1、太阳能光伏照明装置及其可靠性分析(图)前言人类发明太阳电池以后不久就应用在照明装置上。近年来，由于人们的环境保护意识的提高，在我国太阳能光伏照明装置得到了重视和推广应用，但同时也出现许多质量问题。尤其是照度和可靠性等质量问题困扰着我国太阳能光伏照明装置的发展。针对以上问题，我们对太阳能光伏照明装置的四大主要部件“太阳电池” 、“光源”、“ 蓄电池”和“控制器”的可靠性对太阳能光伏照明装置的影响进行了比较系统的分析，并根据我们多年来对太阳电池应用技术研究的经验，提出了解决的方法。1 太阳能光伏照明装置的发展史由于太阳能光伏发电技术的独特优点，太阳电池进入实用阶段不久就被应用在照明领域。在我国，早
2、在 70 年代初太阳电池就被使用在航标灯上，当时在天津港安装了太阳能航标灯。紧接着，为了解决无电源地区的照明问题，太阳能照明灯就越来越多的出现。在我国南方，出现了太阳能割胶灯以及其它许多太阳能照明灯。近年来，由于太阳电池产量的大幅度增加以及我国改革开放以来国民经济实力的提高，太阳能照明灯具开始进入我们的生活;西部光明工程，太阳能路灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能景观灯、太阳能工艺灯，在美化我们生活的同时还给人们带来了意外的惊喜：太阳能照明时代要到来了。太阳能交通信号灯近几年也得到大量普及，现在大家都知道太阳能黄闪灯是怎么一回事了，很多人都是通过太阳能黄闪灯认识太阳电池的。在城市或者乡村公
3、路的十字路口，经常可以看到不分昼夜闪烁着的太阳能黄闪灯，提醒路人，警惕来往车辆。这种不用敷设电线(在公路的十字路口敷设电线有时是非常困难的)，不需要提供电源的交通信号灯在 4-5 年的时间内，如此迅速的在我国城乡得到发展和普及，是非常值得我们这些光伏行业的工作者深思和总结的。这里特别要提一下的是这个领域的一个最成功典型太阳能草坪灯，它的发展是我国唯一完全按照市场规律进行的，不需要花纳税人的钱的项目，太阳能草坪灯是我国太阳能电池和 LED 应用领域的一个不可忽视的重要部分。2006 年的出口数量近两亿盏，占全世界产量的 90%以上，太阳能电池的消耗数量30MW 左右，LED 的消耗量在 2-3
4、亿只，这些数量的太阳电池和 LED 组成的半导体照明系统无论是太阳能照明还是 LED 照明都是目前我国生产的数量最大的。1.2V 的小型蓄电池的消耗也将超过 2 亿只，这绝对是一个让人心动的统计数据。它的生产主要分布在广东、福建、浙江、江苏等沿海一带，它是由 0.2-0.3W 的太阳电池和 1-2 只 LED 组成，它们之间由一个控制和升压起来电路连接，电路机构虽然比较简单，但是它给太阳能光伏照明许多启示，提出了系统中需要研究解决的问题。遗憾的是这个最大太阳能光伏照明项目直到现在还没有被足够重视，处在一种无序的竞争姿态。2 太阳能光伏照明装置的分类由于太阳能光伏发电分为两大类，即：独立太阳能光
5、伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统，它们之间的区别是独立太阳能光伏发电系统配有蓄电池储能，并网太阳能光伏发电系统直接将太阳电池发出的电能送进电网，所以太阳能光伏照明也主要分为两大类，如图 1 所示：我们通常所指的太阳能光伏照明装置主要是独立系统，它的最明显特征就是有蓄电池储能。正是这种太阳电池直接供电的特征赋予了太阳能光伏照明装置无可比拟的优势：不需要电网、不需要敷设电线、灵活机动、便于携带、安全、节能环保等;在许多场合已经完全取代了传统的照明装置。我国的光明工程：由于我国的幅员辽阔，在新疆、西藏、青海、内蒙等无电源地区，国家为了解决当地群众的夜晚照明以及收听广播的问题，花费数十亿启动了光明工
