基于LED的离网式太阳能照明系统设计

太阳能光伏发电可以直接将太阳能转化为电能，是一种清洁、低碳获取电能的新技术，也是太阳能众多利用方式中非常重要并且很有发展前景的技术。人们很早就尝试将太阳能发电技术应用在照明上。近几年，随着LED技术的快速发展和太阳能组件的价格持续下降，基于LED的太阳能照明得到了越来越多的应用。这其中，离网式照明系统以其免维护、无需铺设电缆、低运营成本等特点越来越受到人们的关注。

一、基于LED的离网式太阳能照明系统得到广泛应用

如今，在接近70亿的人口中大约有40亿由于经济收入比较低而被划为“收入金字塔”底层。他们的电力设施不完备，其照明以燃油为主。这其中有大约16亿的人口完全没有电力设施，其照明依赖于燃油照明，比如煤油灯、蜡烛灯。据统计，燃油照明每年会消耗大约770亿升的燃油，相应的花费大约为380亿美元。

蜡烛、煤油灯等光源不仅亮度低，易着火，便携性差，有烟雾，而且运行成本高。基于LED的离网式太阳能照明系统以其安全、便携、免维护和免运行成本等特点，成为这一市场的理想解决方案。

在建设新农村中，很多农村的公共道路可以采用这种照明系统。由于它不需要铺设电缆，并且属一次性投入，免维护和免运营成本，所以这种系统在中国很多的农村建设中得到了推广，比如气候组织联合壹基金推行的“千村计划”。较使用前，这些系统大大方便了这些村庄居民的晚间户外活动。其它比如庭院灯也可见离网照明系统的身影。此外，离网照明也成为了某些专业道路照明的备选方案。

二、离网式太阳能照明系统简介

下面我们就离网式太阳能照明系统进行简要的介绍，典型的离网式太阳能照明系统可以用图1来表示。

图1 离网式太阳能照明系统典型构成

如图所示，典型的离网照明系统从功能上可以分为以下几部分。

太阳能组件：太阳能组件是整个系统的能量转化器，它可以将太阳光转化成电能。根据材料不同，太阳能组件包括单晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs，CIGS等。由于价格、技术等原因，90%以上的应用都采用了单晶硅或者多晶硅的太阳能组件。

充放电控制器：一方面，此控制器会将太阳能组件发的电存储在系统中的储能单元，比如充电电池中。另一方面，此控制器还会控制存储了电能的电池可控的将电能提供给系统中的负载，也就是照明系统。电池的充放电保护是其必须具备的功能。为了将太阳能组件收集到的太阳光最大程度的转化成电能存储在电池中，有些控制器会有最大功率跟踪功能。好的充放控制器可以在一定程度上节省太阳能组件并且可以延长充电电池的使用寿命。

充电电池：它存储太阳能组件发的电能同时为照明系统提供能量供应。铅酸电池、镍氢电池、甚至磷酸锂铁电池都可以得到应用。考虑到成本、稳定性等，铅酸电池和镍氢电池为最主要的选择。

照明系统：通常它包括发光光源，比如LED或LED阵列、光源驱动、灯具等。有些照明系统还包括了环境参数探测器件，人机交互的接口等。

三、离网太阳能照明系统设计

1.设计准则

由于离网式太阳能照明系统是完全独立式系统，太阳能是其唯一能量来源，所以其必须基于“最恶劣”工作条件展开设计。对于选定的区域或地点来说，最恶劣工作条件主要指“最恶劣”季节，即“冬季”的月份，比如北半球大概是12月、1月份，而南半球则为6月、7月份。原因为：

1、黑夜最长，也就是说照明时间最长如果要求整个夜晚都要照明的话，相应的能耗最大；

2、白天最短，也就是太阳辐射时间最短，并且太阳辐射强度也小，所以相应的辐射能最小，太阳能组件的发电量最少；

3、冬天最冷，蓄电池的可使用容量也最小。

(a)上海白天黑夜长度比

(b)上海各月平均气温

(c)铅酸电池可放容量受温度的影响

图2 最恶劣工作条件

为此，所设计的系统必须保证即使在“最恶劣”的月份也能正常工作，这样的系统才是可靠的系统。同时“最恶劣”工作条件又不仅局限于“最恶劣”月份，它同时还受以下因素影响：

太阳能组件的工作倾角：虽然冬季的太阳辐射最弱，但是通过调整组件工作倾角，组件实际接受到的太阳辐射可以相应变化，从而有可能改变实际的“最恶劣”月份；

照明系统的工作状态：虽然冬季的夜晚最长，但是通过调整照明系统的工作状态，仍然可以调整负载能量消耗的实际比例，比如调光。

2.设计流程

典型设计流程可以概括如下：

1)、明确用户实际需求，包括用户要求的照明系统的光通量或者光照度分布，光色，照明时间。

2)、确定用户所在地历史气象条件，包括过去一定年数，比如10年的太阳辐射数据，阴雨天分布，气候温度等。

3)、选择照明系统，包括使用何种光源，何种灯具，其工作参数如何，功率为多少。

4)、确定电池参数，包括电池类型，电池电压、容量等等。

5)、确定能量管理系统，包括典型电学参数，拓扑结构，能量管理系统，是否有太阳能组件最大功率跟踪等。

6)、选择太阳能组件，包括组件材料类型，组件开路电压、短路电流、最大电压电流。

3.设计分析

从图1不难看出，能量流始自太阳光，经过太阳能组件、能量控制器、电池、光源控制器、光源，最后经过灯具到达用户端，其可以概括在图3中。显然，每一步的转化都伴随着能量的损失，只有每一步都得到了优化，才可能达到整个系统的优化。这里只重点分析光源的光效对系统的影响。

图3 离网系统的典型能量链

在此，我们设定一个固定的用户需求和用户所在地，也就是光输出、照明时间、太阳辐射度等。太阳能组件和铅酸电池都采用国内某著名品牌。LED选用Philips Lumileds的Rebel系列。通过优化光源的系统，比如调整LED数量，LED bin的选用和工作参数等，达到不同的光源光效，依此来分析相应的系统成本。结果如图4。

图4 LED光效对系统成本的影响

从图可以看出，为了达到更高的光源光效，LED的成本大幅度上升，但是由于高光效的LED对应着小的太阳能组件和小的铅酸电池容量，系统LED + 太阳能组件 + 铅酸电池、的成本反而下降！显然，开发和选择高光效的光源至关重要。

离网式太阳能照明系统已经得到了越来越多的应用。随着LED技术的进一步发展，基于LED的此种系统必然会越来越普及。同时，这是一个复杂的系统设计。遵循“最恶劣”工作条件设计准则开展设计有利于保证系统的可靠性。分析优化系统的每一步能量转化有助于整个系统设计的优化，并有助于降低系统成本。