超級電容技術應用于高校光伏路燈的探索

朱衛東 孫仲良

1.東華大學；

2.華東理工大學

0 前言

太陽能是地球上最直接最普遍也是最清潔的能源，并且太陽能在路燈照明系統方面的應用已經逐漸形成規模，但是傳統太陽能路燈在實際應用中通常存在受光伏板配置局限，導致陰雨天無法正常使用。其次，太陽能光伏產生的電能儲存效率，導致維護成本高、污染環境等具體問題，使得傳統的太陽能路燈的推廣和發展存在難以持續的瓶頸。

超級電容技術的發展和產品的問世，將儲電技術與光伏電源結合，用于太陽能光伏路燈可有效地解決原先存在的諸多技術問題。鑒于松江校區某高校部分室外道路以及足球場需要配置和安裝照明的需求。該高校在2018年7月，嘗試采用超級電容技術與光伏微光產能技術結合應用于校內太陽能路燈的節能技術改造項目。該改造項目在實施半年多時間的期間，曾經受了2019年春季長達23天連續陰雨天的極端天氣的考驗，2020年春節前后又經歷了2次連續一周以上的陰雨天的考驗。該改造項目由于采用了超級電容技術，科學合理、設計得當，新安裝的路燈在完全沒有額外補充電源的情況下，完全達到前期設計的目標和要求，完全不受極端天氣的影響，確保每天的正常照明。為此，本文將該項目的前期設計和器材的配置等相關內容作一闡述和分享。

1 相關技術與設計

太陽能路燈的安裝，首先要考慮的是所配備的太陽能光伏板發電量能滿足路燈照明負荷的需求，其次太陽能光伏板所發的電能能否被有效地儲存和應用。因此，選擇優質的電能儲存配件尤為重要。本項目超級電容具有在連續極端天氣情況下光伏板發電量極少，但太陽能板產生的弱電流仍可涓流充入超級電容器，實現完全吸收和儲存的優越性能，保障了路燈系統對可再生能源的充分利用。本項目所選用的超級電容內阻≤0.5 mΩ，內阻極小，自身放電極小，在充電很少的情況下仍能長時間維持內部的能量不降低，對光伏路燈在連續極端天氣情況下正常啟用提供供能保障（見圖1）。

