太阳能路灯中太阳电池组件利用效率分析.docx
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太阳能路灯中太阳电池组件利用效率分析
太阳能路灯中太阳电池组件利用效率分析
太阳能路灯中太阳电池组件利用效率分析
孟昭渊尚德太阳能电力有限公司无锡新区新华路12号
摘要
太阳能路灯在近年来在全国各地兴起的新兴事物，各地政府对这个项目特别支持，因为它一方面宣传了环保理念，另外也是城市和农村的一大景观。
在北京奥运会期间在北京郊区就投资了近10亿人民币安装了大量的太阳能路灯。
至于用太阳能电池组件制造路灯的合理性很少有人怀疑过，对于目前所采用的技术路线也很少有人进行过分析研究。
本文就是从“太阳电池利用效率”角度分析目前太阳能路灯技术路线的不合理性，同时指出改进方法。
关键词
太阳电池组件效率太阳辐射冬至日夏至日
1太阳辐射与太阳电池
1.1太阳电池的发电量与太阳辐射强度成正比
太阳电池的功率是在标准太阳辐射条件下测量出来的，即：
太阳辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，环境温度25℃的严格条件下测量，通常我们的使用环境往往达不到以上太阳辐射量，由于太阳电池的发电量与太阳辐射强度成正比的线性关系，特别是在200W/m2以上的强光辐射条件下，这种线性关系非常一致。
1.2太阳辐射量与四季变化
图1四季的形成图2地球公转周年回归运动
地球的自转与围绕太阳公转的同时还表现为天赤道的往返运动，形成了一年四季；在天球所能够达到的南北界限称为南回归线和北回归线。
图1和图2指出这个地球上四季分明的自然现象。
对于北半球来说在夏至日，6月21/22日，太阳直射北纬23.45°的天顶，即北回归线；冬至日，12月21/22日，太阳直射纬南23.45°的天顶，即南回归线；就是南半球的夏至日，是北半球冬至日。
春分日和秋分日3月21/22日和9月22/23日，这时太阳恰好直射在地球的赤道。
从天文学的角度讲，太阳辐射在夏至日最强，在冬至日最弱。
图3我国几个主要城市一年内太阳辐射变化
图3是我们从上海电力学院的太阳辐射软件中下载的北京、上海、广州和宁夏银川最佳倾斜角度下的全年最大太阳辐射量和每个月的最佳倾斜角度和最大太阳辐射量，从表中可以发现，每年太阳辐射最强的夏至日的太阳辐射量接近太阳辐射强度最弱的冬至日太阳辐射量的1.5倍左右，比如北京：
分别是5.53KW/m2和3.35KW/m2，,对应的倾斜角度分别是10°和63°，而年平均太阳辐射量是4.23KW/m2，
图4我国部分城市月平均太阳辐射量
图5南京市月平均太阳辐射量
图7是由国家气象中心提供的我国几个主要城市一年中太阳辐射量变化的曲线，图8来自ertscreen气象数据库，10年平均值。
以上两图可以再次看出一年四季中太阳辐射量的剧烈变。
1.3日照时间与四季变化
日照时间，可以通过计算求出，更加简单的方法是通过查询电子日历得到。
图3、图4是从电子日历上的截图：
图6夏至日北京日照时间图7冬至日北京日照时间
图6、图7分别显示了北京夏至：
日出：
4:
42日落：
19:
47；冬至：
日出：
7:
33日落：
16:
49。
对应的昼长是15小时5分和9小时16分，昼长相差5小时49分。
以上分析说明，在太阳辐射量最小的冬至日，夜晚路灯需要照明的时间比太阳辐射量最大的夏至日多5个多小时。
2独立光伏系统与并网光伏系统
太阳能光伏发电分为独立光伏发电与并网光伏发电，并网光伏发电系统中通常没有储能装置，系统直接连接在电网上，由电网调节，这是目前太阳能光伏发电的主流技术。
另外就是广泛应用的独立光伏发电系统，其中根据负载情况分为直流系统好交流系统，太阳能路灯属于直流负载的独立光伏发电系统，如图8所示。
图8直流负载的独立光伏发电系统
3太阳能路灯的特殊性
