基于LED的離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)設(shè)計

　　一、基于LED的離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用

　　如今，在接近70億的人口中大約有40億由于經(jīng)濟收入比較低而被劃為“收入金字塔”底層。他們的電力設(shè)施不完備，其照明以燃油為主。這其中有大約16億的人口完全沒有電力設(shè)施，其照明依賴于燃油照明，比如煤油燈、蠟燭燈。據(jù)統(tǒng)計，燃油照明每年會消耗大約770億升的燃油，相應(yīng)的花費大約為380億美元。

　　蠟燭、煤油燈等光源不僅亮度低，易著火，便攜性差，有煙霧，而且運行成本高?；贚ED的離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)以其安全、便攜、免維護和免運行成本等特點，成為這一市場的理想解決方案。

　　在建設(shè)新農(nóng)村中，很多農(nóng)村的公共道路可以采用這種照明系統(tǒng)。由于它不需要鋪設(shè)電纜，并且屬一次性投入，免維護和免運營成本，所以這種系統(tǒng)在中國很多的農(nóng)村建設(shè)中得到了推廣，比如氣候組織聯(lián)合壹基金推行的“千村計劃”。較使用前，這些系統(tǒng)大大方便了這些村莊居民的晚間戶外活動。其它比如庭院燈也可見離網(wǎng)照明系統(tǒng)的身影。此外，離網(wǎng)照明也成為了某些專業(yè)道路照明的備選方案。

　　二、離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)簡介

　　下面我們就離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)進行簡要的介紹，典型的離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)可以用圖1來表示。

圖1 離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)典型構(gòu)成

　　太陽能光伏發(fā)電可以直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，是一種清潔、低碳獲取電能的新技術(shù)，也是太陽能眾多利用方式中非常重要并且很有發(fā)展前景的技術(shù)。人們很早就嘗試將太陽能發(fā)電技術(shù)應(yīng)用在照明上。近幾年，隨著LED技術(shù)的快速發(fā)展和太陽能組件的價格持續(xù)下降，基于LED的太陽能照明得到了越來越多的應(yīng)用。這其中，離網(wǎng)式照明系統(tǒng)以其免維護、無需鋪設(shè)電纜、低運營成本等特點越來越受到人們的關(guān)注。

　　一、基于LED的離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用

　　如今，在接近70億的人口中大約有40億由于經(jīng)濟收入比較低而被劃為“收入金字塔”底層。他們的電力設(shè)施不完備，其照明以燃油為主。這其中有大約16億的人口完全沒有電力設(shè)施，其照明依賴于燃油照明，比如煤油燈、蠟燭燈。據(jù)統(tǒng)計，燃油照明每年會消耗大約770億升的燃油，相應(yīng)的花費大約為380億美元。

　　蠟燭、煤油燈等光源不僅亮度低，易著火，便攜性差，有煙霧，而且運行成本高?；贚ED的離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)以其安全、便攜、免維護和免運行成本等特點，成為這一市場的理想解決方案。

　　在建設(shè)新農(nóng)村中，很多農(nóng)村的公共道路可以采用這種照明系統(tǒng)。由于它不需要鋪設(shè)電纜，并且屬一次性投入，免維護和免運營成本，所以這種系統(tǒng)在中國很多的農(nóng)村建設(shè)中得到了推廣，比如氣候組織聯(lián)合壹基金推行的“千村計劃”。較使用前，這些系統(tǒng)大大方便了這些村莊居民的晚間戶外活動。其它比如庭院燈也可見離網(wǎng)照明系統(tǒng)的身影。此外，離網(wǎng)照明也成為了某些專業(yè)道路照明的備選方案。

　　二、離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)簡介

　　下面我們就離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)進行簡要的介紹，典型的離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)可以用圖1來表示。

圖1 離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)典型構(gòu)成

　　如圖所示，典型的離網(wǎng)照明系統(tǒng)從功能上可以分為以下幾部分。

　　太陽能組件：太陽能組件是整個系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化器，它可以將太陽光轉(zhuǎn)化成電能。根據(jù)材料不同，太陽能組件包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs，CIGS等。由于價格、技術(shù)等原因，90%以上的應(yīng)用都采用了單晶硅或者多晶硅的太陽能組件。

　　充放電控制器：一方面，此控制器會將太陽能組件發(fā)的電存儲在系統(tǒng)中的儲能單元，比如充電電池中。另一方面，此控制器還會控制存儲了電能的電池可控的將電能提供給系統(tǒng)中的負載，也就是照明系統(tǒng)。電池的充放電保護是其必須具備的功能。為了將太陽能組件收集到的太陽光最大程度的轉(zhuǎn)化成電能存儲在電池中，有些控制器會有最大功率跟蹤功能。好的充放控制器可以在一定程度上節(jié)省太陽能組件并且可以延長充電電池的使用壽命。

　　充電電池：它存儲太陽能組件發(fā)的電能同時為照明系統(tǒng)提供能量供應(yīng)。鉛酸電池、鎳氫電池、甚至磷酸鋰鐵電池都可以得到應(yīng)用。考慮到成本、穩(wěn)定性等，鉛酸電池和鎳氫電池為最主要的選擇。

