户外太阳能光伏照明应用设计

2011-05-15新疆特变电工新疆新能源股份有限公司张盛忠

太阳能 2011年11期

新疆特变电工新疆新能源股份有限公司 ■ 张盛忠

一引言

随着我国光伏产业的发展，光伏发电的应用领域由边远农牧区、无电区逐步转向了现代化的城镇，在这一新型市场中，以太阳能作为电源的照明应用最为普遍。由于这类照明产品基本上属于系统集成形式，而且产品受应用地区的地理条件、光照资源、气候等因素的影响较大，因此科学、合理地设计整套系统成为保证产品运行可靠性的基础。

二影响系统设计的因素

1 环境

影响太阳能系统的环境因素主要包括纬度、地理环境、气候等。所处的纬度不同，日照时间、太阳辐照量完全不同。纬度越高，日照时间就越短，所接收的太阳辐照量也就越小。但即使处于同一纬度，地理环境也决定着太阳辐照量的多少，沿海、内陆、高原、山区、平原、荒漠等地区受天气、浮尘、温湿度、大气透明度等因素的影响，太阳辐射照量也不尽相同。

2 光源

能够应用于太阳能户外照明系统的光源较多，从理论上讲，几乎所有的常规光源都可应用于太阳能系统中。目前常用的光源主要有节能灯、低压钠灯、高压钠灯、陶瓷金卤灯、无极灯(电磁感应灯)。

近几年，随着超高亮度LED技术的迅速发展，LED照明灯也开始逐步被应用于照明领域。这些光源因具有不同的技术特点，其光通量及应用条件不同。在相同的照度要求下，光通量较高的光源所配置的光伏组件的功率相对较小；需要配套电压变换装置、镇流装置的光源具有较大的电路自耗电，所配置的光伏组件的功率相对较大；低温启动性差的光源在冬季气温较低的地区应谨慎选用；对于显色要求较好的场所应选择显色指数较高的光源等。在照明系统设计时必须综合考虑光源的这些特性。

3 照明时间

灯功率与照明时间的乘积即为负载灯每天所消耗的电量，所以照明时间对于太阳能路灯系统的影响最直接。光伏组件每天的发电量或蓄电池每天的剩余容量必须能够满足负载灯在夜间的用电量。在太阳能照明系统设计时，首先要考虑发电量和用电量的平衡，其次为蓄电池的电量恢复。

4 温度

温度对于太阳能照明系统中的各部件有不同程度的影响，硅太阳电池的开路电压随温度升高而下降，短路电流随温度升高而升高，电池的输出功率随温度升高而下降，其中，电池的输出功率直接影响效率。而铅酸蓄电池的容量特性受温度影响较大，温度较低时，化学反应进行较慢，从而导致在化学过程中可利用的活性材料较少，蓄电容量减小。

三照明系统设计

1 设计流程

太阳能道路照明系统设计流程如图1所示。

2 主要设计内容

(1)照度目标值的确定

道路照度目标值应结合现场环境条件及用户的要求进行确定，特殊场所或区域还必须符合相关标准及规范的要求。《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)中对不同道路照明标准值的部分要求见表1和表2。

图1 设计流程

表1 机动车交通道路照明标准值

表2 人行道路照明标准值

(2)光源高度和灯具间距的确定

光源的安装高度应根据不同现场环境、安装条件及用户的安装要求确定。同时，不同的灯杆设计造型其光源的设计高度也不尽相同。当光源距地面的高度确定后，即可根据此高度来确定布置灯具的间距；也可根据灯具的光度参数，通过计算确定灯杆间距与灯杆高度之比来推算布置灯具的间距。《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2006)中，给出了不同配光类型采用不同布灯方式与灯具的安装高度、间距的关系，见表3。

(3)光源类型的选定

从经济性、安全性和美观性方面来考虑，应用于太阳能照明系统的光源应首选高光效、低功耗的产品，且灯功率不宜选择过大。过大的灯功耗会直接导致太阳能电源系统的配置较高，从而影响灯具整体的美观性与灯具的结构强度。光源类型的选用原则参照本文系统设计影响因素——光源的阐述。目前，常用不同种类的光源其主要性能对比及在太阳能路灯照明系统较适用的功率范围见表4。

表3 灯具的配光类型、布置方式与灯具的安装高度、间距的关系

表4 常用光源主要性能对比

(4)灯功率确定

灯功率的大小要根据所确定的照度目标值、光源高度、光源类型及灯具间距等参数通过计算来选定。在道路照明中，一般以相邻两灯具的中间点作为测试点，该点处的路面照度值即为目标值。路面照度是指光源照射到单位面积路面的光通量，即：E=¯/A，其中E为照度；¯为光通量；A为面积。

