太阳能路灯系统中蓄电池的优化设计与管理

云南天达光伏科技股份有限公司 普平贵

一 引言

随着人们对环境污染问题和新能源开发的日趋重视，太阳能路灯已经在城市和乡村的道路照明中得到了广泛应用。目前使用的太阳能路灯一般采用与太阳电池组件电压匹配的直流光源，系统中电气部分主要由太阳电池组件、蓄电池、控制器和光源组成。随着太阳电池组件供求关系的日趋平衡和技术的持续进步，其价格不断下降；同时，太阳能路灯系统中常用的LED直流光源，在生产规模快速扩大和技术逐步成熟后，其寿命和可靠性也在增加，价格呈下降趋势。

目前安装的太阳能路灯，通常采用阀控式密封免维护铅酸(胶体)蓄电池，虽然标准状况下使用寿命较长，一般均在10年以上，但由于受气候条件、放电深度、充放电管理等因素的影响，往往运行3年左右即报废，必须重新更换蓄电池，大大增加了系统的投资造价和后期维护管理。

本文从太阳能路灯系统设计配置、控制器放电管理、蓄电池安装方式和蓄电池类型选择等方面，分析对蓄电池寿命和成本有影响的因素，提出蓄电池的优化设计配置和较好的管理方法。

二 蓄电池配置的优化设计

1 蓄电池特性

蓄电池寿命通常采用循环寿命和使用时间寿命两种方式衡量。循环寿命按照蓄电池每次放电深度与其可循环使用的次数相结合计算得到。蓄电池的放电深度越大，其相应的循环次数也就越少。图1为某厂家12V系列铅酸蓄电池的循环寿命曲线图。

蓄电池的使用时间寿命按照标准条件下(气候条件等同)以浮充状态进行衡量，目前工业使用的铅酸蓄电池的时间寿命一般均在10年以上。

在实际使用过程中，对蓄电池寿命影响最大的是频繁深度放电、长时间处于亏电状态和温度变化。

图1 12V系列铅酸蓄电池循环寿命曲线

2 太阳能路灯系统的设计配置

为保证蓄电池的寿命尽可能长，在系统设计配置方面，需考虑太阳电池组件每天发电量、光源每天用电量、蓄电池配置容量和与使用地的气候状况合理匹配，以避免蓄电池频繁深度放电和长时间处于亏电状态。为避免蓄电池频繁深度放电，配置的蓄电池容量需满足阴雨天用电需求；为避免蓄电池长时间处于亏电状态，阴雨天过后蓄电池的亏电量需尽快补充。

现以北京市朝阳气象点的太阳辐射数据为例，分析太阳电池组件和蓄电池配置与蓄电池储电量和工程造价的关系如表1所示。

表1 北京市朝阳气象点太阳辐射量 单位:kWh/(d·m2)

若太阳能路灯要求整晚通宵照明，北京地区光源的用电量冬季比夏季多。在确保太阳电池组件全年发电量尽可能高的情况下，设计太阳电池组件面向正南的倾角可保证冬季多发电。

现假设某一路灯功耗为48W(24V)，配置240Wp太阳电池组件、150Ah24V铅酸蓄电池，整夜通宵照明，以此为例分析系统各月用电量的情况。

表2为根据表1太阳辐射数据，按照满足北京地区全年每天通宵照明要求，计算的光源每天用电量、太阳电池组件在不同倾角下平均每天发电量、每天节余可以储存到蓄电池的电量。表2中，每月每天的夜长时间以每月15日为参考，太阳电池组件表面的太阳辐射量为每月的日平均值，夜长按照日出至日落间时长减去1h。

表2 不同倾角下全年各月电量情况

从表2可以看出，以通宵方式照明配置的太阳能路灯，由于冬季夜长、太阳辐射量较少，不论采用何种倾角，冬季总有3个月处于蓄电池的净放电时间。但随着太阳电池组件倾角的不断增大，冬季蓄电池每天的净放电量会逐渐减小。因此，诸如北京等高纬度地区，太阳能路灯中组件的倾角应尽量大一点。

3 蓄电池使用寿命分析

根据表2分析，在系统设计配置方面，由于冬夏两季发电量和用电量的反差关系，导致按照此方式配置的路灯系统，每年3～10月蓄电池为日均净充电状态，此段时间内，除过长的连续阴雨天外，蓄电池的放电深度均不会超过20%；11月～次年1月共3个月时间内，蓄电池为日均净放电状态，蓄电池开始逐步亏电，放电深度越来越深，直至2月份才能开始补充电量，到3月份才能充满蓄电池。

如果这样设计，一年内有110多天的蓄电池处于不断亏电状态，将加速蓄电池的硫酸盐化程度，大大减短蓄电池的使用寿命。

4 蓄电池放电管理

为解决蓄电池冬季连续亏电的问题，需要从路灯系统中的控制管理单元考虑。目前我们实际工程中使用的控制器，采用跟踪蓄电池容量的方式管理放电过程，蓄电池当天黎明时的剩余电量和白天充电量的情况，会计入次日夜间蓄电池放电管理中。根据蓄电池的实际电量，结合路灯照明需要的时间段，自动控制路灯在蓄电池亏电较长时间时，除保证重要时间段照明外，其他时间将不再照明或降功率照明，以保证蓄电池能够在较短时间内，尽快恢复电能。

三 蓄电池的安装位置

影响蓄电池寿命的至关因素除容量匹配合理性和充放电管理外，温度对其影响也非常大。

太阳能路灯配套的蓄电池，必须选择合适的蓄电池安装位置，保证其尽可能处于最佳工作温度范围，才能提高蓄电池的实际使用寿命。对于全年温差较大的北方和西北地区，温度较高的华南及中东部等地区，必须保证蓄电池运行的适合温度，否则后期的维护管理将耗资巨大。

四 蓄电池类型的选择

目前太阳能路灯系统中通常使用铅酸和胶体两种阀控式密封免维护蓄电池，这两种蓄电池在充电和放电过程中损耗很大。

实验数据表明，常温状态下，铅酸蓄电池在充电和放电过程中总的电能损失高达12%～15%，相当于太阳电池组件约15%的发电量白白浪费在此环节。

而目前技术逐步成熟的锰酸锂电池和磷酸铁锂电池，常温下充放电过程中的电能损耗不超过2%，效率极高，并且其深度放电的循环使用次数要比铅酸蓄电池高。同时，其循环使用寿命长于一般蓄电池，较轻便、特性较好。若采用锂离子电池，由于其电压和常规电池有差异，一般通过72片或36片串联电池片组件，也可以对单块组件的串联电池片数量做调整，以保证充电电压适合锂电池。

综合考虑路灯系统中各种设备的特性和配置结构，部分路灯系统更适合采用锂离子蓄电池作为储能设备。

五 结论

(1)太阳能路灯系统中应建立以蓄电池为中心的设计配置理念，围绕蓄电池使用寿命，综合考虑各种影响因素。

(2)整个路灯系统中，控制器的功能对蓄电池的使用寿命起至关重要的作用。

(3)路灯系统的设备选型应综合考虑整个系统的造价和运行可靠性，技术的创新可以带来总投资的降低，便于太阳能路灯的推广。

[1]周志敏. 阀控式密封铅酸蓄电池使用技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2004.