隨著我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域由邊遠(yuǎn)農(nóng)牧區(qū)、無電區(qū)逐步轉(zhuǎn)向了現(xiàn)代化的城鎮(zhèn)，在這一新型市場(chǎng)中，以太陽能作為電源的照明應(yīng)用最為普遍。由于這類照明產(chǎn)品基本上屬于系統(tǒng)集成形式，而且產(chǎn)品受應(yīng)用地區(qū)的地理?xiàng)l件、光照資源、氣候等因素的影響較大，因此科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)整套系統(tǒng)成為保證產(chǎn)品運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)。
二 影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的因素
1 環(huán)境
影響太陽能系統(tǒng)的環(huán)境因素主要包括緯度、地理環(huán)境、氣候等。所處的緯度不同，日照時(shí)間、太陽輻照量完全不同。緯度越高，日照時(shí)間就越短，所接收的太陽輻照量也就越小。但即使處于同一緯度，地理環(huán)境也決定著太陽輻照量的多少，沿海、內(nèi)陸、高原、山區(qū)、平原、荒漠等地區(qū)受天氣、浮塵、溫濕度、大氣透明度等因素的影響，太陽輻射照量也不盡相同。
2 光源
能夠應(yīng)用于太陽能戶外照明系統(tǒng)的光源較多，從理論上講，幾乎所有的常規(guī)光源都可應(yīng)用于太陽能系統(tǒng)中。目前常用的光源主要有節(jié)能燈、低壓鈉燈、高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈、無極燈(電磁感應(yīng)燈)。近幾年，隨著超高亮度LED技術(shù)的迅速發(fā)展，LED 照明燈也開始逐步被應(yīng)用于照明領(lǐng)域。這些光源因具有不同的技術(shù)特點(diǎn)，其光通量及應(yīng)用條件不同。在相同的照度要求下，光通量較高的光源所配置的光伏組件的功率相對(duì)較小;需要配套電壓變換裝置、鎮(zhèn)流裝置的光源具有較大的電路自耗電，所配置的光伏組件的功率相對(duì)較大;低溫啟動(dòng)性差的光源在冬季氣溫較低的地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎選用;對(duì)于顯色要求較好的場(chǎng)所應(yīng)選擇顯色指數(shù)較高的光源等。在照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮光源的這些特性。
3 照明時(shí)間
燈功率與照明時(shí)間的乘積即為負(fù)載燈每天所消耗的電量，所以照明時(shí)間對(duì)于太陽能路燈系統(tǒng)的影響最直接。光伏組件每天的發(fā)電量或蓄電池每天的剩余容量必須能夠滿足負(fù)載燈在夜間的用電量。在太陽能照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮發(fā)電量和用電量的平衡，其次為蓄電池的電量恢復(fù)。
4 溫度
溫度對(duì)于太陽能照明系統(tǒng)中的各部件有不同程度的影響，硅太陽電池的開路電壓隨溫度升高而下降，短路電流隨溫度升高而升高，電池的輸出功率隨溫度升高而下降，其中，電池的輸出功率直接影響效率。而鉛酸蓄電池的容量特性受溫度影響較大，溫度較低時(shí)，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行較慢，從而導(dǎo)致在化學(xué)過程中可利用的活性材料較少，蓄電容量減小。
三 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1 設(shè)計(jì)流程
太陽能道路照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。
2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容
(1) 照度目標(biāo)值的確定
道路照度目標(biāo)值應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件及用戶的要求進(jìn)行確定，特殊場(chǎng)所或區(qū)域還必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求?！冻鞘械缆氛彰髟O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45-2006)中對(duì)不同道路照明標(biāo)準(zhǔn)值的部分要求見表1 和表2。
(2) 光源高度和燈具間距的確定
