太陽(yáng)能LED照明系統及LED路燈設計分析

　　筆者一直想寫(xiě)個(gè)有關(guān)LED照明采用與太陽(yáng)能分布式系統良性互動(dòng)的分析，LED如何有效降低業(yè)主前期系統成本投資，增加收益等，從而推動(dòng)太陽(yáng)能分布式更好地發(fā)展。

　　我將分別分析高效LED的采用對太陽(yáng)能LED照明小系統，太陽(yáng)能LED路燈和火熱的太陽(yáng)能分布式屋頂的良性促進(jìn)，文中有些淺表的投資回報表格分析，我已盡力簡(jiǎn)化，您沒(méi)耐心看，沒(méi)關(guān)系，只要關(guān)注筆者的幾點(diǎn)總結和思考即可。

　　一、太陽(yáng)能LED照明小系統

　　我們首先從太陽(yáng)能LED照明小系統來(lái)分析一下。圖片是筆者光伏圈一位”老法師”設計的水果太陽(yáng)能LED燈具系列。

　　此類(lèi)燈具常見(jiàn)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(lái)簡(jiǎn)化計算，主要目的在于分析高效LED顆粒采用對系統成本的影響。

　　我們簡(jiǎn)單利用光效與電流的關(guān)系，定義驅動(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系統功率按照5瓦計算，每天設計工作4小時(shí)，充滿(mǎn)電能連續工作3個(gè)夜晚，峰值日照小時(shí)數采用5小時(shí)，我們可以簡(jiǎn)單計算得出：

　　系統電壓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(yáng)能電池板功率計算：1.35*4*1.2*6/5=7.8瓦；取8瓦，DC6V，(考慮系統損耗，太陽(yáng)能電池板容量預留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，每天設計工作4小時(shí)，充滿(mǎn)電能連續工作3個(gè)夜晚，峰值日照小時(shí)數采用5小時(shí)，我們同上可以簡(jiǎn)單計算得出：

　　蓄電池容量DC3.7V，20Ah；

　　太陽(yáng)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，但系統綜合成本大為降低。

　　二、太陽(yáng)能LED路燈設計

　　同上分析，我們再來(lái)看常規太陽(yáng)能LED路燈，LED路燈系統光效對太陽(yáng)能系統的影響。

　　太陽(yáng)能路燈核心部件：

　　筆者的團隊正在給上海某工廠(chǎng)廠(chǎng)區設計道路照明，LED路燈功率30瓦，系統光效100LPW，系統電壓DC12V，燈桿高6米，間距10米，路雙側安裝，路燈每晚滿(mǎn)功率工作10小時(shí)，連續5個(gè)陰雨天的蓄電池自動(dòng)續航照明，按照峰值日照小時(shí)數4小時(shí)，大致配置：

　　LED燈頭30瓦；

　　系統電壓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(yáng)能電池板功率計算：2.5*10*1.2*18/4=135瓦；太陽(yáng)能電池板取多晶135瓦，DC18V輸出；

　　那么如果我們采用系統光效只有85LPW的燈頭，在同樣的配光情況下，我們可以認為，LED系統功率要至少35瓦。那么要達到同樣的系統自治要求，配置需要：

　　LED燈頭35瓦；

　　蓄電池DC12V，230Ah；

　　單晶太陽(yáng)能組件160瓦，DC18V輸出；

　　成本比較如下：

　　三、LED照明對分布式太陽(yáng)能屋頂的良性互動(dòng)

　　最后，我們來(lái)看時(shí)下最熱的分布式太陽(yáng)能屋頂：

　　系統基本構成：

　　我們結合目前手中操作的一座上海的印刷工廠(chǎng)屋頂安裝太陽(yáng)能方案來(lái)進(jìn)行模擬計算；假設該工廠(chǎng)主要工作負載為照明和印刷設備。本案例中為了方便計算，我們采用照明用電占該廠(chǎng)區總耗電10%來(lái)計算。

　　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(lái)照明，但為了簡(jiǎn)單，本文我們取10%。 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(jiǎn)單的說(shuō)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(jué)目前的技術(shù)發(fā)展，可能不需要十年的時(shí)間跨越即可 達到。

　　進(jìn)行LED節能改造前，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)際功耗遠高于此數值，一個(gè)電源自身功率，還有此類(lèi)燈具熱機過(guò)程中的巨大耗電量，此處簡(jiǎn)化為理想的標稱(chēng)功率)。