　　照明系統(tǒng)：通常它包括發(fā)光光源，比如LED或LED陣列、光源驅(qū)動、燈具等。有些照明系統(tǒng)還包括了環(huán)境參數(shù)探測器件，人機交互的接口等。

　　三、離網(wǎng)太陽能照明系統(tǒng)設(shè)計

　　1.設(shè)計準則

　　由于離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)是完全獨立式系統(tǒng)，太陽能是其唯一能量來源，所以其必須基于“最惡劣”工作條件展開設(shè)計。對于選定的區(qū)域或地點來說，最惡劣工作條件主要指“最惡劣”季節(jié)，即“冬季”的月份，比如北半球大概是12月、1月份，而南半球則為6月、7月份。原因為：

　　1、黑夜最長，也就是說照明時間最長如果要求整個夜晚都要照明的話，相應(yīng)的能耗最大；

　　2、白天最短，也就是太陽輻射時間最短，并且太陽輻射強度也小，所以相應(yīng)的輻射能最小，太陽能組件的發(fā)電量最少；

　　3、冬天最冷，蓄電池的可使用容量也最小。

(a)上海白天黑夜長度比

(b)上海各月平均氣溫

(c)鉛酸電池可放容量受溫度的影響

圖2 最惡劣工作條件

　　為此，所設(shè)計的系統(tǒng)必須保證即使在“最惡劣”的月份也能正常工作，這樣的系統(tǒng)才是可靠的系統(tǒng)。同時“最惡劣”工作條件又不僅局限于“最惡劣”月份，它同時還受以下因素影響：

　　太陽能組件的工作傾角：雖然冬季的太陽輻射最弱，但是通過調(diào)整組件工作傾角，組件實際接受到的太陽輻射可以相應(yīng)變化，從而有可能改變實際的“最惡劣”月份；

　　照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)：雖然冬季的夜晚最長，但是通過調(diào)整照明系統(tǒng)的工作狀態(tài)，仍然可以調(diào)整負載能量消耗的實際比例，比如調(diào)光。

　　2.設(shè)計流程

　　典型設(shè)計流程可以概括如下：

　　1、明確用戶實際需求，包括用戶要求的照明系統(tǒng)的光通量或者光照度分布，光色，照明時間。

　　2、確定用戶所在地歷史氣象條件，包括過去一定年數(shù)，比如10年的太陽輻射數(shù)據(jù)，陰雨天分布，氣候溫度等。

　　3、選擇照明系統(tǒng)，包括使用何種光源，何種燈具，其工作參數(shù)如何，功率為多少。

　　4、確定電池參數(shù)，包括電池類型，電池電壓、容量等等。

　　5、確定能量管理系統(tǒng)，包括典型電學(xué)參數(shù)，拓撲結(jié)構(gòu)，能量管理系統(tǒng)，是否有太陽能組件最大功率跟蹤等。

　　6、選擇太陽能組件，包括組件材料類型，組件開路電壓、短路電流、最大電壓電流。

　　3.設(shè)計分析

　　從圖1不難看出，能量流始自太陽光，經(jīng)過太陽能組件、能量控制器、電池、光源控制器、光源，最后經(jīng)過燈具到達用戶端，其可以概括在圖3中。顯然，每一步的轉(zhuǎn)化都伴隨著能量的損失，只有每一步都得到了優(yōu)化，才可能達到整個系統(tǒng)的優(yōu)化。這里只重點分析光源的光效對系統(tǒng)的影響。

圖3 離網(wǎng)系統(tǒng)的典型能量鏈

　　在此，我們設(shè)定一個固定的用戶需求和用戶所在地，也就是光輸出、照明時間、太陽輻射度等。太陽能組件和鉛酸電池都采用國內(nèi)某著名品牌。LED選用Philips Lumileds的Rebel系列。通過優(yōu)化光源的系統(tǒng)，比如調(diào)整LED數(shù)量，LED bin的選用和工作參數(shù)等，達到不同的光源光效，依此來分析相應(yīng)的系統(tǒng)成本。結(jié)果如圖4。

圖4 LED光效對系統(tǒng)成本的影響

　　從圖可以看出，為了達到更高的光源光效，LED的成本大幅度上升，但是由于高光效的LED對應(yīng)著小的太陽能組件和小的鉛酸電池容量，系統(tǒng)LED + 太陽能組件 + 鉛酸電池、的成本反而下降！顯然，開發(fā)和選擇高光效的光源至關(guān)重要。

　　離網(wǎng)式太陽能照明系統(tǒng)已經(jīng)得到了越來越多的應(yīng)用。隨著LED技術(shù)的進一步發(fā)展，基于LED的此種系統(tǒng)必然會越來越普及。同時，這是一個復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)計。遵循“最惡劣”工作條件設(shè)計準則開展設(shè)計有利于保證系統(tǒng)的可靠性。分析優(yōu)化系統(tǒng)的每一步能量轉(zhuǎn)化有助于整個系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)化，并有助于降低系統(tǒng)成本。