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太阳能灭虫灯的光源设计

来源: http://www.tpscd.cn  类别:技术文章  更新时间:2013-1-21  阅读4036次

  灭虫灯已成为农林虫害综合防治的主要手段之一。近几年,采用太阳能供电的灭虫灯比例稳步上升。目前,太阳能灭虫灯的实际应用效果存在不少问题,既有交流供电灭虫灯原有的灭虫效果不好(或者灭虫数量少;或者灭虫数量虽多,但天敌和益虫被灭数量多,益害比高),灯管亮度衰减快、寿命短等问题,也有与能源设计相关的问题,包括亮灯时间短,阴天灯不亮,蓄电池过早报废等。众所周知,四川除甘阿凉三州和攀枝花市,广大的平原丘陵农耕区的太阳能资源相对贫乏,设计好太阳能供电装置本非易事。目前,出问题的太阳能灭虫灯占有相当比例,但这些问题是可以解决的。如果不重视太阳能灭虫灯已经暴露出的应用问题,不纠正目前错误混乱的能源设计,后果必将令植保业内广泛担忧。本文探讨一种科学而简便的量化手段用于指导实际的应用和定标。
  一、灭虫灯整机功率计算
  计算灭虫灯整机功率是太阳能灭虫灯能源设计的首要环节。对于电光源诱虫、高压电网杀虫类型的灭虫灯,其整机功率基本等于光源功率和电网功率的和,其它功耗可忽略不计;对于电光源诱虫水盆灭虫方式,则只需要考虑光源功率。
  目前用于灭虫灯的电光源和交流频振杀虫灯相同,主要有黑(紫)光灯、频振灯、双波灯和 LED灯。前 3 种均属传统低压荧光灯光源。
  我们用 PL代表光源功率,则 PL=灯管功率 / 转换器效率;对于传统光源,其转换器也就是镇流器效率一般在 75%左右,对于新型节能 LED 光源,其转换器效率高达 90%以上。
  我们用 PN 代表电网功率,电网功率包括两部分:其一为基本恒定的待机功率;其二为杀灭功率,杀灭功率根据扑网害虫的种类和数量不同很难精确衡量,实际应用中我们以电网的平均功率来计算。目前对于竖网结构电网,其平均功率大约 5W,而横网结构的电网,其平均功率大约 6W。
  由表一可见 LED 光源功率比对应的荧光灯光源功率约减少能耗 50%,整机功率减少约 40%。光源功率越大,对比越明显,这对于太阳能供电应用对太阳能电池板及蓄电池的轻量级配置意义深远。
  能源配置设计主要考虑 3 个方面因素:一是现场日均日照时间;二是满足诱集杀灭要求的整机功率;三是自主工作时间,即太阳能板不发电条件下,蓄电池容许的单独放电小时数。只有这些参数明确后才能计算合理的蓄电池容量和太阳能板参数。
  为便于计算,现定义如下参数及其含义:
  H1:现场使用月份的日均日照时数(h);P2:太阳能电池板功率(W);
  P1:整机功率(W);H2:每天工作时数(h);
  T:自主天数 =1+ 连续阴天数(h);则自主工作时数为 TH2(h);
  B:蓄电池容量(Ah);D:放电深度,一般取放电深度 D=0.6~0.7
  根据能量守恒应满足:12BD =P1TH2(Wh)和 H1P2=P1TH2(Wh)
  则:蓄电池容量 B=P1TH2/ 12D 及太阳能电池板功率P2=P1TH2/ H1
  实际应用必须满足 :B ≥P1TH2/ 12D 及 P2≥P1TH2/ H1
  注:对于 24V 系统,则上式应改为:B≥P1TH2/ 24D
  衡量太阳能灭虫灯系统技术水平高低的关键在于灭虫灯功率设计和能源配置设计,它们是提升系统效率、降低成本的关键技术。
  2.详细设计
  上述简要设计忽略了正向和负向影响能源配置设计的多种因素。多种正向因素导致能源配置降低,相反,多种负向因素又导致能源配置增加。
  好在同时存在正向和负向因素,它们的影响相互冲抵,忽略它们造成的误差较小,故按简要设计并稍留设计裕量,即可保证设计基本正确。
  二、能源设计实例
  近两年来,我们多次看到有关太阳能灭虫灯的能源设计不合理甚至错误,其导致的若干应用风险如亮灯时间短,阴天灯不亮,蓄电池过早报废等问题日益凸现,下面结合川内的日照资源,就典型的应用对比分析能源的合理配置。
  以 15W 传统灯管及对应 9W 的LED 灯管,每天工作 5 小时,1 个阴天可正常工作(连续阴天情况下昆虫活动性减弱,灭虫灯完全可以不工作,故设置过多的阴天工作数,没有实际意义),蓄电池放电深度为 0.7 为例,计算川内部分典型地区在 4~10 月使用期间内,太阳能灭虫灯的能源配置,见表 2。

表一 太阳能灯能源配置
  表一 太阳能灯能源配置

表二 传统光源与 LED 光源对比
  表二 传统光源与 LED 光源对比
  从上表可见不同的日照时数和不同的灯型对能源配置的影响是很大的。因此在选择太阳能电池功率及蓄电池容量时必须明确整机功率、现场日照水平、合理的自主工作时间等问题,简单照搬产品说明书的配置甚至随意配置都是极不恰当的。
  三、总结
  在使用交流供电灭虫灯的惯性推动下,一种较为普遍的错误观点是以为太阳能灭虫灯也可拿来就用。
  其实对交流灭虫灯而言,能源配置等同于无限;太阳能资源虽然无限,但太阳能灭虫灯的能源配置却有限,如设计或使用不当,有限能源的太阳能灭虫灯必将出现问题。
  经前述讨论,为避免出现与有限能源配置相关的问题,需要重视如下事项。
  1.按需要和流程进行简要设计 用户照抄厂家技术参数可能导致应用问题。即便厂家参数无误,但太阳能资源和工作时间是用户方参数,太阳能资源差或工作时间过长可能使好产品出现坏结果。太阳能灭虫灯设计基本合理的判据是 12DB≥P1TH2和 H1P2≥P1TH2。
  2.供应厂家设计好并引导用好产品供应商除设计好太阳能灭虫灯的能源配置外,还须引导用户关注太阳能资源和工作时间等应用前提,如给出不同应用前提下的工作时间供用户参考则更好。
  3.有限能源配置要求降低功率消耗 减小能源配置可降低成本,关键是降低功率消耗。首先最重要的是要选择光效高的诱集光源,例如在保证相同控制面积条件下,LED 灭虫灯功耗比传统光源灭虫灯约低 40%。其次设计优良的太阳能灭虫灯高压电网平均功耗需控制在 5W 及以下。最后不宜将太阳能灭虫灯的控制面积设定过大,以免灯体功耗过高。
  4.常见的错误假设和设计 无论厂家或用户,比较容易出现的假设和设计误区有几点;一是误将光源功率等同于灯体功率;二是假设蓄电池放电深度D=100%,这不利于蓄电池寿命;三是蓄电池容量和太阳能板功率不匹配;四是要求过长的工作时间,包括过多的工作天数和过多的每天工作小时数。

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