太陽(yáng)能LED照明系統(tǒng)及LED路燈設(shè)計(jì)分析

如果不是柴文藝的“穹頂之下”，估計(jì)我一直要把這篇文章壓著。此刻不用去理會(huì)關(guān)于柴阿姨的紛爭(zhēng)，她對(duì)環(huán)保的吶喊，驚醒了與環(huán)保多少還有點(diǎn)沾邊的我：如果我還壓著這篇有關(guān)提升節(jié)能環(huán)保的文章，多少顯得我有些麻木！

筆者一直想寫個(gè)有關(guān)LED照明采用與太陽(yáng)能分布式系統(tǒng)良性互動(dòng)的分析，LED如何有效降低業(yè)主前期系統(tǒng)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(duì)太陽(yáng)能LED照明小系統(tǒng)，太陽(yáng)能LED路燈和火熱的太陽(yáng)能分布式屋頂?shù)牧夹源龠M(jìn)，文中有些淺表的投資回報(bào)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(jié)和思考即可。

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

此類燈具常見(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(jì)算，主要目的在于分析高效LED顆粒采用對(duì)系統(tǒng)成本的影響。

我們簡(jiǎn)單利用光效與電流的關(guān)系，定義驅(qū)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(tǒng)功率按照5瓦計(jì)算，每天設(shè)計(jì)工作4小時(shí)，充滿電能連續(xù)工作3個(gè)夜晚，峰值日照小時(shí)數(shù)采用5小時(shí)，我們可以簡(jiǎn)單計(jì)算得出：

系統(tǒng)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(jì)算：1.35*4*1.2*6/5=7.8瓦；取8瓦，DC6V，（考慮系統(tǒng)損耗，太陽(yáng)能電池板容量預(yù)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(shè)計(jì)工作4小時(shí)，充滿電能連續(xù)工作3個(gè)夜晚，峰值日照小時(shí)數(shù)采用5小時(shí)，我們同上可以簡(jiǎn)單計(jì)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(dāng)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(tǒng)綜合成本大為降低。

同上分析，我們?cè)賮?lái)看常規(guī)太陽(yáng)能LED路燈，LED路燈系統(tǒng)光效對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)的影響。

太陽(yáng)能路燈核心部件：

筆者的團(tuán)隊(duì)正在給上海某工廠廠區(qū)設(shè)計(jì)道路照明，LED路燈功率30瓦，系統(tǒng)光效100LPW，系統(tǒng)電壓DC12V，燈桿高6米，間距10米，路雙側(cè)安裝，路燈每晚滿功率工作10小時(shí)，連續(xù)5個(gè)陰雨天的蓄電池自動(dòng)續(xù)航照明，按照峰值日照小時(shí)數(shù)4小時(shí)，大致配置：

LED燈頭30瓦；

系統(tǒng)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(jì)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(tǒng)光效只有85LPW的燈頭，在同樣的配光情況下，我們可以認(rèn)為，LED系統(tǒng)功率要至少35瓦。那么要達(dá)到同樣的系統(tǒng)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(duì)分布式太陽(yáng)能屋頂?shù)牧夹曰?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(tǒng)基本構(gòu)成：

我們結(jié)合目前手中操作的一座上海的印刷工廠屋頂安裝太陽(yáng)能方案來(lái)進(jìn)行模擬計(jì)算；假設(shè)該工廠主要工作負(fù)載為照明和印刷設(shè)備。本案例中為了方便計(jì)算，我們采用照明用電占該廠區(qū)總耗電10%來(lái)計(jì)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?nèi)?0%。 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(dá)到。

進(jìn)行LED節(jié)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(yuǎn)高于此數(shù)值，一個(gè)電源自身功率，還有此類燈具熱機(jī)過(guò)程中的巨大耗電量，此處簡(jiǎn)化為理想的標(biāo)稱功率）。

那么根據(jù)上述因子，可以推算出該車間工作負(fù)載總功率為150000瓦，其中印刷設(shè)備，辦公設(shè)備的總功率145000瓦，我們對(duì)車間進(jìn)行實(shí)地測(cè)量和DIALux模擬計(jì)算分析，100瓦LED工礦燈即可達(dá)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(jì)算太陽(yáng)能板安裝設(shè)計(jì)容量

太陽(yáng)能所發(fā)電量能夠維持白天負(fù)載用電。

注：1）、在實(shí)際計(jì)算中，我們一般采用專業(yè)設(shè)計(jì)軟件，如PVSys和RetScreen等進(jìn)行計(jì)算，就如我們采用DIALuxevo計(jì)算照明效果類似；

2）、為了簡(jiǎn)化理解，我們采取365天工作；實(shí)際應(yīng)用中，周末休息，負(fù)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(tǒng)容量的設(shè)計(jì)還要取決于當(dāng)?shù)毓╇娋峙渲玫淖儔浩魅萘浚话?0KVA變壓器支持400KW太陽(yáng)能裝機(jī)容量。

2、計(jì)算現(xiàn)金收益

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

因?yàn)樘?yáng)能發(fā)電享受中央和地方補(bǔ)貼以及余電上網(wǎng)收入，那么：

現(xiàn)金收入=（中央+地方補(bǔ)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(xiàn)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(bǔ)貼將不再享有。

3、綜合收益對(duì)比

設(shè)定當(dāng)?shù)厥须妰r(jià)格：1元/Kwh

1）、投資回報(bào)期測(cè)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(bào)測(cè)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(dāng)于初始投資成本472萬(wàn)，凈收益918萬(wàn)，年回報(bào)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(dāng)于初始投資成本454萬(wàn)，凈收益922萬(wàn)，年回報(bào)率10.2%。

注：以上計(jì)算只是顯示在同等條件下，安裝LED之后的太陽(yáng)能系統(tǒng)與未安裝LED的太陽(yáng)能系統(tǒng)的收益對(duì)比，我們簡(jiǎn)化了一些變量。在實(shí)際計(jì)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(jì)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(bào)。

末了，再額外補(bǔ)充幾句，歡迎大家拍磚：

1、以上各類計(jì)算和分析，簡(jiǎn)而言之：花小錢（LED照明投資相對(duì)于太陽(yáng)能屋頂?shù)耐顿Y，份額很?。?，辦大事。太陽(yáng)能分布式如果輔以工作負(fù)載端節(jié)能改造，比如LED照明應(yīng)用，投資回報(bào)如虎添翼；

2、LED照明可以發(fā)揮其易于調(diào)光調(diào)色，進(jìn)一步降低能耗，從而可以進(jìn)一步降低太陽(yáng)能設(shè)計(jì)容量；

3、未來(lái)太陽(yáng)能分布式家庭，室內(nèi)安裝有各類節(jié)能電器，包括LED燈具，還有儲(chǔ)能設(shè)施，將有一套HEMS（居家能源管理系統(tǒng)）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理這些負(fù)載端，儲(chǔ)能端和太陽(yáng)能光伏發(fā)電端。

LED燈具作為節(jié)能照明的功能可能不再是其賣點(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(jì)，感知天氣變化，及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息至控制中心，控制中心自動(dòng)偵測(cè)儲(chǔ)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(tái)，成為市政管理大數(shù)據(jù)信息采集平臺(tái)，更遠(yuǎn)一些，去中心化的大背景下，分布式清潔能源構(gòu)建的微電網(wǎng)里，LED照明也會(huì)扮演一個(gè)節(jié)能和信息攝取傳輸?shù)碾p重角色！