太阳能LED路灯照明系统优化设计

第 44 卷 增刊 2 2005 年 月 11

中山大学学报 ( 自然科学版) ACTA SCIENTIARUM NATURALIUM UNIVERSITATIS SUNY ATSENI

太阳能 L ED 路灯照明系统优化设计
陈 维
1 ,2

, 沈 , 丁孔贤 辉

2

2 ,3

, 邓幼俊

2

( 1. 中国科学院广州能源研究所 , 广东 广州 510070 ; 2. 中山大学物理科学与工程技术学院 ‖ 太阳能系统研究所 , 广东 广州 510275 ; 3. 深圳珈伟实业有限公司 , 广东 深圳 518001)

摘 : 在珠海完成国内第一个太阳能 LED 路灯示范工程的工作基础上 , 从路灯光源 ,控制电路 ,太阳电池组 要
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 充放电控制器是太阳能路灯很好的选择 , 同时通过科学计算的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 .使用的方法和结论可以为的其他的太阳能路灯设计提供有力的帮助 .

统的稳定可靠运行 , 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 ,直接耦合的方式的

在世界能源短缺 , 环境污染日益严重的今天 , 充分开发并利用太阳能是世界各国政府可持续发展 的能源战略决策 .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 ,街道等多方面的优点而越来越受 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 源的太阳能路灯 , 到目前已经正常运行将近两年 , 结合运行中遇到的问题 , 通过科学计算的方法 , 对

太阳能路灯进行了设计优化 , 做到既能保证系统的 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的太阳能路 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 作为唯一的供电源 , 因为目前太阳电池组件的成本 还比较高 , 所以为了降低系统成本 , 必须使用高效 的光源 . LED 是一种能够将电能转化为可见光的半 导体发光器件 , 近年来 LED 技术已经有了关键的 突破 , 其性能价格比也有较大的提高 , 如表 1 所

Ξ 收稿日期 : 2005 - 08 - 10 基金项目 : 国家十五科技攻关资助项目 (2004BA411A09 , 2004BA411A19) ; 广东省科技计划资助项目 (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 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

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) S220095204
白炽灯 15 卤钨灯 25 荧光灯 70 高压钠灯 100 - 120 高压汞灯 50
LED 25

示 , 与传统的路灯光源相比 LED 光源具有光效率 高 , 接近白炽灯的两倍 , 寿命长 , 可达到 10 h 以 上 ; 传统的光源功耗比较大 , 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 低 , 使调节明暗 , 频繁开关成为可能 .
5

LED 采用低压直流供电 , 安全而且光源控制成本

表1 常用路灯光源技术性能
色温∏ K
2800 3000

2 控制电路

银行的标准是小型光伏系统控制器自耗电流要小于 额定工作电流的 1 % , 因此控制器电路的设计与低 功耗器件的选择非常重要 .珠海太阳能路灯中采用 的是由集成运放构成的电压比较器作为控制电路 , 这种电路完全是由硬件组成的控制系统 , 简单可 靠 ,维护方便 ,成本低 ,电路本身功耗也极低 , 是 一种匹配性很好的电路 .这种电路的关键是针对蓄

T 11 technical performance for light source of comm street lam ab The on p

种类 光效 Lm· - 1 ∏ W

平均寿命∏ h
1000

2000 - 5000 交流∏ 直流 10000 24000 6000

6400(超高亮, ) 白光

太阳能路灯系统一般都是小型光伏系统 , 世界

全系列 1950∏ ∏ 2200 2500
3300 - 4300

Ξ

100000

Vol144 12 Sup Nov1 2005

供电 交流

交流∏ 直流 交流 交流 直流

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中山大学学报 ( 自然科学版)

第 44 卷

电池的充放电特性设计一个比较好的电压回差 , 同 时器件的选择要可靠 , 再加上发光二极管构成的充 放电状态指示电路 , 便成了一个具有实用功能的控 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的方式的充放电控制器电 路 , 根据 LED 同蓄电池的匹配特性 , 能够做到功 率自适应 , 在太阳辐照不足的几个月 , 由于蓄电池 的充电状态通常较低 , 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 工作更长的时间 . 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 .

