光伏發(fā)電技術在道路照明中的應用

　　復旦大學電光源研究所 孫耀杰 程文婷 馬磊 林燕丹

　　1 前言

　　光伏供電以其安全無污染、可再生、應用方便而日漸受到青睞。隨著太陽能電池的成本下降，光伏供電的應用B益廣泛，并在道路照明中迅速發(fā)展。上海、)：蘇、河南、新疆等地都陸續(xù)投入使用了光伏路燈，但限于光效、成本和管理控制等方面的原因，光伏道路照明還未能形成規(guī)模。

　　世界太陽能光伏產(chǎn)業(yè)和市場在20世紀90年代后進入飛速發(fā)展時期，最近10年太陽電池產(chǎn)量的年均速為41.3%.特別是2004年德國實行新的上網(wǎng)電價以后，刺激光伏發(fā)電市場急速擴張。2006、2007年太陽電池組件的年增長率達到42.9%和56.2%.而中國光伏產(chǎn)業(yè)的快速增長尤其顯著，2005年～2007年間的年增速超過150%;2007年中國的太陽電池產(chǎn)量達到1088MW，超過歐洲位居世界第一。

　　目前，我國光伏應用產(chǎn)品主要包括太陽能路燈、太陽能交通信號燈、太陽能庭院燈、草坪燈、信號燈、太陽能計算器和太陽能玩具等。中國已經(jīng)成為世界上大的光伏消費品生產(chǎn)國，太陽電池的年用量接近OMWp，產(chǎn)品主要用于出口，國內(nèi)的應用也逐漸推廣，要集中于北京、保定、深圳、山東、上海等示范性項目。據(jù)不完全統(tǒng)計，太陽能應用產(chǎn)品2007年的安裝量超過SMW.但是目前我國太陽能光伏應用產(chǎn)品的市和國外相比還相對較小。主要的應用領域包括農(nóng)村電氣化、通信和工業(yè)應用，以及商品化電源。根據(jù)《可生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》，光伏發(fā)電將在2020年之得到長足的發(fā)展，重點推廣城市并網(wǎng)發(fā)電和開闊地型并網(wǎng)發(fā)電，以及農(nóng)村電氣化。2007年的實際市場分配情況以及2010、2020年的規(guī)劃情況如表1所示。

　　表1中農(nóng)村電氣化和工業(yè)應用中有大部分是光供電的照明應用，可以預見，隨著太陽能電池及變設備成本的下降，LED光源在道路照明中應用的推廣，以及節(jié)能型道路照明控制系統(tǒng)的完善，光伏照明為可再生能源照明，將逐步在部分應用領域替代常能源進行道路照明，并發(fā)展成為道路照明的一個重要方向。

　　2 光伏照明在道路照明上的應用

　　目前，路燈控制器的市場主要被國外廠家占領，全球生產(chǎn)太陽能控制器的著名公司主要集中在德國、日本、澳大利亞、北美等地區(qū)。比較知名的公司有PHOCOS、STECA、MORNINGSTAR等。國內(nèi)目前主要有北京遠方動力有限公司、匯能精電公司等，但是所占市場比例較小。但是隨著國家大力推進太陽能路燈項目的建設，積極推動開發(fā)設計具有自主知識產(chǎn)權的高性能路燈控制器，這一局面將會逐步改善。

　　2.1 光伏照明控制技術

　　光伏照明控制系統(tǒng)由太陽能電池組件、蓄電池、充放電控制器、照明電路、燈桿等組成(如圖1所示)。在負載的選擇上可以選擇傳統(tǒng)的道路照明燈具，也可以選擇光伏照明上的專用燈具，如LED路燈、直流熒光路燈等。

　　工作原理為：白天晴朗的時候，陽光照射到太陽電池組件上，因光生伏打效應產(chǎn)生電能，控制器通過傳感設備檢測充電電流和蓄電池電壓，控制電池組件給蓄電池充電;晚上，蓄電池對負載放電，為道路照明系統(tǒng)供電，照亮夜間道路。另外，光伏路燈的控制器除了要具備一般光伏系統(tǒng)的防反充、防過充和過放、防短路和反接等功能以外，還要具備自動開關照明燈的功能。通常使用定時和光控兩種方法對光伏路燈的工作進行控制。定時控制可以根據(jù)實際的需要，事先設定路燈每天晚上的工作時間。而光控方式可以采用單獨安裝光敏器件，也可以利用太陽電池本身作為光敏器件，即在周同環(huán)境暗到一定稈序時自動開燈，一直到天亮時再自動關燈。

