摘要：本文介绍了长春地区太阳能LED照明系统的优化设计．设计者可根据当地气象资料、LED用电负载情况、所选定组件的价格及特性，通过本文介绍的设计方法，确定太阳能组件和蓄电池容量，经过经济比较，确定满足需求的最佳方案．

关键词：太阳能LED照明系统；优化设计方法；经济比较

太阳能发电不需要燃料和运输，是清洁能源的首选．太阳能光伏电池与LED组合成的太阳能照明系统，近年在我国发展迅速，技术日趋成熟，被广泛用于广场、停车场、草坪、街道等公共场合．本文针对严寒地区太阳能LED照明系统应用的工程实例，通过对系统主要部分的分析研究，提出了系统优化设计的方法．

1太阳能路灯的基本原理

太阳能路灯系统由太阳能电池板、蓄电池组件、自动控制器、LED照明灯、灯架等组成．工作原理为太阳能电池板白天接受太阳辐射能，通过自动控制器对蓄电池组件充电，夜间给LED灯供电进行照明．自动控制器的性能要求为：可以保证蓄电池在任何条件（阳光充足和连续阴雨）下不被过充和过放造成损害，有效延长蓄电池组件的寿命．同时，自动控制器还可具有光控、时控等功能，既可以使路灯在能见度降低时自动开启，能见度升高时关闭，还可以对路灯进行定时开关．

2设计方法

2.1太阳能电池板的倾角的确定

太阳能路灯照明系统，相当于负荷均匀的独立光伏发电系统．太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大，所以要对其进行量化处理．但量化处理工作量大，数据繁琐，出现错误的几率较大，故设计过程中，经常根据当地纬度与太阳能电池板倾角的关系确立太阳能电池板的倾角．纬度和太阳能电池板倾角的关系见表1[1]．

长春位于东经125°13′，北纬43°54′，平均海拔高度236.8m，属于太能资源较丰富地区[2]．由表1规定纬度和太阳能电池板倾角的关系确立太阳能电池板的倾角为55°．

2.2平均峰值日照时数[3]

平均峰值日照时数：   Tm=HT(mWh·cm-2)100(mWh·cm-2)

式中，Tm为平均峰值日照时数；HT为全年平均日太阳辐射量；标准日太阳辐射照度为100（mWh/cm2）．经过测算长春地区55°倾角平均峰值日照时数为4.61h.

2.3确定电池组件最佳电流[4-5]

太阳能电池组件应输出的最小电流：Imin=LTmax·η1·η2·η3

式中，L为照明负载每天总耗电量；Tmax为各月中太阳能总辐射最大的峰值日照时数；η1为蓄电池组件充电效率(0.80~0.90)；η2为太阳能电池组件表面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数,通常可取0.9~0.95；η3为太阳能电池组件组合损失和对最大功率点偏离的修正系数,通常可取0.9~0.95．

太阳能电池组件应输出的最大电流：

Imax=LTmin·η1·η2·η3

式中，Tmin为各月中太阳能总辐射最小的峰值日照时数;其他各项同公式（2），计算太阳能路灯的用电负荷如表2所示；长春市各月55°南向斜面上的日均辐射量和峰值日照小时数的测算如表3所示．

根据表2、表3所列数据，带入公式（2），（3）得：Imin=1.82A；Imax=2.59A.太阳能电池组件的最佳电流值I：Imin≤IA≤Imax，具体数值可用试验方法确定．

方法是先选定一个电流值IA,按月求出太阳能电池组件的输出发电量,对蓄电池组件全年的荷电状态进行试验．太阳能电池组件输出发电量可根据式(4)进行计算．

EA=IA·N·HT·η1·η2·η3/100(mW·cm2)

式中，N为当月天数；各月负载耗电量为EL=N·L

两者相减，若ΔE=EA-EL为正,表示该月太阳能电池组件发电量大于用电量,能给蓄电池组件充电;若ΔE为负,表示该月太阳能电池组件发电量小于耗电量,要用蓄电池组件贮存的电能来补充,蓄电池组件处于亏损状态．通过全年荷点状态试验，选出连续亏损期，选定的太阳能组件电流所对应的年亏损期连续亏欠量具体数量见表4．

2.4蓄电池组件容量的确定

列表算出全年各月ΔEi的数值,并算出全年中ΔE连续为负值(即连续亏欠量)的累积值∑ΔEi．如果全年只有一个连续亏欠期，它就是累积亏欠量之和．对北半球来说，由于岁末年初是冬季，在计算累积亏欠量时应取两年进行连续计算．最后求出累积亏欠量∑ΔEi，计算数值见表4。

按照以上方法即可确定蓄电池组件的容量:

Cb=∑ΔEiDOD

式中，DOD为放电深度,对铅酸蓄电池组最大可达75%~80%．但考虑蓄电池组的寿命等影响因素,一般取DOD=60%~70%为宜[6]，具体计算数值见表5

2.5确定太阳能电池组件的工作电压[7]

为保证全年能够有效的对蓄电池组件进行充电，太阳能电池板的输出电压在任何季节必须满足：

VA=Vf+Vd+Vi

式中，Vf为蓄电池组浮充电压；Vd为因阻塞二极管和线路直流损耗引起的压降；Vi为因温度升高引起的压降．

其中Vi的计算公式如下：

Vi=a(tmax-25)VA

式中，a为太阳能电池组件的温度系数，对非晶硅池组件来说，a=0.003；Tmax为太阳能电池组件的最高工作温度(45℃~60℃)；VA为太阳能电池组件的标准工作电压．

2.6确定太阳能电池组件功率

太阳能电池组件板的功率

pA=IA·VA·KI-a(tmax-25)

式中，a，tmax取值与式(7)中相同；K为考虑一些未知工作因素,而引入的安全系数,可根据电压等级,数据准确程度,运行环境等,在1.05~1.30之间选取．PA具体计算数值见表5．

3经济比较与方案的确定

通过表5的数据可得，太阳能电池板的峰值功率P=50W，蓄电池容量Cb=59Ah的结合方式为最经济结合方式．在连续阴雨5天的情况下，LED照明负载运行所需要的电量为：E=5L=35Ah．放电深度DOD=58.3%，小于70%的设计要求．故此种方案为最经济方案．

按照本文所述步骤，求出蓄电池组件的容量和太阳能电池板的电流、电压、功率，与厂商所提供的产品型号和规格进行比较，就可以选取合适的太阳能电池板和蓄电池组件．

4结论

本文通过对长春地区的气象数据、负载用电情况、所选定组件的特性和价格，以及系统需要的可靠性进行整理，按照本文提供的计算方法，确定了太阳能LED照明系统唯一最经济方案．