張遠(yuǎn)華，黃 勇，杜成章

(江蘇中恒嘉華新能源科技發(fā)展股份有限公司，南京 210042)

0 前 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出了越來越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。由于太陽能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點(diǎn)，太陽能被認(rèn)為是21 世紀(jì)最重要的能源。目前太陽能應(yīng)用技術(shù)已取得較大突破，并且已較成熟地應(yīng)用于建筑樓道照明、城市亮化照明、太陽能熱水供應(yīng)及采暖等系統(tǒng)。尤其是太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，給太陽能在照明中的應(yīng)用帶來了更加廣闊的前景。

全球照明用電占全部用電的20%左右，而其中的很大部分又是用在戶外照明，中國也不例外，據(jù)統(tǒng)計(jì)中國已經(jīng)安裝的路燈大約有2 億盞之多。路燈的平均功率大約是200 瓦，假定每天開啟時(shí)間為10 小時(shí)，那么每天就是2 度電，365 天就是730 度電，2 億盞就是1460 億度電。而中國最大的水電站長江三峽水電站的26 臺(tái)機(jī)組完全投產(chǎn)以后每年的發(fā)電量才847 億度電。所以所有路燈所用電量大約為2 個(gè)三峽電站的發(fā)電量。這決不是一個(gè)小數(shù)字。所以發(fā)展太陽能光伏發(fā)電路燈照明刻不容緩［1］。

盡管太陽輻射到地球大氣層的能量僅為其總輻射能量(約為3.75 ×1026 W)的22 億分之一，但已高達(dá)173000 TW，也就是說太陽每秒鐘照射到地球上的能量就相當(dāng)于500 萬噸煤。太陽能既是一次能源，又是可再生能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對(duì)環(huán)境無任何污染。隨著新技術(shù)、新材料的發(fā)展，人類對(duì)太陽能的利用水平越來越高，新興的太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景無限［2］。

未來5 年，我國對(duì)能源需求快速增長和節(jié)能減排指標(biāo)的迅速提高不僅是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的壓力，還是新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的巨大動(dòng)力。作為新能源領(lǐng)域的重要產(chǎn)業(yè)，太陽能產(chǎn)業(yè)必將在未來低碳革命中扮演主要角色。作為同時(shí)橫跨“新能源”和“節(jié)能環(huán)?！眱纱螽a(chǎn)業(yè)的太陽能產(chǎn)業(yè)必將迎來新的發(fā)展機(jī)遇。

太陽能光伏照明系統(tǒng)憑借其節(jié)能、環(huán)保、無需布線、自動(dòng)控制和隨時(shí)變換位置等優(yōu)點(diǎn)，在照明行業(yè)中起重要的地位。近年來，在我國可再生能源有關(guān)政策的推動(dòng)下，太陽能光伏照明技術(shù)和產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。本文就太陽能光伏發(fā)電路燈照明的發(fā)展前景及設(shè)計(jì)方法作些介紹。

1 太陽能光伏的發(fā)展前景

作為太陽能產(chǎn)業(yè)中重要組成部分的光伏照明行業(yè)未來發(fā)展前景廣闊。太陽能電池技術(shù)與LED 照明技術(shù)結(jié)合的綜合應(yīng)用，推動(dòng)了太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)和LED 照明產(chǎn)業(yè)的交叉領(lǐng)域發(fā)展，主要是利用太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生電能，并將電能應(yīng)用于LED 照明，從而產(chǎn)生了各種不同的照明應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)真正意義上的“綠色照明”。

目前，光伏照明技術(shù)已經(jīng)開始用于國內(nèi)外的戶外照明應(yīng)用領(lǐng)域，其中，道路照明、戶外小功率景觀照明是光伏照明行業(yè)最重要的細(xì)分市場，占整個(gè)光伏照明市場的90%左右。由于太陽能電池技術(shù)、LED 照明技術(shù)的發(fā)展，目前太陽能光伏照明產(chǎn)品已經(jīng)由小功率應(yīng)用產(chǎn)品拓展到大功率應(yīng)用產(chǎn)品。

