ソーラー街路灯システムの仕様 リチウムイオン電池と LED ランプ 連展科技株式会社 222-0033 横浜市港北区新横浜 1-13-12 クリンゲルンベルグヒ ルテ ィンク 601 室 連展科技株式会社横浜市港北区新横浜 1-13-12-601 Tel: 045-478-4380
ソーラー街路灯システムの概要本ソーラー街路灯システムは次の構成要素より成る 24W 単結晶ソーラーパネル+10AHrs リチウム イオン電池 + 制御コントローラ +LED ランプ+ 筐体フレーム 1. ソーラー街路灯システムとは太陽光よりエネルギーを得てリチウム イオン電池に蓄電 夜間に LED 照明灯を灯すもので 点灯は日没から夜明けまで 及び日没後一定時間のタイマーで制御できるもの いずれの構成部品も10 年近くに及ぶ寿命が期待されるために 従来型の街路灯照明に比べてランプ交換等の運転維持費用が節約できる他 電気代も不要 2. ソーラー街路灯システムの仕組みを決める要素とはバッテリーからのエネルギー供給により一晩中ライトを点灯 これを一年中稼働し 設置後 1 0 年近く寿命が期待できる 構成部品はいずれも信頼性の高い専業メーカーのデバイスを用いている 自然エネルギー利用のソーラーパネルを発電源をとすることから エネルギー補給は天候に左右され 消費電力はおのずと抑えなければならず ライトの明るさには限界がある 大きな明るさを得ようとすれば 全ての構成要素は大きくなり これを適切なシステムとするためには 全ての要素を最適に選定する必要がある 3. 太陽光をエネルギー源とする場合に考えておくべきことはパネル表面への入光を遮蔽すれば 夜と見做されライトは点灯モードになる 太陽光は白い物体には反射する すなわち雪の積もる地域では雪がパネルを覆うと常に夜と見做され ライトの点灯が無限に続き バッテリーも充電されず システムは成立しない しかし 積雪地域の問題を除けば バッテリーの容量 10Ahrs はソーラー街路灯システムを稼働させることには問題はない どのような天候であっても システムは一年を通して昼に充電 夜に放電し 正常に働くように最適設計されていれば 必要以上の機器容量をシステムは持つ必要はない 4. システムの仕組みについてバッテリーにはリチウムイオン電池 3.7Vx3=11.1V の 10Ahrs を使用し 出力 LED ランプは電流制限抵抗を通して作動させている この方式では 放電開始時に最も明るく (8.7w) 夜明け前の放電終了時に 3.6W 程度に落ちる 明るさはバッテリーの電圧降下に比例している またバッテリーの充電電位は天候に左右され 日々変動するので消費電力と明るさの仕様は過去 8ヶ月に採取したデータの統計平均値で表現している 連続点灯試験では 24H x 2days の 48 時間を実現できた 実用的な明るさと長期安定性を両立させために 最もシンプルな仕組みを採用している 1
仕様書 1. 特徴 1. 60000 時間の高輝度 LED ランプ+リチウムイオン電池 +24W 単結晶ソーラーパネル+ 専用ソーラーコントローラの組合せで簡単に動作モードを設定可能 2. 各機器はいずれも防水仕様で 専用コントローラが適切にシステムを制御し 長期にわたり安定的 効果的に運転を制御する 3. 商用電源不要 自立運転 コストパフォーマンスに優れている 4. 自然エネルギーでの発電であり 停電の心配もなく CO 2 の排出はゼロ 5. 雨天 曇天の日が長く続いても本機は運転を停止することはない コントローラには回路短絡保護 過負荷保護 逆接続保護 過充電保護 過放電保護の機能を備え 充電と放電を CPU が最適制御する 外観図 ( 側面図 ) 各部名称 2
2. 全体のシステムとコントローラのブロック回路図 図 2 2.1 日中は太陽光をバッテリーに蓄電 夜間はバッテリーの電気を放電して LED ライトを点灯する 2.2 日没を検知してランプは点灯を開始し 日の出を感知してランプは消灯する また一定の点灯時間設定も可能で インターバルは1 時間単位で最長 15 時間まで設定可能です 2.3 設置工事完了後にランプを 点灯テスト するモード (16) がある 2.4 日没と日の出の検知は太陽光パネルがセンサーとなり これを判断制御する 2.5 蓄電池の電圧が一定 (9.6V) 以下になると過放電防止のために放電を停止します このために バッテリは 9.6V 以下とならず このことは蓄電池の劣化を防ぎ サイクル寿命を大きく延ばす 3. 各機器の仕様 3.1 ソーラーパネル モジュール単結晶 24W 型名 : LS636MA16-24 形状 : 530(W) x 350(H) x 25(D) 重量 : 2.5Kg 3.2 ソーラーコントローラ (SL02A-10A) 作動電圧 : 12V 上限電圧 :12.45V 下限電圧 : 9.6V 形状 : 133(W) x 70(H) x 35(D) 重量 : 150g Vmax: 19.0V Imax: 1.26A Temp:-45~85 充電上限 : 12.45V 下限放電 : 9.6V Temp:-20~50 3