光源的安裝高度應(yīng)根據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、安裝條件及用戶的安裝要求確定。同時(shí)，不同的燈桿設(shè)計(jì)造型其光源的設(shè)計(jì)高度也不盡相同。當(dāng)光源距地面的高度確定后，即可根據(jù)此高度來確定布置燈具的間距;也可根據(jù)燈具的光度參數(shù)，通過計(jì)算確定燈桿間距與燈桿高度之比來推算布置燈具的間距?！冻鞘械缆氛彰髟O(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45-2006)中，給出了不同配光類型采用不同布燈方式與燈具的安裝高度、間距的關(guān)系，見表3。
(3) 光源類型的選定
從經(jīng)濟(jì)性、安全性和美觀性方面來考慮，應(yīng)用于太陽能照明系統(tǒng)的光源應(yīng)首選高光效、低功耗的產(chǎn)品，且燈功率不宜選擇過大。過大的燈功耗會(huì)直接導(dǎo)致太陽能電源系統(tǒng)的配置較高，從而影響燈具整體的美觀性與燈具的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。光源類型的選用原則參照本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)影響因素——光源的闡述。目前，常用不同種類的光源其主要性能對(duì)比及在太陽能路燈照明系統(tǒng)較適用的功率范圍見表4。
(4) 燈功率確定
燈功率的大小要根據(jù)所確定的照度目標(biāo)值、光源高度、光源類型及燈具間距等參數(shù)通過計(jì)算來選定。在道路照明中，一般以相鄰兩燈具的中間點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)，該點(diǎn)處的路面照度值即為目標(biāo)值。路面照度是指光源照射到單位面積路面的光通量，即：E=ˉ/A，其中E 為照度;ˉ為光通量;A為面積。一般將光源視為點(diǎn)光源，以光源至被測(cè)點(diǎn)的距離為半徑所形成的球面面積作為光源照射面積A來進(jìn)行簡(jiǎn)單計(jì)算，從而計(jì)算出光源光通量。再根據(jù)光通量的大小，按照所選光源類型的光效計(jì)算出燈功率，即：P=ˉ/h;其中P 為燈功率;ˉ為光通量;h 為發(fā)光效率。
(5) 日耗電量測(cè)算和系統(tǒng)電壓確定
光源功率和每天夜間工作時(shí)間的乘積即為日耗電量。在計(jì)算燈具的耗電量時(shí)，配套部件的自耗電、轉(zhuǎn)換效率因素等不能忽略，帶有單獨(dú)鎮(zhèn)流設(shè)備的燈具還必須把鎮(zhèn)流器的耗電及功率因數(shù)考慮在計(jì)算中。因此在計(jì)算燈具日耗電量時(shí)，必須把連接在蓄電池上的所有控制、轉(zhuǎn)換及驅(qū)動(dòng)部件的功耗與燈的功耗一同進(jìn)行累加計(jì)算，屬于通電待機(jī)狀態(tài)的系統(tǒng)部件，應(yīng)將其在待機(jī)時(shí)間的功耗計(jì)算在內(nèi)，即：W=[(P1/cosj+P2)/h+P3]′T+P4′24，其中W為日總耗電量，Wh;P1 為燈功率;cosj 為當(dāng)采用交流方式供電時(shí)，鎮(zhèn)流器或驅(qū)動(dòng)電路的功率因數(shù);P2為鎮(zhèn)流器或驅(qū)動(dòng)電路的自耗功率;h為當(dāng)接入電源轉(zhuǎn)換器時(shí)的電源轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)燈采用直接直流供電時(shí)h取1;P3為負(fù)載線路中其他用電部件的功率;T為夜間照明時(shí)長(zhǎng);P4為通電待機(jī)系統(tǒng)部件的自耗功率。
當(dāng)選用交流供電的燈具時(shí)，配套的電源轉(zhuǎn)換部件應(yīng)選用轉(zhuǎn)換效率高的產(chǎn)品，同時(shí)與燈相配套的鎮(zhèn)流器應(yīng)選用電子式的高功率因數(shù)產(chǎn)品。系統(tǒng)電壓要根據(jù)整燈的工作電壓確定，一般取12V 或24V。
(6) 蓄電池容量測(cè)算
蓄電池的容量對(duì)保證連續(xù)供電很重要。在一年內(nèi)各月份光伏組件的發(fā)電量有很大差別，光伏組件的發(fā)電量在不能滿足用電需求時(shí)，要靠蓄電池的電能補(bǔ)足;在超過用電需求時(shí)，又要靠蓄電池將多余的電能儲(chǔ)存起來。所以光伏組件發(fā)電量的不足和過剩，是確定蓄電池容量的依據(jù)之一。同樣，連續(xù)陰雨天期間的負(fù)載用電也必須從蓄電池取得，這期間的耗電量也是確定蓄電池容量的因素之一。因此，在確定蓄電池組容量時(shí)主要考慮以下幾個(gè)方面：
?、偃蘸碾娏?。日耗電量是決定蓄電池容量大小的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)蓄電池容量大小的影響至關(guān)重要。耗電量除以系統(tǒng)電壓即為耗電量B0，即：B0=W/U，其中，B0 的單位為Ah。