2010 年被視為LED 照明元年，根據(jù)臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)與趨勢研究中心(IEK)的預(yù)計(jì)，2009 年全球LED 照明市場規(guī)模約為28.5 億美元，2010 年全球LED 照明市場規(guī)模約為40 億美元，其主要應(yīng)用還是建筑照明領(lǐng)域。隨著各國政策推動(dòng)、全球經(jīng)濟(jì)尤其是新興市場的成長、LED 產(chǎn)能擴(kuò)充及產(chǎn)品單價(jià)下降，加上應(yīng)用范圍擴(kuò)展，2013 年LED 照明市場總規(guī)模將達(dá)137 億美元。2008 年到2013 年LED 照明市場容量年復(fù)合增長率預(yù)計(jì)達(dá)49%，至2015 年全球LED 照明市場規(guī)模估計(jì)將增長至288億美元。

2010 年太陽能光伏照明燈具估計(jì)占整個(gè)LED照明市場的25%左右，隨著市場的發(fā)展和政策的推動(dòng)，到2013 年，太陽能光伏照明燈具預(yù)計(jì)將占整個(gè)LED 照明燈具市場規(guī)模的30%以上，市場規(guī)模超過40 億美元，具體見表1。

表1 太陽能光伏照明市場規(guī)模［2］

自從國家科技部提出了大力發(fā)展LED 路燈的“十城萬盞”計(jì)劃以后?，F(xiàn)在LED 路燈正在以如火如荼的速度高速發(fā)展?？上У氖?，“十城萬盞”中的90%以上都還是采用交流電的LED 路燈，或者說是改造現(xiàn)有高壓鈉燈為LED 路燈。據(jù)保守估計(jì)，十城萬盞計(jì)劃的總數(shù)將會(huì)超過200 萬盞，但也只不過是每年新增路燈總數(shù)的十分之一而已。就像前面所說那樣，假如每年新增的2000 萬盞都采用太陽能，那么其總功率將達(dá)到400 萬千瓦，其實(shí)還遠(yuǎn)不止此數(shù)，因?yàn)橥ǔＬ柲躄ED 路燈所采用的太陽能板功率是實(shí)際路燈功率的3 ～4 倍。假定為3 倍，那么總的太陽能板的裝機(jī)容量將會(huì)達(dá)到1200 萬千瓦。由此可見太陽能LED 路燈的市場，決不是一個(gè)可有可無的市場，而是一個(gè)舉足輕重的大市場［1］。

2 太陽能路燈設(shè)計(jì)存在問題和改進(jìn)方法探討

一套完整的LED 太陽能路燈系統(tǒng)包括:LED 光源、控制器、蓄電池、太陽能電池組件及燈體。白天，太陽能電池組件將光能轉(zhuǎn)化為電能通過控制器儲(chǔ)存到蓄電池內(nèi)，晚上蓄電池通過控制器給光源供電，使其轉(zhuǎn)化為光能，照明道路。燈體主要起系統(tǒng)防護(hù)及白天的裝飾作用，保障這一循環(huán)正常運(yùn)行。其中LED 光源、控制器和蓄電池是決定路燈系統(tǒng)性能的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)中必須對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理配置。

2.1 光伏照明目前存在主要問題

2.1.1 太陽能光伏系統(tǒng)效率

太陽能光伏系統(tǒng)的總效率由電池組件的PV 轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率及負(fù)載的效率等組成。目前，太陽能電池的轉(zhuǎn)換率只有17%左右，而控制器、蓄電池的效率均遠(yuǎn)高于此，因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價(jià)是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)［3］。

2.1.2 太陽能儲(chǔ)能蓄電池

太陽能電池的使用壽命一般在20 年左右，普通蓄電池的使用壽命在2 ～3 年，所以蓄電池是太陽能電力系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。雖然儲(chǔ)能電容可以在一定程度上解決這個(gè)問題。儲(chǔ)能電容的使用壽命可以達(dá)到10 年以上，而且控制電路簡單，但是昂貴的價(jià)格限制了它的應(yīng)用，目前僅僅應(yīng)用在部分交通信號(hào)燈和裝飾燈上。隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，它將是一種最有希望成為和太陽能電池配套的理想儲(chǔ)能元件。

因此，目前在太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要特別關(guān)注蓄電池的合理使用。

2.1.3 太陽能產(chǎn)品的質(zhì)量和系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題多

