摘要：本文介紹了長春地區太陽能LED照明系統的優化設計．設計者可根據當地氣象資料、LED用電負載情況、所選定組件的價格及特性，通過本文介紹的設計方法，確定太陽能組件和蓄電池容量，經過經濟比較，確定滿足需求的最佳方案．
關鍵詞：太陽能LED照明系統；優化設計方法；經濟比較
太陽能發電不需要燃料和運輸，是清潔能源的首選．太陽能光伏電池與LED組合成的太陽能照明系統，近年在我國發展迅速，技術日趨成熟，被廣泛用于廣場、停車場、草坪、街道等公共場合．本文針對嚴寒地區太陽能LED照明系統應用的工程實例，通過對系統主要部分的分析研究，提出了系統優化設計的方法．
1太陽能路燈的基本原理
太陽能路燈系統由太陽能電池板、蓄電池組件、自動控制器、LED照明燈、燈架等組成．工作原理為太陽能電池板白天接受太陽輻射能，通過自動控制器對蓄電池組件充電，夜間給LED燈供電進行照明．自動控制器的性能要求為：可以保證蓄電池在任何條件（陽光充足和連續陰雨）下不被過充和過放造成損害，有效延長蓄電池組件的壽命．同時，自動控制器還可具有光控、時控等功能，既可以使路燈在能見度降低時自動開啟，能見度升高時關閉，還可以對路燈進行定時開關．
2設計方法
2.1太陽能電池板的傾角的確定
太陽能路燈照明系統，相當于負荷均勻的獨立光伏發電系統．太陽輻射均勻性對光伏發電系統的影響很大，所以要對其進行量化處理．但量化處理工作量大，數據繁瑣，出現錯誤的幾率較大，故設計過程中，經常根據當地緯度與太陽能電池板傾角的關系確立太陽能電池板的傾角．緯度和太陽能電池板傾角的關系見表1[1]．
長春位于東經125°13′，北緯43°54′，平均海拔高度236.8m，屬于太能資源較豐富地區[2]．由表1規定緯度和太陽能電池板傾角的關系確立太陽能電池板的傾角為55°．
2.2平均峰值日照時數[3]
平均峰值日照時數： Tm=HT(mWh·cm-2)100(mWh·cm-2)
式中，Tm為平均峰值日照時數；HT為全年平均日太陽輻射量；標準日太陽輻射照度為100（mWh/cm2）．經過測算長春地區55°傾角平均峰值日照時數為4.61h.
2.3確定電池組件最佳電流[4-5]
太陽能電池組件應輸出的最小電流：Imin=LTmax·η1·η2·η3
式中，L為照明負載每天總耗電量；Tmax為各月中太陽能總輻射最大的峰值日照時數；η1為蓄電池組件充電效率(0.80~0.90)；η2為太陽能電池組件表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數,通常可取0.9~0.95；η3為太陽能電池組件組合損失和對最大功率點偏離的修正系數,通常可取0.9~0.95．
太陽能電池組件應輸出的最大電流：
Imax=LTmin·η1·η2·η3
式中，Tmin為各月中太陽能總輻射最小的峰值日照時數;其他各項同公式（2），計算太陽能路燈的用電負荷如表2所示；長春市各月55°南向斜面上的日均輻射量和峰值日照小時數的測算如表3所示．
根據表2、表3所列數據，帶入公式（2），（3）得：Imin=1.82A；Imax=2.59A.太陽能電池組件的最佳電流值I：Imin≤IA≤Imax，具體數值可用試驗方法確定．
方法是先選定一個電流值IA,按月求出太陽能電池組件的輸出發電量,對蓄電池組件全年的荷電狀態進行試驗．太陽能電池組件輸出發電量可根據式(4)進行計算．
EA=IA·N·HT·η1·η2·η3/100(mW·cm2)
式中，N為當月天數；各月負載耗電量為EL=N·L
兩者相減，若ΔE=EA-EL為正,表示該月太陽能電池組件發電量大于用電量,能給蓄電池組件充電;若ΔE為負,表示該月太陽能電池組件發電量小于耗電量,要用蓄電池組件貯存的電能來補充,蓄電池組件處于虧損狀態．通過全年荷點狀態試驗，選出連續虧損期，選定的太陽能組件電流所對應的年虧損期連續虧欠量具體數量見表4．
2.4蓄電池組件容量的確定
列表算出全年各月ΔEi的數值,并算出全年中ΔE連續為負值(即連續虧欠量)的累積值∑ΔEi．如果全年只有一個連續虧欠期，它就是累積虧欠量之和．對北半球來說，由于歲末年初是冬季，在計算累積虧欠量時應取兩年進行連續計算．最后求出累積虧欠量∑ΔEi，計算數值見表4。
按照以上方法即可確定蓄電池組件的容量:
Cb=∑ΔEiDOD
式中，DOD為放電深度,對鉛酸蓄電池組最大可達75%~80%．但考慮蓄電池組的壽命等影響因素,一般取DOD=60%~70%為宜[6]，具體計算數值見表5
2.5確定太陽能電池組件的工作電壓[7]
為保證全年能夠有效的對蓄電池組件進行充電，太陽能電池板的輸出電壓在任何季節必須滿足：
VA=Vf+Vd+Vi
式中，Vf為蓄電池組浮充電壓；Vd為因阻塞二極管和線路直流損耗引起的壓降；Vi為因溫度升高引起的壓降．
其中Vi的計算公式如下：
Vi=a(tmax-25)VA
式中，a為太陽能電池組件的溫度系數，對非晶硅池組件來說，a=0.003；Tmax為太陽能電池組件的最高工作溫度(45℃~60℃)；VA為太陽能電池組件的標準工作電壓．
2.6確定太陽能電池組件功率
太陽能電池組件板的功率
pA=IA·VA·KI-a(tmax-25)
式中，a，tmax取值與式(7)中相同；K為考慮一些未知工作因素,而引入的安全系數,可根據電壓等級,數據準確程度,運行環境等,在1.05~1.30之間選取．PA具體計算數值見表5．
3經濟比較與方案的確定
通過表5的數據可得，太陽能電池板的峰值功率P=50W，蓄電池容量Cb=59Ah的結合方式為最經濟結合方式．在連續陰雨5天的情況下，LED照明負載運行所需要的電量為：E=5L=35Ah．放電深度DOD=58.3%，小于70%的設計要求．故此種方案為最經濟方案．
按照本文所述步驟，求出蓄電池組件的容量和太陽能電池板的電流、電壓、功率，與廠商所提供的產品型號和規格進行比較，就可以選取合適的太陽能電池板和蓄電池組件．
4結論
本文通過對長春地區的氣象數據、負載用電情況、所選定組件的特性和價格，以及系統需要的可靠性進行整理，按照本文提供的計算方法，確定了太陽能LED照明系統唯一最經濟方案．