6、程项目，取得了非常好的效果。交通信号灯：在我国，早在 70 年代初太阳电池就被使用在航标灯上，到如今已经 37 年了;由于太阳能光伏照明装置可以不需要电网、不需要敷设电线、灵活机动的优点，无论在航海、航空、还是公路交通信号灯上都得到了非常普遍的应用，取得了良好的经济效益和社会效益。太阳能草坪灯：这是我国目前最大的太阳电池应用项目，也是我国产量最大的太阳能光伏照明装置，它的产量远远超过其他太阳能光伏照明装置的总和。由于全部出口，国内鲜为人知，2006 年出口近 2 亿只，太阳电池消耗 30MW 左右。这种太阳能草坪灯的太阳电池在 0.3W 左右，驱动 1-2 只 LED，一般内部有一节 1.2V
7、 的蓄电池;外国人把这种太阳能草坪灯当作“生日蜡烛”使用，所以销售量非常大，其中 90%以上都是我国制造的。太阳能手电筒：这是最近几年刚刚兴起的一种太阳能产品，主要用于出口，产量每年在递增，据说是国外政府用于发给居民，供遇到自然时应急使用，所以数量很大。太阳能工艺灯：太阳能工艺灯基本上是用树脂做成，她有的象戴着草帽，亭亭玉立的少女，有的象绅士，潇洒地漫步在公园的小路;她们有的被塑造成玉兔，有的被塑造成读书的顽童，有的被塑造成青蛙吃虫，那虫子竟然是萤火虫，用 LED 做成的萤火虫夜晚闪烁发光，情趣盎然。该产品几乎全部出口，产量每年在递增。太阳能门牌灯：用于在夜晚指示门牌，出口量较大。道路照明灯具
8、：这就是目前人们所指的“太阳能路灯” ，近年来在国内受到各级政府和媒体关注，许多制造厂和开发商对这个项目的投资热情非常高，尽管它实际在整个太阳能光伏照明装置中所占的比例很小，但是人们似乎感觉到它将成为太阳能光伏照明装置的主流，甚至将来可以取代传统的道路照明灯具。但是频频的质量事故又让大家产生了许多疑问，本文的目的就是想给大家一个关于“太阳能路灯”的解释。3 太阳能光伏照明装置的特性和目前的适用范围太阳能光伏照明装置的特性是：不需要电网、不需要敷设电线、灵活机动、便于携带、安全、节能环保等;但同时它也受到许多条件的制约：一次性投入大、至使成本大大高于传统的道路照明灯具，太阳电池发电成本要高于火力
9、发电成本的十倍以上，这就说明在没有政府财政补贴的情况下它不能够省钱(况且还有昂贵的蓄电池更换费用);另外，太阳电池发电需要能够接受到太阳的辐射能量，城市道路的林荫以及高楼阴影都给太阳能光伏照明装置的所以带来不便。太阳能光伏照明装置的特性决定了它适用范围特殊场合：没有电的地方;虽然电网就在旁边，但是无法取到电能的地方(这种情况经常遇到 );需要经常移动的场合;需要利用太阳能光伏照明装置宣传新能源，宣传环保的场合。回顾历史，凡是符合上叙规律的应用，基本上是成功的，凡是不符合上叙规律的应用，基本上都失败了，最多也是昙花一现，热闹一番以后就草草收场。最后要说明的是以上结论是建立在目前太阳电池的转换效率
10、和国家政策基础之上的，如果今后太阳电池的转换效率提高了，或者政府财政补贴的政策能够出台，以上结论就不一定对;另外，并网太阳能光伏发电照明系统也不在讨论范围。4 太阳能光伏照明装置的可靠性分析太阳能光伏照明装置的可靠性主要是由它的四个主要部件：太阳电池、光源、控制器、电池的可靠性和系统配置的合理性决定的，下面我们分别作以介绍：4.1 太阳电池对太阳能光伏照明装置可靠性的影响4.1.1 太阳电池的应用特性从应用的角度论述，大家主要关心是太阳电池的外特性。首先，对于单片太阳电池，它是一个 PN 结，除了当太阳光照射在上面时它能够产生电能外，它还具有 PN 结的一切特性。在标准光照条件下它的额定输出电