近年來，太陽能光伏技術(shù)發(fā)展很快，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家如雨后春筍。但是，有些產(chǎn)品沒有形成系列，質(zhì)量參差不齊，甚至在光源的選擇及電路設(shè)計(jì)中存在許多缺陷，降低了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。同時(shí)，國家缺少相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測系統(tǒng)，使太陽能光伏照明技術(shù)產(chǎn)業(yè)化受到影響。

現(xiàn)在做太陽能燈具的廠家過多的追求造型設(shè)計(jì)，而把最重要的系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)忽略了，不經(jīng)過深入考慮，簡單計(jì)算了事，最后導(dǎo)致燈具出現(xiàn)大量問題;還有些廠家為了營造自己產(chǎn)品的價(jià)格優(yōu)勢，不惜犧牲系統(tǒng)穩(wěn)定性和可用性，這些做法都是不可取的。

優(yōu)化設(shè)計(jì)是關(guān)系到系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性的重要因素，要引起重視，主要應(yīng)重點(diǎn)考慮以下三個(gè)方面［4］。

(1)太陽電池和光源選擇配比合理。

(2)太陽電池充電電流和蓄電池容量配比合理。

(3)負(fù)載放電電流與蓄電池容量配比合理。

2.2 太陽能路燈系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

道路照明的目的是為夜間行車者提供一個(gè)視覺安全可靠的條件，高亮度的LED 路燈，它的亮度必須在符合現(xiàn)有道路條件下，交通安全所必須達(dá)到的亮度要求。其發(fā)光效率和發(fā)光強(qiáng)度能夠達(dá)到現(xiàn)有道路照明所需要的亮度要求。道路照明自2007 年7月1 日起實(shí)施建設(shè)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ45—2006《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)道路照明照度要求見表2。為了使設(shè)計(jì)更趨于完美，主要應(yīng)該對(duì)以下幾點(diǎn)進(jìn)行精心的考慮［5］。

表2 機(jī)動(dòng)車交通道路照明標(biāo)準(zhǔn)值

2.2.1 光源選擇和應(yīng)注意的問題

近年來，業(yè)界越來越關(guān)注利用可再生的清潔能源太陽能進(jìn)行路燈照明。典型太陽能路燈照明系統(tǒng)由太陽能電池板、充電控制器、蓄電池、光源及燈桿等組成，如圖1 所示。而在照明光源方面，經(jīng)歷了從白熾燈到熒光燈和高強(qiáng)度氣體放電燈(HID)等三個(gè)重要階段，如此前熒光燈和HID 均已被用于太陽能路燈。

圖1 典型的太陽能LED 路燈照明系統(tǒng)示意圖

相比較而言，發(fā)光二極管(LED)被視作照明光源的第四個(gè)重要階段。LED 具有高能效、超長工作壽命、低直流電壓工作、發(fā)出指向光、能夠提供多種色彩及白光、小巧、具有固態(tài)器件的強(qiáng)固性、不含汞等眾多優(yōu)勢，因此，業(yè)界越來越多地將LED 用于太陽能道路照明。且LED 的能效及光輸出性能已大幅提升，公開宣稱的最強(qiáng)白光LED 研發(fā)能力已經(jīng)達(dá)到132 ～136 流明/瓦(lm/W)，這種能效水平已經(jīng)高于傳統(tǒng)的熒光燈和HID 金屬燈。特別是到2008年，白光LED 已實(shí)現(xiàn)大批量商業(yè)化生產(chǎn)，為LED 更大規(guī)模地進(jìn)軍太陽能路燈應(yīng)用打開了大門。

值得注意的問題是:在大功率LED 應(yīng)用中，散熱是一個(gè)主要考慮的方面，目前LED 的能耗中約80%以上轉(zhuǎn)化為熱量，而半導(dǎo)體器件是不耐高溫的，散熱做不好，會(huì)引起很嚴(yán)重的光衰，一些嚴(yán)重的半年內(nèi)可能降到原來的一半，在路燈上大功率LED 多是多顆串并聯(lián)應(yīng)用，LED 發(fā)熱量很大。散熱解決不好，會(huì)嚴(yán)重影響LED 的使用壽命。

