Солнечная светодиодная система уличного освещения с суперконденсаторами

Солнечная светодиодная система уличных фонарей с суперконденсаторами состоит из панели фотоэлектрических элементов, фотоэлектрического контроллера, суперконденсаторов, контроллера заряда, аккумулятора, преобразователя тока, светодиодной нагрузки, фонарного столба и других аксессуаров. Структура показана на рисунке 1. Суперконденсатор подключается между шиной постоянного тока и заземляющим проводом, чтобы поддерживать напряжение шины постоянного тока и буферизовать избыточную энергию, обеспечиваемую фотогальваническим элементом, и разряжать в соответствующее время, чтобы удовлетворить потребности нагрузки и питания батареи для зарядки.

1. фотогальваническая панель
Солнечная панель - это компонент, который поставляет энергию для солнечного уличного фонаря. Его функция заключается в преобразовании световой энергии солнца в электрическую энергию, которая передается на аккумулятор для хранения. Это самый ценный компонент солнечного уличного фонаря. Монокристаллический кремний является основным материалом для солнечных элементов. Именно солнечный фотон и лучистое тепло толкают и воздействуют на дырки PN-перехода и электроны в солнечных элементах. Он также известен как принцип фотоэлектрического эффекта. Сейчас мощность фотоэлектрического преобразования составляет около 13-15% монокристаллического кремния и 11-13% поликристаллического кремния. Теперь последние достижения включают тонкопленочные фотоэлектрические элементы.

2. фотоэлектрический контроллер

В случае небольшой фотогальванической системы ток потерь контроллера системы солнечных уличных фонарей должен составлять менее 1% от номинального рабочего тока. В конструкции схемы системного контроллера выбраны маломощные компоненты. В качестве схемы управления используется компаратор напряжения, состоящий из интегрального операционного усилителя. Эта схема проста, надежна, проста в обслуживании, имеет низкую стоимость и очень низкое энергопотребление самой схемы. Схема с хорошим согласованием. Суть этой схемы заключается в том, чтобы спроектировать лучшую разницу обратного напряжения в соответствии с характеристиками заряда и разряда батареи. При этом подбор компонентов должен быть надежным. Кроме того, схема индикации состояния заряда и разряда, состоящая из светодиодов, становится схемой контроллера с практическими функциями, которая имеет функции предотвращения чрезмерного разряда и перезаряда батареи.

На основе фотогальванического контроллера и контроллера зарядки в систему управления добавляются суперконденсаторы, которые подключаются между шиной постоянного тока и заземляющим проводом, чтобы стабилизировать напряжение шины постоянного тока, буферизовать избыточную энергию, обеспечиваемую фотоэлементом, а затем разряжать ее в батарею, а затем подавать на нагрузку.

В конструкции фотогальванического контроллера схема усиления обычно используется для создания более высокого напряжения, чем два конца фотогальванической панели, что способствует зарядке аккумулятора. В то же время устраняется недостаток, заключающийся в том, что диод защиты от обратного заряда в традиционной схеме ограничивает напряжение аккумулятора на уровне 12 В. Однако при недостаточном освещении, если батарея должна продолжать заряжаться, схема управления приведет к тому, что рабочая точка фотогальванического элемента будет отделена от точки максимальной выходной мощности, что снизит эффективность выработки электроэнергии системы фотогальванических уличных фонарей. Поэтому при проектировании системы управления необходимо заранее задавать пороговое значение слабого света, чтобы обеспечить нормальный заряд батареи через суперконденсаторный буфер при слабом свете.

Если фотогальванические элементы заряжают аккумулятор напрямую, выходное напряжение будет нестабильным при слабом освещении и наличии других факторов помех, что затрудняет поддержание минимального зарядного напряжения при зарядке фотогальванических элементов, и, наконец, система не может нормально заряжать аккумулятор в пределах светового диапазона. Используя суперконденсаторы, система аккумулирует нестабильную выходную энергию солнечного элемента в пасмурные дни. Когда выполняются определенные условия напряжения, энергия в суперконденсаторах высвобождается в батарею через схему повышения напряжения. Схема бустера показана на рисунке 2. Этот метод может повысить эффективность выработки электроэнергии при слабом солнечном свете.

Схема управления светодиодом относительно проста, он может работать от постоянного тока, а срок его службы может достигать 100 000 часов. Однако сила управляющего тока оказывает большое влияние на срок службы светодиода. Если ток слишком большой, это может привести к серьезному выходу светодиода из строя и сокращению срока службы. Следовательно, схема управления должна быть спроектирована разумно, как показано на рисунке 3, это схема управления постоянным током светодиода, реализованная с помощью понижающей схемы.