?、诔掷m(xù)供電天數(shù)。持續(xù)供電天數(shù)決定蓄電池在無光照條件下持續(xù)供電能力的可靠保證程度，蓄電池要保證在所要求的持續(xù)供電天數(shù)下能提供給負(fù)載的電量，為日耗電量與持續(xù)供電天數(shù)的乘積，即：B1=B0′Nd。
?、蹨囟认禂?shù)。蓄電池的標(biāo)稱容量一般是指在環(huán)境溫度為25℃條件下的額定值，當(dāng)環(huán)境溫度改變后，蓄電池的容量也隨之發(fā)生變化。在確定蓄電池的容量時(shí)，必須要考慮溫度對(duì)蓄電池容量的影響，尤其是在冬季較寒冷的地區(qū)使用更要注意。蓄電池的生產(chǎn)制造商一般都會(huì)給出蓄電池的容量隨溫度變化的圖表，結(jié)合安裝地點(diǎn)所處環(huán)境的最低溫度來確定合理的溫度系數(shù)，以便進(jìn)行蓄電池容量的計(jì)算。如果用FT 表示溫度系數(shù)，那么蓄電池的供電容量應(yīng)為：B2=B1′FT。
?、芊烹娚疃取７烹娚疃仁侵冈谑褂眯铍姵氐倪^程中，蓄電池放出的電量與它標(biāo)稱容量的百分比。蓄電池的使用壽命和放電深度密切相關(guān)。放電深度越深，蓄電池的使用壽命就越短;相反，放電深度越淺，蓄電池的使用壽命相對(duì)就越長(zhǎng)，但所要配置蓄電池的容量也就越大，蓄電池的投資也就越高。在某些較重要的供電系統(tǒng)中，為保證供電的可靠性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)有時(shí)還需考慮蓄電池的安全系數(shù)。如果用CC 表示蓄電池的放電深度，K 表示安全系數(shù)，那么最終蓄電池的容量B 應(yīng)為：B=(B2/CC)′K。
(7) 光伏組件傾角的確定
光伏組件要根據(jù)系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的緯度以及氣象環(huán)境條件選擇合適的安裝傾角，不同傾角的系統(tǒng)在各月的發(fā)電量不同。在進(jìn)行傾角設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮多種因素來確定最佳傾角。在照明系統(tǒng)中還必須考慮在光照最差的冬至日前后的供電應(yīng)滿足正常工作要求。傾角的調(diào)整測(cè)算過程較復(fù)雜，可采用相關(guān)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。
(8) 光伏組件功率測(cè)算
為保證照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性，光伏組件的功率大小應(yīng)按滿足一定條件下的照明需求來確定。當(dāng)對(duì)照明要求較高時(shí)，需要考慮在光照最差的冬季能正常工作，應(yīng)采用冬季最差月份的太陽輻照參數(shù)進(jìn)行計(jì)算;而對(duì)于一般的照明需求，可采用全年平均太陽輻照參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。進(jìn)行光伏組件功率測(cè)算時(shí)，首先，要保證系統(tǒng)的發(fā)電量等于整個(gè)負(fù)載線路的總耗電量，包括燈的耗電量、與燈配套部件的耗電量、供電回路相關(guān)部件的效率損失以及線路損耗;其次，系統(tǒng)還必須要有一定的發(fā)電余量，以保證在蓄電池虧電后能夠及時(shí)恢復(fù)電量。發(fā)電余量一方面應(yīng)按照系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求確定，另一方面要考慮安裝地點(diǎn)的氣象條件，發(fā)電余量最小值應(yīng)不小于全年中連續(xù)出現(xiàn)兩次最長(zhǎng)無光照(陰、雨、雪、霧等)天氣的間隔時(shí)間內(nèi)將蓄電池電量恢復(fù)而需要的日發(fā)電量。
(9) 光伏組件的選型
光伏組件的選型主要包括組件類型的確定、組件電氣參數(shù)的確定以及組件數(shù)量的確定等。根據(jù)光伏組件的特點(diǎn)，目前宜選用安裝簡(jiǎn)單、機(jī)械強(qiáng)度高、光電轉(zhuǎn)換效率高的晶體硅電池組件。光伏組件的功率選取在滿足前述光伏組件功率測(cè)算數(shù)值大小的基礎(chǔ)上，還必須符合生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品規(guī)格系列。選取的組件功率不得小于測(cè)算值，但也不能太大，否則系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性會(huì)大大降低。另外在光伏照明設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的工作電壓一般取12V 或24V，這就要求單塊電池組件或多塊電池組件串聯(lián)后的工作電壓必須符合系統(tǒng)電壓要求。目前市場(chǎng)上常見的電池組件封裝采用的電池片串聯(lián)數(shù)量及其對(duì)應(yīng)電壓見表5。
