浅谈光控方式对太阳能庭院灯系统设计的影响

庭院灯是公园绿地、小区道路的主要户外照明灯具，采用太阳能发电装置的庭院灯近年来在很多地区得到了广泛的应用。不同的光控方式直接影响到灯具耗电量的大小，进而关系到整个系统配置的容量及各部件的均衡与匹配，本文从独立太阳能系统设计的角度探讨了光控方式系统容量的影响。


　　太阳能发电是一种利用光生伏打效应，通过阳光照射太阳能电池组产生电子流动，经过控制器件向负载供电的装置，它通常按照结构形式可以分为独立性和并网型两大类。太阳能庭院灯是一种典型的独立型太阳能发电系统，由太阳电池、蓄电池、充放电控制器、光源及光控电路、灯杆等部分组成。在上述部件中太阳能电池是把太阳能转换成电能的转换设备，蓄电池时储能装置，灯具时负载装置，充放电控制器和光控器是系统的管理设备。



　　1 独立型太阳能电源系统的设计

　　1.1 系统设计的特点

　　顾名思义，独立型太阳能电源系统要求具有自持能力， 在预期条件下能够像额定负载可靠供电，即系统应满足公式(1)的要求。

　　El=Ej (1)

　　式中左侧El为负载耗电量，包括负载的输出功率。工作时间、备用时间等，该数值是系统设计的基础，对系统方案和系统配置起着举足轻重的作用;Ej为系统发电量，是系统在给定条件下的发电能力，包括日照条件、安装倾角、组建功率、转换效率等参数。

　　由于太阳光照强度具有地域性、季节性、时效性、随机性的特点，系统一般应根据使用地点的气象条件进行针对性设计而且通常需要配置蓄电池作为储能部件以保证供电可靠性。对庭院灯这样的负载，蓄电池更是必不可少的，其容量与负载每天放电量及预期无日照天数的参数有关。

　　1.2 负载耗电量对系统配置的影响

　　如前所述，独立型太阳能系统是以满足负载供电可靠性为前提，以负载耗电量为依据设计和优化的，在其他条件相同的情况下，负载的大小决定了系统配置的大小，由于太阳能发电系统造价较高，通过精确计算伏在容量可以有效降低系统造价，提高系统的经济性。

　　在独立型太阳能发电系统设计中，通常将负载类型归纳为季节性负载(含冬季型负载和夏季型负载)、均衡型负载和随机型负载等类型。假设系统安装地区具有夏季光照强、冬季光照弱的典型光照曲线(这一特征是用于国内绝大多数地区)，对于夏季型负载如光伏水泵，系统在夏季耗电量大，发电量也高;而冬季发电量少，负载也小，负载曲线与发电量曲线一致，系统利用率比较高，比较有利于减少系统配置，系统利用率教高，比较有利于减小系统配置，降低系统造价;而对冬季型负载如太阳能庭院灯，系统在夏季发电多但由于昼长夜短，电灯时间短，负载较轻，冬季发电少但由于昼短夜长，电灯时间长，耗电量大，系统发电曲线与负载曲线相反，为满足冬季负载需求而增加的系统配置在夏季不能发挥全部功效，降低系统利用率，提高了系统造价。

　　如以北京为例，根据水平面上的日出日落时角ωs的关系式(2)及无日照时数关系式(3)可以分别计算出冬至日和夏至日的无日照时数N：式中φ为当地纬度，δ为太阳赤纬，

　　ωs=cos-1 [-tanφ tanδ] (2)

　　N =24-2/15 cos-1 [-tanφ tanδ] (3)

　　通过计算得出夏至日和冬至日北京无日照时数分别为9.16h和14.83h，冬季耗电量是夏季1.6倍以上，而12月的平面太阳总辐射量只有6月的36％，耗电量与发电量的发差会使系统的运行环境十分恶劣，而这种趋势随着纬度的上升会表现的更加明显。

　　2 常见光控方式

　　目前太阳能路灯、庭院灯常见的光控方式有：光控型、时控型等类型。

　　光控型开关通过监测光照强度确定开关灯动作，系统的耗电量与当地季节变化一致，系统运行在*恶劣的状态：时控型开关通过设定运行时间确定开关灯动作，与季节变化无关，系统由冬季型负载转变成为均衡型负载，运行状态得到改善，但是带来的问题是可能会出现冬季天黑灯不亮，夏季天亮灯也亮的现象。

　　3 改善冬季型负载运行条件的方法

　　3.1 调整太阳电池组件倾角

　　对大多数地区而言，通常夏季光照强，天顶角小，冬季光照弱，天顶角大，而气象部门提供的日照强度是平面测量值，这样通过调整太阳电池安装的方位角和倾斜角可以有效地提高冬季发电量。虽然夏季的发电量也会有所降低，但是只要角度选择合适就能做到取长补短，取得比较理想的效果。有关组件倾角的选择是一个比较复杂的问题，超出本文的讨论范围，在此就不过多占用篇幅了。

　　3.2 利用光控设备合理限制冬季负载

　　通过前面的介绍可以看出，单纯的光控或时控装置难以达到系统优化的要求。应考虑光、时、声等多物理量相结合的综合控制法方式。

　　实际生活中我们发现，虽然冬季17时太阳能路灯就已经开始照明，但是由于冬季气温低，人们的出行量减小，至20时以后已经人烟稀少。这是完全可以关闭一部分灯具，继续工作的灯具也可以关闭部分光源以减少耗电。第二天早晨5时灯具全部工作，之光照强度加大到一定数值灯具关闭，太阳电池组件开始对蓄电池进行补充充电。这样系统全天仅工作5~6个小时左右，与夏季耗电量相当，通过控制设备设置系统时间，可以使太阳能庭院灯交替进入节能工作状态，在基本保证照明的前提下，有效降低耗电量，是系统运行状态得到改善。

　　另外还可以利用声控器件控制灯具工作，有人灯亮，无人灯灭，同样具有很好的节能效果。

　　4 结论

　　太阳能路灯、庭院灯看似简单，但是同样应该以系统设计的方法对各个构成部件进行优化设计。针对典型的冬季型负载，应该以开源节流的方法改善系统的运行环境。即通过合理的安装方式、安装位置提高系统的发电量，同时合理地调整设备的工作时间和状态，减少不必要的耗电。运用计算机综合控制方案，采用声、光、电相结合的控制方法，完全可以实现在满足需要的前提下系统合理优化的目标。