　　光伏道路照明的優(yōu)越性之一就是可以在布線不太方便的地方鋪設光伏路燈，如浙江、貴州等多山且太陽能資源較充足的地方，可以節(jié)省大量的導線材料費用，并且每個路燈之間相互獨立，不會因線路問題導致一片地區(qū)的道路照明受到影響。另一優(yōu)點在于太陽能是直流供電，如果路燈采用LED路燈，則無需進行整流變換，而只需使用直流斬波技術，便可以提高轉換效率，減小控制器體積。

　　(1) 太陽電池供電能的能力略顯不足

　　目前，商品化的太陽電池轉換效率已經(jīng)達到17%18c70，根據(jù)我國近年在北京、上海等地所做的太陽發(fā)電示范工程所公布的發(fā)電量統(tǒng)計，每lkW太陽電池每平均發(fā)電量在1.7-4.5kWH，其中絕大部分約為3kWH.根據(jù)2007年7月1日起施行的《城市道路照明設計標準》道路照明的亮度、照度的要求，機動車交通道路照度平均照度分別為10～301x，最低平均照度為81x，經(jīng)過計算在上海地區(qū)光伏道路照明所需太陽能組件的功率為34.8kWH.根據(jù)120Wkri2的表面功率密度，至少需要8m2以上的光伏電池，在燈桿上顯然無法安裝如此大面積的光伏電池，因此光伏道路照明目前只適合支路和供行人和非機動車通行的居住區(qū)道路和人行道的路燈，無法應用于主干道和次于道上。

　　(2)光伏輸出功率受到氣候等外界因素的影響產(chǎn)生未知性

　　太陽能有個巨大的缺陷就是分布較散，同時容受到氣候的影響。因此，有可能出現(xiàn)幾年難得不遇的連續(xù)的陰雨天會導致蓄電池電力不足，進而導致夜晚路婦無法開啟或突然關斷，造成重大交通事故。如果過分增加蓄電池容量，又會造成浪費及體積的增加，降低光伏道路照明系統(tǒng)的高效性，因此在光伏供電的路燈設計和安裝時要充分考慮到太陽能的特點，同時嚴格按照不同地域特點設置光伏照明系統(tǒng)各部分的配置。

　　(3) 在光伏照明系統(tǒng)中，光伏路燈控制器技術含量高，涉及MPPT最大功率跟蹤，光源的管理、電池充電和時間計劃控制等，對系統(tǒng)性能有很大影響

　　復旦大學光源與照明工程系在大量的試驗驗證和工程應用經(jīng)驗積累的基礎上，開發(fā)出SA、10A、20A等多種規(guī)格的路燈控制器和市電互補性路燈控制器。

　　其工作原理如下：主回路由BUCK電路、PWM驅動、MCU控制系統(tǒng)、輸出保護及驅動、溫度和光照傳感器等組成。通過降壓BUCK電路實現(xiàn)MPPI控制，同時完成管理蓄電池，三段式充電技術;SOC計算方法保證蓄電池管理和使用最優(yōu);通過負載管理，保證輸出穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示。

　　路燈控制器通過檢測太陽能極板的電壓、蓄電池的電壓和電流以及負載的電壓、電流參數(shù)等參數(shù)，準確測算蓄電池的充放電狀態(tài)。確保路燈控制器工作在最優(yōu)的工作狀態(tài)。特別適合于城市或者邊遠地區(qū)的場合使用。

　　2.2 PV供電與市電互補

　　光伏電力與市電互補的道路照明方法是解決普通光伏道路照明系統(tǒng)在城市有市電地區(qū)應用所存在問題的好方法。與市電互補后，蓄電池就沒有必要過分增加容量，甚至只需要考慮一年中日照時間最長而夜晚需要照明時間最短的時間段內(nèi)的電能需求就可以了，其它時間可以由市電進行補充。光伏與市電互道路照明將會大幅度降低路燈雙路供電的成本。

