光伏发电技术在道路照明中的应用

　　复旦大学电光源研究所 孙耀杰 程文婷 马磊 林燕丹

　　1 前言

　　光伏供电以其安全无污染、可再生、应用方便而日渐受到青睐。随着太阳能电池的成本下降，光伏供电的应用B益广泛，并在道路照明中迅速发展。上海、)：苏、河南、新疆等地都陆续投入使用了光伏路灯，但限于光效、成本和管理控制等方面的原因，光伏道路照明还未能形成规模。

　　世界太阳能光伏产业和市场在20世纪90年代后进入飞速发展时期，最近10年太阳电池产量的年均速为41.3%.特别是2004年德国实行新的上网电价以后，刺激光伏发电市场急速扩张。2006、2007年太阳电池組件的年增长率达到42.9%和56.2%.而中国光伏产业的快速增长尤其显著，2005年～2007年间的年增速超过150%;2007年中国的太阳电池产量达到1088MW，超过欧洲位居世界第一。

　　目前，我国光伏应用产品主要包括太阳能路灯、太阳能交通信号灯、太阳能庭院灯、草坪灯、信号灯、太阳能计算器和太阳能玩具等。中国已经成为世界上大的光伏消费品生产国，太阳电池的年用量接近OMWp，产品主要用于出口，国内的应用也逐渐推广，要集中于北京、保定、深圳、山东、上海等示范性项目。据不完全统计，太阳能应用产品2007年的安装量超过SMW.但是目前我国太阳能光伏应用产品的市和国外相比还相对较小。主要的应用领域包括农村电气化、通信和工业应用，以及商品化电源。根据《可生能源中长期发展规划》，光伏发电将在2020年之得到长足的发展，重点推广城市并网发电和开阔地型并网发电，以及农村电气化。2007年的实际市场分配情况以及2010、2020年的规划情况如表1所示。

　　表1中农村电气化和工业应用中有大部分是光供电的照明应用，可以预见，随着太阳能电池及变设备成本的下降，LED光源在道路照明中应用的推广，以及节能型道路照明控制系统的完善，光伏照明为可再生能源照明，将逐步在部分应用领域替代常能源进行道路照明，并发展成为道路照明的一个重要方向。

　　2 光伏照明在道路照明上的应用

　　目前，路灯控制器的市场主要被国外厂家占领，全球生产太阳能控制器的著名公司主要集中在德国、日本、澳大利亚、北美等地区。比较知名的公司有PHOCOS、STECA、MORNINGSTAR等。国内目前主要有北京远方动力有限公司、汇能精电公司等，但是所占市场比例较小。但是随着国家大力推进太阳能路灯项目的建设，积极推动开发设计具有自主知识产权的高性能路灯控制器，这一局面将会逐步改善。

　　2.1 光伏照明控制技术

　　光伏照明控制系统由太阳能电池组件、蓄电池、充放电控制器、照明电路、灯杆等组成(如图1所示)。在负载的选择上可以选择传统的道路照明灯具，也可以选择光伏照明上的专用灯具，如LED路灯、直流荧光路灯等。

　　工作原理为：白天晴朗的时候，阳光照射到太阳电池组件上，因光生伏打效应产生电能，控制器通过传感设备检测充电电流和蓄电池电压，控制电池组件给蓄电池充电;晚上，蓄电池对负载放电，为道路照明系统供电，照亮夜间道路。另外，光伏路灯的控制器除了要具备一般光伏系统的防反充、防过充和过放、防短路和反接等功能以外，还要具备自动开关照明灯的功能。通常使用定时和光控两种方法对光伏路灯的工作进行控制。定时控制可以根据实际的需要，事先设定路灯每天晚上的工作时间。而光控方式可以采用单独安装光敏器件，也可以利用太阳电池本身作为光敏器件，即在周同环境暗到一定稈序时自动开灯，一直到天亮时再自动关灯。

　　光伏道路照明的优越性之一就是可以在布线不太方便的地方铺设光伏路灯，如浙江、贵州等多山且太阳能资源较充足的地方，可以节省大量的导线材料费用，并且每个路灯之间相互独立，不会因线路问题导致一片地区的道路照明受到影响。另一优点在于太阳能是直流供电，如果路灯采用LED路灯，则无需进行整流变换，而只需使用直流斩波技术，便可以提高转换效率，减小控制器体积。

