基于超級電容的太陽能樓道照明系統的設計

王志勇，田樹仁，夏國明，李 凱，馬香普

（1.河北工程技術高等專科學校電力工程系，河北滄州 061001；2.河北工程技術高等專科學校教務處，河北滄州 061001）

目前的樓道照明系統有諸多不足［1］，利用太陽能開發太陽能樓道照明系統對于節約電能具有重要意義。筆者設計的基于超級電容的太陽能樓道照明系統，就是利用了太陽能這種可再生能源，并且采用超級電容作為綠色儲能元件，采用LED作為光源，為用戶提供了一種節能、環保、安全可靠的照明系統。

1 太陽能樓道照明系統的設計原則

為了取得更好的控制效果，提高居民的生活質量，用紅外探測器和光探測器控制樓道照明，連續陰雨天太陽能不足時，由交流市電供電。從節能和環保的角度出發，筆者采用超級電容作為綠色儲能器件，不采用對環境有污染的蓄電池，光源采用白光LED燈具。在滿足負載用電的前提下，盡量減小太陽能電池組件的容量和超級電容的容量，以降低初期投資；采用國際流行的“全年均衡冬季最大”的接收太陽能輻射量的光伏系統設計原則，來確定太陽能電池板的最佳傾角。

2 太陽能樓道照明系統的設計方法

本系統主要由照明燈具、探測器、太陽能電池、超級電容和控制器組成，如圖1所示。

2.1 照明燈具的設計

傳統的照明燈具多是白熾燈和節能燈。白熾燈只有不到1／10的電能轉變成光能，其他都以熱能的形式浪費掉了。在這種情況下節能燈應運而生。節能燈雖然比白熾燈的電-光轉換效率提高了，但是它也有如下缺點。

1）污染嚴重。在生產過程中和廢棄后均有汞污染，危害人體健康，污染環境。

2）易破碎。由于是玻璃制品，不方便運輸和安裝。

3）耗電量較大。能耗為LED燈的2倍。

4）壽命短。節能燈燈絲容易燒毀、易損壞，節能不省錢就是它的最好寫照。

LED是發光二極管，四周用環氧樹脂密封，當它處于正向工作狀態（即兩端加上正向電壓），電流從LED陽極流向陰極時，會以光子的形式發出能量。LED燈特點如下［2］。

1）體積小。LED基本上是一塊很小的晶片，被封裝在環氧樹脂里面，所以它的體積、質量都小。

2）高效節能。LED耗電量相當低，一般LED的工作電壓是2～3.6V，工作電流是0.02～0.03A。這就是說，它的電功率不超過0.15W。LED燈的電-光功率轉換接近100%，相同照明效果比傳統光源節能80%以上，白光LED燈的能耗僅為白熾燈的1／8、節能燈的1／4。

3）使用壽命長。在合適的電流和電壓下，LED燈的使用壽命可達10萬h，比傳統光源壽命長10倍以上。

4）高亮度、低熱量。LED燈使用冷發光技術，發熱量比普通照明燈具低很多。

5）環保。LED燈是由無毒的材料制成，不像熒光燈因含水銀會造成污染，同時LED燈也可以回收再利用，可以安全觸摸，屬于典型的綠色照明光源。

6）堅固耐用。LED被完全封裝在環氧樹脂里面，比燈泡和熒光燈管都堅固，燈體內也沒有松動的部分，這些特點使得LED燈不易損壞。

以上特點決定了LED燈是一種節能且綠色環保的照明燈具，比傳統燈具更適合當今建筑，特別是用在樓道這種頻繁啟動或關斷的照明場合。基于上述情況，本系統的照明燈具采用2W的白光LED樓道燈，其照明效果相當于25W的白熾燈，但是耗電量大大降低，節約了電能。