11、压为 0.48V，太阳能光伏照明装置使用的太阳电池组件都是由多片太阳电池连接构成的。它具有负的温度系数，温度每上升一度，电压下降 2mV，对于多片太阳电池组成的太阳电池组件这就是一个不可忽视的问题。它的输出特性曲线如图 2。图 2 中 Isc 是短路电流，Im 是峰值电流，Voc 是开路电压，Vm 是峰值电压，Pm 是峰值功率 太阳电池的另外一个重要参数是填充因子 FFFF=Voc*Isc/Vm*Im填充因子 FF 表示了太阳电池的品质，FF 的数值大，太阳电池的输出特性就越好，效率就越高，它是太阳电池优劣的重要指标。对于太阳电池的应用来说，对输出特性曲线的了解是十分重要的。这是因为它不仅表示
12、了太阳电池的主要技术指标，而且在太阳电池应用的电路设计中许多工作都是围绕输出特性曲线进行的。当光照条件一定的情况下，输出特性曲线的形状也是一定的，随着负载的变化，工作点在输出特性曲线上移动;当负载电阻为零时，工作点在 Isc，这时虽然短路电流很大，但是由于太阳电池端电压为零，输出功率为零;当负载电阻为无穷大时，这时虽然太阳电池端电压为最大值 Voc，由于太阳电池的电流为零，输出功率仍然为零。实际的状态并不象上面那么极端，工作点在输出特性曲线上移动的，比如航标灯上的太阳电池给一个蓄电池充电，刚开始的时候由于蓄电池电压比较低，这时工作点在输出特性曲线的上方，充电电流比较大，如图 3 所示，工作点为
13、 Pa;随着充电时间的增加，蓄电池的端电压逐渐升高，充电电流逐渐减少，工作点从Pa 逐渐移动到 Pb。在这个移动的过程中，工作点通过 Pm，这时是太阳电池的最大功率输出点。如果太阳电池供电系统始终工作在这个工作点上，负载就会得到最大功率，大型的太阳能发电系统就是通过一个复杂的控制电路来跟踪最大功率输出点，称为 MPPT;对于小型太阳能光伏照明装置，使用 MPPT 技术多得到的能量往往不能够弥补其中 DC/DC 变换的损失，所以很少这样做。但是这并不是说最大功率输出点的问题不重要，相反需要在系统设计时更加小心。举一个例子来说，目前小型太阳能光伏照明装置采用40W 太阳电池组件对 150AH-18
14、0AH 的蓄电池充电，如果连续多个阴雨天以后蓄电池缺电严重时，蓄电池电压比较低，系统将偏离最大功率输出点，长时间不能够恢复，系统的效率比较低;然而，这时候是我们最希望蓄电池能够多得到一些太阳电池的能量以准备迎接下一个连续多个阴雨天。可见，为了增加连续多个阴雨天的照明需求而盲目增加蓄电池的容量是错误的，因为这时太阳电池的利用效率很低。在使用中，太阳能电池作为一种电源，它和其他电源不一样，开路或者短路都不会造成损坏，实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄电池充放电进行控制的。4.1.2 如何判断太阳电池的质量优劣一个太阳能光伏照明装置没有一块合格的太阳电池组件是肯定不行的。太阳电池如果在真空中寿
15、命是相当长的，太阳电池组件的寿命主要决定于它的封装技术。一块由合格材料并且严格按照规定工艺制造出来的太阳电池组件的使用寿命在 25-30 年，否则有可能在 1-2 年内就损坏或者严重出现衰减。问题是非专业人士往往很难分辨，就是专业人士，在没有专门仪器的情况下也很难判断。怎样解决这个问题呢?要采用通过权威结构(如：TUV UL IEC 等 )认证的企业提供的产品，通常在国外，使用没有通过权威结构认证的太阳电池组件的光伏发电系统是得不到政府财政补贴的，这里，我们应该和国际接轨。利用合格的太阳电池组件作为参考，在同样的阳光照射条件用普通仪表进行对比测试是一个简单易行的好方法，它可以比较准确的测量出
