光伏照明三大技術(shù)瓶頸

1、光伏照明三大技術(shù)瓶頸 控制器、鎮(zhèn)流器、儲(chǔ)能裝置無(wú)錫尚德太陽(yáng)能電力有限公司 孟昭淵摘要太陽(yáng)能光伏照明的技術(shù)瓶頸在哪里？目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的看法。經(jīng)過(guò)我們的研究，應(yīng)該是控制器、電子鎮(zhèn)流器和蓄電池，而不是通常大家認(rèn)為的是太陽(yáng)電池和光源，太陽(yáng)電池和光源從來(lái)都不是影響太陽(yáng)能光伏照明的技術(shù)瓶頸。 本文就是對(duì)以上的觀點(diǎn)進(jìn)行論述。關(guān)鍵詞 太陽(yáng)電池 控制器 鎮(zhèn)流器 磷酸鐵鋰蓄電池 飛輪電池太陽(yáng)能光伏照明技術(shù)最近幾年在道路照明領(lǐng)域得到了推廣和應(yīng)用，受到了廣泛的關(guān)注，光伏照明裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用在“村村通電”、“鄉(xiāng)鄉(xiāng)通電”、“城市亮化”、“社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)”等工程建設(shè)中，為缺電、少電地區(qū)的群眾送去光明，為城鄉(xiāng)節(jié)約能源、美

2、化環(huán)境做出貢獻(xiàn)。但是由于關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題存在缺陷，盲目上馬，頻頻出現(xiàn)的質(zhì)量事故，又給產(chǎn)業(yè)的發(fā)展造成很大的阻力。究竟是什么是造成太陽(yáng)能照明裝置可靠性不高的主要原因？它的技術(shù)瓶頸究竟在哪里？至今尚沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，有人認(rèn)為太陽(yáng)能照明裝置的可靠不高的主要原因是由于光源的可靠性造成的，其理由是在太陽(yáng)能照明裝置中，光源特別容易是損壞；也有人認(rèn)為太陽(yáng)能照明裝置的可靠不高的主要原因是由于蓄電池的質(zhì)量不好的原因，理由是再好的蓄電池，3-5年就報(bào)廢了，而蓄電池的價(jià)格又特別昂貴。而我們認(rèn)為主要是因?yàn)榭刂?、電子?zhèn)流器和通常大家選擇的鉛酸蓄電池的技術(shù)指標(biāo)達(dá)不到道路照明這個(gè)特殊工作環(huán)境中的特殊要求所致。與光源幾乎沒(méi)有關(guān)系

3、。下面將對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析，并且提出解決問(wèn)題的方法。 1：控制器1.1控制器對(duì)光源的影響光源的損壞往往也產(chǎn)生于控制器，大家知道，舊的蓄電池或者放電快要結(jié)束的蓄電池的負(fù)載能力都比較差，電光源的啟動(dòng)電流往往是工作電流的10-20倍，過(guò)大峰值的電流會(huì)讓蓄電池的端電壓迅速下降到放電截止電壓以下，控制器保護(hù)功能開(kāi)始起作用，蓄電池開(kāi)始恢復(fù)性升壓，如果控制器的回差設(shè)計(jì)的不合理，電光源將又開(kāi)始啟動(dòng)，這樣反復(fù)啟動(dòng)、閃爍，如果光源不是LED，其它光源都會(huì)加速損壞。合理控制蓄電池放電保護(hù)的回差電壓值是一個(gè)比較復(fù)雜的問(wèn)題，這是因?yàn)樾铍姵氐膮?shù)在整個(gè)使用壽命期間是一個(gè)變量，無(wú)論是充放電效率還是蓄電池的內(nèi)阻、新舊之間相差

4、甚遠(yuǎn)，如果要兼顧新蓄電池和舊蓄電池的一個(gè)回差，并不是容易的事情。1.2 控制器對(duì)蓄電池的影響目前太陽(yáng)能光明裝置所使用的蓄電池基本上是“免維護(hù)蓄電池”和“密閉蓄電池” 免維護(hù)蓄電池并不是不需要維護(hù)，只不過(guò)是維護(hù)周期延長(zhǎng)了，并不是真正的免維護(hù)。為了“免維護(hù)”和“密閉”在技術(shù)上這兩種蓄電池必須防止電池失水、以及把蓄電池充放電過(guò)程中產(chǎn)生的氣體重新組合成水；這兩種蓄電池的的電極和隔板和普通蓄電池的電極和隔板是不一樣的不能夠出現(xiàn)過(guò)充電，過(guò)充電是這類(lèi)蓄電池的“第一殺手”。同時(shí)，蓄電池還不能夠過(guò)充電過(guò)放電，一次嚴(yán)重的過(guò)電放電就有可能造成蓄電池的永久性損壞。控制器就承擔(dān)著保護(hù)蓄電池既不能夠過(guò)充電也不能夠過(guò)放電的

