摘要：目前，世界太阳能电池年产量已超过3000兆瓦。中国的进步更令人鼓舞，已经成为世界上最大的太阳能电池生产基地。与此同时，太阳能照明技术已经在中国的城市和农村道路照明中得到应用。
关键词：光伏发电；市电；道路照明；
随着太阳能光伏发电技术的迅猛发展,太阳能路灯很快在广大城市和农村得到了推广和应用,尤其是在没有电网的农村得到广泛的重视,并且取得了成功。同时,在许多已经敷设了电力线路的城市道路上也开始安装太阳能路灯,但这些道路和农村的道路不同,如果用同样的方法设计,一方面不能达到城市道路照明的规定要求，在城市,有的地方双路供电的成本是相当高的,太阳能光伏电力与市电互补照明将大幅度降低路灯双路供电的成本。
一、太阳电池目前在道路照明领域的地位
除了人们对环境保护的追求以外,路灯对光源的要求以及太阳能电池提供电能的能力决定了太阳能照明系统目前在照明领域的地位。目前,太阳能电池的面积为120W m2,1kW的太阳电池的面积大约9m2,这么大的面积几乎没有可能在灯杆上固定。另外,为了满足在连续阴雨天能够工作的条件,蓄电池的容量还要扩大若干倍,因此还需要一个很大的蓄电池箱。但是,有许多太阳能路灯的生产厂家不同意以上的结论。
二、市电切入点的选择
1.蓄电池补充充电形式。这种太阳能光伏电力与市电互补形式的特点是当连续阴雨天太阳能光伏电力不足时,由市电直接给蓄电池充电,蓄电池每天始终可以保持在电力充足的状态下,蓄电池的寿命可以得到很大的延长。这种太阳能光伏电力与市电互补形式在技术上的难点是市电切入时间的判断。在太阳能路灯的工作过程中,并不是只要存储能量不足时都需要由市电直接给蓄电池充电,这需要根据AC/ DC充电器的容量、估计蓄电池缺电的多少、综合起来计算市电在白天切入的时间。当然,也可以设计成为可以在夜晚一边给蓄电池充电,一边同时给光源放电的形式,这样AC/ DC充电器的容量就需要比较大,显然不合理。合理的方法是由单片计算机自动控制,由一个容量尽可能小的AC/DC充电器给蓄电池补充充电。单片计算机在系统工作时不停的对蓄电池的电压和时间进行检测,当计算机判断这一天太阳能电池所发的电能不足以满足夜晚照明需要时,AC/ DC充电器在适当的时间开始给蓄电池补充充电。这个系统的缺点是结构控制比较复杂,如果蓄电池出现故障,系统将不能够运行。
2.低压直流光源切换。低压直流光源切换是使用低压直流光源的太阳能灯的一种控制方法。当蓄电池的电压低到一定值以后系统直接转换到市电。这个系统比蓄电池补充充电形式可靠,这是因为它可以完全不依赖蓄电池工作,甚至当太阳能光伏系统出现故障时,太阳能路灯照样可以工作。它的AC/ DC变换器的功率要求比较大,需要能够直接启动低压直流光源。
3.高压交流光源切换。在太阳能路灯用光源中,最可靠的应该是传统的和220V交流电镇流器配套的光源。这是因为220V交流电镇流器比低压直流电子镇流器的技术要成熟,其工作电流小,半导体元器件的发热也小,使用寿命比低压直流电子镇流器要长的多,它的缺点是逆变器的存在降低了系统的效率,逆变器的效率在85%左右。特别要注意的是转换继电器的常闭触点要和市电连接,而继电器的电磁线圈一定要由蓄电池供电,这是由于市电系统比太阳能光伏发电系统的可靠性高,高可靠性系统处在可以优先进入的状态,一旦太阳能光伏发电系统由于连续阴雨天或者其它原因出现故障,市电将可靠进入连接状态。
三、市电切入过程对光源的影响
目前太阳能路灯所使用的光源主要是气体放电灯,比如陶瓷金卤灯,由于它发光效率高、显色性好、使用寿命长等优点,成为了太阳能路灯光源的首选。