　　那么根據上述因子，可以推算出該車(chē)間工作負載總功率為150000瓦，其中印刷設備，辦公設備的總功率145000瓦，我們對車(chē)間進(jìn)行實(shí)地測量和DIALux模擬計算分析，100瓦LED工礦燈即可達到原來(lái)250瓦燈具的照明效果。此時(shí)，LED燈具總功率6000瓦。

　　1、計算太陽(yáng)能板安裝設計容量

　　太陽(yáng)能所發(fā)電量能夠維持白天負載用電。

　　注：1）、在實(shí)際計算中，我們一般采用專(zhuān)業(yè)設計軟件，如PVSys和RetSCREEn等進(jìn)行計算，就如我們采用DIALuxevo計算照明效果類(lèi)似；

　　2）、為了簡(jiǎn)化理解，我們采取365天工作；實(shí)際應用中，周末休息，負載不工作，太陽(yáng)能所發(fā)電量幾乎100%全部自動(dòng)上網(wǎng)；

　　3）、系統容量的設計還要取決于當地供電局配置的變壓器容量，一般10KVA變壓器支持400KW太陽(yáng)能裝機容量。

　　2、計算現金收益

　　由上述計算，我們得出“僅安裝太陽(yáng)能”和“安裝太陽(yáng)能+LED照明節能改造”，兩種情形下的太陽(yáng)能設計容量，我們簡(jiǎn)化設計容量分別如下：460Kw和430Kw：

　　因為太陽(yáng)能發(fā)電享受中央和地方補貼以及余電上網(wǎng)收入，那么：

　　現金收入=(中央+地方補貼單價(jià))*太陽(yáng)能總發(fā)電量+余電上網(wǎng)收入

　　比如第一年現金收入=(0.42+0.25)*487600+0.45*48760=348634；從第6年開(kāi)始，包括第6年，上海市地方補貼將不再享有。

　　3、綜合收益對比

　　設定當地市電價(jià)格：1元/Kwh

　　1）、投資回報期測算

　　很明顯：安裝LED和太陽(yáng)能屋頂，6年回本并獲得收益，而單純安裝太陽(yáng)能板，需要7年時(shí)間才能回本。

　　2）、投資總匯報測算

　　綜合兩張表可以看出：

　　a）、單純安裝太陽(yáng)能電池板，20年時(shí)間里總效益：1390萬(wàn)，初始投資成本460萬(wàn)，燈具壽命按照3年一個(gè)輪換周期，換6次，耗資12萬(wàn)，相當于初始投資成本472萬(wàn)，凈收益918萬(wàn)，年回報率9.7%；

　　b）、LED+安裝太陽(yáng)能電池板，20年時(shí)間里總效益：1376萬(wàn)，初始投資成本430萬(wàn)，LED燈具壽命按照5年一個(gè)輪換周期，換4次，耗資24萬(wàn)，相當于初始投資成本454萬(wàn)，凈收益922萬(wàn)，年回報率10.2%。

　　注：以上計算只是顯示在同等條件下，安裝LED之后的太陽(yáng)能系統與未安裝LED的太陽(yáng)能系統的收益對比，我們簡(jiǎn)化了一些變量。在實(shí)際計算中，我們必須考 慮太陽(yáng)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。

　　末了，再額外補充幾句，歡迎大家拍磚：

　　1、以上各類(lèi)計算和分析，簡(jiǎn)而言之：花小錢(qián)(LED照明投資相對于太陽(yáng)能屋頂的投資，份額很小)，辦大事。太陽(yáng)能分布式如果輔以工作負載端節能改造，比如LED照明應用，投資回報如虎添翼；

　　2、LED照明可以發(fā)揮其易于調光調色，進(jìn)一步降低能耗，從而可以進(jìn)一步降低太陽(yáng)能設計容量；

　　3、未來(lái)太陽(yáng)能分布式家庭，室內安裝有各類(lèi)節能電器，包括LED燈具，還有儲能設施，將有一套HEMS(居家能源管理系統)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )管理這些負載端，儲能端和太陽(yáng)能光伏發(fā)電端。

　　LED燈具作為節能照明的功能可能不再是其賣(mài)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(lèi)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，感知天氣變化，及時(shí)發(fā)出預警信息至控制中心，控制中心自動(dòng)偵測儲能蓄電池容量，決定太陽(yáng)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，成為市政管理大數據信息采集平臺，更遠一些，去中心化的大背景下，分布式清潔能源構建的微電網(wǎng)里，LED照明也會(huì )扮演一個(gè)節能和信息攝取傳輸的雙重角色！