圖1 太陽能樓道照明系統的組成框圖Fig.1 Structure block diagram of solar corridor lighting system

2.2 探測器的設計［3］

探測器相當于傳統照明方式的開關，用來啟動或關斷照明，但它是一種自動開關，可以單獨裝設，也可和照明燈具做在一起。本系統采用的是集LED燈照明、紅外探測器、光控、智能控制于一體的產品。白天光控作用下，燈具處于關閉狀態；夜晚照度低于設定值后，光控開啟，當有人走動時，紅外探測器感應到人體發射的紅外線后，啟動照明，并延時關閉。這種照明裝置的累計工作壽命可達50 000h以上。它避免了開關損壞的可能，免除了在黑暗中尋找開關的煩惱，也不存在觸摸開關導致的危險，更不會存在聲控開關的誤啟動問題。

2.3 太陽能電池的設計

2.3.1 太陽能電池板的傾角設計［4］

根據筆者所在位置，通常太陽能電池板應該朝向赤道方向安裝，面向正南或稍微偏西，并且相對地平面要有合適的傾角，這就是太陽能電池板的傾角。由于太陽光的照射角度隨時間的變化而變化，使得固定傾角下的太陽能電池板接收的太陽能量也隨之改變，所以太陽能電池板傾角的確定對整個系統來說至關重要。在太陽能路燈系統優化設計中，要根據負載情況、當地氣候狀況和經緯度來確定太陽能電池板的最佳傾角，使其接收的太陽光全年平均量最大。太陽能電池板最佳傾角的確定采用了國際流行的“全年均衡冬季最大”的接收太陽能輻射量的光伏系統設計原則。即在保證全年電池板日照量均衡的前提下，最佳傾角使冬季日照量盡量達到最大，以提高系統在太陽輻射較弱月份的發電量，滿足蓄電池均衡充電和負載的需要。

以滄州市區過去10～20年的氣象資料數據為依據［5］，可以使用Hay提出的天空散射輻射各向異性的模型，算出太陽能電池板不同傾角時所接收到的太陽輻射量，結合“全年均衡冬季最大”理論，可以確定太陽能電池板傾角取本地緯度38°即可。因為夏季小傾角的電池板接收到的太陽輻射量大，冬季大傾角的電池板接收到的太陽輻射量大，所以可以在38°傾角基礎上適當增加5°～10°［6］，效果會更好。而且有利于積雪滑落，減小維護工作量。本系統太陽能電池板傾角取43°。

2.3.2 太陽能電池容量的設計［7］

以6層樓為例，每個LED燈的功率為2W，每個單元的樓道照明負載為12W，假設每天工作10h；設太陽能電池的功率為WS，系統效率為40%，留20%的余量，每天日照工作時間為5h，則有

解得

為滿足蓄電裝置的儲能要求，太陽能電池組功率選擇要大些，系統選擇12V，100Wp的太陽能電池組。

2.4 超級電容的選擇

每個單元的樓道照明負載為12W，照明時間為10h，負載的日耗電量為12W×10h=120W·h，即120／12=10A·h。如需要則太陽能路燈的二次電源超級電容陣列提供1天的照明。

為了滿足電壓的需要，采用5個2.7V的超級電容串聯，其單體工作電壓范圍為0.75～2.7V，其最小容量應等于10A·h，設單體電容量為C，則有下面式子成立［8］：

解得

單體電容量太大，采用2組并聯組成超級電容陣列，則單體電容量為0.5×3 692=1 846F，本系統選擇了2.7V，2 000F的超級電容。

2.5 控制器的設計

樓道太陽能照明系統作為一種小型光伏系統，其控制器自身損耗電流應小于額定工作電流的1%，系統控制器電路的設計都選擇了低功耗器件，采用的是由集成電路構成的電壓比較器作為控制電路，這種電路簡單可靠、維護方便、成本低，電路本身功耗也極低，是一種匹配性很好的電路。這種電路的關鍵是針對超級電容的充放電特性設計一個比較好的電壓回差，同時器件的選擇要可靠，再加上發光二極管構成的充放電狀態指示電路，便形成了一個具有實用功能的控制器電路，具有防超級電容過放電、過充電功能。

2.5.1 超級電容的等效電路

超級電容器的等效電路如圖2所示，由理想電容元件C并聯絕緣電阻R1，然后串聯電阻R2組成。R1反映超級電容器總的漏電情況，一般只影響長期儲能過程，也稱為漏電電阻。在本系統中，超級電容器通過功率變換器與電源連接，R1的影響可以忽略。R2電阻主要由電極物質內阻、溶液內阻和接觸電阻組成，在大電流充放電情況下，必須盡可能減小R2的阻值，以減小其內阻消耗。一般電池的內阻消耗可達50%，而超級電容小于10%。

