光伏照明工程的疑难与对策
康明
朱晓勇
（合肥工业大学 230009）
国家对可再生能源开发利用的政策扶持，催生了一大批光伏照明工程，成为太阳能利用领域的新亮点。除了许多政府资助的示范工程之外，有不少企事业单位和房地产商、物业管理部门也纷纷关注这一新生事物。从05年开始，一项具有自主知识产权的高效非逆变光伏应用技术问世，彻底改变了光伏界以逆变应用为主的局面，使光伏应用从实验室走向市场，以应用工程代替了形象工程。
三年多来，回顾高效非逆变光伏应用技术走过的路程，从整体上说令人鼓舞，可从局部上分析，仍然是疑难不少。每当工程中出现困难时，都同时给工程技术人员指出了一个方向，而每当解决了一个难题，也就使光伏工程的实用性能又有了一个较大的提高。尤其是高效非逆变技术在建筑公共照明上的应用，使光伏系统工程的节能意义更加完备。
为了能使该项技术能更广泛地推广应用，本文特以各个具体的工程内容为基础，详尽介绍光伏照明工程设计、建造和运行过程中所遇到的疑难问题，以及高效非逆变课题研究组所采取的对策和解决方法。深入探讨了光伏应用技术中的现状和方法，给同行和用户提供参考借鉴。
1.逆变与非逆变的效益差异
光伏电力是直流、低压电，单元应用电压不到0.5V，实用中是大量单元串、并连才能得到需要的功率。电子技术中把直流电变为交流电的技术方法称逆变。根据不同的输入、输出电压及相，光伏逆变有多种方案可供选择。输入低电压直流光伏电力，逆变过程就有较大的电流损耗，输入高电压直流的逆变，电池板串太多，也易发生击穿损坏造成损耗。一般书籍介绍光伏系统的逆变效率为0.75，逆变器厂家则承诺他们产品的最大效率能达到0.95，这都不能视为逆变类光伏系统的效率。实际上，光伏逆变系统的效率很低，其主要有三个方面原因：一是大系统的串、并连和系统损耗；二是大功率装置、小功率使用时的固定耗损；三是超出逆变装置允许电压范围时光伏电力的损失。关于这三点可以举例说明。某方案采用德国进口逆变并网装置2台，输出三相380V电压，输入电压范围为：440V－880V，最大工作电流为230A。如果从配置上分析，该系统采用标称电压为12V（开放电压21V，最大功率点电压17V）100WP的电池板450块，75串6并。即使该装置有最大功率点跟踪技术，而当光伏矩阵电压小于440V就停止工作，高于880V也就不正常工作了。电压小于440V时就停止工作，这部分功损失，技术人员都能理解，可在大多数情况下，12V×75＝900V并不是光伏矩阵的输出
电压，而一般该矩阵最大功率点电压都是高达1000V以上。这么高电压，如果电池板出现击穿或热斑，第一种损失很大；该系统平时光伏发电顶多也就几十安，却用了2台工作电流达四百多安的设备，第二类损失也很严重。第三类损失，读者可自行分析。（这个方案由卓越地产提供）
（图1为某处逆变光伏照明系统的电池板矩阵）
可见，逆变类的光伏系统效率很低。定量分析太具体，也可以定性分析。假定逆变系统的效率极佳，可达到书上所说的0.75（这仅是特定情况的最高效率，未经加权）。而直流、低压系统就可设为1。在照明系统中，所应用的灯具也同样用效率因素来考察。在交流电中，使用普通灯具，效率为0.5，使用高效节能灯具效率为1，使用需要降压整流的LED灯具，效率为0.75；而在直流系统中使用LED效率为1，这样一来就可得到以下结论：
在逆变光伏系统中使用普通灯具的效率为0.75×0.5＝0.375
在逆变光伏系统中使用高效节能灯具的效率为0.75×1=0.75
在逆变光伏系统中使用LED灯具的效率为0.75×0.75＝0.56
在非逆变光伏系统中使用LED灯具的效率为1×1＝1
2.光伏矩阵的电压