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的主要因素 .再考虑到 控制开关灯的可靠性和控制器成本 , 在珠海设计的 太阳能路灯采用的光控方式工作 .

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 接受到的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 , 使方阵平面上的太阳辐照量尽量满足连续性 , 均匀性 , 极大性的要求 , 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的问题 .光控太阳能 路灯在户外光线暗到一定程度 ( 200 lx) 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 黑还不工作的情况 , 一年四季均可以正常工作 . 光控方式的工作时间与当地的纬度和当日的太 阳赤纬相关 .由日出和日落的时角公式 : ωs = cos - 1 [ - tan <tanδ] ( 1) 比较低 , 光控太阳能路灯全年日工作时间变化不是 <— 纬度 ; δ— 赤纬 , 当天赤纬角为在太阳时正午 , 光线与赤道平面的夹角 . 在通常情况下 , 日出前 015 h 和日落后 015 h , 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 1 h , 可以用下面公式计算路灯工作时间为 : -1 ( 2) T = 23 - 2∏ 15cos [ - tan <tanδ] 通过公式 ( 2) 计算 , 可得到安装在珠海的光控太 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 12135 h , 在夏至时最短工作时间 9165 h ; 由于珠海地区纬度
图1 珠海光控太阳能照明系统全年工作时间变化
Fig11 The variety of working period illuminating system by light control ling at Zhuhai

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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 4 65116 2 MJ ∏ , 是广东省内太阳能资源较丰富的地区之一 . m 从图 2 可以看出 , 珠海地区一年中总辐射量最少的 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 总辐照量中占的比例很高 , 从表 2 可以看出 2 月份 的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 度是全年最大的 , 而且太阳辐照量中直接辐照占的 比例很高 ; 秋季的珠海地区秋高气爽 , 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
Fig1 onthly average of global , diffuse and direct s radaition at Z 2 M olar huhai

312 气候情况

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增刊 2

陈 维等 : 太阳能 LED 路灯照明系统优化设计

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表2 珠海地区月平均辐照量中散射辐照比例
月份 散射比例
1月 Tab12 The percentage of diffuse radiation among monthly average global radiation at Zhuhai 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10 月 6516 %
[3 ]