如果忽略R1，超級電容陣列的阻值可按照下式計算：

圖2 超級電容器的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of super capacitor

式中：N1為串聯器件數；N2為并聯支路數。本系統的電容器每個阻值為0.35mΩ，串聯器件數為5，并聯支路數為2，則超級電容陣列的阻值為

2.5.2 超級電容器的充放電控制［9］

控制器主回路如圖3所示。其中充電回路采用的是BUCK型降壓電路。它是通過斬波形式降低平均輸出電壓，通過調節占空比來調節光伏電池輸出電壓，使其符合超級電容的要求。控制電路中的開關管Q不斷導通和截止，把光伏電池輸出的直流電壓轉換為脈沖電壓，再經過LC濾波，輸出直流電壓。另外，為了防止超級電容給光伏電池反充電，設計了二極管D1。

圖3 控制器主電路Fig.3 Main circuit of the controller

樓道照明系統的負載為大功率LED燈，由超級電容器供電。當光線暗到一定程度，控制器檢測到后就給出控制信號，使超級電容器對外放電，LED燈被點亮。為了保證LED燈的工作電壓或電流恒定，需要在超級電容器與負載之間增加穩壓器或恒流器。本系統采用了DC-DC穩壓電路［10］（如圖4所示）來確保LED燈工作于穩定狀態。

實際上，超級電容器過放電會影響其壽命，另外，超級電容器的工作電壓不能低于負載的要求，所以系統設計了過放電和過充電控制電路。通過檢測超級電容器的端電壓，由控制器來控制充電和放電。

2.5.3 光電和市電的切換控制

由于超級電容的容量限制，其儲能只能提供1～2d的照明，所以本系統設計了交流市電作為備用的供電方式，如圖5所示，當連續陰雨天，太陽能不足時，系統通過聯動開關自動切換到市電供電模式，通過開關電源輸出12V直流給LED照明燈。這樣就保證了樓道照明的供電質量。

圖4 LED的驅動穩壓電路Fig.4 Voltage-stabilizing circuit of driving LED

圖5 光電和市電的切換示意圖Fig.5 Diagram of switching photoelectric and alternating current

3 樓道太陽能照明系統的配置［11］

以6層樓1個單元的樓道太陽能照明系統為例，其基本配置如表1所示。

4 防雷接地設計

LED路燈的工作電壓為12V，屬安全電壓，不做電氣保護接地。但控制箱的金屬外殼應做防雷接地，接地電阻小于10Ω。交流電源部分有接地保護，小于4Ω［12-13］。

表1 樓道太陽能照明系統的基本配置Tab.1 Basic configuration of solar corridor lighting system

5 經濟效益

對于普通25W照明燈，如每天使用10h，1年按310天（除去陰雨天）計［5］，則每個單元6盞燈1年所需要的電費（0.5元／kW·h）為25×10×310×6÷1 000×0.5=232.5元。每棟樓4個單元的樓道照明所需電費為930元。也就是說使用本太陽能樓道照明系統，每棟樓每年可節約電費近千元，使用20年可節約電費約2萬元。整個小區的節電情況會更加可觀。

目前超級電容的價格較高，系統成本的回收年限可能會長一些。但隨著國產超級電容器技術的逐步成熟，價格的降低，回收年限會逐漸縮短。值得注意的是超級電容的環保價值是不可估量的。

6 結 語

基于超級電容的樓道太陽能照明系統，完全是從實用、節能和環保的角度出發進行設計的。太陽能的利用會大大節約電能，LED照明燈具和超級電容的使用會減少環境污染，紅外探測器和光探測器給居民的生活帶來了更大的便利。備用的交流市電保證了樓道照明不會中斷。隨著科技的發展、超級電容容量的提高，將來可以完全依靠超級電容這種綠色能源給樓道照明系統供電，連續的陰雨天也不會中斷。

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