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摘要：本文介绍了烟台地区太阳能LED照明系统的优化设计。设计者可根据当地气象资料、LED用电负载情况、所选定组件的价格及特性，通过本文介绍的设计方法，确定太阳能组件和蓄电池容量，经过经济比较，确定满足需求的最佳方案。
关键词：太阳能LED照明系统;优化设计方法;经济比较
Abstract ：This paper introduces the optimum design of solar energy LED lighting systems in Yantai district. With the help of the introduced designs, the designer can determine the solar energy parts and battery capacity according to the local meteorological data, LED current load, the price and property of the chosen parts and determine the most economic and appropriate design.
Key words ：solar energy LED lighting systems; optimum design; property of the chosen parts
中图分类号：TB494 文献标识码：A文章编号：
前言
太阳能发电不需要燃料，不需要运输，成为清洁能源的首选。太阳能光伏电池与LED组合成的太阳能照明系统，近年在我国发展迅速，技术日趋成熟，被广泛用于广场、停车场、草坪、街道等公共场合。本文针对严寒地区太阳能LED照明系统应用的工程实例，通过对系统主要部分的分析研究，提出了系统优化设计的方法。
太阳能路灯的基本原理
太阳能路灯系统由太阳能电池板、蓄电池组件、自动控制器、LED照明灯、灯架等组成。其工作原理是：太阳能电池板白天接受太阳辐射能，通过自动控制器对蓄电池组件充电，夜间给LED灯供电进行照明。自动控制器的性能要求为：保证蓄电池在任何条件（阳光充足和连续阴雨）下不被过充和过放造成损害，有效延长蓄电池组件的寿命。同时，自动控制器还具有光控、时控等功能，既可以使路灯在能见度降低时自动开启，能见度升高时关闭，还可以对路灯进行定时开关。
2设计方法
太阳能电池组件发电路灯系统设计的总原则是：在保证满足负载供电需要的前提下,确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量,以尽量减少初始投资。对系统设计者来说,在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择,使系统的投资成倍地增加,而且也不能满足使用要求。
2.1 太阳能电池板的倾角的确定
太阳能路灯照明系统，相当于负荷均匀的独立光伏发电系统。太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大，所以要对其进行量化处理。但是量化处理工作量大，数据繁琐，出现错误的几率较大，故设计过程中，经常根据当地纬度与太阳能电池板倾角的关系确立太阳能电池板的倾角。纬度和太阳能电池板倾角的关系见表1[1]。
表1 纬度和太阳能电池板倾角的关系
烟台位于东经东经119°34′～121°57′，北纬36°16′～38°23′，属于太能资源较丰富地区[2]。由表1规定纬度和太阳能电池板倾角的关系确立太阳能电池板的倾角45°。
2.2 平均峰值日照时数[3]
平均峰值日照时数：(2.2-1)
式中，为平均峰值日照时数；为全年平均日太阳辐射量；100 （mWh/cm2）为标准日太阳辐射照度。
经过测算烟台地区45°倾角平均峰值日照时数为5.87h
2.3 确定电池组件最佳电流[4] [5]
太阳能电池组件应输出的最小电流：(2.3-1)
式中,L为照明负载每天总耗电量；Tmax为各月中太阳能总辐射最大的峰值日照时数；η1为蓄电池组件充电效率(0.80-0.90)；η2为太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数,通常可取0.9-0.95；η3为太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数,通常可取0.9-0.95。
太阳能电池组件应输出的最大电流：(2.3-2)
式中，Tmin为 各月中太阳能总辐射最小的峰值日照时数;其他各项同公式（2.3-1）
计算太阳能路灯的用电负荷如表2所示。
表2 太阳能路灯照明负载计算
烟台市各月45°南向斜面上的日均辐射量和峰值日照小时数的测算数值如表3所示。
表3 烟台市各月55°南向斜面上的日均辐射量和峰值日照小时数
根据表2、表3所列数据，带入公式（2.3-1）（2.3-2）得:
Imin=1.27A ； Imax=1.96A
太阳能电池组件的最佳电流值I：Imin≤IA≤Imax ，具体数值可用试验方法确定。
方法是先选定一个电流值IA,按月求出太阳能电池组件的输出发电量,对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据式(2.3-3)进行计算。
(2.3-3)
式中,N为当月天数。
各月负载耗电量为:(2.3-4)
两者相减,若ΔE = EA-EL为正,表示该月太阳能電池组件发电量大于用电量,能给蓄电池组件充电;若ΔE为负,表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量,要用蓄电池组件贮存的电能来补充,蓄电池组件处于亏损状态。通过全年荷点状态试验，选出连续亏损期。选定的太阳能组件电流所对应的年亏损期连续亏欠量具体数值见表4。
表4 选定太阳能电池组件电流所对应的年亏损期连续亏欠量累计值
2.4 蓄电池组件容量的确定
列表算出全年各月ΔEi的数值,并算出全年中ΔE连续为负值(即连续亏欠量)的累积值∑ΔEi。如果全年只有一个连续亏欠期,它就是累积亏欠量之和。对北半球来说,由于岁末年初是冬季,在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。最后求出累积亏欠量∑ΔEi,计算数值见表4。
按照以上方法即可确定蓄电池组件的容量:
(2.4-1)
式中,DOD为放电深度,对铅酸蓄电池组最大可达75% -80%。但考虑蓄电池组的寿命等影响因素,一般取DOD =60% -70%为宜[6]，具体计算数值见表5。
表5 太阳能电池板与蓄电池容量结合状况以及此组合所需费用
注：太阳能电池板为35元/1W；蓄电池容量为7元/1Ah
2.5 确定太阳能电池组件的工作电压[7]
为保证全年能够有效的对蓄电池组件进行充电，太阳能电池板的输出电压在任何季节必须满足：(2.5-1)
式中, Vf为蓄电池组浮充电压；Vd为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降； Vi为因温度升高引起的压降。
其中Vi的计算公式如下：
(2.5-2)
式中,a为太阳能电池组件的温度系数,对非晶硅池组件来说,a =0.003；Tmax为太阳能电池组件的最高工作温度(45℃-60℃)；VA为太阳能电池组件的标准工作电压。
2.6 确定太阳能电池组件功率
太阳能电池组件板的功率
(2.6-1)
式中,a、tmax取值与式(2.5-2)中相同；K为考虑一些未知工作因素,而引入的安全系数,可根据电压等级,数据准确程度,运行环境等,在1.05-1.30之间选取。
PA具体计算数值见表5。
3经济比较与方案的确定
通过表5的数据可得，太阳能电池板的峰值功率P=50W，蓄电池容量Cb=106Ah的结合方式为最经济结合方式。此方案蓄电池在正常使用过程中将放电深度控制在60%-70%，保证了其寿命；在连续阴雨5天的情况下，LED照明负载运行所需要的电量为：E=5L=35Ah，蓄电池放电深度DOD=33.0%,小于70%的设计要求。故此种方案为最经济方案。
按照本文所述步骤，求出蓄电池组件的容量和太阳能电池板的电流、电压、功率，与厂商所提供的产品型号和规格进行比对，就可以选取合适的太阳能电池板和蓄电池组件了。
结论
本文通过对烟台地区的气象数据、负载用电情况、所选定组件的特性和价格以及系统需要的可靠性进行整理，对LED照明系统设计进行了优化。这种方法优化了太阳能LED路灯系统的设计计算，同时保证了各个部件的合理搭配，取得了最佳的设计工况，节约投资。按照此方法确定的太阳能LED照明系统方案可靠，经济性好。
参考文献
[1]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2005: 227.
[2]冶金工业部北京有色冶金设计研究总院. 暖通空调气象资料集[M]. 1979:16-18
[3]CHAPMAN R N. Sizing handbook for stand-alone photovoltaic/storage systems [J]. Sandia Report SAND,1987,63:24-37
[4]DR BORIS BERKOVSKI. Solar electricity [M].University of Southampton, UK: Tomas Markvart,1994:7-21
[5]DELHI,CHENNAL, JAIPUR.Financial evaluation of renewable energy technologies [M].India:RajivBeri,2003:12-49
[6]GREEN,MARTIN A. Solar cells[M].Australia. National Library of Australia,1998. 121-135.