尽管几乎所有的高效照明灯具都适合直流供电，却还是希望直流系统电压能在安全电压范围内。LED灯具只有在直流的光伏照明系统中才能高效，而LED的单只电压也在3V左右。直流光伏系统的电压设置，在一定程度上又需要与蓄电池系列相适应，因此直流光伏系统的电压大致为DC12V、DC24V。36V、48V也可以在特殊情况下使用，一般地说，直流光伏系统还是以24V为多。电池板厂家提供的产品规格也主要是12V和24V。
前面的例子看起来似乎是配置失调。可是如果仔细分析该工程的其它参数，例如引入逆变器电缆的长度和线径参数，就看出了设计中错误的严重性。对于几十安培电流经过几欧的线缆电阻，就可以产生百伏的压降。百伏压降也未必是为了保证系统在最大功率点工作，何况百伏压降会在线缆上造成千瓦的光伏电力损失，就是不从节能考虑，单为安全起见
，这也是绝对不允许的。这类不可思议的错误，太常见了，是由于相当多的人把电池板厂家规定的电池板规格系列当成标定电压来使用了。出厂标称12V的电池板，在某些情况下，通过一个防反充二极管与12V的蓄电池连接，大概是能用的。但是，两个12V的电池板串起来就已经不同于一块标称24V的电池板了，至少是少串了一只防反充二极管。所以通常用21V开放电压来标注规格12V的电池板，而用41V开放电压来标注规格24V的电池板。这只是粗略定下的规格，在很多情况下并不精确。75串12V电池板开放电压高达1500V，非常危险，工程中应用绝不可如此马虎。
如果为了降低成本采购小厂生产的电池板，肯定得不偿失。市场上的电池板质量差别太大，不单是峰瓦不足，电压、电流参数也严重离散。在改造一些问题工程时，能了解到劣质电池板使光伏工程形同虚设的普遍存在（并网系统靠市电掩盖了这类现象），甚至，有时从著名厂家购买的新电池板，稍有不慎，也会被混进电压不对的产品。施工中一定要严格防止将不同电压的电池板并连使用。由于光伏应用市场与生产厂家在技术信息上的不对称，其中各式各样的商业漏洞难以避免。
深圳赛格景苑地下车库是中国第一个车库光伏照明工程，因为楼层高采用开放电压43伏的电池板供给24V系统。如果屋顶到控制器的距离仅十多公尺，就完全可以选用开放电压36~38V的电池板。防反充二极管也以肖特基较好。设计出来的电池板电压参数很难与厂家定的规格相一致，必须与供应商讨论定货事宜。为了减少规格，可以允许在百分之几偏差的范围内选择。在安装工程时，一定不可以将不同输出电压的电池板装错或混装。
（图2 架在28层高楼上的光电池使地下停车场一片通明）
采用蓄电池储能的高效光伏系统，希望蓄电池的端电压大致落在光伏矩阵最大功率点输出电压的附近，就要精心地设计光伏矩阵的输出电压，有这些参数与光伏矩阵的输出电压有关：
1. 大功率系统不可忽视线路压降；
2. 光伏矩阵与蓄电池装置的拖线距离；
3．电缆的电阻值；
4．电池板的衰减会影响输出电压，设计时可略提高一点。
3.光伏系统的功率
光伏系统的经济功率应该在2000WP以下（详尽分析参考作者其它论著），而光伏系统的使用功率，一般以数百瓦较为合适，尤其是针对照明负载来说，以不超过几百瓦灯具的系统最为合适。光伏系统的功率有两个完全不同而又非常相关的数值，一个是峰瓦（WP）值，这是指光伏矩阵的最大发电能力，光伏矩阵的这个数值是在特殊的地区、特殊的日照条件下才能达到的;再就是光伏矩阵的年发电量。在中国的普通地区，一峰瓦光电池一年可以发电接近一度，也就是平均一天2－3Wh。这两个数值解释了光伏发电的特点，以最大输出功率为电池板的计量单位，以年发电量为电池板应用的核算基础。