為了解決LED 散熱問題，經(jīng)過了大量的測試和對(duì)比篩選，選用煙囪式散熱方法和技術(shù)，很好的解決了LED 光源散熱問題，使LED 光衰得到了控制。

2.2.2 蓄電池的選擇和控制

目前大多數(shù)太陽能LED 路燈系統(tǒng)都是采用鉛酸蓄電池，而一般的鉛酸蓄電池的確存在壽命短、對(duì)環(huán)境污染等問題。而壽命短的問題已經(jīng)可以采用膠體鉛蓄電池或卷繞式鉛酸蓄電池進(jìn)行改善。它們不僅使用安全，還有自放電小、深放電性能優(yōu)良、循環(huán)使用壽命長、浮充電壓低、浮充電流小和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。然而仍然存在鉛污染問題。最近磷酸鋰鐵電池有了很快的發(fā)展，而且不存在環(huán)境污染問題，只是目前價(jià)格還比較貴，隨著大量采用，價(jià)格也會(huì)下降;但它們的壽命仍然未達(dá)到系統(tǒng)所需的匹配壽命。超級(jí)電容作為太陽能路燈的儲(chǔ)能電池也在迅速發(fā)展。價(jià)格雖然也很貴，但它沒有鉛污染，壽命也可達(dá)十年以上。所以都要密切關(guān)注它們的進(jìn)展。

國內(nèi)外大量研究的結(jié)果表明，充放電方式?jīng)Q定了蓄電池使用的壽命，有一些蓄電池與其說是使用壞的，不如說是充電方式不妥損壞的。

太陽能燈具從經(jīng)濟(jì)性和可靠性角度綜合考慮，一般以全年平均日照時(shí)數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算燈具配置，而實(shí)際工作時(shí)，往往都是由控制器時(shí)控功能設(shè)定一個(gè)工作時(shí)數(shù)，如6 小時(shí)、8 小時(shí)、10 小時(shí)等，這樣就造成了一年里每天工作時(shí)間都一樣，即每天耗電量一樣，但太陽能燈具是靠太陽工作的，而太陽輻射量隨不同的季節(jié)是有很大差異的，即每個(gè)燈具(太陽電池組件一定)各個(gè)季節(jié)的平均日發(fā)電量是大不相同的。

以德州地區(qū)為例:全年平均峰值日照時(shí)數(shù)約為4.44 小時(shí)，春季:4.43 小時(shí)、夏季:6.17 小時(shí)、秋季:4.47 小時(shí)、冬季:2.65 小時(shí)。因平均每天發(fā)電量是和平均峰值日照實(shí)數(shù)成正比的，所以可得春季和秋季發(fā)電量和耗電量基本達(dá)到一個(gè)平衡，夏季電量富裕;冬季電量缺少。

這樣夏季造成了一定的浪費(fèi)，而冬季卻嚴(yán)重不足，很容易造成蓄電池過放電，影響蓄電池壽命。為了解決蓄電池過放電影響壽命問題，必須進(jìn)行合理用電的優(yōu)化設(shè)計(jì)。出于自放電、系統(tǒng)匹配、成本等因素是極其不經(jīng)濟(jì)和不實(shí)用的原因，不能靠加大太陽能電池板來解決。

一般的太陽能路燈的設(shè)計(jì)是考慮每晚要工作10 小時(shí)以上所需的太陽能板功率。但是在絕大多數(shù)情況下，并不需要每晚等亮度照亮10 個(gè)小時(shí)，在半夜和后半夜以后，過往的車輛行人都很少，這種情況下完全可以降低功率運(yùn)行。過去在采用高壓鈉燈時(shí)，要任意改變鈉燈的功率是很難做到的，而現(xiàn)在采用LED 以后，改變功率和亮度是很容易做到的事，所以可以采用一種稱之為程序自動(dòng)智能調(diào)亮的控制器來調(diào)亮。這種亮度調(diào)節(jié)完全是根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕煌髁康慕y(tǒng)計(jì)值來設(shè)定，這樣不但可以大量節(jié)省蓄電池所儲(chǔ)存的電能和防止過放電，又保證了道路所需的照明時(shí)間和基本亮度。有效的延長了蓄電池的使用壽命。所以是非常合情合理的一種智能調(diào)光方法。這種智能調(diào)光控制器已經(jīng)批量生產(chǎn)。

