太阳能LED照明系统及LED路灯设计分析

如果不是柴文艺的“穹顶之下”，估计我一直要把这篇文章压着。此刻不用去理会关于柴阿姨的纷争，她对环保的呐喊，惊醒了与环保多少还有点沾边的我：如果我还压着这篇有关提升节能环保的文章，多少显得我有些麻木！

笔者一直想写个有关LED照明采用与太阳能分布式系统良性互动的分析，LED如何有效降低业主前期系统成本投资，增加收益等，从而推动太阳能分布式更好地发展。

我将分别分析高效LED的采用对太阳能LED照明小系统，太阳能LED路灯和火热的太阳能分布式屋顶的良性促进，文中有些浅表的投资回报表格分析，我已尽力简化，您没耐心看，没关系，只要关注笔者的几点总结和思考即可。

一、太阳能LED照明小系统

我们首先从太阳能LED照明小系统来分析一下。图片是笔者光伏圈一位”老法师”设计的水果太阳能LED灯具系列。

此类灯具常见核心部件：

锂电蓄电池本身工作电压DC3.7V，与LED灯珠Vf相仿，为了便于理解，我们采用LED灯珠并联的方式来简化计算，主要目的在于分析高效LED颗粒采用对系统成本的影响。

我们简单利用光效与电流的关系，定义驱动电流。

a）如果采用低光效LED颗粒，单颗电流@300mA，Vf=3V，100LPW，需要5颗LED灯珠并联；那么LED系统功率按照5瓦计算，每天设计工作4小时，充满电能连续工作3个夜晚，峰值日照小时数采用5小时，我们可以简单计算得出：

系统电压3.7V，工作电流：5/3.7=1.35A；

蓄电池容量1.35*4*（3+1）=21.6Ah，考虑到锂电池放电深度，取DC3.7V，25Ah；

太阳能电池板功率计算：1.35*4*1.2*6/5=7.8瓦；取8瓦，DC6V，（考虑系统损耗，太阳能电池板容量预留20%）

b）如果采用高光效LED颗粒，单颗电流@300mA，Vf=3V，140LPW，需要4颗LED灯珠并联，那么LED功率为4瓦，每天设计工作4小时，充满电能连续工作3个夜晚，峰值日照小时数采用5小时，我们同上可以简单计算得出：

蓄电池容量DC3.7V，20Ah；

太阳能电池板功率6.5瓦，DC6V；

那么产生什么样的成本影响呢？

这就是为什么当时这位老法师在笔者面前“吹嘘”其采用日本某品牌高光效LED颗粒，尽管LED成本增加，但系统综合成本大为降低。

二、太阳能LED路灯设计

同上分析，我们再来看常规太阳能LED路灯，LED路灯系统光效对太阳能系统的影响。

太阳能路灯核心部件：

笔者的团队正在给上海某工厂厂区设计道路照明，LED路灯功率30瓦，系统光效100LPW，系统电压DC12V，灯杆高6米，间距10米，路双侧安装，路灯每晚满功率工作10小时，连续5个阴雨天的蓄电池自动续航照明，按照峰值日照小时数4小时，大致配置：

LED灯头30瓦；

系统电压12V，工作电流：30/12=2.5A；

蓄电池容量2.5*10*（5+1）/0.8=187.5Ah，考虑铅酸蓄电池放电深度，取DC12V，200Ah；

多晶太阳能电池板功率计算：2.5*10*1.2*18/4=135瓦；太阳能电池板取多晶135瓦，DC18V输出；

那么如果我们采用系统光效只有85LPW的灯头，在同样的配光情况下，我们可以认为，LED系统功率要至少35瓦。那么要达到同样的系统自治要求，配置需要：

LED灯头35瓦；

蓄电池DC12V，230Ah；

单晶太阳能组件160瓦，DC18V输出；

成本比较如下：

三、LED照明对分布式太阳能屋顶的良性互动

最后，我们来看时下最热的分布式太阳能屋顶：

系统基本构成：

我们结合目前手中 *** 作的一座上海的印刷工厂屋顶安装太阳能方案来进行模拟计算；假设该工厂主要工作负载为照明和印刷设备。本案例中为了方便计算，我们采用照明用电占该厂区总耗电10%来计算。