　　2.3 風光互補系統(tǒng)

　　由于太陽能具有分布散，受到季節(jié)、時刻的影響嚴重等特性，需要與其他能源進行混合使用?；旌闲凸╇娤到y(tǒng)在一定程度上能克服太陽能的相關問題，例如風光互補型系統(tǒng)。光伏發(fā)電和風力發(fā)電之間有很好的互補性。白天太陽光最強時，風很小;晚上太陽落山，地表溫差加大，風力加強。在復季，太陽能強度大而風小;冬季，太陽能強度弱而風大。太陽能和風能在寸間上的互補，使風光互補發(fā)電系統(tǒng)在資源上可得到佳匹配。目前該系統(tǒng)的難點聚集在風機的設計及平性問題上。目前，我國在技術上成熟的有垂直軸風發(fā)電、全永磁懸浮風力發(fā)電機組等。

　　3 新型光伏道路照明技術的發(fā)展與應用

　　光伏產(chǎn)業(yè)在道路照明上應用的逐漸增加，以及新型控制方法、光伏電池組件、蓄電池技術水平的不斷進步，出現(xiàn)了許多應用新技術，開發(fā)出了效果更好的新型光伏道路照明系統(tǒng)。

　　(l)LED光源在道路照明中應用日趨廣泛，LED直流、低壓便于發(fā)揮PV的優(yōu)勢

　　超亮LED已被預言成為繼白熾燈和熒光燈以后的新一代光源。它與太陽能光伏供電更被認為是一種美的結合，能夠同時利用太陽能清潔、環(huán)保、可再生的優(yōu)點以及LED光效高、壽命長、透霧性強的優(yōu)點。太陽能光伏發(fā)電技術能與LED照明完美結合關鍵在于兩者同為直流電、電壓低并能互相匹配等優(yōu)勢。兩者的結合不需要變頻器將太陽能(PV)電池產(chǎn)生的直流電轉化為交流電，因此大大提高了整個照明系統(tǒng)的率。同時借助于并網(wǎng)技術或可充放蓄電池，所具有的優(yōu)勢非常明顯。在一些電網(wǎng)覆蓋困難的偏遠地區(qū)，用高功率LED的獨立式太陽能照明系統(tǒng)是一個有的解決方案。為了能充分說明兩者的匹配性，建立以下模型來進行分析，分別選擇鹵素燈、緊湊型熒光燈CFL)、線形熒光燈(IFI)和LED四種光源應用于PV電照明系統(tǒng)中進行比較，對不同系統(tǒng)的整體效率進評估，以此來確定影響系統(tǒng)效率的因素及各種不同應用領域中最佳的系統(tǒng)配置方案。通過建立下式對整系統(tǒng)的效率進行計算：

　　Ef=KpyxKxKACxKdxKmgxKixKxKl

　　其中：E-PV供電照明系統(tǒng)的整體效率;KpV-PV模組的效率，設為20%;

　　Kb。廠電池效率，設為85070 (如果系統(tǒng)中不包括電則為100%);

　　KAC-AC負載中心效率，設為90%(如果系統(tǒng)中不包括AC負載中心則為100070);

　　K∞廠蓄能器效率，設為870-/0 (如果系統(tǒng)中不包蓄能器則為1 000-10);

　　K岡-DC電流調(diào)節(jié)器效率(如果光源不是LED為ioo%);

　　Ki。-DC-AC變頻器效率(如果光源為LED則為00%)：

　　K址-光效，Im/W;

　　Ki- -燈具效率，燈具發(fā)出的總光通量與燈具內(nèi)所有光源發(fā)出的總光通量之比.