5、任務(wù)，并且是在整個(gè)太陽(yáng)能路燈的使用期間內(nèi)，不能夠有一次誤動(dòng)作；要知道，一次失誤就有可能造成整個(gè)太陽(yáng)能路燈的損壞。另外，不同的溫度條件下，過(guò)充電、過(guò)放電的電壓控制點(diǎn)是不一樣的，這一點(diǎn)也需要控制器來(lái)補(bǔ)償。1.3控制器對(duì)太陽(yáng)電池的影響一般來(lái)說(shuō)，控制器的好壞是影響不了太陽(yáng)電池的使用壽命的。但是在一種特殊的情況下，控制器可能造成太陽(yáng)電池的損壞。為了控制太陽(yáng)電池不對(duì)蓄電池過(guò)充電，通常是在蓄電池充滿電以后將太陽(yáng)電池?cái)嚅_(kāi)或者是將太陽(yáng)電池的正負(fù)極直接短路。對(duì)于小型光伏控制器，為了電路簡(jiǎn)單，經(jīng)常采用正負(fù)極直接短路的辦法，這樣做在正常情況下是可以的。但是，如果太陽(yáng)電池本身有瑕疵（一些沒(méi)有資質(zhì)的小型太陽(yáng)電池組件加工廠

6、經(jīng)常會(huì)這樣），過(guò)大的短路電流長(zhǎng)時(shí)間工作就會(huì)讓太陽(yáng)電池?fù)p壞，所以太陽(yáng)能路燈控制器最好是采用在蓄電池充滿電以后將太陽(yáng)電池?cái)嚅_(kāi)的控制方法。1.4通?？刂破鞔嬖诘膯?wèn)題及解決方法1.4.1完全由硬件控制這幾年在北京社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)中的太陽(yáng)能道路照明工程中，有一家生產(chǎn)廠的控制器大家反應(yīng)比較好，故障率低；我們研究以后發(fā)現(xiàn)這種控制器完全是由硬件制造的，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。缺點(diǎn)是功能比較簡(jiǎn)單，控制精度低。雖然控制器完全是由硬件制造在技術(shù)上是一種倒退，但是在實(shí)際使用中，它的可靠性明顯高于由計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。1.4.2外部硬件強(qiáng)制復(fù)位用單片機(jī)制造控制器是太陽(yáng)能道路照明技術(shù)的必由之路。單片機(jī)的強(qiáng)大功能以及低廉的價(jià)格

7、非常適合制造控制器。但是軟件設(shè)計(jì)上的缺陷或者單片機(jī)內(nèi)核的缺陷在太陽(yáng)能道路照明系統(tǒng)的惡劣環(huán)境中，出現(xiàn)“死機(jī)”的現(xiàn)象比較普遍。其中包括各種電磁干擾，以及連續(xù)陰雨天氣蓄電池電壓過(guò)低，單片機(jī)“失電”等等情況。我們用硬件在每天天亮?xí)r給單片機(jī)進(jìn)行一次強(qiáng)制復(fù)位，可以基本上解決單片機(jī)程序跑飛，進(jìn)入死循環(huán)的問(wèn)題。1.4.3全部灌膠密封由于太陽(yáng)能路燈的工作環(huán)境太惡劣，控制器應(yīng)該全部灌膠密封，使防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP65。實(shí)際上，通常路燈的電子鎮(zhèn)流器等電子部件的防護(hù)措施就是這樣做的。2：鎮(zhèn)流器2.1蓄電池電壓波動(dòng)對(duì)鎮(zhèn)流器性能的致命影響通常電子鎮(zhèn)流器的電源電壓波動(dòng)范圍不會(huì)超過(guò)10%，而太陽(yáng)能光伏照明系統(tǒng)中的蓄電池在正常情況

