为了凸显智能建筑“节能环保”的理念，针对智慧社区设计了太阳能路灯。专为照明灯具而设计， 太阳能电池板 倾斜和容量，以及电池和超级电容器容量。采用新型光源LED，增强了照明效果，延长了灯具的使用寿命。超级电容的使用提高了充电效率，延长了电池寿命，减少了电池浪费。结果表明，太阳能、LED和超级电容器是很好的优化组合。同时，超级电容器的使用有利于此类绿色储能组件的开发和推广。

在能源危机日益严重的今天，开发利用太阳能不仅节约能源，而且保护环境。太阳能路灯无需布线，安装方便。一次投资后，以后不需要电费，日常维护工作量小，所以很受欢迎，应用也越来越广。作为以节能环保为主题的智慧社区，应充分利用太阳能。郴州市某智慧社区在阳光明媚的健身广场和门口安装了12盏太阳能路灯。该设计描述如下。

第一的。项目概况

住宅楼多为小高层建筑。路边的照明不够。它不适合太阳能路灯。因此，太阳能路灯只用在健身广场和大门向阳的小区。广场长80m，宽20m。根据住宅小区路灯规格，广场两侧安装5盏太阳能路灯，间距20m。小区大门安装了2盏，共12盏太阳能路灯。

二、系统结构与设计

智能社区不仅是高科技的应用，更注重节能环保。太阳能路灯系统在一般太阳能路灯的基础上进一步优化，采用LED光源和超级电容，充电效率更高，组件寿命更长。比一般太阳能路灯更加节能环保。太阳能路灯系统主要由光伏电池板、储能电池、超级电容器、照明灯具和控制器组成。

1、照明灯具设计及控制方法

(1)照明灯具设计

传统照明灯具效率低，如白炽灯、卤钨灯等，不适合智能建筑的节能理念。各种照明光源的性能对比如表1所示。白光超高亮度LED灯具的发光效率为45 lm/W。虽然不高，但发出的光在可见光范围内，适合作为照明光源。 LED灯 寿命长达10万小时以上，可有效减少灯具浪费。另外，LED采用低压直流电源供电，更加安全，适合频繁开闭。因此，太阳能照明系统选用12V、10W白光超高亮大功率LED灯具，光效可达450lm/W，相当于50W白炽灯，可达到良好的照明效果。

表1 常见路灯光源技术性能

(2)照明灯具的控制方法

控制太阳能照明开启和关闭的方式主要有两种：定时控制和灯光控制。

定时控制是在每天的开关时间后由系统自动设定的，但设定的时间需要随着季节的变化而不断调整。否则天黑不亮，天亮不关灯，造成能源浪费。 。照度控制是通过检测照度来开启和关闭照明灯具的系统。如果照度低于 10 lx，则灯打开。当照度高于10 lx时，灯关闭。这样既可以满足用户的需求，又可以节省能源，符合智能建筑的理念。因此，系统照明的亮灯和亮灯均采用灯光控制方式。

光控模式的工作时间与当地纬度和当天的太阳赤纬角有关，天空的光线足以照亮日出前半小时和日落前半小时，使路灯可关闭，使每天开灯时间少于1小时。智慧社区位于东纬116.84°、北纬38.31°。根据文献[1]的计算和实际统计可以看出，该地区光控路灯冬至时工作时间最长为12 h，夏至时工作时间最短。现在是 9 点。可以看出，太阳能路灯的工作时间变化并不算太大，可以认为是均衡负载，对太阳能电池板的倾斜度影响不大。

2、太阳能电池

(1)太阳能电池板最佳倾斜角度的确定

太阳能电池板要面向赤道安装，通常朝南或稍偏西，并应相对于地平面有一定的倾斜角度，即太阳能电池板倾角。由于太阳的照射角度随时间变化，固定倾角下太阳能电池板接收到的太阳能量也会发生变化，因此太阳能电池板倾角的确定对整个系统至关重要，在太阳能街道照明系统。优化设计中，根据负载情况、当地气候条件以及经纬度确定太阳能电池板的最佳倾斜角度，使年平均接收到的阳光量最大。系统负载近似均等负载，太阳能电池板的最佳倾斜角度由国际流行的“年平衡冬季最大”光伏系统接收太阳辐射的设计原则确定。也就是说，在保证全年太阳能电池板平衡的前提下，最佳倾角最大限度地提高冬季日照量，从而在太阳辐射较弱的日子里增加系统的发电量，满足电池均衡充电和负载的需要。

根据郴州市近10~20年的气象资料，利用天空散射辐射各向异性模型，结合“年平衡冬季最大值”，计算不同倾角下太阳能电池板接收到的太阳辐射量。 ”。 “理论上，取当地纬度38°就可以确定太阳能电池板的倾斜角度。由于夏季倾角小的电池板接收到的太阳辐照度较大，冬季倾角大的电池板接收到的太阳辐照度也较大，因此可在倾角的基础上增加5°至10° 38°的角度，效果会更好，而且有利于降雪，减少维护工作量。该系统的太阳能电池板倾斜角度为43°。

(2)太阳能电池容量的确定

LED的功率为10W，每天工作12小时。太阳能电池的功率为WS，效率为40%，剩余20%。每日日照工作时间为5小时。

WS × 5 h × 40% ÷ 120% = 10 W × 12 h

解决 WS = 72 W

为了满足蓄电池的储能要求，太阳能电池功率选择较大，系统选用12V、100W的太阳能电池。

3、电池组和超级电容的选择

目前大容量、低成本的储能装置也是铅酸电池。虽然超级电容器有很多优点，但其储能对于太阳能路灯系统应对连续阴雨天来说并不容易。然而，超级电容器可以帮助电池更好地工作。超级电容器和蓄电池组成储能组件，可以提高充电效率、延长电池寿命、提高系统供电可靠性。其结构如图1所示。

