre celles d'une batterie rechargeable traditionnelle et celles d'un condensateur ordinaire. Il peut être complètement chargé en très peu de temps et stocker une grande quantité d'énergie électrique, comme les autres batteries rechargeables. Lors de la décharge, le courant est libéré par les électrons entre les conducteurs en mouvement (au lieu d'une réaction chimique), ce qui permet d'alimenter les lampes. Cependant, les supercondensateurs sont actuellement utilisés pour les batteries auxiliaires en raison de leur coût élevé et de la difficulté d'obtenir une alimentation électrique de grande capacité en peu de temps.

La puissance de sortie des cellules solaires varie avec les conditions météorologiques. Ce courant de charge instable affecte la durée de vie de la batterie, ce qui augmente le coût du système et la pollution environnementale. C'est pourquoi le système est équipé de supercondensateurs, capables de se charger et de se décharger rapidement. En cas de faible ensoleillement, le système de contrôle stocke l'énergie électrique instable produite par la cellule solaire dans les supercondensateurs, puis charge la batterie avec un courant constant une fois complètement chargée, ce qui améliore sa durée de vie. De plus, le stockage d'énergie du supercondensateur permet d'alimenter les lampadaires en énergie supplémentaire lors des journées pluvieuses et d'augmenter la durée d'éclairage.

Le temps de charge du supercondensateur peut être calculé par la formule suivante :

Dans la formule ci-dessus, C est la capacité nominale, DV est la tension de fonctionnement, I est le courant de charge, t est le temps de charge.

Selon la formule (1), le temps de charge des condensateurs 13,5 V, 480 F est (le courant de charge est de 10 A) :

On peut constater que le temps de charge est très court, ce qui est pratique pour une charge rapide du système.

Le temps de décharge du supercondensateur est déterminé par la formule :

Obtenir:

Si la tension de coupure de décharge est de 3,5 V, le temps de décharge est :

On peut voir à partir de la formule (2) que le stockage d'énergie du supercondensateur peut se décharger sur la charge pendant 1,6 h, ce qui prolonge le temps d'alimentation électrique du système.

4. contrôleur de charge
La figure 4 illustre la stratégie de contrôle de charge de la batterie. Dans cette stratégie, la comparaison de la tension du supercondensateur par hystérésis est appliquée sous faible luminosité, et la tension aux deux bornes du supercondensateur sert de signal d'échantillonnage de rétroaction. Si la tension aux deux bornes du supercondensateur est inférieure à la valeur limite inférieure prédéfinie de Voff, la batterie s'arrête et le contrôleur photovoltaïque recherche la puissance maximale pour charger le supercondensateur. Lorsque la tension du supercondensateur atteint Von (Von ＞ Voff), la batterie est chargée selon la méthode de charge en trois étapes de 10 heures. Si la luminosité reste faible, la tension du supercondensateur chute à nouveau jusqu'à la valeur limite inférieure de Voff, le système arrête à nouveau la charge de la batterie et recommence ainsi. Lorsque la tension du supercondensateur dépasse Von sous une luminosité suffisante, la batterie est chargée selon la méthode de charge en trois étapes de 10 heures, et la tension du supercondensateur continue d'augmenter. À ce moment, le contrôleur maintient la tension du supercondensateur dans la nouvelle limite supérieure Vmax

5. batterie

La batterie est la mémoire d'énergie du lampadaire solaire, qui fournit l'énergie collectée à l'éclairage public. L'énergie absorbée par le système de production d'énergie solaire photovoltaïque étant extrêmement instable, son fonctionnement nécessite généralement un système de batterie. On trouve généralement des batteries au plomb, des batteries Ni-Cd et des batteries Ni-H. Le choix de la capacité de la batterie suit généralement les règles suivantes : premièrement, pour assurer un éclairage nocturne suffisant, il faut stocker autant d'énergie que possible pendant la journée, et deuxièmement, cette énergie stockée doit pouvoir répondre aux besoins d'éclairage lors des journées et nuits pluvieuses.

L'énergie ne peut pas répondre aux besoins d'éclairage nocturne si la capacité de la batterie est insuffisante. Au contraire, la batterie subira une perte de puissance, ce qui réduira sa durée de vie et entraînera un gaspillage d'énergie. La batterie doit être adaptée à la cellule solaire et à la charge électrique (lampadaire). Pour que le système fonctionne normalement, la puissance de la cellule solaire doit être quatre fois supérieure à la puissance de la charge. La tension de la cellule solaire doit dépasser de 20 à 30 % la tension de fonctionnement de la batterie afin d'assurer une charge négative normale de la batterie. La capacité de la batterie doit être six fois supérieure à la consommation quotidienne.

6. convertisseur de courant
Le courant est converti en signal de tension continue linéaire par impédance, qui est utilisé dans la charge LED.

7. Charge LED
Le choix d'une source lumineuse est principalement axé sur le fonctionnement quotidien des lampes solaires. On privilégie généralement les lampes basse tension, les lampes à vapeur de sodium basse pression, les lampes sans électrodes et les LED, ainsi que certaines LED haute puissance.

8. lampadaire et autres accessoires

Le dispositif de poteau de lampadaire prend en charge les lampadaires à LED