一般将光源视为点光源，以光源至被测点的距离为半径所形成的球面面积作为光源照射面积A来进行简单计算，从而计算出光源光通量。再根据光通量的大小，按照所选光源类型的光效计算出灯功率，即：P=¯/η；其中P为灯功率；¯为光通量；η为发光效率。

(5)日耗电量测算和系统电压确定

光源功率和每天夜间工作时间的乘积即为日耗电量。在计算灯具的耗电量时，配套部件的自耗电、转换效率因素等不能忽略，带有单独镇流设备的灯具还必须把镇流器的耗电及功率因数考虑在计算中。因此在计算灯具日耗电量时，必须把连接在蓄电池上的所有控制、转换及驱动部件的功耗与灯的功耗一同进行累加计算，属于通电待机状态的系统部件，应将其在待机时间的功耗计算在内，即：W=[(P1/cosϕ+P2)/η+P3]×T+P4×24，其中W为日总耗电量，Wh；P1为灯功率；cosϕ为当采用交流方式供电时，镇流器或驱动电路的功率因数；P2为镇流器或驱动电路的自耗功率；η为当接入电源转换器时的电源转换效率，当灯采用直接直流供电时η取1；P3为负载线路中其他用电部件的功率；T为夜间照明时长；P4为通电待机系统部件的自耗功率。

当选用交流供电的灯具时，配套的电源转换部件应选用转换效率高的产品，同时与灯相配套的镇流器应选用电子式的高功率因数产品。

系统电压要根据整灯的工作电压确定，一般取12V或24V。

(6)蓄电池容量测算

蓄电池的容量对保证连续供电很重要。在一年内各月份光伏组件的发电量有很大差别，光伏组件的发电量在不能满足用电需求时，要靠蓄电池的电能补足；在超过用电需求时，又要靠蓄电池将多余的电能储存起来。所以光伏组件发电量的不足和过剩，是确定蓄电池容量的依据之一。同样，连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得，这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此，在确定蓄电池组容量时主要考虑以下几个方面：

①日耗电量。日耗电量是决定蓄电池容量大小的关键参数，对蓄电池容量大小的影响至关重要。耗电量除以系统电压即为耗电量B0，即：B0=W/U，其中，B0的单位为Ah。

②持续供电天数。持续供电天数决定蓄电池在无光照条件下持续供电能力的可靠保证程度，蓄电池要保证在所要求的持续供电天数下能提供给负载的电量，为日耗电量与持续供电天数的乘积，即：B1=B0×Nd。

③温度系数。蓄电池的标称容量一般是指在环境温度为25℃条件下的额定值，当环境温度改变后，蓄电池的容量也随之发生变化。在确定蓄电池的容量时，必须要考虑温度对蓄电池容量的影响，尤其是在冬季较寒冷的地区使用更要注意。蓄电池的生产制造商一般都会给出蓄电池的容量随温度变化的图表，结合安装地点所处环境的最低温度来确定合理的温度系数，以便进行蓄电池容量的计算。如果用FT表示温度系数，那么蓄电池的供电容量应为：B2=B1×FT。

④放电深度。放电深度是指在使用蓄电池的过程中，蓄电池放出的电量与它标称容量的百分比。蓄电池的使用寿命和放电深度密切相关。放电深度越深，蓄电池的使用寿命就越短；相反，放电深度越浅，蓄电池的使用寿命相对就越长，但所要配置蓄电池的容量也就越大，蓄电池的投资也就越高。在某些较重要的供电系统中，为保证供电的可靠性，在系统设计时有时还需考虑蓄电池的安全系数。如果用CC表示蓄电池的放电深度，K表示安全系数，那么最终蓄电池的容量B应为：B=(B2/CC)×K。

(7)光伏组件倾角的确定

光伏组件要根据系统安装地点的纬度以及气象环境条件选择合适的安装倾角，不同倾角的系统在各月的发电量不同。在进行倾角设计时，需要综合考虑多种因素来确定最佳倾角。在照明系统中还必须考虑在光照最差的冬至日前后的供电应满足正常工作要求。倾角的调整测算过程较复杂，可采用相关设计软件进行辅助设计。