[7]張兴磊，杨丽丽，张东凤. 户用光伏发电系统中太阳能电池板的匹配设计[J].青岛农业大学学报(自然科学版).2008,25(2):153-156
关键词：太阳能LED照明系统;优化设计方法;经济比较
Abstract ：This paper introduces the optimum design of solar energy LED lighting systems in Yantai district. With the help of the introduced designs, the designer can determine the solar energy parts and battery capacity according to the local meteorological data, LED current load, the price and property of the chosen parts and determine the most economic and appropriate design.
Key words ：solar energy LED lighting systems; optimum design; property of the chosen parts
中图分类号：TB494 文献标识码：A文章编号：
前言
太阳能发电不需要燃料，不需要运输，成为清洁能源的首选。太阳能光伏电池与LED组合成的太阳能照明系统，近年在我国发展迅速，技术日趋成熟，被广泛用于广场、停车场、草坪、街道等公共场合。本文针对严寒地区太阳能LED照明系统应用的工程实例，通过对系统主要部分的分析研究，提出了系统优化设计的方法。
太阳能路灯的基本原理
太阳能路灯系统由太阳能电池板、蓄电池组件、自动控制器、LED照明灯、灯架等组成。其工作原理是：太阳能电池板白天接受太阳辐射能，通过自动控制器对蓄电池组件充电，夜间给LED灯供电进行照明。自动控制器的性能要求为：保证蓄电池在任何条件（阳光充足和连续阴雨）下不被过充和过放造成损害，有效延长蓄电池组件的寿命。同时，自动控制器还具有光控、时控等功能，既可以使路灯在能见度降低时自动开启，能见度升高时关闭，还可以对路灯进行定时开关。
2设计方法
太阳能电池组件发电路灯系统设计的总原则是：在保证满足负载供电需要的前提下,确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池组件容量,以尽量减少初始投资。对系统设计者来说,在光伏发电系统设计过程中做出的每个决定都会影响造价。由于不适当的选择,使系统的投资成倍地增加,而且也不能满足使用要求。
2.1 太阳能电池板的倾角的确定
太阳能路灯照明系统，相当于负荷均匀的独立光伏发电系统。太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大，所以要对其进行量化处理。但是量化处理工作量大，数据繁琐，出现错误的几率较大，故设计过程中，经常根据当地纬度与太阳能电池板倾角的关系确立太阳能电池板的倾角。纬度和太阳能电池板倾角的关系见表1[1]。
表1 纬度和太阳能电池板倾角的关系
烟台位于东经东经119°34′～121°57′，北纬36°16′～38°23′，属于太能资源较丰富地区[2]。由表1规定纬度和太阳能电池板倾角的关系确立太阳能电池板的倾角45°。
2.2 平均峰值日照时数[3]
平均峰值日照时数：(2.2-1)
式中，为平均峰值日照时数；为全年平均日太阳辐射量；100 （mWh/cm2）为标准日太阳辐射照度。
经过测算烟台地区45°倾角平均峰值日照时数为5.87h
2.3 确定电池组件最佳电流[4] [5]
太阳能电池组件应输出的最小电流：(2.3-1)
式中,L为照明负载每天总耗电量；Tmax为各月中太阳能总辐射最大的峰值日照时数；η1为蓄电池组件充电效率(0.80-0.90)；η2为太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数,通常可取0.9-0.95；η3为太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数,通常可取0.9-0.95。
太阳能电池组件应输出的最大电流：(2.3-2)
式中，Tmin为 各月中太阳能总辐射最小的峰值日照时数;其他各项同公式（2.3-1）
计算太阳能路灯的用电负荷如表2所示。
表2 太阳能路灯照明负载计算
烟台市各月45°南向斜面上的日均辐射量和峰值日照小时数的测算数值如表3所示。
表3 烟台市各月55°南向斜面上的日均辐射量和峰值日照小时数
根据表2、表3所列数据，带入公式（2.3-1）（2.3-2）得:
Imin=1.27A ； Imax=1.96A
太阳能电池组件的最佳电流值I：Imin≤IA≤Imax ，具体数值可用试验方法确定。