11 月 3819 %

12 月 4815 %

σ = ns

313 倾斜面太阳辐照度计算 (γ - γ) ] [2 ] s
-1 式中 : γ = sin so

比较高 , 15° 22° 40° , , 几种倾斜角平面获得太阳辐 倾斜面上太阳辐照计算一般是以过去 10 - 20 年 照量很接近 , 而 9 月以后 0° 平面接受的太阳辐照量 的气象资料数据作为依据 , 在提供的水平面太阳辐 快速减少 , 降幅很大 ; 冬季 , 晴天居多 , 尤其是前 [1 ] 照量数据基础上 , 可以使用 Hay 提出的天空散射 冬 , 雨量稀少 , 冬季的 1 和 12 月份 , 高度角是全年 辐射各向异性的模型算出朝向赤道不同倾角的方阵 最低时期 , 从图 3 以看出在不同角度倾斜面上 , 太 面上所接苏到的太阳辐照量 . 阳辐照量差别较大 , 在 40° 时能获得最大的太阳辐照 其表达式为 : 量 , 水平面上的太阳辐照量被严重减小 , 同时冬至 HT = HB RB + HD [ RB HB ∏H0 + 015 ( 1 - HB ∏H0 ) 前后光控制太阳能照明系统工作时间是全年最长的 , 射角 , θ 为太阳天顶角 ; α 为太阳高度角 ; γ 为表 z 面方位角 , γ 为太阳方位角 . s 变化的分析 , 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 通过以上 Hay 模型的计算 , 得到图 3 的不同倾 照量情况的正常工作需求 , 在珠海地区使用的光控 角平面的月平均太阳辐照量变化 .从图 3 可以看出 太阳能路灯是冬季耗电量大的季节性负载 , 但是负 在 2 - 4 月是各倾角平面获得太阳辐照量最低的时 载量变化不是很大 , 负载情况不是影响太阳电池板 段 , 而且这段时间几种倾角平面获得的太阳辐照度 最佳倾角的主要因素 , 综合几个方面的因素 , 珠海 相差不大 , 分析原因主要是因为 2 - 4 月是珠海地区 太阳能路灯的太阳电池组件布置倾斜角度是取当地 的雨季 , 阴 ,雨天气比较多 , 散射辐照量在总辐照 的纬度 22° 这样不但能够适当的照顾冬季时负载用 , 量中占的比例很高 , 从表 2 可以看出这 3 个月散射 电增加 , 而且在春季 2 - 3 月有最佳输出 , 进入夏季 辐照量比例都在 55 %以上 , 由于改变倾角对太阳电 后又能比 40° 倾角时产出更多的电能 , 快速对蓄电池 池组件多接受直接辐射作用比较大 , 但是对散射辐 进行恢复性充电 , 延长蓄电池的寿命 . 照作用不大 , 因此在 2 - 4 这 3 个月不同倾角的平面 太阳电池板和蓄电池容量确定 接受的太阳辐照量差别不是很大 ; 在夏季的 5 - 8 几 4 个月 , 以 0° 平面接受的太阳辐照量最大 , 15° 22° 和 确定太阳电池和蓄电池容量的组合 , 既是在保 倾斜角平面接受的太阳辐照度很接近 , 然而 40° 平面 证路灯负载可靠性需要的前提下 , 确定使用最少的 接受到的太阳辐照量相比较其他 3 种倾角来说辐照 太阳电池组件和蓄电池容量 , 以最优化设计达到可 量降低很多 ; 珠海地区在秋季天气秋高气爽 , 晴空 靠性和经济性的最佳结合 .对于可靠性国内外大多 万里 , 虽然太阳高度角逐渐减小 , 太阳辐照量仍然 采用负载缺电率 (LOLP) 来衡量[4 - 7 ] .其定义为系
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( 1 + cosβ ] + 015ρ ( 1 - cosβ ) ) H 1 - σ 3σ ew ns 2 1 - 1

- 1 入 射 角 : θ = cos [ cosθcosβ + sinθ sinβ cos i z z

β为斜面倾角 , ρ 为地物表面反射率 , θ 为入 i

- 1 [3 ] 天顶角 : θ = cos [ sinδ < + cosδ <cosω] sin cos z

太 阳 方 位 角: γ = σ 3 σ 3 γ + S ew ns so
) < ( <- δ Ε0 1 ,σ = ω 其他 - 1 ωew = arccos ( tanδ tan <) ∏

θ cos z RB = cos i ∏ θ

5010 %

3 σ 3 180° ω

sinω δ cos ,σ = ew θ sin 2

5717 %

1

-1

5513 %

| ω ≤ ew | ω

其他 ωΕ 0 其他

5514 %

( 3)

,

,

4716 %

因此倾斜角度应当适当照顾冬季的太阳辐照 .

图3 珠海地区不同倾斜角平面的月平均太阳辐照量变化

Fig13 onthly average solar radiation of different slope plane at Zhuhai M

通过对图 3 不同倾角平面的月平均太阳辐照量

3811 %

3812 %

4617 %

3815 %

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中山大学学报 ( 自然科学版)

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统停电与实际所需要用电时间比值 .LOLP 值在 0 到 5 总 结 1 之间 , 数值越小 , 可靠性越高 .对于可靠性要求 应该有一定的限度 , 以往在国内光伏系统设计时 , 在光伏发电应用的过程中 , 不少产品由于没有 往往不论其用途如何 , 总是设计成要达到不停电 , 按照光伏发电的工作特点和运行规律来进行设计 , 即要求 LOLP = 0 , 实际上交流电网对大城市供电也 往往使系统无法长期正常地运行 , 根据珠海当地的 只能达到 LOLP = 10 数量级 , 因此要求价格相对昂 贵的光伏系统达到 100 %的可靠性 , 显然是不合理 的 .因而在太阳能路灯设计时 , 在满足负载合理的 可靠性的同时 , 要有最佳的经济性 , 由表 3 的推荐 , 珠海太阳能路灯设计的可靠性 LOLP 值为 011 , 能够
太阳电池组件 蓄电池 灯 具 控制器
Tab14 The composing of solar steet lamp illuminating system Tab13 Recommended LOLP values for different applications
- 3