图1 结构 太阳能路灯 系统

　　 (1)电池组容量的选择

在太阳能路灯系统中，蓄电池是一种储能装置，其容量与照明时间的长短直接相关。选择电池组的依据主要是额定电压和额定容量。电池容量的计算公式为：

式中，C为电池组容量，单位为A·h； D为最长无电日，需6天； F为电池组放电效率的修正系数，通常取1. 05； Q为每日用电量，单位为W·h，系统用电量为120 W·h； L为电池组的充放电效率，通常取0. 9； U为电池组的放电深度，通常取0.6； Ka 为线损，通常取 0。 98； Vt为系统工作电压，取12V。

根据公式计算电池组容量C=120A·h，选择120A·h/12V单体电池中的一颗。

负载每天的耗电量为10W×12h=120W·h，即10A·h，120A·h的电池可提供12天的电量。按放电深度0.6计算，可以使用7天。实际使用中，太阳能路灯可连续7个阴雨天正常照明。

(2)超级电容器的选择

超级电容器是一种新型储能元件。它基于双电层，采用多孔碳材料作为电极的EDLC超级电容器。它的电容量高达几千法，其性能与传统充电电池不同，普通电容器可以在短时间内充满电，而其他充电电池则可以储存大量的电能。放电期间，移动导体之间的电子（不依赖化学反应）被释放，为灯具供电。但目前价格过高，大容量供电不易实现，只能采用电池辅助。

太阳能电池的输出功率随天气变化。这种不稳定的充电电流影响电池寿命，这不可避免地增加了系统成本并造成更多的环境污染。因此，系统设计了超级电容器这一可以快速充放电的中间元件。特别是在阳光不强的情况下，控制系统将太阳能电池输出的不稳定电能存储在超级电容器中，充满后再对电池进行恒流充电，从而可以提高电池的寿命，并且超级电容的储能还可以在连续阴雨天为路灯提供更多能量，增加照明时间。

根据文献[2]，单节电池2. 7 V和2 400 F的超级电容器5串联成电容器组，耐压为13.5 V和480 F。

超级电容器的充电时间可以通过以下公式计算：

式中C为电容器的额定容量； dv为电容器的工作电压变化； I为电容器的充电电流； t是电容器的充电时间。

根据式（1），13. 5 V、480 F的电容充电时间为（充电电流为10 A）

可以看到充电时间很短，方便系统快速充电。超级电容器的放电时间由公式确定：

得到：

若放电截止电压为3.5V，则放电时间为：

从式（2）可以看出，超级电容器的储能时间可以达到1. 6 h，延长了系统的供电时间。

4、太阳能控制器设计

太阳能路灯系统作为小型光伏系统，其损耗电流应小于额定工作电流的1%。系统控制器电路的设计选用低功耗器件并采用集成运算放大器组成的电压。比较器用作控制电路。该电路简单可靠、易于维护、成本低廉、功耗极低。这是一个匹配良好的电路。此类电路的关键是针对电池的充放电特性设计更好的电压迟滞。同时，元件的选择要可靠，由LED组成的充放电状态指示电路成为实用功能。控制器电路具有防电池过放、过充功能。

控制系统在光伏控制器和充电控制器上增加了一个超级电容，连接在直流母线和地之间，稳定直流母线的电压并缓冲光电池提供的多余能量，然后放电到电池。提供给负载。

光伏控制器通常设计有升压电路，产生比光伏板两端更高的电压，以方便给电池充电，同时也克服了传统电路中防回灌二极管将电池电压钳位到12V..但在光照不足的情况下，如果要对蓄电池进行持续充电，控制电路会导致光伏电池的工作点与最大功率输出点脱离，从而导致光伏路灯的发电效率下降灯系统减少。因此，在设计控制系统时，需要预设弱光段的阈值，以达到弱光下通过超级电容缓冲保证电池正常充电的目的。

如果采用光伏电池直接给电池充电，当光照较弱且存在其他干扰因素时，会导致输出电压不稳定，导致光伏电池在充电时很难保持在最低充电电压，并且最终系统无法处于照明范围内。电池正在正常充电。系统利用超级电容将阴天太阳能电池不稳定的输出能量进行积累，当满足一定的电压条件时，超级电容中的能量通过升压电路释放到电池，升压电路示意图如图所示。 2. 。这种使用超级电容器的方法可以在没有阳光照射的情况下提高发电效率。

图2 充电升压电路

LED的控制电路比较简单，可以采用直流驱动，寿命可达10万小时。然而，驱动电流的大小极大地影响LED的寿命。如果电流过大，LED光衰会严重，寿命会缩短。因此，必须合理设计驱动电路。图3所示为BUCK电路实现的LED恒流控制电路。

图2 充电升压电路

5、防雷接地设计

LED路灯的工作电压为12V，属于安全电压。它没有接地。然而， LED路灯 金属杆应接地，测试接地电阻为8Ω，符合要求。

太阳能路灯系统的配置。

该智能小区太阳能路灯的基本系统配置如表2所示。

表2 太阳能路灯系统基本配置

三、结论

智慧社区太阳能路灯系统投入运行后，10W新型LED光源足以照明。超级电容的应用可以保证电池的合理充电，提高充电效率，延长储能元件的寿命，特别是在阳光不足的情况下。此时系统的储能能力较好，其储能可连续使用7天。系统的设计始终遵循智能建筑“节能环保”的理念，采用太阳能、长寿命LED光源和超级电容。如果加上25个超级电容，电容储能可以为路灯供电一天。随着超级电容器容量的扩大和价格的下降，将其用作储能组件是可行的。智能小区的太阳能路灯系统也是超级电容器应用的一种尝试。