方法是先选定一个电流值IA,按月求出太阳能电池组件的输出发电量,对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验。太阳能电池组件输出发电量可根据式(2.3-3)进行计算。
(2.3-3)
式中,N为当月天数。
各月负载耗电量为:(2.3-4)
两者相减,若ΔE = EA-EL为正,表示该月太阳能電池组件发电量大于用电量,能给蓄电池组件充电;若ΔE为负,表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量,要用蓄电池组件贮存的电能来补充,蓄电池组件处于亏损状态。通过全年荷点状态试验，选出连续亏损期。选定的太阳能组件电流所对应的年亏损期连续亏欠量具体数值见表4。
表4 选定太阳能电池组件电流所对应的年亏损期连续亏欠量累计值
2.4 蓄电池组件容量的确定
列表算出全年各月ΔEi的数值,并算出全年中ΔE连续为负值(即连续亏欠量)的累积值∑ΔEi。如果全年只有一个连续亏欠期,它就是累积亏欠量之和。对北半球来说,由于岁末年初是冬季,在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算。最后求出累积亏欠量∑ΔEi,计算数值见表4。
按照以上方法即可确定蓄电池组件的容量:
(2.4-1)
式中,DOD为放电深度,对铅酸蓄电池组最大可达75% -80%。但考虑蓄电池组的寿命等影响因素,一般取DOD =60% -70%为宜[6]，具体计算数值见表5。
表5 太阳能电池板与蓄电池容量结合状况以及此组合所需费用
注：太阳能电池板为35元/1W；蓄电池容量为7元/1Ah
2.5 确定太阳能电池组件的工作电压[7]
为保证全年能够有效的对蓄电池组件进行充电，太阳能电池板的输出电压在任何季节必须满足：(2.5-1)
式中, Vf为蓄电池组浮充电压；Vd为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降； Vi为因温度升高引起的压降。
其中Vi的计算公式如下：
(2.5-2)
式中,a为太阳能电池组件的温度系数,对非晶硅池组件来说,a =0.003；Tmax为太阳能电池组件的最高工作温度(45℃-60℃)；VA为太阳能电池组件的标准工作电压。
2.6 确定太阳能电池组件功率
太阳能电池组件板的功率
(2.6-1)
式中,a、tmax取值与式(2.5-2)中相同；K为考虑一些未知工作因素,而引入的安全系数,可根据电压等级,数据准确程度,运行环境等,在1.05-1.30之间选取。
PA具体计算数值见表5。
3经济比较与方案的确定
通过表5的数据可得，太阳能电池板的峰值功率P=50W，蓄电池容量Cb=106Ah的结合方式为最经济结合方式。此方案蓄电池在正常使用过程中将放电深度控制在60%-70%，保证了其寿命；在连续阴雨5天的情况下，LED照明负载运行所需要的电量为：E=5L=35Ah，蓄电池放电深度DOD=33.0%,小于70%的设计要求。故此种方案为最经济方案。
按照本文所述步骤，求出蓄电池组件的容量和太阳能电池板的电流、电压、功率，与厂商所提供的产品型号和规格进行比对，就可以选取合适的太阳能电池板和蓄电池组件了。
结论
本文通过对烟台地区的气象数据、负载用电情况、所选定组件的特性和价格以及系统需要的可靠性进行整理，对LED照明系统设计进行了优化。这种方法优化了太阳能LED路灯系统的设计计算，同时保证了各个部件的合理搭配，取得了最佳的设计工况，节约投资。按照此方法确定的太阳能LED照明系统方案可靠，经济性好。
参考文献
[1]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社, 2005: 227.
[2]冶金工业部北京有色冶金设计研究总院. 暖通空调气象资料集[M]. 1979:16-18
[3]CHAPMAN R N. Sizing handbook for stand-alone photovoltaic/storage systems [J]. Sandia Report SAND,1987,63:24-37
[4]DR BORIS BERKOVSKI. Solar electricity [M].University of Southampton, UK: Tomas Markvart,1994:7-21
[5]DELHI,CHENNAL, JAIPUR.Financial evaluation of renewable energy technologies [M].India:RajivBeri,2003:12-49
[6]GREEN,MARTIN A. Solar cells[M].Australia. National Library of Australia,1998. 121-135.
[7]張兴磊，杨丽丽，张东凤. 户用光伏发电系统中太阳能电池板的匹配设计[J].青岛农业大学学报(自然科学版).2008,25(2):153-156