隨著我國光伏產(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)的地理條件、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，日照時間、太陽輻照量完全不同。緯度越高，日照時間就越短，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，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較大;低溫啟動性差的光源在冬季氣溫較低的地區(qū)應(yīng)謹(jǐn)慎選用;對于顯色要求較好的場所應(yīng)選擇顯色指數(shù)較高的光源等。在照明系統(tǒng)設(shè)計時必須綜合考慮光源的這些特性。
3 照明時間
燈功率與照明時間的乘積即為負(fù)載燈每天所消耗的電量，所以照明時間對于太陽能路燈系統(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)計時，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，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
1 設(shè)計流程
太陽能道路照明系統(tǒng)設(shè)計流程如圖1 所示。
2 主要設(shè)計內(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)場環(huán)境條件及用戶的要求進(jìn)行確定，特殊場所或區(qū)域還必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求。《城市道路照明設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ45-2006)中對不同道路照明標(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)場環(huán)境、安裝條件及用戶的安裝要求確定。同時，不同的燈桿設(shè)計造型其光源的設(shè)計高度也不盡相同。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)，通過計算確定燈桿間距與燈桿高度之比來推算布置燈具的間距。《城市道路照明設(shè)計標(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)通過計算來選定。在道路照明中，一般以相鄰兩燈具的中間點作為測試點，該點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。一般將光源視為點光源，以光源至被測點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)行簡單計算，從而計算出光源光通量。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) 日耗電量測算和系統(tǒng)電壓確定
光源功率和每天夜間工作時間的乘積即為日耗電量。在計算燈具的耗電量時，配套部件的自耗電、轉(zhuǎn)換效率因素等不能忽略，帶有單獨鎮(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)考慮在計算中。因此在計算燈具日耗電量時，必須把連接在蓄電池上的所有控制、轉(zhuǎn)換及驅(qū)動部件的功耗與燈的功耗一同進(jìn)行累加計算，屬于通電待機(jī)狀態(tài)的系統(tǒng)部件，應(yīng)將其在待機(jī)時間的功耗計算在內(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，鎮(zhèn)流器或驅(qū)動電路的功率因數(shù);P2為鎮(zhèn)流器或驅(qū)動電路的自耗功率;h為當(dāng)接入電源轉(zhuǎn)換器時的電源轉(zhuǎn)換效率，當(dāng)燈采用直接直流供電時h取1;P3為負(fù)載線路中其他用電部件的功率;T為夜間照明時長;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，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) 蓄電池容量測算
蓄電池的容量對保證連續(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，要靠蓄電池的電能補(bǔ)足;在超過用電需求時，又要靠蓄電池將多余的電能儲存起來。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主要考慮以下幾個方面：
①日耗電量。日耗電量是決定蓄電池容量大小的關(guān)鍵參數(shù)，對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。
②持續(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。
③溫度系數(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，必須要考慮溫度對蓄電池容量的影響，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)制造商一般都會給出蓄電池的容量隨溫度變化的圖表，結(jié)合安裝地點所處環(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。
④放電深度。放電深度是指在使用蓄電池的過程中，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就越長，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)計時有時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)計時，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)整測算過程較復(fù)雜，可采用相關(guān)設(shè)計軟件進(jìn)行輔助設(shè)計。
(8) 光伏組件功率測算
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)對照明要求較高時，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)行計算;而對于一般的照明需求，可采用全年平均太陽輻照參數(shù)進(jìn)行計算。進(jìn)行光伏組件功率測算時，首先，要保證系統(tǒng)的發(fā)電量等于整個負(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恢復(fù)電量。發(fā)電余量一方面應(yīng)按照系統(tǒng)的設(shè)計要求確定，另一方面要考慮安裝地點的氣象條件，發(fā)電余量最小值應(yīng)不小于全年中連續(xù)出現(xiàn)兩次最長無光照(陰、雨、雪、霧等)天氣的間隔時間內(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，目前宜選用安裝簡單、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算值，但也不能太大，否則系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性會大大降低。另外在光伏照明設(shè)計中，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)量及其對應(yīng)電壓見表5。
在選擇組件時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控功能外，控制器應(yīng)選用路燈專用控制器。在選型時，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識別的控制器能夠識別的電壓應(yīng)包含系統(tǒng)所設(shè)計的蓄電池電壓級別;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，如果對蓄電池沒有進(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。因為目前的充電控制器大多以采集蓄電池端電壓來判斷充電狀態(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，應(yīng)選擇具有良好的應(yīng)用業(yè)績、通過權(quán)威部門檢測認(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、蓄電池倉等。電池組件支撐架和燈桿必須根據(jù)安裝地點的極限風(fēng)力條件進(jìn)行風(fēng)載荷校驗確定是否滿足要求。
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。蓄電池倉的選型應(yīng)根據(jù)安裝方式、安裝地點環(huán)境條件及用戶要求進(jìn)行。采用地埋式安裝時，應(yīng)保證其防水、防腐性能要好，并在安裝時注意蓄電池的透氣;采用地上安裝時，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，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、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、氣象條件下，系統(tǒng)的配置清單不同，必須進(jìn)行針對性設(shè)計計算才能確定。
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)計的基本方法。保證了系統(tǒng)配置的合理性，同時也保證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件設(shè)計的可靠性和工程安裝質(zhì)量，使系統(tǒng)能夠長期安全、穩(wěn)定運(yùn)行。