基于LED的離網式太陽能照明系統(tǒng)的設計

　　太陽能光伏發(fā)電可以直接將太陽能轉化為電能，是一種清潔、低碳獲取電能的新技術，也是太陽能眾多利用方式中非常重要并且很有發(fā)展前景的技術。人們很早就嘗試將太陽能發(fā)電技術應用在照明上。近幾年，隨著LED技術的快速發(fā)展和太陽能組件的價格持續(xù)下降，基于LED的太陽能照明得到了越來越多的應用。這其中，離網式照明系統(tǒng)以其免維護、無需鋪設電纜、低運營成本等特點越來越受到人們的關注。

　　一、基于LED的離網式太陽能照明系統(tǒng)得到廣泛應用

　　如今，在接近70億的人口中大約有40億由于經濟收入比較低而被劃為“收入金字塔”底層。他們的電力設施不完備，其照明以燃油為主。這其中有大約16億的人口完全沒有電力設施，其照明依賴于燃油照明，比如煤油燈、蠟燭燈。據統(tǒng)計，燃油照明每年會消耗大約770億升的燃油，相應的花費大約為380億美元。

　　蠟燭、煤油燈等光源不僅亮度低，易著火，便攜性差，有煙霧，而且運行成本高?；贚ED的離網式太陽能照明系統(tǒng)以其安全、便攜、免維護和免運行成本等特點，成為這一市場的理想解決方案。
　　在建設新農村中，很多農村的公共道路可以采用這種照明系統(tǒng)。由于它不需要鋪設電纜，并且屬一次性投入，免維護和免運營成本，所以這種系統(tǒng)在中國很多的農村建設中得到了推廣，比如氣候組織聯(lián)合壹基金推行的“千村計劃”。較使用前，這些系統(tǒng)大大方便了這些村莊居民的晚間戶外活動。其它比如庭院燈也可見離網照明系統(tǒng)的身影。此外，離網照明也成為了某些專業(yè)道路照明的備選方案。

　　二、離網式太陽能照明系統(tǒng)簡介

　　下面我們就離網式太陽能照明系統(tǒng)進行簡要的介紹，典型的離網式太陽能照明系統(tǒng)可以用圖1來表示。

圖1 典型的系統(tǒng)構成

　　如圖所示，典型的離網照明系統(tǒng)從功能上可以分為以下幾部分。

　　太陽能組件：太陽能組件是整個系統(tǒng)的能量轉化器，它可以將太陽光轉化成電能。根據材料不同，太陽能組件包括單晶硅、多晶硅、非晶硅、GaAs，CIGS等。由于價格、技術等原因，90％以上的應用都采用了單晶硅或者多晶硅的太陽能組件。

　　充放電控制器：一方面，此控制器會將太陽能組件發(fā)的電存儲在系統(tǒng)中的儲能單元，比如充電電池中。另一方面，此控制器還會控制存儲了電能的電池可控的將電能提供給系統(tǒng)中的負載，也就是照明系統(tǒng)。電池的充放電保護是其必須具備的功能。為了將太陽能組件收集到的太陽光最大程度的轉化成電能存儲在電池中，有些控制器會有最大功率跟蹤功能。好的充放控制器可以在一定程度上節(jié)省太陽能組件并且可以延長充電電池的使用壽命。

　　充電電池：它存儲太陽能組件發(fā)的電能同時為照明系統(tǒng)提供能量供應。鉛酸電池、鎳氫電池、甚至磷酸鋰鐵電池都可以得到應用。考慮到成本、穩(wěn)定性等，鉛酸電池和鎳氫電池為最主要的選擇。

　　照明系統(tǒng)：通常它包括發(fā)光光源，比如LED或LED陣列、光源驅動、燈具等。有些照明系統(tǒng)還包括了環(huán)境參數探測器件，人機交互的接口等。

　　三、離網太陽能照明系統(tǒng)設計

　　1.設計準則

　　由于離網式太陽能照明系統(tǒng)是完全獨立式系統(tǒng)，太陽能是其唯一能量來源，所以其必須基于“最惡劣”工作條件展開設計。對于選定的區(qū)域或地點來說，最惡劣工作條件主要指“最惡劣”季節(jié)，即“冬季”的月份，比如北半球大概是12月、1月份，而南半球則為6月、7月份。原因為：

　?。?）黑夜最長，也就是說照明時間最長（如果要求整個夜晚都要照明的話），相應的能耗最大；

　　（2）白天最短，也就是太陽輻射時間最短，并且太陽輻射強度也小，所以相應的輻射能最小，太陽能組件的發(fā)電量最少；

　?。?）冬天最冷，蓄電池的可使用容量也最小。