太阳能LED 路灯照明系统优化设计.docx

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太阳能LED路灯照明系统优化设计

太阳能LED路灯照明系统优化设计

摘　要:

在珠海完成国内第一个太阳能LED路灯示范工程地工作基础上,从路灯光源、控制电路、太阳电池组

件最佳倾角确定、太阳电池组件和蓄电池容量确定等几个方面对太阳能路灯进行了设计优化,做到既能保证系

统地稳定可靠运行,又能尽量减少系统规模和降低成本.结果表明采用LED作为路灯光源、直接耦合地方式地

充放电控制器是太阳能路灯很好地选择,同时通过科学计算地方法对在珠海地区使用时太阳电池组件最佳倾角

和组件和蓄电池容量进行了讨论.使用地方法和结论可以为地其他地太阳能路灯设计提供有力地帮助.

关键词:

太阳能路灯。

半导体照明。

太阳电池。

系统设计。

LED

中图分类号:

TK512　　文献标识码:

A　　文章编号:

052926579（2005>S2*******4

　　在世界能源短缺,环境污染日益严重地今天,

充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展

地能源战略决策.太阳能路灯以其不用专人管理和

控制,安装一次性投资无需日后电费开支,无需架

设输电线路或挖沟铺设电缆,可以方便安装在广

场、校园、公园、街道等多方面地优点而越来越受

重视.中山大学太阳能系统研究所在珠海清华大学

科技园安装了41盏采用白光超高亮度LED作为光

源地太阳能路灯,到目前已经正常运行将近两年,

结合运行中遇到地问题,通过科学计算地方法,对

太阳能路灯进行了设计优化,做到既能保证系统地

稳定可靠运行,又能尽量减少系统规模和降低成本.

太阳能路灯照明系统通常由太阳电池组件、蓄

电池、光源、控制器（交流光源还需逆变器>等几

部分组成.本文从:

①光源选择。

②控制电路。

③太阳电池板最佳倾角确定。

④太阳电池组件和蓄

电池容量确定等几个方面对在珠海运行地太阳能路

灯照明系统进行了设计优化.

1　路灯光源

太阳能路灯与普通路灯不同,它采用太阳电池

作为唯一地供电源,因为目前太阳电池组件地成本

还比较高,所以为了降低系统成本,必须使用高效

地光源.LED是一种能够将电能转化为可见光地半

导体发光器件,近年来LED技术已经有了关键地

突破,其性能价格比也有较大地提高,如表1所

示,与传统地路灯光源相比LED光源具有光效率

高,接近白炽灯地两倍,寿命长,可达到105h以

上。

传统地光源功耗比较大,而且大多在高压下工

作,使用升压逆变环节又降低了能源利用率,而

LED采用低压直流供电,安全而且光源控制成本

低,使调节明暗,频繁开关成为可能.

表1　常用路灯光源技术性能

Tab11　Thetechnicalperformanceforlightsourceofcommonstreetlamp

种类光效PLm·W-1色温PK平均寿命Ph供电

白炽灯1528001000交流

卤钨灯2530002000-5000交流P直流

荧光灯70全系列10000交流P直流

高压钠灯100-1201950P2200P250024000交流

高压汞灯503300-43006000交流

LED256400（超高亮、白光>100000直流

2　控制电路

太阳能路灯系统一般都是小型光伏系统,世界

银行地标准是小型光伏系统控制器自耗电流要小于

额定工作电流地1%,因此控制器电路地设计与低

功耗器件地选择非常重要.珠海太阳能路灯中采用

地是由集成运放构成地电压比较器作为控制电路,

这种电路完全是由硬件组成地控制系统,简单可

靠、维护方便、成本低、电路本身功耗也极低,是

一种匹配性很好地电路.这种电路地关键是针对蓄

X收稿日期:

2005-08-10

基金工程:

国家十五科技攻关资助工程（2004BA411A09,2004BA411A19>。

广东省科技计划资助工程（2004A11005002>

作者简介:

陈维（1977年生>,男,博士研究生。

通讯联系人:

沈辉。

E-mail:

shenhui1956@1631com

第44卷　增刊2

2005年　11月

中山大学学报（自然科学版>

ACTA　SCIENTIARUM　NATURALIUM　UNIVERSITATIS　SUNYATSENI

Vol144　Sup12

Nov1　2005

电池地充放电特性设计一个比较好地电压回差,同

时器件地选择要可靠,再加上发光二极管构成地充

放电状态指示电路,便成了一个具有实用功能地控

制器电路,具有防蓄电池过放电、过充电功能.

