Sistema de iluminação pública LED solar com supercapacitores

O sistema de iluminação pública LED solar com super capacitores é composto de painel de célula fotovoltaica, controlador fotovoltaico, super capacitores, controlador de carga, bateria, conversor de corrente, carga de LED, poste de lâmpada e outros acessórios. A estrutura é mostrada na Figura 1. O supercapacitor é conectado entre o barramento CC e o fio terra para manter a tensão do barramento CC e amortecer a energia excessiva fornecida pela célula fotovoltaica e descarregar no momento adequado para atender às necessidades de carga e alimentação da bateria para carregamento.

1. painel de célula fotovoltaica
O painel solar é o componente que fornece energia para a lâmpada solar de rua. Sua função é transformar a energia luminosa do sol em energia elétrica, que é transmitida para a bateria para armazenamento. É o componente mais valioso da lâmpada solar de rua. O silício monocristalino é o principal material para células solares. É o fóton solar e o calor radiante que empurram e afetam os buracos de junção P-N e os elétrons nas células solares. Também é conhecido como o princípio do efeito fotovoltaico. Agora, o poder de conversão fotoelétrica é de cerca de 13% - 15% de silício monocristalino e 11% - 13% de silício policristalino. Agora, as habilidades mais recentes incluem células fotovoltaicas de filme fino.

2. controlador fotovoltaico

Como um pequeno sistema fotovoltaico, a corrente de perda do controlador do sistema solar de iluminação pública deve ser inferior a 1% da corrente nominal de trabalho. Os componentes de baixa potência são selecionados no projeto do circuito controlador do sistema. O comparador de tensão composto pelo amplificador operacional integrado é utilizado como circuito de controle. Este circuito é simples, confiável, de fácil manutenção, baixo custo e baixíssimo consumo de energia do próprio circuito Um circuito com boa correspondência. A chave deste circuito é projetar uma melhor diferença de retorno de tensão de acordo com as características de carga e descarga da bateria. Ao mesmo tempo, a seleção de componentes deve ser confiável. Além disso, o circuito indicador do estado de carga e descarga composto por LED torna-se um circuito controlador com funções práticas, que tem a função de prevenir descarga excessiva e sobrecarga da bateria.

Com base no controlador fotovoltaico e no controlador de carregamento, o sistema de controle adiciona supercapacitores, que são conectados entre o barramento CC e o fio terra para estabilizar a tensão do barramento CC, amortecer a energia excessiva fornecida pela fotocélula e, em seguida, descarregá-la na bateria e depois fornecê-la à carga.

No projeto do controlador fotovoltaico, o circuito de reforço geralmente é usado para gerar uma tensão mais alta do que as duas extremidades do painel fotovoltaico, o que é propício para carregar a bateria. Ao mesmo tempo, supera a desvantagem de que o diodo de carga anti-reversa no circuito tradicional fixa a tensão da bateria em 12V. No entanto, quando a luz é insuficiente, para que a bateria possa continuar carregando, o circuito de controle fará com que o ponto de trabalho da célula fotovoltaica se separe do ponto de saída de potência máxima, o que reduzirá a eficiência de geração de energia do sistema fotovoltaico de iluminação pública. Portanto, ao projetar o sistema de controle, é necessário pré-definir o valor limite da luz fraca para garantir o carregamento normal da bateria através do buffer do supercapacitor sob a luz fraca.

Se as células fotovoltaicas carregarem a bateria diretamente, a tensão de saída será instável quando a luz estiver fraca e houver outros fatores de interferência, o que dificulta a manutenção da tensão mínima de carga quando as células fotovoltaicas são carregadas e, finalmente, o sistema não pode carregar a bateria normalmente dentro da faixa de luz. Ao usar supercapacitores, o sistema acumula a energia de saída instável da célula solar em dias nublados. Quando certas condições de tensão são atendidas, a energia nos supercapacitores é liberada para a bateria através do circuito de reforço. O diagrama do circuito de reforço é mostrado na Figura 2. Este método pode melhorar a eficiência da geração de energia quando a luz do sol não é forte.

O circuito de controle do LED é relativamente simples, que pode ser acionado por DC, e sua vida útil pode chegar a 100.000h. No entanto, a força da corrente de condução tem um grande impacto na vida útil do LED. Se a corrente for muito grande, pode causar séria deterioração da luz do LED e reduzir a vida útil. Portanto, o circuito de acionamento deve ser projetado razoavelmente, como mostrado na Figura 3 é o circuito de controle de corrente constante do LED realizado pelo circuito buck.

3. super capacitores
Super capacitor é um novo componente de armazenamento de energia Baseia-se no princípio da dupla camada elétrica e utiliza carbono poroso como eletrodo. Tem grande capacitância e seu desempenho está entre a bateria recarregável tradicional e o capacitor comum. Pode ser totalmente carregada em um tempo muito curto e armazenar muita energia elétrica como outras baterias recarregáveis. Ao descarregar, a corrente é liberada pelos elétrons entre os condutores em movimento (em vez de depender da reação química), de modo a fornecer energia para as lâmpadas. Mas, atualmente, os super capacitores são usados ​​para baterias auxiliares devido ao alto custo e à fonte de alimentação de grande capacidade que não é fácil de obter em pouco tempo.