16、Isc 短路电流、Voc 开路电压，但对于另外一个重要的参数 FF 填充因子却没有办法测量(即使用测量也很麻烦 )，现在社会上就有人专门收购短路电流、开路电压正常而填充因子很低的次品太阳电池片制造太阳电池组件，欺骗消费者。最后要指出，上面所指的是用玻璃封装的太阳电池组件，太阳电池组件还有滴胶封装、聚脂薄膜封装等形式，这些封装形式的太阳电池组件寿命只有 1-5 年，不适合作道路照明用。4.1.3 太阳电池的每天平均发电量在决定太阳能光伏照明项目之前，首先要搞清楚三个问题：太阳电池在当地每天能发多少电?这些电能够做什么事情?发这些电能需要多少钱?为了有一个比较正确的答案，我们查阅了大量资料和统计案
17、例，最后采用第九届中国光伏大会上发表的一篇论文“中国并网光伏系统环境指标的比较” 为作为计算的基础和依据，针对在我国各大主要城市中每1KW 太阳电池每天的平均发电量计算出下表，此表和我国已经建造成功的光伏系统所报道的实际每天的平均发电量基本相符：说明：以上是并网光伏系统，如果是独立光伏系统，发电量是上表数据的 80%。以上海为例，并网光伏系统 1KW 太阳电池每天平均可以发电 2.70 度，而对于独立光伏系统 1KW 太阳电池每天平均可以发电2.16 度。在太阳能光伏照明中由于不用逆变器，发电量是上表数据的 90%。上表的结果和我们近年来国内示范光伏电站所报道的数据进行比较，映证了其基本正确。
18、假如我们在上海，100W 的太阳电池组件( 面积大约 0.83 平方米)，对于需要蓄电池的独立系统，每天平均可以发电 0.243 度，这 0.243 度的电可以将一只 20W 的电灯亮 12.5 小时，可以满足一个夜晚照明的需要，每天可以节省电费 0.2.430.55 元=0.0.134 元，每年可以节省电费 48.78 元。这个光伏发电系统的价格需要 5500-6000 元(不包括灯具)。4.2 光源对太阳能光伏照明装置可靠性的影响4.2.1 在太阳能光伏照明装置中应用的各种光源特性比较说明：全部以 20-25W 光源为例4.2.2 光源的外围电路决定了光源系统的可靠性电光源除白炽灯以外，都
19、需要外围电路才能够正常工作，外围电路的可靠性基本上决定了光源系统的可靠性。由于太阳能光伏照明装置系统的电压低，只有 12-24V，所以光源所配电子镇流器的升压比和输入电流比普通电子镇流器要大的多，在设计和制造工艺上远没有普通电子镇流器成熟和可靠;大家知道，普通电子镇流器发展到今天，能够被认可也经历了很长的时间;至于普通钠灯和金卤灯的电子镇流器，至今还没有能够得到普遍应用，更不用说低压直流电子镇流器了。应该感谢研究开发低压直流电子镇流器的企业，是他们为太阳能光伏照明装置提供了高效的光源， 虽然低压直流电子镇流器的质量还不如普通高压电子镇流器可靠，但是我们看到质量一直在明显提高，大功率 LED 的
20、可靠性有时其他光源好，这在一定程度是由于它的外围电路比较简单所致，有些情况下，它只需要简单的恒流保护电路就可以了。4.3 蓄电池对太阳能光伏照明装置可靠性的影响4.3.1 蓄电池的主要特性蓄电池的工作原理在许多资料上已经有了详细的介绍，这里仅仅强调与太阳能光伏照明装置有关，然而不太为大家注意的部分。蓄电池的容量是指蓄电池在 10 小时放电率 C10 条件下标定的，小放倍率放电条件下它的容量要增加的，太阳能光伏照明装置一般是工作在小放倍率放电条件下的，目前许多太阳能光伏照明装置所配置的蓄电池偏大而太阳电池的功率偏小，结果是太阳电池的工作点长期偏离最大输出功率点，系统效率下降。蓄电池的效率分电压效