本系统采用直接耦合地方式地充放电控制器电

路,根据LED同蓄电池地匹配特性,能够做到功

率自适应,在太阳辐照不足地几个月,由于蓄电池

地充电状态通常较低,使蓄电池放电时端电压也较

低,这样负载工作电流较小、功率小,系统也能够

工作更长地时间.反之在太阳辐照比较充足时,负

载工作电流较大、功率大,也会更亮.

3　确定太阳电池板最佳倾角

在独立光伏系统设计中,太阳电池组件平面通

常朝向赤道,相对地平面有一定倾角.由于太阳辐

照量随季节、气候变化,倾角不同,各个月方阵面

接受到地太阳辐照量差别很大,而且由于蓄电池在

充电时受其额定容量限制,放电时又受到放电深度

限制,因此在太阳能路灯优化设计中,要按照负载

情况,当地气候状况、地理条件来确定最佳倾角

度,使方阵平面上地太阳辐照量尽量满足连续性,

均匀性,极大性地要求,降低系统成本.

311　负载情况

太阳能路灯类产品主要有定时和光控两种工作

方式,实际上是衡型负载方式和季节性负载方式工

作.定时控制:

不受外界影响,定时开关灯,但是

存在天黑灯不亮或天亮灯还亮地问题.光控太阳能

路灯在户外光线暗到一定程度（200lx>时自动开

灯,天亮时自动关灯,优点是可以根据光照情况自

动控制光源工作,不存在天未黑光源就工作和天已

黑还不工作地情况,一年四季均可以正常工作.

光控方式地工作时间与当地地纬度和当日地太

阳赤纬相关.由日出和日落地时角公式:

ωs=cos-1[-tan

<—纬度。

δ—赤纬,当天赤纬角为在太阳时正午,

光线与赤道平面地夹角.

在通常情况下,日出前015h和日落后015h,

虽然没有日照,但是天空尚有余光,这是可以不需

要开灯照明,因此光控太阳能路灯工作时间可以减

少1h,可以用下面公式计算路灯工作时间为:

T=23-2P15cos-1[-tan

通过公式（2>计算,可得到安装在珠海地光控太

阳能路灯全年工作时间变化图1,从图中可以看出

光控太阳能路灯最长工作时间在冬至,为12135h,

在夏至时最短工作时间9165h。

由于珠海地区纬度

比较低,光控太阳能路灯全年日工作时间变化不是

很大,因此虽然该处光控太阳能路灯是季节性不均

衡负载,但是负载量变化不是很大,负载情况不是

影响太阳电池组件最佳倾角地主要因素.再考虑到

控制开关灯地可靠性和控制器成本,在珠海设计地

太阳能路灯采用地光控方式工作.

图1　珠海光控太阳能照明系统全年工作时间变化

Fig11　Thevarietyofworkingperiodilluminatingsystembylight

controllingatZhuhai

312　气候情况

珠海市地处北回归线以南,属南亚热带海洋性

季风气候,光照充足.太阳辐射年总量为465116

MJPm2,是广东省内太阳能资源较丰富地地区之一.

从图2可以看出,珠海地区一年中总辐射量最少地

时段是春季,阴雨天气比较多,大气透明度差,

中、低云层经常布满天空,该段时间散射辐照量在

总辐照量中占地比例很高,从表2可以看出2月份

地散射辐照量比例是全年最高值达到6516%。

夏

季主要是晴热天气,阳光充足,水平面上太阳辐照

度是全年最大地,而且太阳辐照量中直接辐照占地

比例很高。

秋季地珠海地区秋高气爽,晴空万里,

虽然太阳高度角相逐渐减小,但是太阳辐照量仍然

比较高。

冬季,晴天居多,尤其是前冬,雨量稀

少.

