太陽能LED照明系統(tǒng)及LED路燈設(shè)計(jì)分析
筆者一直想寫個(gè)有關(guān)LED照明采用與太陽能分布式系統(tǒng)良性互動(dòng)的分析,LED如何有效降低業(yè)主前期系統(tǒng)成本投資,增加收益等,從而推動(dòng)太陽能分布式更好地發(fā)展。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/325327.htm我將分別分析高效LED的采用對(duì)太陽能LED照明小系統(tǒng),太陽能LED路燈和火熱的太陽能分布式屋頂?shù)牧夹源龠M(jìn),文中有些淺表的投資回報(bào)表格分析,我已盡力簡化,您沒耐心看,沒關(guān)系,只要關(guān)注筆者的幾點(diǎn)總結(jié)和思考即可。
一、太陽能LED照明小系統(tǒng)
我們首先從太陽能LED照明小系統(tǒng)來分析一下。圖片是筆者光伏圈一位”老法師”設(shè)計(jì)的水果太陽能LED燈具系列。
此類燈具常見核心部件:
鋰電蓄電池本身工作電壓DC3.7V,與LED燈珠Vf相仿,為了便于理解,我們采用LED燈珠并聯(lián)的方式來簡化計(jì)算,主要目的在于分析高效LED顆粒采用對(duì)系統(tǒng)成本的影響。
我們簡單利用光效與電流的關(guān)系,定義驅(qū)動(dòng)電流。
a)如果采用低光效LED顆粒,單顆電流@300mA,Vf=3V,100LPW,需要5顆LED燈珠并聯(lián);那么LED系統(tǒng)功率按照5瓦計(jì)算,每天設(shè)計(jì)工作4小時(shí),充滿電能連續(xù)工作3個(gè)夜晚,峰值日照小時(shí)數(shù)采用5小時(shí),我們可以簡單計(jì)算得出:
系統(tǒng)電壓3.7V,工作電流:5/3.7=1.35A;
蓄電池容量1.35*4*(3+1)=21.6Ah,考慮到鋰電池放電深度,取DC3.7V,25Ah;
太陽能電池板功率計(jì)算:1.35*4*1.2*6/5=7.8瓦;取8瓦,DC6V,(考慮系統(tǒng)損耗,太陽能電池板容量預(yù)留20%)
b)如果采用高光效LED顆粒,單顆電流@300mA,Vf=3V,140LPW,需要4顆LED燈珠并聯(lián),那么LED功率為4瓦,每天設(shè)計(jì)工作4小時(shí),充滿電能連續(xù)工作3個(gè)夜晚,峰值日照小時(shí)數(shù)采用5小時(shí),我們同上可以簡單計(jì)算得出:
蓄電池容量DC3.7V,20Ah;
太陽能電池板功率6.5瓦,DC6V;
那么產(chǎn)生什么樣的成本影響呢?
