电池储能在风光互补路灯中的应用

太阳能作为新能源已不新鲜。其具有普遍性、无害性、蕴量巨大等优点，且目前太阳能光伏技术日趋成熟。据估算，每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦，其中可开发利用500～1000亿度。风能是另外一种新能源，是太阳辐射下流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的10倍，分布广泛，永不枯竭。因此，在路灯领域，如果能将太阳能和风能利用起来，给路灯进行供电，则可以省去给路灯额外供电的麻烦，同时省去路灯电缆的安装成本。

但是，作为新能源的太阳能和风能也有自己的缺陷。传统能源可以根据需要调节供应，太阳能和风能是间歇性的，而且不能随需要随时控制。太阳能只有在白天和晴天才有，风能则只有在有风的时候才有，且风力的大小经常发生无法控制的变化。在路灯这个具体应用场景下，在无风的夜晚，太阳能和风能没有产出，就无法供电给路灯使其工作。要解决这个问题，一个思路就是给路灯安装储能系统即电池。这样，白天产生的太阳能和有风时产生的风风能可以先存储到电池中，这样在夜晚和无风的时候，电池可以供电给路灯工作。

目前，已经展开的是太阳能路灯-储能系统，目前在全国已有试点应用。这里，我们介绍一下其工作原理，和电池规格的一些测算方法。

一、配有储能系统的太阳能路灯

图1 太阳能路灯-储能系统示意图

　　太阳能路灯-储能系统的工作原理：利用光电效应，太阳能电池板白天接收太阳辐射，将太阳能转化为电能，输出，经过充放电控制器储存在电池中。夜晚当太阳能电池板开路电压为3V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，电池对灯头放电。电池放电到设定的时间后，或者控制器检测到白天到来，控制器动作，电池放电结束。在太阳能路灯系统中，所配的电池种类可以有多种。可用的电池可以是铅酸电池、Ni-Cd电池、Ni-H电池等，也可以是锂离子电池，但是价格会偏高。目前市面上比较常见的是胶体铅酸电池。

图2 太阳能路灯

电池规格确定我们在此测算一下风光互补太阳能路灯所需要匹配的电池的规格。

情景一：60W路灯系统

LED灯：12V系统，30W，2只，共60W

路灯每晚累计照明满负载时间：7小时（如工作时间为晚上20：00－23：30；凌晨4：30~5：30）

需要满足连续阴雨天的照明天数需求：5天 （另加阴雨天前一夜的照明用电，计6天）

则有：

工作电流 = 60W ÷ 12V = 5 A；

电池容量 = 5A × 7h ×（5＋1）天 = 5A × 42h = 210 Ah

实际应用时，电池为了防止过充和过放，一般充电不会到100%，放电也不会到0%。

实际使用的充放电DOD范围会在70%左右。所以210 Ah应该是标准容量的70%左右。

情景二：40W路灯系统

LED灯：24V系统，单路，40W

当地日均有效光照以4h 每日放电时间：10小时（如工作时间为晚19：00－凌晨5：00 ）

需要满足连续阴雨天的照明天数需求：5天 （另加阴雨前一夜的照明用电，计6天）

则有：

工作电流 = 40W ÷ 24V = 1.67 A；

电池容量 = 1.67A × 10h ×（5＋1）天 = 1.67A × 60h = 100 Ah

实际应用时，为了防止过充和过放，电池一般不会满充满放。这里按照充放电预留20%容量计算。对于电流，实际工作时候会有损耗，如恒流源、线损等。因此工作电流按2A计算（加20％损耗）

则实际电池容量 = 100Ah加20%预留容量，再加20%损耗= 100Ah ÷ 80% × 120% = 150Ah

由于是24V系统，需要串联，需要两组12V电池，共计：300Ah

二、配有储能系统的风光互补路灯

　　风光互补太阳能路灯-储能系统是太阳能路灯-储能系统的引申应用。其能源的来源既有太阳能，又有风能。在太阳能路灯-储能系统的基础上，又额外增加了风能转换的装置。

　　该系统的工作原理是：利用自然风作为动力，风轮带动风力发电机旋转，把风能转变为电能,经过控制器的整流和稳压作用，把交流电转换为直流电，向电池组充电并储存电能。利用光电效应将太阳能直接转化为直流电，供负载使用或者贮存于电池内备用。

　　但在实际应用过程中，路灯能量的来源90%左右是依靠太阳能，少部分来自风能。因此，在依据夜晚放电对电池容量进行测算时，依然可以按照太阳能路灯-储能系统的工况来进行。

图3 风光互补路灯-储能系统示意图

三、水系锂离子电池在风光互补路灯上的应用

　　宁波锋成研究院储能技术中心致力于合成独特的有机电极材料，构建水系锂离子电池，并用于储能系统。在储能领域，研究院已建立了核心材料合成平台，和电池制备测试平台。目前，所构建的水系电池具有如下优点：

（1）电解液为水溶液，绝对安全，不会起火爆炸

（2）高于现有水系电池负极材料(如磷酸钛锂)的容量

（3）超过千次的循环寿命

（4）具有良好的高低温性能

（5）材料无贵金属元素，成本可控

　路灯等储能行业对于寿命和成本等指标最为关注。而我们的电池兼具这些优异性能，既有铅酸电池的高安全和低成本特点，也兼具锂离子电池的长寿命等优点。未来，在风光互补路灯领域，水系锂离子电池具有广阔的应用前景。