Schlüsselformeln für das Design von Solar-Straßenlaternen

Dieser Artikel fasst die wesentlichen Formeln zusammen, die häufig beim Entwurf von Solarstraßenlaternen verwendet werden, und integriert nationale Standards und praktische Fallstudien aus verschiedenen Dokumenten:

1. Berechnung der durchschnittlichen Straßenbeleuchtungsstärke

Formel:
EDurchschnitt = (N × Φ × U × K) / A

• Parameterbeschreibung:
  • N: Anzahl der Vorrichtungen
  • Φ: Gesamtlichtstrom pro Lampe (lm)
  • U: Auslastungsfaktor (0,4-0,6)
  • K: Wartungsfaktor (0,7-0,8)
  • A: Straßenfläche (m2) = Straßenbreite × Lampenabstand

Beispiel:
6m breite Straße, Lampenabstand 30m, Einsatz 10.000 lm LED, einseitige Beleuchtung:
EDurchschnitt ≈ (1 × 10.000 × 0,5 × 0,75) / (6 × 30) ≈ 20,8 lx

2. Berechnung der Solarmodulleistung

Formel:
Ppv = QTag / (Hpeak × ηsys)

• Parameterbeschreibung:
  • Qday = PLED × Twork (Täglicher Energieverbrauch, Wh)
  • Hpeak: Lokale durchschnittliche Anzahl der Stunden mit maximalem Sonnenlicht pro Jahr (siehe meteorologische Daten, z. B. Peking 4,5 h)
  • ηsys: Systemwirkungsgrad (0,6-0,75, einschließlich Leitungsverluste, Reglerverluste)

Beispiel:
Lastleistung 80 W, täglicher Betrieb 10 h, Shanghai Hpeak = 3,8 h:
Ppv ≈ (80 × 10) / (3,8 × 0,65) ≈ 324 W

3. Berechnung der Batteriekapazität

Formel:
C = (Qday × D) / (DOD × ηbat × Vsys)

• Parameterbeschreibung:
  • D: Anzahl aufeinanderfolgender bewölkter Tage (normalerweise 3-5 Tage)
  • DOD: Entladetiefe (0,5 für Bleibatterien, 0,8 für Lithiumbatterien)
  • ηbat: Lade-/Entladeeffizienz (0,85-0,95)
  • Vsys: Systemspannung (12V/24V)

Beispiel:
Tagesverbrauch 800Wh, 24V System, 3 Tage Backup, Lithiumbatterie:
C ≈ (800 × 3) / (0,8 × 0,9 × 24) ≈ 138,9 Ah → Wählen Sie eine 150Ah-Batterie

4. Installationswinkel des Solarmoduls

Formel:
θ = φ + (5° bis 15°)

• Parameterbeschreibung:
  • φ: Lokale geografische Breite
  • Winteroptimierung: Breitengrad +10°~15°, Sommeroptimierung: Breitengrad -5°

Beispiel:
Nanjing, Breitengrad 32°, Neigungswinkel der festen Halterung auf 37° (32°+5°) eingestellt, um die Stromerzeugung im Winter zu verbessern.

5. Winddruck auf Solarmodule

Formel:
F = 0,61 × v2 × A

• Parameterbeschreibung:
  • v: Maximale Windgeschwindigkeit (m/s)
  • A: Windausrichtungsfläche des Photovoltaikmoduls (m2)

Beispiel:
Panelfläche 2m2, Auslegungswindgeschwindigkeit 30m/s:
F = 0,61 × (30)2 × 2 = 1098 N
Die Windbeständigkeit des Laternenmasts und des Fundaments muss überprüft werden.

6. Korrektur der Betriebsspannung der Komponenten (Temperatureffekt)

Formel:
Vmp = Vmp(STC) × [1 + α × (T – 25)]

• Parameterbeschreibung:
  • α: Temperaturkoeffizient (ca. -0,35%/°C für monokristallines Silizium)
  • T: Tatsächliche Betriebstemperatur (°C)

Beispiel:
Nennspannung der Bauteile 18V, Betriebstemperatur 60°:
Vmp ≈ 18 × [1 – 0,0035 × (60-25)] ≈ 15,3 V

7. Spannungsabfallkompensation aufgrund der Temperatur

Formel:
ΔV = NSerie × α × ΔT × Vmp (STC)

Beispiel:
3 in Reihe geschaltete Komponenten, jeweils Vmp=30V, Temperaturdifferenz 35°:
ΔV ≈ 3 × (-0,0035) × 35 × 30 ≈ -11V
Der MPPT-Spannungsbereich muss angepasst werden.

8. Entwurf zur Optimierung der Solarmodulkapazität

Empirische Formel:
Ppv(opt) = 1,2 × PPV

• Berücksichtigen Sie Schatten und Staubverluste (Effizienzverlust von 10-20%).
• Wenn Sie mehrere Komponenten parallel schalten, erhöhen Sie die Anzahl der Bypassdioden, um Hotspot-Effekte zu verringern.

9. Vergleichstabelle typischer Designparameter

Notiz: Das tatsächliche Design sollte mit PVsyst-Simulationen und DIALux-Beleuchtungssimulationen kombiniert und durch Feldtests validiert werden.