這就是為什么當(dāng)時(shí)這位老法師在筆者面前“吹噓”其采用日本某品牌高光效LED顆粒,盡管LED成本增加,但系統(tǒng)綜合成本大為降低。
二、太陽能LED路燈設(shè)計(jì)
同上分析,我們?cè)賮砜闯R?guī)太陽能LED路燈,LED路燈系統(tǒng)光效對(duì)太陽能系統(tǒng)的影響。
太陽能路燈核心部件:
筆者的團(tuán)隊(duì)正在給上海某工廠廠區(qū)設(shè)計(jì)道路照明,LED路燈功率30瓦,系統(tǒng)光效100LPW,系統(tǒng)電壓DC12V,燈桿高6米,間距10米,路雙側(cè)安裝,路燈每晚滿功率工作10小時(shí),連續(xù)5個(gè)陰雨天的蓄電池自動(dòng)續(xù)航照明,按照峰值日照小時(shí)數(shù)4小時(shí),大致配置:
LED燈頭30瓦;
系統(tǒng)電壓12V,工作電流:30/12=2.5A;
蓄電池容量2.5*10*(5+1)/0.8=187.5Ah,考慮鉛酸蓄電池放電深度,取DC12V,200Ah;
多晶太陽能電池板功率計(jì)算:2.5*10*1.2*18/4=135瓦;太陽能電池板取多晶135瓦,DC18V輸出;
那么如果我們采用系統(tǒng)光效只有85LPW的燈頭,在同樣的配光情況下,我們可以認(rèn)為,LED系統(tǒng)功率要至少35瓦。那么要達(dá)到同樣的系統(tǒng)自治要求,配置需要:
LED燈頭35瓦;
蓄電池DC12V,230Ah;
單晶太陽能組件160瓦,DC18V輸出;
成本比較如下:
三、LED照明對(duì)分布式太陽能屋頂?shù)牧夹曰?dòng)
最后,我們來看時(shí)下最熱的分布式太陽能屋頂:
系統(tǒng)基本構(gòu)成:
我們結(jié)合目前手中操作的一座上海的印刷工廠屋頂安裝太陽能方案來進(jìn)行模擬計(jì)算;假設(shè)該工廠主要工作負(fù)載為照明和印刷設(shè)備。本案例中為了方便計(jì)算,我們采用照明用電占該廠區(qū)總耗電10%來計(jì)算。
注:原本筆者參照LED先鋒人物RolandHaitz給出的一個(gè)比例:世界上20%的電力用來照明,但為了簡單,本文我們?nèi)?0%。 RolandHaitz,前安捷倫科技CTO,他有一個(gè)Haitz定律,關(guān)于LED光效和成本之間的互動(dòng)關(guān)系:every decade,the cost per lumen falls by afactor of 10,the amount of light generated per LED packag eincreases by afactor of 20 for a given wavelength of light,簡單的說就是每十年,LED每流明的成本降低10個(gè)因子,而光通量將上升20個(gè)因子。個(gè)人感覺目前的技術(shù)發(fā)展,可能不需要十年的時(shí)間跨越即可 達(dá)到。
進(jìn)行LED節(jié)能改造前,原有燈具為老舊的金鹵燈具,250瓦,60套,總功率理論上15000瓦(實(shí)際功耗遠(yuǎn)高于此數(shù)值,一個(gè)電源自身功率,還有此類燈具熱機(jī)過程中的巨大耗電量,此處簡化為理想的標(biāo)稱功率)。
那么根據(jù)上述因子,可以推算出該車間工作負(fù)載總功率為150000瓦,其中印刷設(shè)備,辦公設(shè)備的總功率145000瓦,我們對(duì)車間進(jìn)行實(shí)地測量和DIALux模擬計(jì)算分析,100瓦LED工礦燈即可達(dá)到原來250瓦燈具的照明效果。此時(shí),LED燈具總功率6000瓦。
1、計(jì)算太陽能板安裝設(shè)計(jì)容量
太陽能所發(fā)電量能夠維持白天負(fù)載用電。
注:1)、在實(shí)際計(jì)算中,我們一般采用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件,如PVSys和RetSCREEn等進(jìn)行計(jì)算,就如我們采用DIALuxevo計(jì)算照明效果類似;
2)、為了簡化理解,我們采取365天工作;實(shí)際應(yīng)用中,周末休息,負(fù)載不工作,太陽能所發(fā)電量幾乎100%全部自動(dòng)上網(wǎng);
