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    基于LED的離網式太陽能照明系統的設計

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

      一、基于LED的離網式太陽能照明系統得到廣泛應用

      如今,在接近70億的人口中大約有40億由于經濟收入比較低而被劃為“收入金字塔”底層。他們的電力設施不完備,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施,其照明依賴于燃油照明,比如煤油燈、蠟燭燈。據統計,燃油照明每年會消耗大約770億升的燃油,相應的花費大約為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的離網式太陽能照明系統以其安全、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。

      在建設新農村中,很多農村的公共道路可以采用這種照明系統。由于它不需要鋪設電纜,并且屬一次性投入,免維護和免運營成本,所以這種系統在中國很多的農村建設中得到了推廣,比如氣候組織聯合壹基金推行的“千村計劃”。較使用前,這些系統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照明系統的身影。此外,離網照明也成為了某些專業道路照明的備選方案。

      二、離網式太陽能照明系統簡介

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

    圖1 離網式太陽能照明系統典型構成

    如圖所示,典型的離網照明系統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的能量轉化器,它可以將太陽光轉化成電能。根據材料不同,太陽能組件包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs,CIGS等。由于價格、技術等原因,90%以上的應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的電存儲在系統中的儲能單元,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中的負載,也就是照明系統。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的電能同時為照明系統提供能量供應。鉛酸電池、鎳氫電池、甚至磷酸鋰鐵電池都可以得到應用??紤]到成本、穩定性等,鉛酸電池和鎳氫電池為最主要的選擇。

      照明系統:通常它包括發光光源,比如LED或LED陣列、光源驅動、燈具等。有些照明系統還包括了環境參數探測器件,人機交互的接口等。

      三、離網太陽能照明系統設計

      1.設計準則

      由于離網式太陽能照明系統是完全獨立式系統,太陽能是其唯一能量來源,所以其必須基于“最惡劣”工作條件展開設計。對于選定的區域或地點來說,最惡劣工作條件主要指“最惡劣”季節,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,所以相應的輻射能最小,太陽能組件的發電量最少;

      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

    為此,所設計的系統必須保證即使在“最惡劣”的月份也能正常工作,這樣的系統才是可靠的系統。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,但是通過調整組件工作傾角,組件實際接受到的太陽輻射可以相應變化,從而有可能改變實際的“最惡劣”月份;

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

      2.設計流程

      典型設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,比如10年的太陽輻射數據,陰雨天分布,氣候溫度等。

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

      4、確定電池參數,包括電池類型,電池電壓、容量等等。

      5、確定能量管理系統,包括典型電學參數,拓撲結構,能量管理系統,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.設計分析

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

    圖3 離網系統的典型能量鏈

     在此,我們設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某著名品牌。LED選用Philips Lumileds的Rebel系列。通過優化光源的系統,比如調整LED數量,LED bin的選用和工作參數等,達到不同的光源光效,依此來分析相應的系統成本。結果如圖4。

    圖4   LED光效對系統成本的影響

     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對應著小的太陽能組件和小的鉛酸電池容量,系統LED + 太陽能組件 + 鉛酸電池、的成本反而下降!顯然,開發和選擇高光效的光源至關重要。

      離網式太陽能照明系統已經得到了越來越多的應用。隨著LED技術的進一步發展,基于LED的此種系統必然會越來越普及。同時,這是一個復雜的系統設計。遵循“最惡劣”工作條件設計準則開展設計有利于保證系統的可靠性。分析優化系統的每一步能量轉化有助于整個系統設計的優化,并有助于降低系統成本。
     

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