21、率、电流效率和功率效率，我们最关心的是功率效率。在设计太阳能光伏照明装置时一般把蓄电池的功率效率取 80%，这是不妥的。首先，蓄电池的效率是随使用时间而变化的，新的蓄电池的效率可以达到 90%，旧的蓄电池效率只有 60-70%;再者，蓄电池的效率是指 25条件下的效率，当环境温度在零下或者 40-50以上时实际效率要下降许多，为了保证“太阳能路灯”的可靠性，这个变化的参数应该如何选择?希望大家讨论。目前太阳能光明装置所使用的蓄电池基本上是“免维护蓄电池”和“密闭蓄电池” 免维护蓄电池并不是不需要维护，只不过是维护周期延长了，并不是真正的免维护。为了“免维护”和“密闭” 在技术上这两种蓄电池必须
22、防止电池失水、以及把蓄电池充放电过程中产生的气体重新组合成水;这两种蓄电池的的电极和隔板和普通蓄电池的电极和隔板是不一样的不能够出现过充电，过充电是这类蓄电池的“第一杀手”。4.3.2 提高蓄电池使用寿命的方法要想提高蓄电池使用寿命，应该做到以下几点：绝对不能够出现过充电和过放电，一次严重的过充电和过放电就可能造成蓄电池的永久性的损坏。尤其不能够出现过充电。尽量控制蓄电池在浅放电状态下工作。要确保蓄电池的环境温度不要超过-5+50。合理配置太阳电池和蓄电池的功率和容量，为了保证连续多个阴雨天情况下的正常工作而盲目增加蓄电池的容量，而不同时增加太阳电池功率是错误的。温度补偿，上面叙述蓄电池电压控
23、制点是随着环境温度而变化的，所以太阳能光伏照明装置系统应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3-7mV/，我们通常选用-4mV/ 。4.4 控制器对太阳能光伏照明装置可靠性的影响无论太阳能灯具大小如何,一个性能良好的充放电控制电路是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命,必须对它的充放电条件加以限制,防止蓄电池过充电及深度放电.另外,由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。对于太阳能灯具的设计来说,成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败.没有一个性能良好的充放电控制电路,就不可能有一个性能良好太阳能灯具
24、。4.4.1 控制器的工作原理1) 防反充电控制防止反充电功能，一般来说就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二极管应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管控制防止反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低，只是控制电路要比前面复杂。2) 防过充电控制防止过充电功能,可以在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管，电压鉴别电路控制晶体管的开关，将多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。关键是防止过充电压的选择，单节铅酸蓄电池为 2.4V。对于使用 1.2V 蓄电池的太阳能草坪灯蓄电池的防过充电压一般是通过计算得
25、到的。由于太阳能草坪灯充放电是有明显规律性的，它通常没有对连续阴雨天发光的要求，基本上是当天充电，当天就把电放完，所以根据太阳能电池的功率、蓄电池的容量、LED 的颜色( 不同颜色的 LED 功耗相差很大，例如白色LED 的功耗几乎是红色 LED 的一倍 )和数量、太阳能草坪灯的放置地点的平均光照时间、通过合理计算，完全可以防止蓄电池过充电。这样做，即使遇到连续阴雨天，每天也能够亮 1-2 小时。3) 防过放电控制蓄电池一般都需要防止蓄电池过放电功能，因为蓄电池过放会造成永久性损坏。需要注意的是太阳能电池照明系统一般的蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。对于 12V 的铅酸蓄电池放电