圖1 超級電容光伏路燈控制系統基本結構示意圖

1.1 太陽能光伏板在不同天氣狀況下的能效

經過實際測試，太陽能板在不同天氣條件下實際產電效率見表1。

表1 太陽能板在不同天氣條件下實際產電效率

1.2 6 m路燈的配置設計

1）每桿6 m路燈配置2片85 W路燈用A級單晶硅太陽能板，每天能發電170 W。

2）配置5串超級電容，其能量值為287.5 Wh（每個超容單體為57.5 WH,電壓2.3 V，25 AH）。

3）6 m光伏路燈開燈時間和功率（見表2）。

表2 6 m光伏路燈開燈時間和功率

6 m光伏路燈從節能考慮采用二段制照明控制，所需要的光源總耗電量為180 Wh。

4）6 m路燈按上述設計配置在陰雨天時的情況推演。

（1）間歇陰雨天氣條件

超級電容每天充電能量值=太陽能板總功率×間歇性陰雨天充電效率（取下限值）×充電時間=170 W×18%×8 h=244.8 Wh＞180 Wh，

即在間歇陰雨等天氣條件下每天儲存的能量大于每天消耗的能量，超級電容內儲存的電量持續增多，確保路燈每天正常工作。

（2）連續陰雨天等極端惡劣天氣條件

超級電容每天充電能量值=太陽能板總功率×陰雨天及其它惡劣天氣充電效率（取下限值）×充電時間=170 W*15%*6 h=153 Wh。

至少可滿足路燈正常工作供電天數=電容容量/（日耗電量-陰雨天發電量）

=287.5 Wh÷（180 Wh/d-153 Wh/d）=10.6 d。

1.3 16 m高桿燈的配置設計

1）每桿16 m高桿燈配置8片250 W路燈用A級單晶硅太陽能板，每天發電2 000 W。

2）配置20串5并（共一百個）超級電容的能量值為5 750 Wh（每個超容單體為57.5 Wh,電壓2.3V，25AH）。

3）16 m超級電容光伏高桿燈開燈時間和功率（見表3）。

表3 16 m超級電容光伏高桿燈開燈時間和功率

即每桿16 m高桿路燈的光源總耗電量為2 400 Wh。

4）16 m高桿燈按上述設計配置在陰雨天時的情況推演。

（1）間歇陰雨天氣條件

超級電容每天充電能量值=太陽能板總功率×間歇性陰雨天充電效率（取下限值）×充電時間=2 000 W×18%×8 h=2 880 Wh＞2 400 Wh，

即在間歇陰雨等天氣條件下每天儲存的能量大于每天消耗的能量，超級電容內儲存的電量持續增多，確保路燈每天正常工作。

（2）連續陰雨天等極端惡劣天氣條件

超級電容每天充電能量值=太陽能板總功率×陰雨天及其它惡劣天氣充電效率（取下限值）×充電時間=2 000 W*15%*6 h=1 800 Wh。

至少可滿足高桿燈燈正常工作供電天數=電容容量/（日耗電量-陰雨天發電量）=5 750 Wh÷（2 400 Wh/d-1 800 Wh/d）=9.58 d。

1.4 超級電容路燈配件配置列表見表4和表5

1.5 某高校超級電容光伏路燈及高桿燈項目見圖2

表4 6 m超級電容路燈配件配置表

表5 16 m超級電容高桿燈配件配置表

圖2 某高校超級電容光伏路燈及高桿燈實圖

2 采用超級電容技術的光伏路燈具有五大優勢特性

2.1 陰雨天正常充電

超容單體的額定電壓是2.7 V，內阻≤0.2 mΩ,串并成儲能模塊組后，其充放電壓范圍拉寬，可以從0 V充電至模塊組的額定電壓。當陰雨天時，太陽能板所產生的弱電流仍可涓流充入超級電容器，解決了原太陽能蓄電池陰雨天無法充電的難題，使超級電容光伏路燈能夠適用于日照匱乏、長時間頻繁陰雨天的3～4類地區。

2.2 超寬溫度范圍

超級電容的工作溫度范圍達到-40～65℃，在寒冷和高溫等極端氣候下仍可照常工作，使得太陽能光伏路燈完全能夠適用于各種區域的嚴寒酷暑的天氣環境。

2.3 綠色無污染

超級電容屬物理儲能，無化學反應，應用于光伏路燈系統無任何污染，屬于全系列標準低碳核心產品。

2.4 一體化集成便捷安裝

超級電容通過合理設計可以將其放置在太陽能板背面或者安裝在燈桿內部放置，簡化了走線方式，結構更加簡潔，便于安裝，極大地縮短了工程施工時間。在道路更改或擴建時可以整體搬遷，不用重新挖坑埋電源布線等工序，不但美觀而且還有效解決了以往蓄電池容易被盜的問題。

2.5 超長使用壽命

具體表現在所配置的各元器件的優異性能。

1）太陽能光伏板

設計使用壽命大于25年，電池片全部采用行業內最新的A級原片，光電轉化效率高。

2）超級電容控制器

設計壽命10年，擁有遠程智能監控、過壓和欠壓保護、可采用光控、時控開關燈等智能控制系統。

3）LED光源

設計壽命15年，二次配光優化的透鏡設計，具有高均勻性，光效超過每瓦140流明、高效率光學級透鏡設計、全封閉鋼化玻璃罩、內部配備防雷擊保護器等優質附件，使之具有防潮、防水、通透散熱等特點，且便于組裝、生產和現場維護。

4）燈桿

設計壽命15年，采用Q235A優質碳素合金鋼，燈桿焊接熔透性好，強度高，焊縫致密美觀，燈桿采用冰花型熱鍍鋅防腐處理，光澤一致，燈桿表面噴塑處理。

5）超級電容器儲能組件

超級電容循環使用壽命超長，按每天充放電一次的使用頻率計算，使用壽命超過30年，遠遠超過路燈其它部件的終身壽命。因其原理為物理儲能，頻繁深度放電或長期虧電狀況對其壽命不會產生任何影響，同時節約了整套系統重復修建的成本，減少了廢棄電源處理工序的頻率，是一次投入終身受益的“綠色電源”。保守估算壽命大于10年，并具有防水、防裂、防盜、防腐，安裝簡易等優點。