　　(1) 太阳电池供电能的能力略显不足

　　目前，商品化的太阳电池转换效率已经达到17%18c70，根据我国近年在北京、上海等地所做的太阳发电示范工程所公布的发电量统计，每lkW太阳电池每平均发电量在1.7-4.5kWH，其中绝大部分约为3kWH.根据2007年7月1日起施行的《城市道路照明设计标准》道路照明的亮度、照度的要求，机动车交通道路照度平均照度分别为10～301x，最低平均照度为81x，经过计算在上海地区光伏道路照明所需太阳能组件的功率为34.8kWH.根据120Wkri2的表面功率密度，至少需要8m2以上的光伏电池，在灯杆上显然无法安装如此大面积的光伏电池，因此光伏道路照明目前只适合支路和供行人和非机动车通行的居住区道路和人行道的路灯，无法应用于主干道和次于道上。

　　(2)光伏输出功率受到气候等外界因素的影响产生未知性

　　太阳能有个巨大的缺陷就是分布较散，同时容受到气候的影响。因此，有可能出现几年难得不遇的连续的阴雨天会导致蓄电池电力不足，进而导致夜晚路妇无法开启或突然关断，造成重大交通事故。如果过分增加蓄电池容量，又会造成浪费及体积的增加，降低光伏道路照明系统的高效性，因此在光伏供电的路灯设计和安装时要充分考虑到太阳能的特点，同时严格按照不同地域特点设置光伏照明系统各部分的配置。

　　(3) 在光伏照明系统中，光伏路灯控制器技术含量高，涉及MPPT最大功率跟踪，光源的管理、电池充电和时间计划控制等，对系统性能有很大影响

　　复旦大学光源与照明工程系在大量的试验验证和工程应用经验积累的基础上，开发出SA、10A、20A等多种规格的路灯控制器和市电互补性路灯控制器。

　　其工作原理如下：主回路由BUCK电路、PWM驱动、MCU控制系统、输出保护及驱动、温度和光照传感器等组成。通过降压BUCK电路实现MPPI控制，同时完成管理蓄电池，三段式充电技术;SOC计算方法保证蓄电池管理和使用最优;通过负载管理，保证输出稳定可靠。系统组成框图如图2所示。

　　路灯控制器通过检测太阳能极板的电压、蓄电池的电压和电流以及负载的电压、电流参数等参数，准确测算蓄电池的充放电状态。确保路灯控制器工作在最优的工作状态。特别适合于城市或者边远地区的场合使用。

　　2.2 PV供电与市电互补

　　光伏电力与市电互补的道路照明方法是解决普通光伏道路照明系统在城市有市电地区应用所存在问题的好方法。与市电互补后，蓄电池就没有必要过分增加容量，甚至只需要考虑一年中日照时间最长而夜晚需要照明时间最短的时间段内的电能需求就可以了，其它时间可以由市电进行补充。光伏与市电互道路照明将会大幅度降低路灯双路供电的成本。

　　2.3 风光互补系统

　　由于太阳能具有分布散，受到季节、时刻的影响严重等特性，需要与其他能源进行混合使用。混合型供电系统在一定程度上能克服太阳能的相关问题，例如风光互补型系统。光伏发电和风力发电之间有很好的互补性。白天太阳光最强时，风很小;晚上太阳落山，地表温差加大，风力加强。在复季，太阳能强度大而风小;冬季，太阳能强度弱而风大。太阳能和风能在寸间上的互补，使风光互补发电系统在资源上可得到佳匹配。目前该系统的难点聚集在风机的设计及平性问题上。目前，我国在技术上成熟的有垂直轴风发电、全永磁悬浮风力发电机组等。

　　3 新型光伏道路照明技术的发展与应用

　　光伏产业在道路照明上应用的逐渐增加，以及新型控制方法、光伏电池组件、蓄电池技术水平的不断进步，出现了许多应用新技术，开发出了效果更好的新型光伏道路照明系统。

　　(l)LED光源在道路照明中应用日趋广泛，LED直流、低压便于发挥PV的优势

　　超亮LED已被预言成为继白炽灯和荧光灯以后的新一代光源。它与太阳能光伏供电更被认为是一种美的结合，能够同时利用太阳能清洁、环保、可再生的优点以及LED光效高、寿命长、透雾性强的优点。太阳能光伏发电技术能与LED照明完美结合关键在于两者同为直流电、电压低并能互相匹配等优势。两者的结合不需要变频器将太阳能(PV)电池产生的直流电转化为交流电，因此大大提高了整个照明系统的率。同时借助于并网技术或可充放蓄电池，所具有的优势非常明显。在一些电网覆盖困难的偏远地区，用高功率LED的独立式太阳能照明系统是一个有的解决方案。为了能充分说明两者的匹配性，建立以下模型来进行分析，分别选择卤素灯、紧凑型荧光灯CFL)、线形荧光灯(IFI)和LED四种光源应用于PV电照明系统中进行比较，对不同系统的整体效率进评估，以此来确定影响系统效率的因素及各种不同应用领域中最佳的系统配置方案。通过建立下式对整系统的效率进行计算：