陶瓷金卤灯熄灭以后,由于灯内的气体压力很高,原来0.5～5kV的启动电压就不可能将其顺利再次启动点燃。必须在陶瓷金卤灯的灯管冷却以后再次启动点燃。所以太阳能路灯的市电切入过程不是简单的继电器开关转换,而是比较复杂的控制过程,这样才能可靠地启动熄灭的路灯。在有一些要求不高的场合,允许一定时间内路灯熄灭,可以采用延时切入市电的方法。当太阳能路灯需要切入市电时,首先让灯管冷却,温度可以由传感器测量,也可以根据季节或者环境温度以定时器的方法控制,延时切入市电。有些情况下,是不允许路灯熄灭的,这就需要用下面两个方法来控制市电切入。第一,可以用30～60kV的高电压启动熄灭的路灯;第二,在使用低压直流光源切换的系统中,可以在切换前提前进行由二极管隔离的双路直流供电,这样可以实现真正的“无缝隙”切换。如果是高压交流光源切换系统,就需要定制可以双路供电的交流220V电子镇流器。
四、太阳能电池和蓄电池容量的选择
由于太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯不需要考虑连续阴雨天太阳光照不足的影响,太阳能电池和蓄电池的容量都可以每天最小的要求计算。由于一年中不同季节太阳能电池的发电量是不同的,太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯只要按照发电量最多的月份计算就可以了。如果按照最少的月份计算,在发电量多的月份太阳能电池发的电就会被浪费。蓄电池的容量只需要满足一天的电量就可以。为了满足蓄电池的寿命要求,放电深度不宜过深,应该不超过80%。具体到控制方法上,蓄电池电压在11V(对于12V系统)以上就要进行市电切入,市电切入在控制上应该是单向的,夜晚蓄电池电压无论怎样恢复,必须到天亮以后市电才能够退出,这样就可以确保蓄电池的放电深度。
五、对实际节能效果的检测
1.太阳能光伏电量采集器的构成。一种价格低廉、结构简单的太阳能光伏电量采集器可以统计出太阳能电池每天的发电量,它甚至可以直接做在控制器里面。采集器主要由太阳能电池组、电流电压转换电路、数字显示装置、单片机控制系统、蓄电系统五部分组成。
2.工作过程。太阳能电池接收光照时,内部产生电流,对蓄电池充电;单片机通过稳压装置由蓄电池提供驱动电压,对太阳能电池产生的电量进行信号采集;由于单片机只能接收电压信号,且不能超过5V,所以在信号接收前由I V、V V转换电路把信号调至合适的电压,经内部运算处理,结果送数字显示装置显示电池发电总量。
3.日常管理和自动报警系统。虽然太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯是在城市因地制宜应用太阳能光伏照明的好方法,克服了普通太阳能路灯的不足,系统的可靠性非常高,但是市电的可靠性有时候会掩盖了太阳能路灯的故障;也就是说,太阳能路灯坏了,管理者还不知道。所以我们应该对太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯的日常管理提出更高的要求,首先要配备一定的硬件设施。在硬件设施中,最简单的是在路灯的明显位置安装太阳能光伏系统工作显示装置。通常是用绿颜色或红颜色的LED在太阳能路灯顶端或者太阳电池板边沿组成显示器,表示太阳能路灯是由太阳能光伏系统提供电能的;否则说明系统已经切换到市电上了。这可能是由于太阳的辐射量不足,也可能是太阳能光伏发电系统出现故障。
总之，由于太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯系统中有电力线路的存在,所以利用电力线载波对其进行日常管理和自动报警是最理想的方法。况且目前各种电力线载波通信模块已经比较成熟,价格也比较低,它和单片计算机可以很方便地组合成太阳能光伏电力与市电互补形式的太阳能路灯系统中的日常管理和自动报警系统。
参考文献：
[1]王新宇，太阳能光伏电力与市电互补道路照明分析.2019.
[2]张红艳，浅谈太阳能光伏电力与市电互补道路照明.2018.