太阳能路灯是一个典型的独立光伏发电系统，这仅仅是问题的一个方面，更加严重的是它还是一着太阳辐射量减少而增加的季节性负载。
从上面的分析可以看到，每年的冬至日是太阳辐射量最小，也就是太阳电池组件发电量最少的时候，每年的冬至日是白天最短，夜晚最长的时候，道路照明需要最长的时间。
目前在太阳能路灯的设计上大家关心的是连续阴雨天的照明问题，其实这个问题相对还比较好解决，只要增加部分蓄电池的容量就可以了,如果要让冬至日的道路照明指标达到国家标准的要求，除非牺牲春季、夏季、秋季太阳电池组件的发电量，别无他法。
这时系统的效率将是非常低的。
有许多人是不会同意上面的观点的；理由非常简单：
我们安装了太阳能路灯，冬至日前后照样工作正常的。
果真这样吗？
在太阳电池功率、光源效率一定的情况下，影响太阳能路灯使用效果的因素还有很多，有太阳辐射强度，太阳电池组件倾斜角度的合理性，环境温度，蓄电池的新旧程度（新旧蓄电池的充电、发电效率能够相差30%以上）等等。
在没有确定这些条件以前来评价太阳能路灯的使用效果是不准确的。
1）“能够亮”不等于能够达到国家标准《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006要求的道路照度。
有的情况下，光源的输出功率可以随着蓄电池的电压而变化，电压越低，输出功率越小，当然，照度也越小。
特别是LED为光源的太阳能路灯特别明显，LED的特性是允许在非常宽的电压范围内正常工作，但是在这种情况下，光源的功率已经很小了，当然，光通量也随着下降。
这也是许多人反映用LED制作太阳能路灯效果好的原因之一。
2）新蓄电池的充电、发电效率可以达到90%，旧的蓄电池发电效率在70%以下，新旧之差可以达到30%，而且温度的蓄电池的效率影响非常大。
我们对产品的验收究竟是在什么条件下进行的，非常值得研究和关注的。
3）光源发光效率也存在衰减现象，特别是LED，有时更加严重。
表1：
各种太阳能光伏发电系统中太阳电池利用效率分析
并网发电
普通离网发电
太阳能路灯
市电互补太阳能路灯
太阳电池表面灰尘损失
6%
6%
8%（清洗困难）
8%（清洗困难）
组件组合损失
4%
4%
1%
1%
控制器、逆变器损失
6%
4%（指无逆变器系统）
4%
4%
线路损失
4%
4%
2%
2%
蓄电池效率损失
（铅酸蓄电池）
0
20%
20%
20%
季节性负载损失
0
0
35%（最少估算）
0
总损失
20%
38%
70%
35%
太阳电池利用效率
80%
62%
30%（乐观估计）
65%
说明：
以上分析不包括每天定时关灯的太阳能路灯以及其它同样没有达到国家标准《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006要求的太阳能路灯。
4：
结论
4.1由于太阳能路灯是一种特殊的季节性负载独立太阳能光伏发电系统，太阳电池的利用效率只有30%左右，这是在各种太阳能应用中效率最低的，并且这还在太阳电池最佳倾斜角度经过优化以后的结果，可见太阳电池不适合在一般城市做道路照明。
4.2如果按照国家标准《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006来衡量目前的太阳能路灯，可以说基本说没有合格产品。
4.3太阳能路灯的出路在市电互补，太阳能路灯的设计只考虑到每年夏至前后的需求，而其余时间的电力缺口由市电补充，这样的太阳能路灯既能够满足CJJ45-2006的要求，又大大节约了制造成本，特别是在有电网的城市。
参考文献
《太阳能（光伏、光热）系统与建筑集成的优化设计研究》柳孝图等
《现代气象辐射测量技术》王炳忠等
《太阳能光伏发电应用技术》杨金焕等
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