　　Ef=KpyxKxKACxKdxKmgxKixKxKl

　　其中：E-PV供电照明系统的整体效率;KpV-PV模组的效率，设为20%;

　　Kb。厂电池效率，设为85070 (如果系统中不包括电则为100%);

　　KAC-AC负载中心效率，设为90%(如果系统中不包括AC负载中心则为100070);

　　K∞厂蓄能器效率，设为870-/0 (如果系统中不包蓄能器则为1 000-10);

　　K冈-DC电流调节器效率(如果光源不是LED为ioo%);

　　Ki。-DC-AC变频器效率(如果光源为LED则为00%)：

　　K址-光效，Im/W;

　　Ki- -灯具效率，灯具发出的总光通量与灯具内所有光源发出的总光通量之比.

　　将PV供电照明系统中各个部分的效率列入表2。

　　根据上述的公式及设定的数值，可以计算出在指向性照明应用中不同光源PV供电照明系统的效率值，其结果如表3所示。

　　从表3中可以看出，使用白光LED的系统效率要比卤素灯高出一倍，而与CFL基本持平，但是与LFL相比还存在一定的差距，但随着技术研究的深入，LED的发光效率正在不断迅速提高。2006年LED光效已超过721m/W，这意味着与道路照明中广泛使用的汞灯相比可节能约75070。相信在不久的将来超高亮度的LED有望替代LFL和HID光源，成为太阳能路灯的重要光源。

　　(2)MPPT控制方法

　　光伏电池的电流和电压有一条非线性的曲线关系，根据这个关系可以找到唯一一个输出的最大功率。当外部温度变化，太阳的照射强度，以及阴影的阻挡时，光伏电池如果能一直工作在对应当前条件的最大输出功率，那光伏电池的转换效率无疑是最高的，其：工作I-V曲线如图3所示。控制器采用这样的控制手段可以大大节省成本，并提高光伏道路照明系统的可靠性。

　　MPPT所用的方式主要有定电压跟踪法、扰动观察法和增量电导法等。后两种方法是目前应用最多、最典型的方法。

　　(3)超级电容提高光伏在柔光下的利用率

　　由于不需要电网供电，系统符合分布式能源的特点，在路灯系统中有着很广泛的应用。离网型太阳能路灯系统主要由光伏电池极板、储能装置、光源灯具控制器等几个部分组成。由于离网型太阳能路灯系的很多应用场景具有覆盖面积广、安置地点偏远等特点，系统维护困难，所以太阳能路灯的系统可靠性和系统寿命是太阳能路灯能否广泛应用的关键因素。太阳能路灯系统普遍采用蓄电池作为蓄能装置。铅酸蓄电池有成本低，储能多等优势，应用最为广泛。铅酸蓄电池有成本低，储能多等优势，应用最为广泛。铅酸蓄电池寿命与充放电状态相关，如果出现充电电压不或不合理使用铅酸蓄电池等情况时会大大缩减其使用寿命。不合理的使用方式会导致蓄电池提前损坏概率达到85%.此外，太阳能输出是根据天气况而变化的，这也使蓄电池的合理充放电与光伏最大功率跟踪控制之间出现矛盾。若单纯追求光伏电池大功率跟踪控制而不考虑蓄电池充电方式的合理性，会导致系统提前损坏，造成经济损失;而若只严格按照蓄电池的充电曲线设计，就很难实现光伏电池的最大功率跟踪控制，无法达到系统的最大发电效率。超级电容作为中间储能装置，用于缓冲光伏电池电压的随机变化，可以有效解决上述矛盾。超级电容的电容量大，并且与蓄电池相比可以有更多的充放次数，若作为中间储能装置则可以提高系统的发电效率。