(8)光伏组件功率测算

为保证照明系统的经济性和可靠性，光伏组件的功率大小应按满足一定条件下的照明需求来确定。当对照明要求较高时，需要考虑在光照最差的冬季能正常工作，应采用冬季最差月份的太阳辐照参数进行计算；而对于一般的照明需求，可采用全年平均太阳辐照参数进行计算。

进行光伏组件功率测算时，首先，要保证系统的发电量等于整个负载线路的总耗电量，包括灯的耗电量、与灯配套部件的耗电量、供电回路相关部件的效率损失以及线路损耗；其次，系统还必须要有一定的发电余量，以保证在蓄电池亏电后能够及时恢复电量。发电余量一方面应按照系统的设计要求确定，另一方面要考虑安装地点的气象条件，发电余量最小值应不小于全年中连续出现两次最长无光照(阴、雨、雪、雾等)天气的间隔时间内将蓄电池电量恢复而需要的日发电量。

(9)光伏组件的选型

光伏组件的选型主要包括组件类型的确定、组件电气参数的确定以及组件数量的确定等。根据光伏组件的特点，目前宜选用安装简单、机械强度高、光电转换效率高的晶体硅电池组件。光伏组件的功率选取在满足前述光伏组件功率测算数值大小的基础上，还必须符合生产厂商的产品规格系列。选取的组件功率不得小于测算值，但也不能太大，否则系统的经济性会大大降低。另外在光伏照明设计中，系统的工作电压一般取12V或24V，这就要求单块电池组件或多块电池组件串联后的工作电压必须符合系统电压要求。目前市场上常见的电池组件封装采用的电池片串联数量及其对应电压见表5。

表5 光伏组件常见的电池片封装数量和对应电压

在选择组件时必须注意组件的电压要与充电控制器和蓄电池的电压相匹配，否则会使组件的充电效率大大降低或对充电控制器及蓄电池造成不良影响。

(10)控制器的选型

在光伏照明系统中，控制器是整个系统的关键部件，其性能好坏直接影响控制的准确性以及蓄电池的使用寿命。除照明灯具自带光控或时控功能外，控制器应选用路灯专用控制器。

在选型时，首先应保证控制器的工作电压与蓄电池电压相匹配，具有蓄电池电压自动识别的控制器能够识别的电压应包含系统所设计的蓄电池电压级别；其次，控制器的最高输入电压必须大于太阳电池组串的开路电压值，该电压应考虑所安装环境在极端天气条件下组件开路电压的变化影响，控制器的额定充电电流应不小于光伏组串的最大功率电流；再次，控制器的负载回路额定电流应不小于负载的正常工作电流。另外，在环境温度变化较大的地区应用时，如果对蓄电池没有进行保温恒温控制处理，充电控制器还应选择具有温度补偿功能的产品。因为目前的充电控制器大多以采集蓄电池端电压来判断充电状态，而蓄电池的电压是随环境温度影响而变化的，特别是在冬夏温差较大的地区应用时这种影响越大，极易造成蓄电池过充电或充电不足的现象发生，从而缩短蓄电池的使用寿命。最后，在选择控制器的生产厂商时，应选择具有良好的应用业绩、通过权威部门检测认证的知名厂商生产的产品。

(11)其他相关部件的选型

通过上述的设计选型过程，即可确定户外照明系统的主要电气部件。除此之外，还应考虑电池组件支撑架、灯杆、灯头罩具、蓄电池仓等。

电池组件支撑架和灯杆必须根据安装地点的极限风力条件进行风载荷校验确定是否满足要求。灯头罩具的选型首先要适合所选光源的安装，其次是选择其造型。蓄电池仓的选型应根据安装方式、安装地点环境条件及用户要求进行。采用地埋式安装时，应保证其防水、防腐性能要好，并在安装时注意蓄电池的透气；采用地上安装时，除考虑防水、防盗外，还应考虑与灯杆的协调性、美观性、保温性和安全性。另外，如果选择高压钠灯、低压钠灯、陶瓷金卤灯或无极灯等非线性类负载，需配套有相应的镇流器保证灯正常工作。对于这些镇流器的选型应注意要与灯的功率相匹配，尽可能选择能够适应直流电源输入的产品。当镇流器需要采用交流电源输入时，必须选用高功率因数的电子式镇流器。

(12)系统配置清单

系统设计的输出环节就是出具系统配置清单，清单中应列明各部件的名称、规格型号、数量及其他必要的说明或要求。在不同的照明要求、光源配置、安装地点、气象条件下，系统的配置清单不同，必须进行针对性设计计算才能确定。