张远华，黄 勇，杜成章

(江苏中恒嘉华新能源科技发展股份有限公司，南京 210042)

0 前 言

随着经济的发展，社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是21 世纪最重要的能源。目前太阳能应用技术已取得较大突破，并且已较成熟地应用于建筑楼道照明、城市亮化照明、太阳能热水供应及采暖等系统。尤其是太阳能光伏技术的发展，给太阳能在照明中的应用带来了更加广阔的前景。

全球照明用电占全部用电的20%左右，而其中的很大部分又是用在户外照明，中国也不例外，据统计中国已经安装的路灯大约有2 亿盏之多。路灯的平均功率大约是200 瓦，假定每天开启时间为10 小时，那么每天就是2 度电，365 天就是730 度电，2 亿盏就是1460 亿度电。而中国最大的水电站长江三峡水电站的26 台机组完全投产以后每年的发电量才847 亿度电。所以所有路灯所用电量大约为2 个三峡电站的发电量。这决不是一个小数字。所以发展太阳能光伏发电路灯照明刻不容缓［1］。

尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量(约为3.75 ×1026 W)的22 亿分之一，但已高达173000 TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500 万吨煤。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。随着新技术、新材料的发展，人类对太阳能的利用水平越来越高，新兴的太阳能产业发展前景无限［2］。

未来5 年，我国对能源需求快速增长和节能减排指标的迅速提高不仅是经济社会发展的压力，还是新能源产业发展的巨大动力。作为新能源领域的重要产业，太阳能产业必将在未来低碳革命中扮演主要角色。作为同时横跨“新能源”和“节能环保”两大产业的太阳能产业必将迎来新的发展机遇。

太阳能光伏照明系统凭借其节能、环保、无需布线、自动控制和随时变换位置等优点，在照明行业中起重要的地位。近年来，在我国可再生能源有关政策的推动下，太阳能光伏照明技术和产品得到了广泛应用。本文就太阳能光伏发电路灯照明的发展前景及设计方法作些介绍。

1 太阳能光伏的发展前景

作为太阳能产业中重要组成部分的光伏照明行业未来发展前景广阔。太阳能电池技术与LED 照明技术结合的综合应用，推动了太阳能光伏发电产业和LED 照明产业的交叉领域发展，主要是利用太阳能光伏发电产生电能，并将电能应用于LED 照明，从而产生了各种不同的照明应用，实现真正意义上的“绿色照明”。

目前，光伏照明技术已经开始用于国内外的户外照明应用领域，其中，道路照明、户外小功率景观照明是光伏照明行业最重要的细分市场，占整个光伏照明市场的90%左右。由于太阳能电池技术、LED 照明技术的发展，目前太阳能光伏照明产品已经由小功率应用产品拓展到大功率应用产品。

2010 年被视为LED 照明元年，根据台湾工业技术研究院产业经济与趋势研究中心(IEK)的预计，2009 年全球LED 照明市场规模约为28.5 亿美元，2010 年全球LED 照明市场规模约为40 亿美元，其主要应用还是建筑照明领域。随着各国政策推动、全球经济尤其是新兴市场的成长、LED 产能扩充及产品单价下降，加上应用范围扩展，2013 年LED 照明市场总规模将达137 亿美元。2008 年到2013 年LED 照明市场容量年复合增长率预计达49%，至2015 年全球LED 照明市场规模估计将增长至288亿美元。

2010 年太阳能光伏照明灯具估计占整个LED照明市场的25%左右，随着市场的发展和政策的推动，到2013 年，太阳能光伏照明灯具预计将占整个LED 照明灯具市场规模的30%以上，市场规模超过40 亿美元，具体见表1。