3. суперконденсаторы
Суперконденсатор — новый компонент для хранения энергии Он основан на принципе двойного электрического слоя и использует пористый углерод в качестве электрода. Он имеет большую емкость, а его производительность находится между традиционной перезаряжаемой батареей и обычным конденсатором. Он может быть полностью заряжен за очень короткое время и хранить много электроэнергии, как и другие перезаряжаемые батареи. При разрядке ток высвобождается электронами между движущимися проводниками (вместо того, чтобы полагаться на химическую реакцию), чтобы обеспечить питание ламп. Но в настоящее время суперконденсаторы используются для вспомогательных батарей из-за высокой стоимости и большой мощности, которую нелегко получить за короткое время.

Выходная мощность солнечных батарей меняется с изменением погоды. Этот нестабильный зарядный ток влияет на срок службы батареи, что увеличивает стоимость системы и вызывает большее загрязнение окружающей среды. Таким образом, в систему добавляются суперконденсаторы, которые могут быстро заряжаться и разряжаться. В частности, когда солнечный свет не сильный, система управления сохраняет нестабильную электрическую энергию, выдаваемую солнечным элементом, в суперконденсаторах, а затем заряжает батарею постоянным током после ее полной зарядки, что может увеличить срок службы батареи. Более того, накопление энергии суперконденсатором также может обеспечить больше энергии для уличных фонарей в непрерывные дождливые дни и увеличить время освещения.

Время зарядки суперконденсатора можно рассчитать по следующей формуле:

В приведенной выше формуле C — номинальная емкость, DV — рабочее напряжение, I — зарядный ток,  t - время зарядки.

Согласно формуле (1), время заряда конденсаторов 13,5В, 480ф (зарядный ток 10А):

Видно, что время зарядки очень короткое, что удобно для быстрой зарядки системы.

Время разряда суперконденсатора определяется по формуле:

Получать:

Если напряжение отсечки разряда составляет 3,5 В, время разряда:

Из формулы (2) видно, что запас энергии суперконденсатора может разрядиться на нагрузку за 1,6 ч, что продлевает время питания системы.

4. контроллер заряда
На рис. 4 показана стратегия управления зарядкой батареи. В этой стратегии используется стратегия управления сравнением гистерезиса напряжения суперконденсатора при слабом освещении, а напряжение на обоих концах суперконденсатора используется в качестве сигнала дискретизации обратной связи. Если напряжение на обоих концах суперконденсатора ниже заданного нижнего предельного значения Voff, батарея прекратит зарядку, и фотогальванический контроллер будет отслеживать максимальную мощность для зарядки суперконденсатора. когда напряжение суперконденсатора достаточно велико, чтобы быть равным Von (Von＞Voff), батарея будет заряжаться с помощью трехэтапного 10-часового метода зарядки батареи. Если в это время свет продолжает оставаться низким, напряжение суперконденсатора снова упадет до нижнего предельного значения Voff, система снова прекратит зарядку аккумулятора и будет выполнять цикл таким образом. Когда напряжение суперконденсатора превысит Von при достаточном освещении, зарядите аккумулятор трехступенчатым методом зарядки в течение 10 часов, и напряжение суперконденсатора будет продолжать расти. В это время контроллер поддерживает напряжение суперконденсатора в пределах нового верхнего предела Vmax.

5. Батарея

Аккумулятор — это энергонакопитель уличного фонаря на солнечных батареях, который подает собранную мощность уличному фонарю на освещение. Поскольку входная энергия солнечной фотогальванической системы производства электроэнергии крайне нестабильна, для ее работы обычно необходимо оборудовать аккумуляторной системой. Обычно бывают свинцово-кислотные, никель-кадмиевые и никель-кадмиевые аккумуляторы. Выбор емкости батареи обычно осуществляется в соответствии со следующими правилами: во-первых, при достаточном освещении в ночное время энергия модулей солнечных элементов в дневное время должна быть максимально сохранена, а запасенная энергия может удовлетворить требования к освещению в последовательные дождливые дни и ночи.

Энергия не может удовлетворить потребности ночного освещения, если емкость аккумулятора слишком мала. Наоборот, батарея будет находиться в состоянии потери мощности, что повлияет на ее срок службы и приведет к износу. Аккумулятор должен соответствовать солнечной батарее и электрической нагрузке (уличный фонарь). Необходимо, чтобы мощность солнечной батареи превышала мощность нагрузки более чем в 4 раза, чтобы система могла нормально работать. Напряжение солнечной батареи превышает рабочее напряжение батареи на 20-30%, чтобы обеспечить нормальный отрицательный заряд батареи. Необходимо, чтобы емкость аккумулятора в 6 раз превышала суточное потребление нагрузки

6. преобразователь тока
Ток преобразуется в линейный сигнал постоянного напряжения с помощью импеданса, который используется в светодиодной нагрузке.

7. светодиодная нагрузка
Основным стандартом выбора источника света является удовлетворение потребности ежедневной работы солнечных ламп. Как правило, для солнечных ламп выбирают низковольтные энергосберегающие лампы, натриевые лампы низкого давления, безэлектродные лампы и светодиодные источники света, а также некоторые мощные светодиодные источники света.

8. фонарный столб и другие аксессуары

 Устройство опоры уличного фонаря поддерживает светодиодный уличный фонарь