2.2.3 控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

太陽能電池組件的發(fā)電量隨天氣狀況、日照時(shí)間而變化，非常不穩(wěn)定，因此太陽能光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)蓄電池的充放電控制要比普通應(yīng)用中對(duì)蓄電池的充放電控制更復(fù)雜一些。控制器設(shè)計(jì)是否完善，直接決定整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)能否順利運(yùn)行。

對(duì)于太陽能路燈而言，提高太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換能效(目前僅為約17%)非常重要。太陽能電池板的電壓－電流(V －I)特性曲線呈現(xiàn)非線性和可變性，要從中吸取最大量的電能非常困難。這需要太陽能LED 路燈的充電控制器及其他相關(guān)電子電路(一般采用微控制器來實(shí)現(xiàn))盡可能采用有效的控制方法以提高能效，從而發(fā)揮最大優(yōu)勢。

基本型的充電控制器設(shè)計(jì)用于保護(hù)電池免受過充或欠充影響，并防止反向電流。脈寬調(diào)制(PWM)型控制器會(huì)控制對(duì)電池充電的電量，并可實(shí)現(xiàn)細(xì)流充電(trickle charge)，從而保護(hù)電池并延長使用壽命。而支持最大峰值功率追蹤(MPPT)功能的控制器能對(duì)太陽能電池不斷變化的V/I 特性曲線提供補(bǔ)償，優(yōu)化太陽能電池的功率輸出，提高能效，并使蓄電池充電至優(yōu)化電量。

另外，通過在LED 路燈中加入智能型控制器，使LED 路燈有了光控、時(shí)間控制和溫度控制，可以根據(jù)環(huán)境亮度自動(dòng)啟閉路燈，防止白日亮燈造成浪費(fèi);可以使路燈在下半夜至黎明時(shí)間段道路行車和行人流量減少時(shí)自動(dòng)降低供電電流，將照度控制在安全范圍，從而起到增加節(jié)能效果和延長燈具使用壽命的功效［6］。

以上從三個(gè)方面簡述了優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法和思路，由于太陽能光伏發(fā)電路燈照明是一個(gè)系統(tǒng)工程，其它方面的設(shè)計(jì)和問題也要注意。例如:由于路燈是懸臂結(jié)構(gòu)，在自然環(huán)境下，受到風(fēng)的剪力，高空懸掛，結(jié)構(gòu)安全是第一位的。所以，盡量簡化結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為流線型，以減少風(fēng)阻，增加雨水的流速，并注意減輕重量，一是節(jié)約有色金屬，二是減少自重所帶來的應(yīng)力問題，增加道路照明的安全性。另外太陽電池組件只是起到了將太陽能轉(zhuǎn)換成的電能的發(fā)電作用，裝飾作用極少，特別要注意防風(fēng)防塵等長期戶外條件下使用時(shí)的氣候影響。

3 結(jié) 語

本文只是敘述了在目前的條件下，在太陽能LED 路燈設(shè)計(jì)建設(shè)中遇到問題和解決的辦法。

實(shí)際上太陽能光伏路燈照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)是隨太陽能光伏路燈照明系統(tǒng)中太陽能電池、控制器、蓄電池、LED光源等的技術(shù)進(jìn)步而變化的。通過關(guān)注光伏路燈照明系統(tǒng)中的任何一項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，不斷地改進(jìn)集成設(shè)計(jì)思路和方法。目的只是不斷地設(shè)計(jì)出性能價(jià)格比好，便于道路照明應(yīng)用和推廣的光伏路燈照明系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)國家節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展作一些工作。

［1］茅于海.發(fā)展太陽能LED 的疑慮［Z］. 光電新聞網(wǎng).

［2］由“十二五規(guī)劃建議”看光伏照明行業(yè)未來發(fā)展［R］.中國照明學(xué)會(huì)，2011.

［3］楊偉杰. 太陽能技術(shù)在照明中應(yīng)用［Z］. 國際智能，2008.

［4］楊希，等.匹配設(shè)計(jì)LED 太陽能路燈系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009 .

［5］城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)［S］.CJJ45-2006.

［6］最大限度提升太陽能LED 路燈能效及降低成本［Z］.安森美半導(dǎo)體，2009.