26、截止电压建议为 11V，再小就对蓄电池的寿命有影响。太阳能草坪灯是通过升压电路提高蓄电池电压使得 LED 发光的。如果让升压电路在蓄电池需要过放电保护的时候停止震荡，就达到防过放电的目的。就目前国内的相关产品来说，这一点基本上没有做好，升压电路停止震荡电压一般在 0.8V 左右，长期在这种条件下工作的蓄电池的寿命要减少一半，应该控制升压电路停止震荡电压一般在 1.0V 左右，这里特别要提醒大家注意。4) 温度补偿温度补偿，上面叙述蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的，所以太阳能灯系统应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3-7mV/，我们通常选用-4mV/。4.4.2 控制器
27、质量的重要性太阳能光伏照明装置的故障大多数都是由于控制器的质量问题造成的。比如蓄电池的过早失效，除了环境温度造成的事故，基本上都是由于控制器失控造成的。光源的损坏往往也产生于控制器，大家知道，旧的蓄电池或者放电快要结束的蓄电池的负载能力都比较差，电光源的启动电流往往是工作电流的 10-20倍，过大峰值的电流会让蓄电池的端电压迅速下降到放电截止电压以下，控制器保护功能开始起作用，蓄电池开始恢复性升压，如果控制器的回差设计的不合理，电光源将又开始启动，这样反复启动、闪烁，加速损坏。4.4.3 控制器的防护等级问题太阳能光伏照明装置控制器和普通大多数道路照明装置控制器不一样，内部的电压比较器或者单片
28、计算机的输入口有许多高阻抗回路，灰尘或者蚊虫的尸体在潮湿的条件下都会常常造成漏电和短路，产生临时的或者永久性的故障。所以建议控制器的防护等级应该达到 IP65。4.5 太阳能光伏照明装置的系统配置4.5.1 设计冗余除了常规的考虑以外，建议可以采用“双保险” 式的设计冗余：在灯具里放置两个光源，其中一个坏了，自动跳转到另一个光源上;或者是两个光源一起工作，即使坏了一个，还有一个在工作，不至于系统“不亮了” 。由于蓄电池对过充电，过放电的严格要求，建议在控制器以外的蓄电池上再安装一个过充电，过放电保护装置(我们手机电池里就有这个装置 )。4.5.2 防鸟粪及热岛效应单片太阳能电池一般是不能使用的
29、，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针，让小鸟无法在太阳电池是落脚。4.5.3 防雷电雷电对于太阳能光伏照明装置中的道路照明灯具的破坏是不可轻视的，虽然在控制器中已经有了一个防雷电的压敏电阻，但是经常仍然有被雷电破坏的现象出现。建议在雷电多发的地区的太阳能路灯的顶端，也就是太
30、阳电池的两端再接一个防雷电的压敏电阻，增加一道吸收装置，能不能好一些?可以试验一下。5 结论由太阳电池提供电能的照明是真正意义上的绿色环保照明。太阳能光伏照明装置的特性决定了它目前的适用范围是特殊场合，目前并不是任何地方都适合安装太阳能光伏照明装置。太阳能光伏照明装置是一个看起来技术门槛比较低的项目，但实际上涉及的技术范围比较广，有太阳能光伏发电技术，现代照明技术，蓄电池技术，微电子技术和单片计算机技术等;所以实际的技术门槛比较并不低。影响太阳能光伏照明装置可靠性的因素依次为：控制器、镇流器、光源、蓄电池和太阳电池。提高太阳能光伏照明装置可靠性的方法是：1)尽快制定相关国家标准;2)使用通过认证并且有相关资质企业生产的另部件;3)安装太阳能道路照明装置的单位应该有相应的资质认证。