在選擇組件時(shí)必須注意組件的電壓要與充電控制器和蓄電池的電壓相匹配，否則會(huì)使組件的充電效率大大降低或?qū)Τ潆娍刂破骷靶铍姵卦斐刹涣加绊憽?/span>
(10) 控制器的選型
在光伏照明系統(tǒng)中，控制器是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其性能好壞直接影響控制的準(zhǔn)確性以及蓄電池的使用壽命。除照明燈具自帶光控或時(shí)控功能外，控制器應(yīng)選用路燈專用控制器。在選型時(shí)，首先應(yīng)保證控制器的工作電壓與蓄電池電壓相匹配，具有蓄電池電壓自動(dòng)識(shí)別的控制器能夠識(shí)別的電壓應(yīng)包含系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的蓄電池電壓級(jí)別;其次，控制器的最高輸入電壓必須大于太陽電池組串的開路電壓值，該電壓應(yīng)考慮所安裝環(huán)境在極端天氣條件下組件開路電壓的變化影響，控制器的額定充電電流應(yīng)不小于光伏組串的最大功率電流;再次，控制器的負(fù)載回路額定電流應(yīng)不小于負(fù)載的正常工作電流。另外，在環(huán)境溫度變化較大的地區(qū)應(yīng)用時(shí)，如果對(duì)蓄電池沒有進(jìn)行保溫恒溫控制處理，充電控制器還應(yīng)選擇具有溫度補(bǔ)償功能的產(chǎn)品。因?yàn)槟壳暗某潆娍刂破鞔蠖嘁圆杉铍姵囟穗妷簛砼袛喑潆姞顟B(tài)，而蓄電池的電壓是隨環(huán)境溫度影響而變化的，特別是在冬夏溫差較大的地區(qū)應(yīng)用時(shí)這種影響越大，極易造成蓄電池過充電或充電不足的現(xiàn)象發(fā)生，從而縮短蓄電池的使用壽命。最后，在選擇控制器的生產(chǎn)廠商時(shí)，應(yīng)選擇具有良好的應(yīng)用業(yè)績(jī)、通過權(quán)威部門檢測(cè)認(rèn)證的知名廠商生產(chǎn)的產(chǎn)品。
(11) 其他相關(guān)部件的選型
通過上述的設(shè)計(jì)選型過程，即可確定戶外照明系統(tǒng)的主要電氣部件。除此之外，還應(yīng)考慮電池組件支撐架、燈桿、燈頭罩具、蓄電池倉(cāng)等。電池組件支撐架和燈桿必須根據(jù)安裝地點(diǎn)的極限風(fēng)力條件進(jìn)行風(fēng)載荷校驗(yàn)確定是否滿足要求。
燈頭罩具的選型首先要適合所選光源的安裝，其次是選擇其造型。蓄電池倉(cāng)的選型應(yīng)根據(jù)安裝方式、安裝地點(diǎn)環(huán)境條件及用戶要求進(jìn)行。采用地埋式安裝時(shí)，應(yīng)保證其防水、防腐性能要好，并在安裝時(shí)注意蓄電池的透氣;采用地上安裝時(shí)，除考慮防水、防盜外，還應(yīng)考慮與燈桿的協(xié)調(diào)性、美觀性、保溫性和安全性。另外，如果選擇高壓鈉燈、低壓鈉燈、陶瓷金鹵燈或無極燈等非線性類負(fù)載，需配套有相應(yīng)的鎮(zhèn)流器保證燈正常工作。對(duì)于這些鎮(zhèn)流器的選型應(yīng)注意要與燈的功率相匹配，盡可能選擇能夠適應(yīng)直流電源輸入的產(chǎn)品。當(dāng)鎮(zhèn)流器需要采用交流電源輸入時(shí)，必須選用高功率因數(shù)的電子式鎮(zhèn)流器。
(12) 系統(tǒng)配置清單
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的輸出環(huán)節(jié)就是出具系統(tǒng)配置清單，清單中應(yīng)列明各部件的名稱、規(guī)格型號(hào)、數(shù)量及其他必要的說明或要求。在不同的照明要求、光源配置、安裝地點(diǎn)、氣象條件下，系統(tǒng)的配置清單不同，必須進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)計(jì)算才能確定。
四 結(jié)語
本文通過考查光伏照明系統(tǒng)的影響因素，建立了一般照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方法。保證了系統(tǒng)配置的合理性，同時(shí)也保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件設(shè)計(jì)的可靠性和工程安裝質(zhì)量，使系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。