A potência de saída da célula solar muda com a mudança do clima. Esta corrente de carga instável afeta a vida útil da bateria, o que aumentará o custo do sistema e causará mais poluição ambiental. Portanto, o sistema adiciona super capacitores, que podem carregar e descarregar rapidamente. Particularmente quando a luz do sol não é forte, o sistema de controle armazena a saída de energia elétrica instável da célula solar nos super capacitores e, em seguida, carrega a bateria com uma corrente constante depois de totalmente carregada, o que pode melhorar a vida útil da bateria Além do mais, o armazenamento de energia do supercapacitor também pode fornecer mais energia para as lâmpadas de rua em dias chuvosos contínuos e aumentar o tempo de iluminação.

O tempo de carregamento do supercapacitor pode ser calculado pela seguinte fórmula:

Na fórmula acima, C é a capacidade nominal, DV é a tensão de trabalho, I é a corrente de carga,  t é o tempo de carregamento.

De acordo com a fórmula (1), o tempo de carga dos capacitores de 13,5 V, 480f é (a corrente de carga é 10A):

Pode-se observar que o tempo de carregamento é muito curto, o que é conveniente para o carregamento rápido do sistema.

O tempo de descarga do supercapacitor é determinado pela fórmula:

Pegar:

Se a tensão de corte de descarga for 3,5 V, o tempo de descarga é:

Pode ser visto na fórmula (2) que o armazenamento de energia do supercapacitor pode descarregar para a carga por 1,6h, o que prolonga o tempo de fornecimento de energia do sistema.

4. controlador de carga
A Figura 4 mostra a estratégia de controle de carga da bateria. Nesta estratégia, a estratégia de controle de comparação de histerese da tensão do supercapacitor é adotada sob baixa iluminação, e a tensão em ambas as extremidades do supercapacitor é usada como o sinal de amostragem de realimentação Se a tensão em ambas as extremidades do supercapacitor for menor que o valor limite inferior predefinido de Voff, a bateria parará de carregar e o controlador fotovoltaico rastreará a potência máxima para carregar o supercapacitor. quando a tensão do supercapacitor for grande o suficiente para ser Von (Von＞Voff), a bateria será carregada com o método de carregamento de 10 horas de três estágios da bateria. Se a luz continuar baixa neste momento, a tensão do supercapacitor cairá novamente para o valor limite inferior Voff, o sistema parará de carregar a bateria novamente e fará o ciclo assim. Quando a tensão do supercapacitor exceder Von em luz suficiente, carregue a bateria com o método de carregamento de 10 horas em três estágios e a tensão do supercapacitor continuará a aumentar. Neste momento, o controlador mantém a tensão do supercapacitor dentro do novo limite superior Vmax

5. bateria

A bateria é a memória de energia da lâmpada de rua solar, que fornece a energia coletada para a iluminação da lâmpada de rua. Como a energia de entrada do sistema de geração de energia solar fotovoltaica é extremamente instável, geralmente precisa ser equipado com o sistema de bateria para funcionar. Geralmente há bateria de chumbo-ácido, bateria Ni-Cd e bateria Ni-H. A seleção da capacidade da bateria geralmente segue as seguintes regras: primeiro, na premissa de satisfazer iluminação suficiente à noite, a energia dos módulos de células solares durante o dia deve ser armazenada o máximo possível e a energia armazenada que pode atender aos requisitos de iluminação em dias e noites chuvosos sucessivos.

A energia não pode atender às necessidades de iluminação noturna se a capacidade da bateria for muito pequena. Pelo contrário, a bateria ficará em estado de perda de energia, o que afetará sua vida útil e causará desperdício. A bateria deve combinar com célula solar e carga elétrica (lâmpada de rua). É necessário que a potência da célula solar seja superior a 4 vezes a potência da carga, para que o sistema funcione normalmente. A tensão da célula solar excede a tensão de trabalho da bateria em 20-30%, de modo a garantir a carga negativa normal da bateria. É necessário que a capacidade da bateria seja 6 vezes maior que o consumo diário de carga

6. conversor de corrente
A corrente é convertida em sinal de tensão DC linear por impedância, que é usada na carga do LED.

7. Carga do LED
O principal padrão para escolher a fonte de luz é atender à necessidade de trabalho diário das lâmpadas solares. Geralmente, lâmpadas economizadoras de energia de baixa tensão, lâmpadas de sódio de baixa pressão, lâmpadas sem eletrodo e fontes de luz LED são selecionadas para lâmpadas solares, e algumas fontes de luz LED de alta potência são selecionadas.

8. poste de lâmpada e outros acessórios

 Dispositivo de poste de luz de rua suporta lâmpada de rua LED