　　將PV供電照明系統(tǒng)中各個部分的效率列入表2。

　　根據(jù)上述的公式及設定的數(shù)值，可以計算出在指向性照明應用中不同光源PV供電照明系統(tǒng)的效率值，其結果如表3所示。

　　從表3中可以看出，使用白光LED的系統(tǒng)效率要比鹵素燈高出一倍，而與CFL基本持平，但是與LFL相比還存在一定的差距，但隨著技術研究的深入，LED的發(fā)光效率正在不斷迅速提高。2006年LED光效已超過721m/W，這意味著與道路照明中廣泛使用的汞燈相比可節(jié)能約75070。相信在不久的將來超高亮度的LED有望替代LFL和HID光源，成為太陽能路燈的重要光源。

　　(2)MPPT控制方法

　　光伏電池的電流和電壓有一條非線性的曲線關系，根據(jù)這個關系可以找到唯一一個輸出的最大功率。當外部溫度變化，太陽的照射強度，以及陰影的阻擋時，光伏電池如果能一直工作在對應當前條件的最大輸出功率，那光伏電池的轉換效率無疑是最高的，其：工作I-V曲線如圖3所示。控制器采用這樣的控制手段可以大大節(jié)省成本，并提高光伏道路照明系統(tǒng)的可靠性。

　　MPPT所用的方式主要有定電壓跟蹤法、擾動觀察法和增量電導法等。后兩種方法是目前應用最多、最典型的方法。

　　(3)超級電容提高光伏在柔光下的利用率

　　由于不需要電網(wǎng)供電，系統(tǒng)符合分布式能源的特點，在路燈系統(tǒng)中有著很廣泛的應用。離網(wǎng)型太陽能路燈系統(tǒng)主要由光伏電池極板、儲能裝置、光源燈具控制器等幾個部分組成。由于離網(wǎng)型太陽能路燈系的很多應用場景具有覆蓋面積廣、安置地點偏遠等特點，系統(tǒng)維護困難，所以太陽能路燈的系統(tǒng)可靠性和系統(tǒng)壽命是太陽能路燈能否廣泛應用的關鍵因素。太陽能路燈系統(tǒng)普遍采用蓄電池作為蓄能裝置。鉛酸蓄電池有成本低，儲能多等優(yōu)勢，應用最為廣泛。鉛酸蓄電池有成本低，儲能多等優(yōu)勢，應用最為廣泛。鉛酸蓄電池壽命與充放電狀態(tài)相關，如果出現(xiàn)充電電壓不或不合理使用鉛酸蓄電池等情況時會大大縮減其使用壽命。不合理的使用方式會導致蓄電池提前損壞概率達到85%.此外，太陽能輸出是根據(jù)天氣況而變化的，這也使蓄電池的合理充放電與光伏最大功率跟蹤控制之間出現(xiàn)矛盾。若單純追求光伏電池大功率跟蹤控制而不考慮蓄電池充電方式的合理性，會導致系統(tǒng)提前損壞，造成經(jīng)濟損失;而若只嚴格按照蓄電池的充電曲線設計，就很難實現(xiàn)光伏電池的最大功率跟蹤控制，無法達到系統(tǒng)的最大發(fā)電效率。超級電容作為中間儲能裝置，用于緩沖光伏電池電壓的隨機變化，可以有效解決上述矛盾。超級電容的電容量大，并且與蓄電池相比可以有更多的充放次數(shù)，若作為中間儲能裝置則可以提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。

　　使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)屬于復合能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的電能傳輸需要在線控制以保證統(tǒng)的正常運行?？刂破髯鳛楹诵牟考芾碇鱾€部件之間的能量傳輸。為保證蓄電池充放電可靠、高效，同時滿足照明需求，控制器需要對系統(tǒng)中的電能進行管理。在弱太陽光照的情況下，由于光伏電池產(chǎn)生的量不穩(wěn)定，不能有效的對蓄電池充電。若選擇合適的控制方式，使光伏電池產(chǎn)生的能量先蓄積在超級電容里，到適當?shù)臅r候再將存儲的能量通過脈沖或恒流的方式向蓄電池充電，可以有效地提高系統(tǒng)的太陽能利用率，所以研究合適有效的控制策略是該控制技術的關鍵。

　　使用超級電容的太陽能LED路燈系統(tǒng)由光伏電池陣列、光伏控制器、超級電容、充電控制器、蓄電池、電流變換器、LED負載等部分組成，連接結構如圖4所示。超級電容跨接在直流母線和地線之間，用于保持直流母線的電壓，并緩沖光伏電池提供的過大能量，在適當?shù)臅r候放電以滿足蓄電池的充電需要和負的供電需要。