　　使用超级电容的太阳能LED路灯系统属于复合能源系统，该系统中的电能传输需要在线控制以保证统的正常运行。控制器作为核心部件管理着各个部件之间的能量传输。为保证蓄电池充放电可靠、高效，同时满足照明需求，控制器需要对系统中的电能进行管理。在弱太阳光照的情况下，由于光伏电池产生的量不稳定，不能有效的对蓄电池充电。若选择合适的控制方式，使光伏电池产生的能量先蓄积在超级电容里，到适当的时候再将存储的能量通过脉冲或恒流的方式向蓄电池充电，可以有效地提高系统的太阳能利用率，所以研究合适有效的控制策略是该控制技术的关键。

　　使用超级电容的太阳能LED路灯系统由光伏电池阵列、光伏控制器、超级电容、充电控制器、蓄电池、电流变换器、LED负载等部分组成，连接结构如图4所示。超级电容跨接在直流母线和地线之间，用于保持直流母线的电压，并缓冲光伏电池提供的过大能量，在适当的时候放电以满足蓄电池的充电需要和负的供电需要。

　　(4)高效聚光电池及附加材料

　　使用高效聚光电池的目的是提高光伏电池的转换效率，从而减小光伏电池体积和成本，同时使得新型光伏电池(如薄膜电池)可以应用于更多的场合。使附加装置如菲涅尔透镜对太阳聚光，可以进一步增加光伏电池转换效率，并且使用的光伏电池更小。

　　(5)磷酸铁锂蓄电池

　　铅酸蓄电池在光伏道路照明系统中起蓄能的作用，但它有比较严重的问题：铅酸蓄电池的寿命很短直接影响了系统寿命，维护起来费时费力，而且使用过后有铅污染隐患，且体积巨大，有爆炸隐患等。磷酸铁锂蓄电池相对铅酸蓄电池有以下优点：首先，它没有过热或爆炸等安全性问题，可为太阳能发电系统克服耐高温环境问题;其次，该电池寿命长，循环使用次数高，据报道，在室温下1℃充放电循环1500次，容量保持率95%上，是铅酸电池的8倍，镍氢电池的3倍，钴酸锂电池4倍，是锰酸锂电池4-5倍，极具经济价值。用于光伏道路照明，可以大大节省成本，提高系统寿命，且清洁环保，不会造成二次污染。

　　4 结束语

　　光伏道路照明技术在中国正在飞速发展，目前独立式光伏系统功率较小，尚不能满足主干道的照明需求;光伏市电互补道路照明系统相比独立式光伏系统具有更高的寿命，更可靠的稳定性，将成为解决目前光伏路灯问题的良好方案。

　　风光互补系统具有良好的互补性，相比单独的光伏系统，该混合型系统能够达到更有质量的供电效果;随着更高聚光效率的新型电池的使用，更优化的控制策略、更轻巧环保的蓄能装置的采用，光伏道路照明技术将会以更低的成本实现更广泛的应用。

　　随着太阳能电池的成本进一步下降，LED路灯的规模应用，以及政府出台政策的有力扶持，未来光伏道路照明技术也会更加成熟而深入。

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　　相关链接：

　　孙耀杰

　　复旦电光源所副所长、副系主任，上海照明学会学术委员会委员，中国电源学会理事。主要从事光源电气与照明控制技术，分布式太阳能与智能电网控制技术研究。

　　主要研究经历：

　　2006年承担国家863项目LED重大项目2项;

　　2008年入选中国商飞联合工程队，大型飞机电气系统论证专家，负责国家大飞机重大专项中照明人机工效与仿真测控系统预研项目4项;

　　2008年负责江苏重大产业化项目3KW-500KW光伏并网逆变与控制系统的研究，已经通过经国象只息产业部质量监督检验中心委托检验;

　　2009年国家科技部特派员高性能光伏并网逆变设备研究项目;

　　2009年负责国家973子项目飞机驾驶舱人机工效的研究;

　　2009年承担上海市科委大功率LED道路照明灯具的产业化关键技术的研究。

　　2009年承担上海市经委大型飞机机内、机外照明关键设备的研究与产业化项目。

　　著作：参编照明控制技术，电子工业出版社;主编现代电气传动技术，电子工业出版社，规划教材;发表国内、外学术论文21篇，EI检索6篇;获发明专利6项，实用新型专利6项。

　　教育背景：

　　2003年毕业于西安交通大学 机电控制专业，获博士学位。

　　2002年和2004年，赴日本东京工业大学、东京工艺大学访问学者，参加日本NEDO项目的合作研究。