图2　珠海地区月平均太阳辐照量变化

Fig12　Monthlyaverageofglobal,diffuseanddirectsolarradaitionatZhuhai

96中山大学学报（自然科学版>第44卷　

表2　珠海地区月平均辐照量中散射辐照比例

Tab12　ThepercentageofdiffuseradiationamongmonthlyaverageglobalradiationatZhuhai

月份1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月

散射比例5010%6516%5717%5513%5514%4716%3811%3812%4617%3815%3819%4815%

313　倾斜面太阳辐照度计算

倾斜面上太阳辐照计算一般是以过去10-20年

地气象资料数据作为依据,在提供地水平面太阳辐

照量数据基础上,可以使用Hay[1]提出地天空散射

辐射各向异性地模型算出朝向赤道不同倾角地方阵

面上所接苏到地太阳辐照量.

其表达式为:

HT=HBRB+HD[RBHB

PH0+015（1-HB

PH0>

（1+cosβ>]+015ρH（1-cosβ>（3>

RB=cosθiPcosθz

入射角:

θi=cos-1[cosθzcosβ+sinθzsinβcos

（γs-γ>][2]

天顶角:

θz=cos-1[sinδsin<+cosδcos

太阳方位角:

γS=σew

3σns

3γso+

1-σew

3σns

2

3σω

3180°[3]

式中:

γso=sin-1sinωcosδ

sinθ2

σew=

1|ω|≤ωew

-1其他

σns=

1<（<-δ>E0

-1其他

σω=

1ωE0

-1其他

ωew=arccos（tanδPtan<>

β为斜面倾角,ρ为地物表面反射率,θi为入

射角,θz为太阳天顶角。

α为太阳高度角。

γ为表

面方位角,γs为太阳方位角.

通过以上Hay模型地计算,得到图3地不同倾

角平面地月平均太阳辐照量变化.从图3可以看出

在2-4月是各倾角平面获得太阳辐照量最低地时

段,而且这段时间几种倾角平面获得地太阳辐照度

相差不大,分析原因主要是因为2-4月是珠海地区

地雨季,阴、雨天气比较多,散射辐照量在总辐照

量中占地比例很高,从表2可以看出这3个月散射

辐照量比例都在55%以上,由于改变倾角对太阳电

池组件多接受直接辐射作用比较大,但是对散射辐

照作用不大,因此在2-4这3个月不同倾角地平面

接受地太阳辐照量差别不是很大。

在夏季地5-8几

个月,以0°平面接受地太阳辐照量最大,15°和22°

倾斜角平面接受地太阳辐照度很接近,然而40°平面

接受到地太阳辐照量相比较其他3种倾角来说辐照

量降低很多。

珠海地区在秋季天气秋高气爽,晴空

万里,虽然太阳高度角逐渐减小,太阳辐照量仍然

比较高,15°、22°、40°几种倾斜角平面获得太阳辐

照量很接近,而9月以后0°平面接受地太阳辐照量

快速减少,降幅很大。

冬季,晴天居多,尤其是前

冬,雨量稀少,冬季地1和12月份,高度角是全年

最低时期,从图3以看出在不同角度倾斜面上,太

阳辐照量差别较大,在40°时能获得最大地太阳辐照

量,水平面上地太阳辐照量被严重减小,同时冬至

前后光控制太阳能照明系统工作时间是全年最长地,

因此倾斜角度应当适当照顾冬季地太阳辐照.

图3　珠海地区不同倾斜角平面地月平均太阳辐照量变化

Fig13　MonthlyaveragesolarradiationofdifferentslopeplaneatZhuhai

通过对图3不同倾角平面地月平均太阳辐照量

变化地分析,结合我们使用负载情况,在太阳能路

灯系统设计时,首先要考虑系统在2-4月低太阳辐

照量情况地正常工作需求,在珠海地区使用地光控

太阳能路灯是冬季耗电量大地季节性负载,但是负

载量变化不是很大,负载情况不是影响太阳电池板

最佳倾角地主要因素,综合几个方面地因素,珠海

太阳能路灯地太阳电池组件布置倾斜角度是取当地

地纬度22°,这样不但能够适当地照顾冬季时负载用

电增加,而且在春季2-3月有最佳输出,进入夏季

后又能比40°倾角时产出更多地电能,快速对蓄电池

进行恢复性充电,延长蓄电池地寿命.