　　(4)高效聚光電池及附加材料

　　使用高效聚光電池的目的是提高光伏電池的轉換效率，從而減小光伏電池體積和成本，同時使得新型光伏電池(如薄膜電池)可以應用于更多的場合。使附加裝置如菲涅爾透鏡對太陽聚光，可以進一步增加光伏電池轉換效率，并且使用的光伏電池更小。

　　(5)磷酸鐵鋰蓄電池

　　鉛酸蓄電池在光伏道路照明系統(tǒng)中起蓄能的作用，但它有比較嚴重的問題：鉛酸蓄電池的壽命很短直接影響了系統(tǒng)壽命，維護起來費時費力，而且使用過后有鉛污染隱患，且體積巨大，有爆炸隱患等。磷酸鐵鋰蓄電池相對鉛酸蓄電池有以下優(yōu)點：首先，它沒有過熱或爆炸等安全性問題，可為太陽能發(fā)電系統(tǒng)克服耐高溫環(huán)境問題;其次，該電池壽命長，循環(huán)使用次數(shù)高，據(jù)報道，在室溫下1℃充放電循環(huán)1500次，容量保持率95%上，是鉛酸電池的8倍，鎳氫電池的3倍，鈷酸鋰電池4倍，是錳酸鋰電池4-5倍，極具經(jīng)濟價值。用于光伏道路照明，可以大大節(jié)省成本，提高系統(tǒng)壽命，且清潔環(huán)保，不會造成二次污染。

　　4 結束語

　　光伏道路照明技術在中國正在飛速發(fā)展，目前獨立式光伏系統(tǒng)功率較小，尚不能滿足主干道的照明需求;光伏市電互補道路照明系統(tǒng)相比獨立式光伏系統(tǒng)具有更高的壽命，更可靠的穩(wěn)定性，將成為解決目前光伏路燈問題的良好方案。

　　風光互補系統(tǒng)具有良好的互補性，相比單獨的光伏系統(tǒng)，該混合型系統(tǒng)能夠達到更有質量的供電效果;隨著更高聚光效率的新型電池的使用，更優(yōu)化的控制策略、更輕巧環(huán)保的蓄能裝置的采用，光伏道路照明技術將會以更低的成本實現(xiàn)更廣泛的應用。

　　隨著太陽能電池的成本進一步下降，LED路燈的規(guī)模應用，以及政府出臺政策的有力扶持，未來光伏道路照明技術也會更加成熟而深入。

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　　相關鏈接：

　　孫耀杰

　　復旦電光源所副所長、副系主任，上海照明學會學術委員會委員，中國電源學會理事。主要從事光源電氣與照明控制技術，分布式太陽能與智能電網(wǎng)控制技術研究。

　　主要研究經(jīng)歷：

　　2006年承擔國家863項目LED重大項目2項;

　　2008年入選中國商飛聯(lián)合工程隊，大型飛機電氣系統(tǒng)論證專家，負責國家大飛機重大專項中照明人機工效與仿真測控系統(tǒng)預研項目4項;

　　2008年負責江蘇重大產(chǎn)業(yè)化項目3KW-500KW光伏并網(wǎng)逆變與控制系統(tǒng)的研究，已經(jīng)通過經(jīng)國象只息產(chǎn)業(yè)部質量監(jiān)督檢驗中心委托檢驗;

　　2009年國家科技部特派員高性能光伏并網(wǎng)逆變設備研究項目;

　　2009年負責國家973子項目飛機駕駛艙人機工效的研究;

　　2009年承擔上海市科委大功率LED道路照明燈具的產(chǎn)業(yè)化關鍵技術的研究。

　　2009年承擔上海市經(jīng)委大型飛機機內(nèi)、機外照明關鍵設備的研究與產(chǎn)業(yè)化項目。

　　著作：參編照明控制技術，電子工業(yè)出版社;主編現(xiàn)代電氣傳動技術，電子工業(yè)出版社，規(guī)劃教材;發(fā)表國內(nèi)、外學術論文21篇，EI檢索6篇;獲發(fā)明專利6項，實用新型專利6項。

　　教育背景：

　　2003年畢業(yè)于西安交通大學 機電控制專業(yè)，獲博士學位。

　　2002年和2004年，赴日本東京工業(yè)大學、東京工藝大學訪問學者，參加日本NEDO項目的合作研究。