气候情况 , 结合太阳能光伏发电的特点 , 对该处运 行的太阳能路灯进行设计优化工作是很有意义的 , 它不但降低了太阳能路灯系统成本 , 而且提高了系 统的可靠性 .经过对太阳能半导体照明路灯系统实 际近 1 年的测试观察 , 结果基本符合设计要求 , 太

保证 4 - 5 个阴雨天的供电 .按照这个可靠性设计 , 阳能路灯控制器能够准确地对整个系统进行控制 , 系统配置如表 4 所示 , 使用 8 支 1W 大功率白光 LED 能够正确的对蓄电池进行过充电 ,过放电保护 , 蓄 作为灯负载 , 2 块 20Wp 太阳电池组件 ( 朝南 220 倾 电池在经过 4 天的连阴天后 , 路灯仍然正常工作 . 斜角布置) , 12V , 40AH 免维护铅酸蓄电池 . 参考文献 : [6 ] 表3 对不同使用场合光伏系统 LOLP 推荐值 [1 ] HAY J E. Calculation of monthly mean solar radiation for
使用类别
LOLP 值 10 10 10
-1 -2 -4

太阳能路灯等 户用光伏系统 微波通信站光伏系统

表4 太阳能路灯系统构成
数 量
2 1 1 1

组 成

参 数

The Optimal Design of Solar L ED Street Lamp lighting System
Chen Wei
1 ,2

( 1. Guangzhou Institute of Energy Conversion ,CAS , Guangzhou 510640 ,China ; Sun Yat- sen university , Guangzhou 510275 ,China ;

2. School of Physics Science and Engineering ‖ Solar System Research Institute of 3. Shenzhen Jiawei Industries Co. Ltd ,Shenzhen 518001 ,China )

Abstract : On the basic of completing the Chinese first solar LED street lamps project at Zhuhai , to purpsue reliability

and economy of solar steet lamp systems , the systems were optimally designned from four aspects : light source , charging controller circuit , optimum tilt angle of photovoltaic module , sizing of photovoltaic module and storage battery. As a result , the LED light source and direct - coupling charging controller are very good choices for solar street lamp systems , at the same time , by the method of scientific calculation , the optimum tilt angle of photovoltaic module , sizing of photovoltaic module and storage battery were discussed , too. At the last , the method and conclusion in this paper can also be used to help the design of other solar street lamp syetems. Key words : solar energy ; semiconductor illumination ; solar cell ; system design ; LED
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1111A , V oc = 2118V , Isc = 1130A 12V , 40AH 免维护铅酸蓄电池 8 支 1W 大功率白光 LED

光控 , 防 蓄 电 池 过 放 电 ,过 充 电功能

Pmp = 20W , V mp = 1810V , Imp =
2

horizontal and inclined surface [J ] . Solar Energy ,1979 ,23 (4) :301 - 307. [2 ] BRAUN J E ,MITCHELL J C. Solar geometry for fixed and tracking surfaces[J ] . Solar Energy ,1983 ,31 (5) :439 - 444. [3 ] 郭廷玮 , 刘鉴民 . 太阳能的利用 [M] . 北京 : 科技文献出 版社 ,1987 :22 - 30. [4 ] TSALIDES Ph ,THANAILAKIS A. Loss-of-load probability and related parameters in optimum computer- aided design of standalone photovoltaic systems[J ] . Solar cells. 1986 ,18 (2) :115 127. [5 ] El-MAGHRABY M H , ABEDAND Y A , El- SAYES M A. Proposed generalized models for estimating the reliability of a stand- alone solar photovoltaic power system [ J ] . Electric Power Systems Research. 1985 ,8 (2) :111 - 118. [6 ] HONTORIA L , AG UILERA J , ZUFIRIA P. A new approach for sizing stand alone photovoltaic systems based in neural networks[J ] . Solar energy ,2005 ,78 (2) :313 - 319. [7 ] 杨金焕 , 汪征 , 陈中华 . 负载缺电率用于独立光伏系统 最优化设计 [J ] . 太阳能学报 . 1999 ,20 (1) :93 - 99.

, Shen Hui , Ding Kongxian

2 ,3

, Deng Youjun

2


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