表1 太阳能光伏照明市场规模［2］

自从国家科技部提出了大力发展LED 路灯的“十城万盏”计划以后。现在LED 路灯正在以如火如荼的速度高速发展。可惜的是，“十城万盏”中的90%以上都还是采用交流电的LED 路灯，或者说是改造现有高压钠灯为LED 路灯。据保守估计，十城万盏计划的总数将会超过200 万盏，但也只不过是每年新增路灯总数的十分之一而已。就像前面所说那样，假如每年新增的2000 万盏都采用太阳能，那么其总功率将达到400 万千瓦，其实还远不止此数，因为通常太阳能LED 路灯所采用的太阳能板功率是实际路灯功率的3 ～4 倍。假定为3 倍，那么总的太阳能板的装机容量将会达到1200 万千瓦。由此可见太阳能LED 路灯的市场，决不是一个可有可无的市场，而是一个举足轻重的大市场［1］。

2 太阳能路灯设计存在问题和改进方法探讨

一套完整的LED 太阳能路灯系统包括:LED 光源、控制器、蓄电池、太阳能电池组件及灯体。白天，太阳能电池组件将光能转化为电能通过控制器储存到蓄电池内，晚上蓄电池通过控制器给光源供电，使其转化为光能，照明道路。灯体主要起系统防护及白天的装饰作用，保障这一循环正常运行。其中LED 光源、控制器和蓄电池是决定路灯系统性能的关键，在设计中必须对其进行优化设计，合理配置。

2.1 光伏照明目前存在主要问题

2.1.1 太阳能光伏系统效率

太阳能光伏系统的总效率由电池组件的PV 转换率、控制器效率、蓄电池效率及负载的效率等组成。目前，太阳能电池的转换率只有17%左右，而控制器、蓄电池的效率均远高于此，因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点［3］。

2.1.2 太阳能储能蓄电池

太阳能电池的使用寿命一般在20 年左右，普通蓄电池的使用寿命在2 ～3 年，所以蓄电池是太阳能电力系统中最薄弱的环节。虽然储能电容可以在一定程度上解决这个问题。储能电容的使用寿命可以达到10 年以上，而且控制电路简单，但是昂贵的价格限制了它的应用，目前仅仅应用在部分交通信号灯和装饰灯上。随着技术和经济的发展，它将是一种最有希望成为和太阳能电池配套的理想储能元件。

因此，目前在太阳能路灯系统设计时，要特别关注蓄电池的合理使用。

2.1.3 太阳能产品的质量和系统设计问题多

近年来，太阳能光伏技术发展很快，产品生产厂家如雨后春笋。但是，有些产品没有形成系列，质量参差不齐，甚至在光源的选择及电路设计中存在许多缺陷，降低了产品的经济性和可靠性。同时，国家缺少相应的产品质量标准和检测系统，使太阳能光伏照明技术产业化受到影响。

现在做太阳能灯具的厂家过多的追求造型设计，而把最重要的系统匹配设计忽略了，不经过深入考虑，简单计算了事，最后导致灯具出现大量问题;还有些厂家为了营造自己产品的价格优势，不惜牺牲系统稳定性和可用性，这些做法都是不可取的。

优化设计是关系到系统可靠性和稳定性的重要因素，要引起重视，主要应重点考虑以下三个方面［4］。

(1)太阳电池和光源选择配比合理。

(2)太阳电池充电电流和蓄电池容量配比合理。

(3)负载放电电流与蓄电池容量配比合理。

2.2 太阳能路灯系统优化设计探讨

道路照明的目的是为夜间行车者提供一个视觉安全可靠的条件，高亮度的LED 路灯，它的亮度必须在符合现有道路条件下，交通安全所必须达到的亮度要求。其发光效率和发光强度能够达到现有道路照明所需要的亮度要求。道路照明自2007 年7月1 日起实施建设部的行业标准CJJ45—2006《城市道路照明设计标准》，对道路照明照度要求见表2。为了使设计更趋于完美，主要应该对以下几点进行精心的考虑［5］。

表2 机动车交通道路照明标准值

2.2.1 光源选择和应注意的问题

近年来，业界越来越关注利用可再生的清洁能源太阳能进行路灯照明。典型太阳能路灯照明系统由太阳能电池板、充电控制器、蓄电池、光源及灯杆等组成，如图1 所示。而在照明光源方面，经历了从白炽灯到荧光灯和高强度气体放电灯(HID)等三个重要阶段，如此前荧光灯和HID 均已被用于太阳能路灯。