在光伏系统的功率设计方案中经常会出现一些错误观点。一是错把峰瓦当成常规发电系统中装机容量的瓦，而导致系统负载的严重超载和系统发电能力的数倍高估；再就是把光伏电力简单地当成市电来使用。事实上，由于光伏电力输出功率的随机性，光伏电力的应用功率也只能根据统计参数来设计。而且还要考虑到电池板的衰减，蓄电池容量的减少以及负载的变化等等相关因素的影响。这些问题使光伏电力的应用.十分困难，除非是使用随时可变功率的负载。逆变并网系统指望把这一大堆问题全部转嫁给网电负载去解决，而宁可损耗大量的光伏电力和全然不顾对网电的污染，然后接受网电负载的报复性反应，就是让光伏装置产生“孤岛效应”。而离网的独立系统，除了无关紧要的草坪灯，几乎是全不实用。不用拖线的独立光伏路灯，要依靠蓄电池平衡功率输出，其结果是配置严重失调使蓄电池报废。已经没有必要再去接二连三地做并网示范和光伏路灯实验了。光伏系统的功率理论注定了这一类形象工程失败的命运。
从根本上讲，光伏系统的功率设计，并不是一个简单的功率匹配的问题，这是和常规用电根本不同的。光伏系统的功率配置是能量的配置。光伏矩阵的供电能力在不可能与用电负载需求同步相等的情况下，配电技术要充分发挥功效，才能保证系统的实用性。专利技术联网供电带蓄电池的高效非逆变系统是一个三元供电，二元用电的光伏配电系统。
（图3 采用联网供电的办公走廊光伏照明系统）
4.光伏系统中蓄电池的特性
光伏系统采用配电供电方式，才能使额定功率的负载正常运行，而蓄电池在光伏配电系统中的作用是多重的。对于光伏矩阵和网电而言，可将蓄电池视为负载元，而对于负载来说，蓄电池又是供电元。蓄电池在光伏系统中均衡电力又储存能量。此外，蓄电池在限定光伏矩阵最大功率输出方面所发挥的功效也十分重要。
光伏系统中所用的蓄电池多为铅酸电池。该类蓄电池的传统技术指标主要是为适应在市电系统上应用而制订的。作为普通备急电源，重点要求是储电量、维护性能和浮充寿命。作为机动车使用，则要求大电流放电和可循环次数。在光伏发电系统中应用的蓄电池，则除了考虑使用寿命和发电、维护等性能，还由于光伏电力的昂贵，对蓄电池的性能要求高效充放电。在高效光伏系统中，蓄电池的效率决定系统效率。然而,几乎所有的蓄电池供应商都不提供产品的效率特性。
蓄电池的效率特性不仅是不同蓄电池所各具特有的固定参数，也是某个蓄电池在不同使用条件下的动态性能，新旧电池的效率都不一样。不同的蓄电池的效率虽然相差很大，但同一个蓄电池在浮充和大电流放电时也都可能使蓄电池处在低效状态。因此，不提供产品效率性能的蓄电池产品，根本无从知道它在光伏系统中的工作状态，不了解这一重要部件的重要特性，就完全不可能设计出合理的光伏系统。之所以搞光伏系统工程研究的人千方百计地想躲避使用蓄电池，就是因为不了解蓄电池会给系统带来什么影响。事实也证明了他们的担心很有道理，但凡是使用了蓄电池的光伏系统，无论是并网的逆变系统或是路灯的独立系统，所发生的问题，无一不是蓄电池所带来的。而且，明明是浮充寿命可达20年的蓄电池，在光伏系统中一年就报废的情况已屡见不鲜。
并不是包装上写着太阳能专用的蓄电池就一定适合在光伏系统上应用。质量好的蓄电池也仅在了解它的特性后，因地制宜的设计方案，合理使用，才能达到设计要求。由于蓄电池性能各异，光伏系统不可能给出一个统一的设计方法。不过，光伏系统是讲究效率的系统，高效和蓄电池的寿命也是正相关的。蓄电池在光伏系统的工作条件和在网电中不同，厂家所提供的蓄电池参数只能供参考。要设计一个高效的光伏系统，首先要对系统中使用的蓄电池的特性做有针对性的测试和检验后才能确定光伏系统的配电方案。有时这类检验会把许多著名品牌的蓄电池否定。某些在常规电力系统中使用情况不错的蓄电池，几乎完全不符合在光伏系统中应用的技术指标。即使经过选择的有些产品基本适用，也还得与生产厂家商量进一步改进效率性能的措施。技术改进关系到成本上升，这不仅是要大大增加系统造价，也还不是一般光伏系统设计建造单位都有能力完成的工作。
