สูตรสำคัญในการออกแบบไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์

บทความนี้สรุปสูตรสำคัญที่ใช้กันทั่วไปในการออกแบบไฟถนนพลังงานแสงอาทิตย์ โดยบูรณาการมาตรฐานระดับชาติและกรณีศึกษาเชิงปฏิบัติจากเอกสารต่างๆ:

1. การคำนวณค่าความสว่างเฉลี่ยของถนน

สูตร:
เฉลี่ย = (N × Φ × U × K) / A

• คำอธิบายพารามิเตอร์:
  • N: จำนวนอุปกรณ์ติดตั้ง
  • Φ: ปริมาณแสงรวมต่อหลอดไฟ (ลูเมน)
  • U: อัตราการใช้งาน (0.4-0.6)
  • K: ตัวคูณการบำรุงรักษา (0.7-0.8)
  • A: พื้นที่ถนน (ตร.ม.) = ความกว้างถนน × ระยะห่างระหว่างเสาไฟ

ตัวอย่าง:
ถนนกว้าง 6 เมตร ระยะห่างระหว่างโคมไฟ 30 เมตร ใช้หลอด LED ความสว่าง 10,000 ลูเมน ส่องสว่างด้านเดียว:
Eavg ≈ (1 × 10,000 × 0.5 × 0.75) / (6 × 30) ≈ 20.8 lx

2. การคำนวณกำลังไฟฟ้าจากแผงโซลาร์เซลล์

สูตร:
พีพีวี = Qday / (Hpeak × ηsys)

• คำอธิบายพารามิเตอร์:
  • Qday = PLED × Twork (ปริมาณการใช้พลังงานต่อวัน, Wh)
  • Hpeak: จำนวนชั่วโมงแสงแดดสูงสุดเฉลี่ยต่อปีในพื้นที่ (ตรวจสอบข้อมูลทางอุตุนิยมวิทยา เช่น ปักกิ่ง 4.5 ชั่วโมง)
  • ηsys: ประสิทธิภาพของระบบ (0.6-0.75 รวมทั้งการสูญเสียในสายส่งและการสูญเสียในตัวควบคุม)

ตัวอย่าง:
กำลังไฟที่ใช้ 80 วัตต์, ใช้งานประจำวัน 10 ชั่วโมง, ช่วงเวลาที่มีปริมาณการจราจรสูงสุดในเซี่ยงไฮ้ = 3.8 ชั่วโมง:
พีพีวี ≈ (80 × 10) / (3.8 × 0.65) พฤติกรรม 324 วัตต์

3. การคำนวณความจุแบตเตอรี่

สูตร:
ซี = (คิวเดย์ × ล) / (DOD × ηbat × Vsys)

• คำอธิบายพารามิเตอร์:
  • D: จำนวนวันที่มีเมฆมากติดต่อกัน (โดยปกติ 3-5 วัน)
  • DOD: ระดับการคายประจุ (0.5 สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด, 0.8 สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม)
  • ηbat: ประสิทธิภาพการชาร์จ/คายประจุ (0.85-0.95)
  • Vsys: แรงดันไฟฟ้าของระบบ (12V/24V)

ตัวอย่าง:
อัตราการใช้พลังงานต่อวัน 800 วัตต์ชั่วโมง ระบบ 24 โวลต์ สำรองไฟได้ 3 วัน แบตเตอรี่ลิเธียม:
C ≈ (800 × 3) / (0.8 × 0.9 × 24) ≈ 138.9 Ah → เลือกแบตเตอรี่ 150Ah

4. มุมการติดตั้งแผงโซลาร์เซลล์

สูตร:
θ = φ + (5° ถึง 15°)

• คำอธิบายพารามิเตอร์:
  • φ: ละติจูดทางภูมิศาสตร์ท้องถิ่น
  • การปรับให้เหมาะสมในฤดูหนาว: ละติจูด +10°~15° การปรับให้เหมาะสมในฤดูร้อน: ละติจูด -5°

ตัวอย่าง:
หนานจิงอยู่ที่ละติจูด 32° ตั้งค่ามุมเอียงของโครงยึดคงที่ไว้ที่ 37° (32°+5°) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตไฟฟ้าในฤดูหนาว.

5. แรงดันลมที่กระทำต่อแผงโซลาร์เซลล์

สูตร:
เอฟ = 0.61 × v2 × A

• คำอธิบายพารามิเตอร์:
  • v: ความเร็วลมสูงสุด (เมตร/วินาที)
  • A: พื้นที่รับลมของแผงโซลาร์เซลล์ (ตร.ม.)

ตัวอย่าง:
พื้นที่แผง 2 ตารางเมตร ความเร็วลมออกแบบ 30 เมตร/วินาที:
เอฟ = 0.61 × (30)2 × 2 = 1098 N
จำเป็นต้องตรวจสอบความต้านทานลมของเสาไฟและฐานราก.

6. การแก้ไขแรงดันไฟฟ้าในการทำงานของส่วนประกอบ (ผลกระทบจากอุณหภูมิ)

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

• คำอธิบายพารามิเตอร์:
  • α: ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (ประมาณ -0.35%/°C สำหรับซิลิคอนผลึกเดี่ยว)
  • T: อุณหภูมิใช้งานจริง (°C)

ตัวอย่าง:
แรงดันไฟฟ้าที่ระบุของส่วนประกอบ 18V อุณหภูมิใช้งาน 60°C:
Vmp ≈ 18 × [1 – 0.0035 × (60-25)] กลับไปยัง 15.3 โวลต์

7. การชดเชยแรงดันตกเนื่องจากอุณหภูมิ

สูตร:
ΔV = Nseries × α × ΔT × Vmp(STC)

ตัวอย่าง:
ส่วนประกอบที่ต่ออนุกรมกัน 3 ชิ้น แต่ละชิ้นมี Vmp=30V และความแตกต่างของอุณหภูมิ 35°
ΔV ≈ 3 × (-0.0035) × 35 × 30 หยาบคาย -11V
จำเป็นต้องปรับช่วงแรงดัน MPPT.

8. การออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพกำลังการผลิตของแผงโซลาร์เซลล์

สูตรเชิงประจักษ์:
Ppv(opt) = 1.2 × พีพีวี

• พิจารณาผลกระทบจากเงาและการสูญเสียจากฝุ่นละออง (การลดประสิทธิภาพ 10-20%)
• เมื่อต่ออุปกรณ์หลายตัวแบบขนาน ควรเพิ่มไดโอดบายพาสเพื่อลดผลกระทบจากจุดร้อน.

9. ตารางเปรียบเทียบพารามิเตอร์การออกแบบทั่วไป

หมายเหตุ: การออกแบบจริงควรผสานรวมกับการจำลองด้วย PVsyst และการจำลองแสงด้วย DIALux และตรวจสอบความถูกต้องผ่านการทดสอบภาคสนาม.