注：原本笔者参照LED先锋人物RolandHaitz给出的一个比例：世界上20%的电力用来照明，但为了简单，本文我们取10%。 RolandHaitz，前安捷伦科技CTO，他有一个Haitz定律，关于LED光效和成本之间的互动关系：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，简单的说就是每十年，LED每流明的成本降低10个因子，而光通量将上升20个因子。个人感觉目前的技术发展，可能不需要十年的时间跨越即可 达到。

进行LED节能改造前，原有灯具为老旧的金卤灯具，250瓦，60套，总功率理论上15000瓦（实际功耗远高于此数值，一个电源自身功率，还有此类灯具热机过程中的巨大耗电量，此处简化为理想的标称功率）。

那么根据上述因子，可以推算出该车间工作负载总功率为150000瓦，其中印刷设备，办公设备的总功率145000瓦，我们对车间进行实地测量和DIALux模拟计算分析，100瓦LED工矿灯即可达到原来250瓦灯具的照明效果。此时，LED灯具总功率6000瓦。

1、计算太阳能板安装设计容量

太阳能所发电量能够维持白天负载用电。

注：1）、在实际计算中，我们一般采用专业设计软件，如PVSys和RetScreen等进行计算，就如我们采用DIALuxevo计算照明效果类似；

2）、为了简化理解，我们采取365天工作；实际应用中，周末休息，负载不工作，太阳能所发电量几乎100%全部自动上网；

3）、系统容量的设计还要取决于当地供电局配置的变压器容量，一般10KVA变压器支持400KW太阳能装机容量。

2、计算现金收益

由上述计算，我们得出“仅安装太阳能”和“安装太阳能+LED照明节能改造”，两种情形下的太阳能设计容量，我们简化设计容量分别如下：460Kw和430Kw：

因为太阳能发电享受中央和地方补贴以及余电上网收入，那么：

现金收入=（中央+地方补贴单价）*太阳能总发电量+余电上网收入

比如第一年现金收入=（0.42+0.25）*487600+0.45*48760=348634；从第6年开始，包括第6年，上海市地方补贴将不再享有。

3、综合收益对比

设定当地市电价格：1元/Kwh

1）、投资回报期测算

很明显：安装LED和太阳能屋顶，6年回本并获得收益，而单纯安装太阳能板，需要7年时间才能回本。

2）、投资总汇报测算

综合两张表可以看出：

a）、单纯安装太阳能电池板，20年时间里总效益：1390万，初始投资成本460万，灯具寿命按照3年一个轮换周期，换6次，耗资12万，相当于初始投资成本472万，净收益918万，年回报率9.7%；

b）、LED+安装太阳能电池板，20年时间里总效益：1376万，初始投资成本430万，LED灯具寿命按照5年一个轮换周期，换4次，耗资24万，相当于初始投资成本454万，净收益922万，年回报率10.2%。

注：以上计算只是显示在同等条件下，安装LED之后的太阳能系统与未安装LED的太阳能系统的收益对比，我们简化了一些变量。在实际计算中，我们必须考 虑太阳能电池板输出功率的衰减，一般第一年我们采取1.5%，以后逐年按照0.7%衰减率，另外在投资计算模型时，我们还要考虑必要的金融成本和金融杠杆 工具，更加贴近真实的投资回报。

末了，再额外补充几句，欢迎大家拍砖：

1、以上各类计算和分析，简而言之：花小钱（LED照明投资相对于太阳能屋顶的投资，份额很小），办大事。太阳能分布式如果辅以工作负载端节能改造，比如LED照明应用，投资回报如虎添翼；

2、LED照明可以发挥其易于调光调色，进一步降低能耗，从而可以进一步降低太阳能设计容量；

3、未来太阳能分布式家庭，室内安装有各类节能电器，包括LED灯具，还有储能设施，将有一套HEMS（居家能源管理系统）无线网络管理这些负载端，储能端和太阳能光伏发电端。

LED灯具作为节能照明的功能可能不再是其卖点，而是将LED灯具作为HEMS这个微型网络的一个Node载体，收集各类信息，灯具与灯具之间进行通信组网，灯具与控制中心之间通信。

比如，室外灯具可以集成气温计，感知天气变化，及时发出预警信息至控制中心，控制中心自动侦测储能蓄电池容量，决定太阳能光伏板发电是否优先充蓄电池。

同样的LED路灯，将成为一个优良的传感器集成平台，成为市政管理大数据信息采集平台，更远一些，去中心化的大背景下，分布式清洁能源构建的微电网里，LED照明也会扮演一个节能和信息摄取传输的双重角色！