3 應用效果、經濟與社會效益的比較

3.1 安全性對比

傳統路燈照明需要鋪設復雜的線纜，后期會受到工程的改造、施工質量、材料老化、供電不正常、水電氣管道交叉安裝等方面的影響。若檢修不及時，就會帶來諸多的安全隱患。

太陽能超級電容路燈不需要鋪設復雜線纜，采用的是低壓直流供電，電壓比較穩定，運行可靠，不存在安全隱患，是學校、生態小區、路政單位建設和改建的理想產品。

3.2 費用對比

傳統路燈照明電費高昂、線路復雜，需要長期不間斷的對線路進行檢修，特別是電壓不穩的情況下，燈具損壞是不可避免的，隨著使用年限的延長，線路就會老化、維修費用就會年年遞增，而且傳統路燈的使用壽命也短，更替就增加了費用。

太陽能超級電容路燈由于線路簡單，幾乎免維護，不產生維護費用，利用太陽能可再生能源來轉換電能達到應有的照明效果，不使用市電所以無需繳納昂貴的電費。太陽能超級電容路燈歸類于一次投資長期受益的高新技術產品，節省了電費和維護費用。

3.3 安裝對比

傳統路燈施工中有復雜的作業程序。首先要輔設電纜，挖溝布管、穿線、回填等大量土建工程施工，消耗大量人力、物力、財力，還要進行調試，安裝費時費工，一旦出現問題，會造成很大的消耗。

太陽能超級電容路燈安裝時，不用輔設復雜線路，太陽能路燈的一體化設計，所含控制元件線路全都放置在燈桿內部，安裝簡單快捷。

太陽能超級電容路燈與其它路燈應用情況對比見表6。

綜合超級電容在太陽能路燈上的應用狀況和產生的經濟及社會效益可以歸納如下：

1）超級電容光伏路燈在施工中不用另外鋪設電纜，避免了大規模開挖土方，規避了道路的復雜情況，同時節約了大規模施工所產生的路基開挖費用；

2）超級電容光伏路燈安裝便捷，縮短了工期，減少了環境污染、施工擾民的情況，把項目施工對于市民生活和工作的影響降到了最低；

3）主管部門的管理壓力減小，避免交通線路調整等帶來的一系列交通出行問題；

4）超級電容光伏路燈維護成本極低，大大減少了后期的服務支出，同時電力完全來源于可再生能源（太陽能），后期不產生任何電費的支出。

4 結束語

超級電容作為儲能元件解決了近年來太陽能光伏路燈照明在陰雨天無法持續的不足和弊端。超級電容作為儲能元件與光伏微光產能技術結合可以給光伏路燈在長期陰雨天的狀況下正常工作提供保障，可實現路燈的綠色照明、高效節能、低碳環保和長年的安全運行提供保障。

超級電容光伏路燈的技術關鍵是超級電容的應用。超級電容作為介于傳統電容與電池之間的新型物理儲能元件，能量密度為傳統電容的2 000～6 000倍，功率密度為一般蓄電池的10～100倍，具有百萬次循環壽命和瞬間充放電等特性。超級電容技術的產品除了用于太陽能路燈，還可廣泛應用于新能源汽車、新能源發電、工程機械、軌道交通、升降設備、工業節能減排和軍事裝備等領域，屬于全系列標準化低碳經濟類儲能核心產品。

根據《國家中長期科學與技術發展規劃綱要(2006～2020年)》，超級電容器關鍵技術已被列入前沿發展技術。發改委、科技部、商務部等部委2007年發布的《當前優先發展的高科技產業化重點領域指南》中明確了超級電容器為優先發展的重點領域。工信部發布的《電子信息產業創新發展工程》也將超級電容器列為重點支持方向。超級電容光伏路燈的發展完全符合國家產業政策和經濟社會規劃和發展，是落實科學發展觀，建設資源節約型、環境友好性社會的重要舉措，有利于節約電力資源，保護環境。

表6 太陽能超級電容路燈與其它路燈應用情況對比

目前，超級電容光伏照明不僅在高校路燈、球場照明、景觀燈飾等開展了應用，而且還在社區照明、市政公路照明等領域全面鋪開?？梢哉f，太陽能光伏+LED燈具+超級電容的技術組合是今后室外照明的最佳組合。