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。

　　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！