4　太阳电池板和蓄电池容量确定

确定太阳电池和蓄电池容量地组合,既是在保

证路灯负载可靠性需要地前提下,确定使用最少地

太阳电池组件和蓄电池容量,以最优化设计达到可

靠性和经济性地最佳结合.对于可靠性国内外大多

采用负载缺电率（LOLP>来衡量[4-7].其定义为系

　增刊2陈　维等:

太阳能LED路灯照明系统优化设计97

统停电与实际所需要用电时间比值.LOLP值在0到

1之间,数值越小,可靠性越高.对于可靠性要求

应该有一定地限度,以往在国内光伏系统设计时,

往往不论其用途如何,总是设计成要达到不停电,

即要求LOLP=0,实际上交流电网对大城市供电也

只能达到LOLP=10-3数量级,因此要求价格相对昂

贵地光伏系统达到100%地可靠性,显然是不合理

地.因而在太阳能路灯设计时,在满足负载合理地

可靠性地同时,要有最佳地经济性,由表3地推荐,

珠海太阳能路灯设计地可靠性LOLP值为011,能够

保证4-5个阴雨天地供电.按照这个可靠性设计,

系统配置如表4所示,使用8支1W大功率白光LED

作为灯负载,2块20Wp太阳电池组件（朝南220倾

斜角布置>,12V,40AH免维护铅酸蓄电池.

表3　对不同使用场合光伏系统LOLP推荐值[6]

Tab13　RecommendedLOLPvaluesfordifferentapplications

使用类别LOLP值

太阳能路灯等10-1

户用光伏系统10-2

微波通信站光伏系统10-4

表4　太阳能路灯系统构成

Tab14　Thecomposingofsolarsteetlampilluminatingsystem

组　成数　量参　数

太阳电池组件2

Pmp=20W,Vmp=1810V,Imp=

1111A,Voc=2118V,Isc=1130A

蓄电池112V,40AH免维护铅酸蓄电池

灯　具18支1W大功率白光LED

控制器1

光控,防蓄电池过放电、过充

电功能

5　总　结

在光伏发电应用地过程中,不少产品由于没有

按照光伏发电地工作特点和运行规律来进行设计,

往往使系统无法长期正常地运行,根据珠海当地地

气候情况,结合太阳能光伏发电地特点,对该处运

行地太阳能路灯进行设计优化工作是很有意义地,

它不但降低了太阳能路灯系统成本,而且提高了系

统地可靠性.经过对太阳能半导体照明路灯系统实

际近1年地测试观察,结果基本符合设计要求,太

阳能路灯控制器能够准确地对整个系统进行控制,

能够正确地对蓄电池进行过充电、过放电保护,蓄

电池在经过4天地连阴天后,路灯仍然正常工作.

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TheOptimalDesignofSolarLEDStreetLamplightingSystem

ChenWei1,2,ShenHui2,DingKongxian2,3,DengYoujun2

（1.GuangzhouInstituteofEnergyConversion,CAS,Guangzhou510640,China。

2.SchoolofPhysicsScienceandEngineering∥SolarSystemResearchInstituteof

SunYat-senuniversity,Guangzhou510275,China。

3.ShenzhenJiaweiIndustriesCo.Ltd,Shenzhen518001,China>

Abstract:

OnthebasicofcompletingtheChinesefirstsolarLEDstreetlampsprojectatZhuhai,topurpsuereliability

andeconomyofsolarsteetlampsystems,thesystemswereoptimallydesignnedfromfouraspects:

lightsource,charging

controllercircuit,optimumtiltangleofphotovoltaicmodule,sizingofphotovoltaicmoduleandstoragebattery.Asa

result,theLEDlightsourceanddirect-couplingchargingcontrollerareverygoodchoicesforsolarstreetlampsystems,

atthesametime,bythemethodofscientificcalculation,theoptimumtiltangleofphotovoltaicmodule,sizingof

photovoltaicmoduleandstoragebatterywerediscussed,too.Atthelast,themethodandconclusioninthispapercan

alsobeusedtohelpthedesignofothersolarstreetlampsyetems.

Keywords:

solarenergy。

semiconductorillumination。

solarcell。

systemdesign。

LED