3.3 リチウム イオン電池電圧 : 12V 容量 : 10Ah / 120Wh 形状 : 95(H) x 65(W) x 150(L) 重量 : 780g 防水仕様 : IP65 寿命 : 8 年 (3000cycle として ) 3.4 防水型 LED ランプ型名 : FD07R 点灯開始時 :8.7W LED: Philips Lumileds LUXEON 点灯終了時 :3.6W 消費電力 : 5.4W( 平均 ) 満充電時 :10.5W 全光束 : 350Lumen( 平均 ) 寿命 =60000hrs. 昼白色 6000K Temp:-20~40 照光角度 : 60 度形状 : 85(H) x 115(W) x 85(D) 重量 : 550g 防水仕様 : IP65 寿命 : 約 10 年 (40000 時間 / 1 日 11 時間 ) / 約 15 年 (60000 時間として ) 一般的に LED ランプは直流の定電流回路基板を使用 一定の明るさを保つことになっているが この電源に使用される電界コンデンサーの部品寿命は4 万時間を保障するものは現在ない しかしながら LED モジュール自体の素子寿命は6 万時間程度は保障されている 電源基板を取去り 抵抗器で電流を制御している本 LED ランプの寿命は6 万時間程度はあるものとする 4
4. ソーラー街路灯の実験データ 4-1. 連続点灯 43.7 時間の実験データ 本実験は 2013/3/26 15:52 に開始し 2013/3/28 11:38 に終了するまで 43.7 時間連続 点灯させた 縦軸に電圧を 横軸は時間 ( 分 ) を表す リチウムイオン電池 1 個のセルは 3.7V で これが 3 連で バッテリーは 11.1V を基準電位としている 開始の電圧は 12.0V 43.7 時間後が 10.3V でこの間の電圧降下は 1.7V ランプはまだ 十分に明るく点灯していた 4-2.43 時間連続点灯実験の直後に 6 時間充電し 夜を迎えて通常の夜朝通しモードで点灯実験 6 時間の充電で 11.3V まで回復したリチウムイオン電池は 点灯開始し 翌日夜明け時間 5:13 で 11.0V にて消灯を迎えた 過酷な実験たったが 正常にランプは点灯していた 実際には夜が 43 時間も続くことはなく あくまでもこれはシステムのテストである 本システムで採用している 24W 単結晶ソーラーパネルの充電する能力は高く システム全体 の高い信頼性を支えている 5
4-3 ランプ負荷出力端に掛かる電圧 上図では LED4 個が直列に繋がったランプの合計順方向電圧 (Vf) を青色部分が示し 電流制限抵抗での電圧降下を赤色部分で示しています 赤色の部分を電流の大きさと読み替えることができます 横軸は時間軸ではありません 等間隔に電圧の変化をプロットしたものです 出力電圧が 11V 以下になると 流れる電流が少ないために 電圧降下に掛かる時間が極端に長くなり このために 極めて長時間ランプは点灯し続けるのです これに対し 24W 単結晶ソーラーパネルの起電力は高く (19V) 充電電流も 1.26A max と大きく 雨天 曇天 台風の日であれ 太陽が雲に隠れていても 必ず充電します それは 43 時間連続点灯実験の後で 6 時間充電しただけで 当日の夜からのランプ点灯は朝まで続いていることから システムの高い信頼性を証明しております また リチウム電池は過充電や過放電には十分に対策を採る必要があります これを専用のコントローラがうまく最適制御して 危険のないようにしております バッテリーは 12.2V を超えると フロート状態となり P.W.C 充電制御を行います そのため 出力は満充電した場合と 満充電しない場合とで 次にしめす 2 種類のパターンをとっております 6
4-4 満充電に達したときのフロート状態でのランプ負荷出力端電圧 晴天の日のパターン フロート底の電圧 :11.54V( 平均 ) フロート復帰後 : 12.15V( 平均 ) 消費電力換算 :10.5W 放電スタート時の下がった電力の時間長さは 30 分 ~1 時間程度です この区間を過ぎると ランプは最も明るくなります これは結果的に実にうまい仕組みです 夜のとばりを過ぎたころに最高輝度に達します 4-5 満充電に達しない状態でのランプ負荷出力端電圧 曇天の日のパターン 満充電に達しなかった日は左図のパターンとなります このバッテリー電圧減衰カーブは充電状態により 大きく変わります しかし 夜が明けて消灯を迎える時 すなわち放電を終える時の電圧は終了電圧 : 11.25V(3.6W) 平均です ここに挙げる数値はすべて8ヶ月の実測データの統計平均値です 本ソーラー街路灯システムの放電波形は上記いずれかのパターンをとります 晴天の日は ほとんどが 充電はフロート状態となります しかし 曇天や雨の日はフロート状態にはなりません 7