图1 典型的太阳能LED 路灯照明系统示意图

相比较而言，发光二极管(LED)被视作照明光源的第四个重要阶段。LED 具有高能效、超长工作寿命、低直流电压工作、发出指向光、能够提供多种色彩及白光、小巧、具有固态器件的强固性、不含汞等众多优势，因此，业界越来越多地将LED 用于太阳能道路照明。且LED 的能效及光输出性能已大幅提升，公开宣称的最强白光LED 研发能力已经达到132 ～136 流明/瓦(lm/W)，这种能效水平已经高于传统的荧光灯和HID 金属灯。特别是到2008年，白光LED 已实现大批量商业化生产，为LED 更大规模地进军太阳能路灯应用打开了大门。

值得注意的问题是:在大功率LED 应用中，散热是一个主要考虑的方面，目前LED 的能耗中约80%以上转化为热量，而半导体器件是不耐高温的，散热做不好，会引起很严重的光衰，一些严重的半年内可能降到原来的一半，在路灯上大功率LED 多是多颗串并联应用，LED 发热量很大。散热解决不好，会严重影响LED 的使用寿命。

为了解决LED 散热问题，经过了大量的测试和对比筛选，选用烟囱式散热方法和技术，很好的解决了LED 光源散热问题，使LED 光衰得到了控制。

2.2.2 蓄电池的选择和控制

目前大多数太阳能LED 路灯系统都是采用铅酸蓄电池，而一般的铅酸蓄电池的确存在寿命短、对环境污染等问题。而寿命短的问题已经可以采用胶体铅蓄电池或卷绕式铅酸蓄电池进行改善。它们不仅使用安全，还有自放电小、深放电性能优良、循环使用寿命长、浮充电压低、浮充电流小和可靠性高等优点。然而仍然存在铅污染问题。最近磷酸锂铁电池有了很快的发展，而且不存在环境污染问题，只是目前价格还比较贵，随着大量采用，价格也会下降;但它们的寿命仍然未达到系统所需的匹配寿命。超级电容作为太阳能路灯的储能电池也在迅速发展。价格虽然也很贵，但它没有铅污染，寿命也可达十年以上。所以都要密切关注它们的进展。

国内外大量研究的结果表明，充放电方式决定了蓄电池使用的寿命，有一些蓄电池与其说是使用坏的，不如说是充电方式不妥损坏的。

太阳能灯具从经济性和可靠性角度综合考虑，一般以全年平均日照时数设计计算灯具配置，而实际工作时，往往都是由控制器时控功能设定一个工作时数，如6 小时、8 小时、10 小时等，这样就造成了一年里每天工作时间都一样，即每天耗电量一样，但太阳能灯具是靠太阳工作的，而太阳辐射量随不同的季节是有很大差异的，即每个灯具(太阳电池组件一定)各个季节的平均日发电量是大不相同的。

以德州地区为例:全年平均峰值日照时数约为4.44 小时，春季:4.43 小时、夏季:6.17 小时、秋季:4.47 小时、冬季:2.65 小时。因平均每天发电量是和平均峰值日照实数成正比的，所以可得春季和秋季发电量和耗电量基本达到一个平衡，夏季电量富裕;冬季电量缺少。

这样夏季造成了一定的浪费，而冬季却严重不足，很容易造成蓄电池过放电，影响蓄电池寿命。为了解决蓄电池过放电影响寿命问题，必须进行合理用电的优化设计。出于自放电、系统匹配、成本等因素是极其不经济和不实用的原因，不能靠加大太阳能电池板来解决。