8、下電壓波動(dòng)范圍將超過(guò)25%以上。如果是使用時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，即將報(bào)廢的蓄電池，在鎮(zhèn)流器啟動(dòng)的瞬間蓄電池電壓波動(dòng)范圍可能超過(guò)50%以上，這一點(diǎn)是通常電子鎮(zhèn)流器所不能夠接受的。其結(jié)果是：1） 鎮(zhèn)流器的技術(shù)參數(shù)將嚴(yán)重超標(biāo)，造成熒光燈或者高壓氣體放電燈的損毀。2） 電子鎮(zhèn)流器本身的損壞。2.2如何設(shè)計(jì)光伏照明專(zhuān)用電子鎮(zhèn)流器2.2.1 電源需要增加穩(wěn)壓電路 目前各種DC/DC穩(wěn)壓集成電路中，有許多可供選擇的芯片，這里就不重復(fù)了。2.2.2 盡量和光源分開(kāi) 太陽(yáng)能光伏照明都是低電壓直流系統(tǒng)，通過(guò)功率驅(qū)動(dòng)晶體管的電流要比常規(guī)電子鎮(zhèn)流器的電流大10倍左右，功率驅(qū)動(dòng)晶體管的功率損耗將大幅度增加，通常鎮(zhèn)流器，特別是緊湊型

9、熒光燈鎮(zhèn)流器的散熱方式已經(jīng)不能夠滿足需要了；電子元器件的使用壽命與工作環(huán)境溫度有關(guān)，所以鎮(zhèn)流器應(yīng)該和光源分開(kāi)，避免光源發(fā)出的熱量的影響。2.2.3 防護(hù)等級(jí)IP65太陽(yáng)能光伏照明鎮(zhèn)流器的工作環(huán)境溫度變化范圍大，-30+50安裝 在戶外，工作環(huán)境惡劣，由于鎮(zhèn)流器安裝在燈桿內(nèi)部，即使在正常的使用條件下，潮濕、灰塵、蚊蟲(chóng)尸體都可能造成鎮(zhèn)流器內(nèi)部高阻抗部分短路，因此鎮(zhèn)流器失效。所以鎮(zhèn)流器的防護(hù)等級(jí)應(yīng)該為IP65。2.2.4關(guān)于LED的恒流電源 現(xiàn)在LED應(yīng)用技術(shù)水平已經(jīng)提高了許多，大家都認(rèn)識(shí)到LED必須由恒流電源驅(qū)動(dòng)，這樣，如果LED的散熱問(wèn)題也得到解決，太陽(yáng)能LED燈的使用壽命應(yīng)該是比較長(zhǎng)的。這并不

10、是LED本身的貢獻(xiàn)，而是由于恒流電源比電子鎮(zhèn)流器的結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單，同恒流電源對(duì)蓄電池的性能要求也比較低，恒流電源在啟動(dòng)時(shí)沒(méi)有大的脈沖電流，對(duì)蓄電池的沖擊小所造成的。3：儲(chǔ)能裝置3.1什么是太陽(yáng)能光伏蓄電池？3.1.1瓦時(shí)效率要高 蓄電池的效率分電壓效率、安時(shí)效率和瓦時(shí)效率，我們最關(guān)心的是瓦時(shí)效率。普通蓄電池的瓦時(shí)效率是隨使用時(shí)間而變化的，新的蓄電池的瓦時(shí)效率可以達(dá)到90%，舊的蓄電池瓦時(shí)效率只有60-70%；再者，蓄電池的瓦時(shí)效率是指25條件下的效率，當(dāng)環(huán)境溫度在零下或者40以上時(shí)實(shí)際效率要下降許多，蓄電池的效率往往不被大家注意，其實(shí)它對(duì)于小型太陽(yáng)能光伏照明電器是非常重要的。3.1.2充電曲線盡量