3)、系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)還要取決于當(dāng)?shù)毓╇娋峙渲玫淖儔浩魅萘?,一?0KVA變壓器支持400KW太陽能裝機(jī)容量。
2、計(jì)算現(xiàn)金收益
由上述計(jì)算,我們得出“僅安裝太陽能”和“安裝太陽能+LED照明節(jié)能改造”,兩種情形下的太陽能設(shè)計(jì)容量,我們簡化設(shè)計(jì)容量分別如下:460Kw和430Kw:
因?yàn)樘柲馨l(fā)電享受中央和地方補(bǔ)貼以及余電上網(wǎng)收入,那么:
現(xiàn)金收入=(中央+地方補(bǔ)貼單價(jià))*太陽能總發(fā)電量+余電上網(wǎng)收入
比如第一年現(xiàn)金收入=(0.42+0.25)*487600+0.45*48760=348634;從第6年開始,包括第6年,上海市地方補(bǔ)貼將不再享有。
3、綜合收益對(duì)比
設(shè)定當(dāng)?shù)厥须妰r(jià)格:1元/Kwh
1)、投資回報(bào)期測算
很明顯:安裝LED和太陽能屋頂,6年回本并獲得收益,而單純安裝太陽能板,需要7年時(shí)間才能回本。
2)、投資總匯報(bào)測算
綜合兩張表可以看出:
a)、單純安裝太陽能電池板,20年時(shí)間里總效益:1390萬,初始投資成本460萬,燈具壽命按照3年一個(gè)輪換周期,換6次,耗資12萬,相當(dāng)于初始投資成本472萬,凈收益918萬,年回報(bào)率9.7%;
b)、LED+安裝太陽能電池板,20年時(shí)間里總效益:1376萬,初始投資成本430萬,LED燈具壽命按照5年一個(gè)輪換周期,換4次,耗資24萬,相當(dāng)于初始投資成本454萬,凈收益922萬,年回報(bào)率10.2%。
注:以上計(jì)算只是顯示在同等條件下,安裝LED之后的太陽能系統(tǒng)與未安裝LED的太陽能系統(tǒng)的收益對(duì)比,我們簡化了一些變量。在實(shí)際計(jì)算中,我們必須考 慮太陽能電池板輸出功率的衰減,一般第一年我們采取1.5%,以后逐年按照0.7%衰減率,另外在投資計(jì)算模型時(shí),我們還要考慮必要的金融成本和金融杠桿 工具,更加貼近真實(shí)的投資回報(bào)。
末了,再額外補(bǔ)充幾句,歡迎大家拍磚:
1、以上各類計(jì)算和分析,簡而言之:花小錢(LED照明投資相對(duì)于太陽能屋頂?shù)耐顿Y,份額很小),辦大事。太陽能分布式如果輔以工作負(fù)載端節(jié)能改造,比如LED照明應(yīng)用,投資回報(bào)如虎添翼;
2、LED照明可以發(fā)揮其易于調(diào)光調(diào)色,進(jìn)一步降低能耗,從而可以進(jìn)一步降低太陽能設(shè)計(jì)容量;
3、未來太陽能分布式家庭,室內(nèi)安裝有各類節(jié)能電器,包括LED燈具,還有儲(chǔ)能設(shè)施,將有一套HEMS(居家能源管理系統(tǒng))無線網(wǎng)絡(luò)管理這些負(fù)載端,儲(chǔ)能端和太陽能光伏發(fā)電端。
LED燈具作為節(jié)能照明的功能可能不再是其賣點(diǎn),而是將LED燈具作為HEMS這個(gè)微型網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)Node載體,收集各類信息,燈具與燈具之間進(jìn)行通信組網(wǎng),燈具與控制中心之間通信。
比如,室外燈具可以集成氣溫計(jì),感知天氣變化,及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息至控制中心,控制中心自動(dòng)偵測儲(chǔ)能蓄電池容量,決定太陽能光伏板發(fā)電是否優(yōu)先充蓄電池。
同樣的LED路燈,將成為一個(gè)優(yōu)良的傳感器集成平臺(tái),成為市政管理大數(shù)據(jù)信息采集平臺(tái),更遠(yuǎn)一些,去中心化的大背景下,分布式清潔能源構(gòu)建的微電網(wǎng)里,LED照明也會(huì)扮演一個(gè)節(jié)能和信息攝取傳輸?shù)碾p重角色!
評(píng)論