一般的太阳能路灯的设计是考虑每晚要工作10 小时以上所需的太阳能板功率。但是在绝大多数情况下，并不需要每晚等亮度照亮10 个小时，在半夜和后半夜以后，过往的车辆行人都很少，这种情况下完全可以降低功率运行。过去在采用高压钠灯时，要任意改变钠灯的功率是很难做到的，而现在采用LED 以后，改变功率和亮度是很容易做到的事，所以可以采用一种称之为程序自动智能调亮的控制器来调亮。这种亮度调节完全是根据当地的交通流量的统计值来设定，这样不但可以大量节省蓄电池所储存的电能和防止过放电，又保证了道路所需的照明时间和基本亮度。有效的延长了蓄电池的使用寿命。所以是非常合情合理的一种智能调光方法。这种智能调光控制器已经批量生产。

2.2.3 控制器的优化设计

太阳能电池组件的发电量随天气状况、日照时间而变化，非常不稳定，因此太阳能光伏独立发电系统中对蓄电池的充放电控制要比普通应用中对蓄电池的充放电控制更复杂一些。控制器设计是否完善，直接决定整个太阳能路灯系统能否顺利运行。

对于太阳能路灯而言，提高太阳能电池板的光电转换能效(目前仅为约17%)非常重要。太阳能电池板的电压－电流(V －I)特性曲线呈现非线性和可变性，要从中吸取最大量的电能非常困难。这需要太阳能LED 路灯的充电控制器及其他相关电子电路(一般采用微控制器来实现)尽可能采用有效的控制方法以提高能效，从而发挥最大优势。

基本型的充电控制器设计用于保护电池免受过充或欠充影响，并防止反向电流。脉宽调制(PWM)型控制器会控制对电池充电的电量，并可实现细流充电(trickle charge)，从而保护电池并延长使用寿命。而支持最大峰值功率追踪(MPPT)功能的控制器能对太阳能电池不断变化的V/I 特性曲线提供补偿，优化太阳能电池的功率输出，提高能效，并使蓄电池充电至优化电量。

另外，通过在LED 路灯中加入智能型控制器，使LED 路灯有了光控、时间控制和温度控制，可以根据环境亮度自动启闭路灯，防止白日亮灯造成浪费;可以使路灯在下半夜至黎明时间段道路行车和行人流量减少时自动降低供电电流，将照度控制在安全范围，从而起到增加节能效果和延长灯具使用寿命的功效［6］。

以上从三个方面简述了优化设计的基本方法和思路，由于太阳能光伏发电路灯照明是一个系统工程，其它方面的设计和问题也要注意。例如:由于路灯是悬臂结构，在自然环境下，受到风的剪力，高空悬挂，结构安全是第一位的。所以，尽量简化结构，设计为流线型，以减少风阻，增加雨水的流速，并注意减轻重量，一是节约有色金属，二是减少自重所带来的应力问题，增加道路照明的安全性。另外太阳电池组件只是起到了将太阳能转换成的电能的发电作用，装饰作用极少，特别要注意防风防尘等长期户外条件下使用时的气候影响。

3 结 语

本文只是叙述了在目前的条件下，在太阳能LED 路灯设计建设中遇到问题和解决的办法。

实际上太阳能光伏路灯照明系统优化设计是随太阳能光伏路灯照明系统中太阳能电池、控制器、蓄电池、LED光源等的技术进步而变化的。通过关注光伏路灯照明系统中的任何一项技术的进步和发展，不断地改进集成设计思路和方法。目的只是不断地设计出性能价格比好，便于道路照明应用和推广的光伏路灯照明系统。为实现国家节能减排和可持续发展作一些工作。

［1］茅于海.发展太阳能LED 的疑虑［Z］. 光电新闻网.

［2］由“十二五规划建议”看光伏照明行业未来发展［R］.中国照明学会，2011.

［3］杨伟杰. 太阳能技术在照明中应用［Z］. 国际智能，2008.

［4］杨希，等.匹配设计LED 太阳能路灯系统［J］.现代电子技术，2009 .

［5］城市道路照明设计标准［S］.CJJ45-2006.

［6］最大限度提升太阳能LED 路灯能效及降低成本［Z］.安森美半导体，2009.