在某种程度上说，光伏系统设计建造的成败在于合理的使用蓄电池。如果连光伏系统中对蓄电池的性能要求都搞不明白，贸然安装光伏系统，就必定失败。根据特定蓄电池性能设计的系统是一个有机的整体，不可随便改动。有两个同样的系统几乎同时安装，一个安装在合肥国家大学科技园，其间从没有改动过，至今运行正常；另一个安装在安徽省勘探设计院，后被人换走蓄电池，又改了控制器，之后就故障不断，系统已几近报废。这个工程案例生动地证明了光伏系统中蓄电池的关键作用和蓄电池对光伏系统运行的重要性。
（图4 采用专利技术的太阳能地下车库照明工程）
均益安联公司在建造光伏系统时，一开始就告诉应用方不要随意更改系统参数和配件。光伏系统是一个经过精确设计的完整系统。任何环节的不良状态都会导致整个系统的性能下降乃至失效。
5.光伏照明系统中灯具的特点
由于市面上24V的高效直流灯具不普遍，因此，光伏照明系统中的灯具多属于特制，给人感到互换性的丧失，而产生了对光伏照明系统长期运行后部件难配的顾虑。除非该特制的灯具由建造单位承诺永远“三包”。经常更换灯具代价会很高。无论如何，光伏系统中的灯具除了要求高效之外，也需要长寿命的特性。
因为光伏电价的昂贵，因此，在光伏照明系统中不宜采用大功率灯具。认为太阳能发电不用交电费而去随意增大系统负载的念头是丝毫不了解光伏技术的错误观点。不仅大功率灯具在光伏系统中应用毫无经济价值，小功率的灯具在光伏系统中长期点亮也同样不合算。高效非逆变光伏系统虽然使光伏电力的应用电价降低到了每度2元人民币（比逆变并网近6元一度电要低很多），但仍然是市电成本电价的十倍，只有用在断续点亮的灯具上，才有应用的价值。普通节能灯具是不可断续点亮的，所以，只有LED灯具适合在光伏照明系统中应用。
从目前LED照明的发展情况来看，光伏照明应用前景灿烂，彩色LED已经不必考虑光衰的问题了，白色照明LED的光衰特性也在不断地改进之中。既然光伏照明不主张用大功率灯具，应用于光伏系统中的LED就没有必要追求单粒功率值。现在流行的单粒大功率LED光效并不太高，被大块头散热片合理地揭示了。大功率单粒LED刺眼的亮光只是因为光线集中所致，并不代表光通量多。用于照明的LED最好还是柔和、宽视角为好。研究证明，单粒LED最高光效的功率为0.06W左右。因此，高光效的LED灯具目前应该是由100粒所组成的6W灯具。
应用在最高亮度参数时的LED，未必是最长寿命（半衰期）或最高光效的设计。在光伏照明系统中采用的LED灯具宁可牺牲一点亮度也应该为提高LED的光效和延长LED使用寿命而努力。这样做就需要降低每粒LED的功率，增加每盏灯具的LED个数，增加了成本。这里提醒一句，切不可错误地认为LED个数多的灯具，就是按这个思路来设计的，其实正相反，有的灯具为了降低成本采用更小芯片的LED，反而光效下降、寿命减短，粒数增多并不表明实际应用功率的增大。这一类LED灯具象其它伪劣商品一样，已在光伏应用中泛滥。
（图5 均益安联公司生产的LED灯具）
综上所述，光伏照明系统的设计与建造既是跨学科的先进的工程技术，又是紧密联系市场和生产的经济活动。我国政府积极支持光伏技术的应用发展，投入巨大，成绩显著。特别是近年来，我国光电池生产企业纷纷上市，沿海地区电子产业的规模化发展，都大大地促进了国内光伏产业的兴起和各地光伏工程的建设。虽然，我国目前所建造的各类光伏工程还存在着许多疑难和问题。相信在广大科技人员的不懈努力之中，在一些领头的光伏企业的积极开拓之下，用我国拥有的自主知识产权，把光伏照明工程建造的更加完美。本文相关技术内容和工程照片由深圳均益安联光伏工程公司无偿提供，特此向该公司技术部工程人员致意！