11、平坦為了得到太陽(yáng)電池能量的最大輸出，通常需要通過(guò)改變太陽(yáng)電池輸出電壓，即：DC/DC變化來(lái)跟蹤太陽(yáng)電池的最大功率輸出點(diǎn)，就是MPPT技術(shù)。但是對(duì)于目前絕大多數(shù)功率只有幾十瓦至一兩百瓦的LED照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于小功率的DC/DC變換效率比較低，通過(guò)這種變換多得到的太陽(yáng)電池能量往往還彌補(bǔ)不了DC/DC變換中的能量損失，最多得失相當(dāng)，所以沒(méi)實(shí)際意義。圖1相對(duì)平坦的充電曲線使得太陽(yáng)電池的工作點(diǎn)保持在Um附近 如果有一種能夠相對(duì)穩(wěn)定的蓄電池充電平臺(tái)，這個(gè)電壓可以始終保持在Um附近 ，從而不用 DC/DC變換完成MPPT功能，圖1說(shuō)明了這個(gè)問(wèn)題，可以使太陽(yáng)電池對(duì)蓄電池的充電效率達(dá)到最高。3.1.3循環(huán)次數(shù)

12、多，使用壽命長(zhǎng)3.1.4價(jià)格合適3.2磷酸鐵鋰蓄電池1）磷酸鐵鋰蓄電池的瓦時(shí)效率在使用壽命期內(nèi)平均可以達(dá)到95%以上。2）超長(zhǎng)壽命，長(zhǎng)壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就500次，而磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，循環(huán)壽命達(dá)到2000次以上，磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，將達(dá)到年。綜合考慮，性能價(jià)格比將為鉛酸電池的5倍以上。3）體積小、重量輕，同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3重量是鉛酸電池的1/3。4）磷酸鐵鋰材料無(wú)任何有毒有害物質(zhì)不會(huì)對(duì)環(huán)境構(gòu)成任何污染被世界公認(rèn)為綠色環(huán)保電池，該電池?zé)o論在生產(chǎn)及使用中，均無(wú)污染，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，

13、成為國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。5）單體3V電壓，適合與白顏色LED直接高效率匹配，小型太陽(yáng)能光伏照明電器所用的光源大部分是LED，不同顏色的LED的工作電壓是不同的，如果不考慮到這個(gè)因素，隨便使用蓄電池，難免就需要DC/DC變換電路，DC/DC變換電路是有能量損失的，尤其是小功率的小型太陽(yáng)能光伏照明電器中使用的DC/DC變換電路，效率比較低70%左右。如果認(rèn)識(shí)到不同的蓄電池的標(biāo)稱(chēng)電壓是不同的，只要巧用蓄電池的標(biāo)稱(chēng)電壓，不同的LED采用 不同標(biāo)稱(chēng)電壓的蓄電池，就可以達(dá)到予想不到的效果。例如，對(duì)于用工作電壓3V左右白顏色LED設(shè)計(jì)的1W太陽(yáng)能應(yīng)急照明燈，無(wú)論用鋰離子蓄電池、鎳氫蓄電池，鉛酸蓄電

14、池都組合不出3V的標(biāo)稱(chēng)電壓，通常要用DC/DC變換電路或者比較大的限流電阻，系統(tǒng)效率比較低。如果采用磷酸鐵鋰蓄電池（單體電壓3V），就可以不用DC/DC變換電路，只要比較小的限流電阻，效率提高和成本下降。 6）有相對(duì)平坦的充電電壓平臺(tái)，可以自動(dòng)鉗位MPP，如圖2 圖2 充電電壓相對(duì)平坦3.3飛輪電池飛輪儲(chǔ)能技術(shù)大約有100年的發(fā)展歷史，是今天的磁懸浮和現(xiàn)代電力電子技術(shù)的進(jìn)步讓這個(gè)古老的技術(shù)煥發(fā)了青春?，F(xiàn)代的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是將飛輪懸浮在一個(gè)真空的腔體里面，幾乎沒(méi)有損失的存儲(chǔ)能量，這是飛輪儲(chǔ)能技術(shù)劃時(shí)代的進(jìn)步。它的儲(chǔ)能效率可以達(dá)到90%以上，能量存儲(chǔ)成本可以接近膠體鉛酸蓄電池，使用壽命20年，可以和

15、太陽(yáng)電池：“門(mén)當(dāng)戶對(duì)”。 這是一個(gè)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能的方案Steel FlywheelMil Std. 21549.5” dia. x 18”Motor-Generator Rotor MagnetsMotor-Generator Air Core ArmatureVacuum SealElectronic Drive4 Quadrant, TrapezoidalVacuum GetterZrVFe PelletsDC PowerIn-OutAxial Permanent Magnet Lift BearingTouchdown ShaftRadial Ball BearingQuill ShaftInternal Vacuum目標(biāo)參數(shù)可用能量:1.0 kWh 額定功率:40 W 電