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太陽能LED照明系統及LED路燈設計分析

  如果不是柴文藝的“穹頂之下”,估計我一直要把這篇文章壓著。此刻不用去理會關于柴阿姨的紛爭,她對環保的吶喊,驚醒了與環保多少還有點沾邊的我:如果我還壓著這篇有關提升節能環保的文章,多少顯得我有些麻木!引用央廣中國之聲評論“美國娃她娘都這么關心天朝的環!,Duang,新年,第一篇,咱走起!

  筆者一直想寫個有關LED照明采用與太陽能分布式系統良性互動的分析,LED如何有效降低業主前期系統成本投資,增加收益等,從而推動太陽能分布式更好地發展。

  我將分別分析高效LED的采用對太陽能LED照明小系統,太陽能LED路燈和火熱的太陽能分布式屋頂的良性促進,文中有些淺表的投資回報表格分析,我已盡力簡化,您沒耐心看,沒關系,只要關注筆者的幾點總結和思考即可。

  一、太陽能LED照明小系統

  我們首先從太陽能LED照明小系統來分析一下。圖片是筆者光伏圈一位”老法師”設計的水果太陽能LED燈具系列。

  此類燈具常見核心部件:

  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燈珠并聯的方式來簡化計算,主要目的在于分析高效LED顆粒采用對系統成本的影響。

  我們簡單利用光效與電流的關系,定義驅動電流。

  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;那么LED系統功率按照5瓦計算,每天設計工作4小時,充滿電能連續工作3個夜晚,峰值日照小時數采用5小時,我們可以簡單計算得出:

  系統電壓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;

  太陽能電池板功率計算:1.35*4*1.2*6/5=7.8瓦;取8瓦,DC6V,(考慮系統損耗,太陽能電池板容量預留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,那么LED功率為4瓦,每天設計工作4小時,充滿電能連續工作3個夜晚,峰值日照小時數采用5小時,我們同上可以簡單計算得出:

  蓄電池容量DC3.7V,20Ah;

  太陽能電池板功率6.5瓦,DC6V;

  那么產生什么樣的成本影響呢?

  這就是為什么當時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,但系統綜合成本大為降低。

  二、太陽能LED路燈設計

  同上分析,我們再來看常規太陽能LED路燈,LED路燈系統光效對太陽能系統的影響。

  太陽能路燈核心部件:

  筆者的團隊正在給上海某工廠廠區設計道路照明,LED路燈功率30瓦,系統光效100LPW,系統電壓DC12V,燈桿高6米,間距10米,路雙側安裝,路燈每晚滿功率工作10小時,連續5個陰雨天的蓄電池自動續航照明,按照峰值日照小時數4小時,大致配置:

  LED燈頭30瓦;

  系統電壓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;

  多晶太陽能電池板功率計算:2.5*10*1.2*18/4=135瓦;太陽能電池板取多晶135瓦,DC18V輸出;

  那么如果我們采用系統光效只有85LPW的燈頭,在同樣的配光情況下,我們可以認為,LED系統功率要至少35瓦。那么要達到同樣的系統自治要求,配置需要:

  LED燈頭35瓦;

  蓄電池DC12V,230Ah;

  單晶太陽能組件160瓦,DC18V輸出;

  成本比較如下:

  三、LED照明對分布式太陽能屋頂的良性互動

  最后,我們來看時下最熱的分布式太陽能屋頂:

  系統基本構成:

  我們結合目前手中操作的一座上海的印刷工廠屋頂安裝太陽能方案來進行模擬計算;假設該工廠主要工作負載為照明和印刷設備。本案例中為了方便計算,我們采用照明用電占該廠區總耗電10%來計算。

  注:原本筆者參照LED先鋒人物RolandHaitz給出的一個比例:世界上20%的電力用來照明,但為了簡單,本文我們取10%。 RolandHaitz,前安捷倫科技CTO,他有一個Haitz定律,關于LED光效和成本之間的互動關系: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,簡單的說就是每十年,LED每流明的成本降低10個因子,而光通量將上升20個因子。個人感覺目前的技術發展,可能不需要十年的時間跨越即可 達到。

  進行LED節能改造前,原有燈具為老舊的金鹵燈具,250瓦,60套,總功率理論上15000瓦(實際功耗遠高于此數值,一個電源自身功率,還有此類燈具熱機過程中的巨大耗電量,此處簡化為理想的標稱功率)。

  那么根據上述因子,可以推算出該車間工作負載總功率為150000瓦,其中印刷設備,辦公設備的總功率145000瓦,我們對車間進行實地測量和DIALux模擬計算分析,100瓦LED工礦燈即可達到原來250瓦燈具的照明效果。此時,LED燈具總功率6000瓦。

  1、計算太陽能板安裝設計容量

  太陽能所發電量能夠維持白天負載用電。

  注:1)、在實際計算中,我們一般采用專業設計軟件,如PVSys和RetSCREEn等進行計算,就如我們采用DIALuxevo計算照明效果類似;

  2)、為了簡化理解,我們采取365天工作;實際應用中,周末休息,負載不工作,太陽能所發電量幾乎100%全部自動上網;

  3)、系統容量的設計還要取決于當地供電局配置的變壓器容量,一般10KVA變壓器支持400KW太陽能裝機容量。

  2、計算現金收益

  由上述計算,我們得出“僅安裝太陽能”和“安裝太陽能+LED照明節能改造”,兩種情形下的太陽能設計容量,我們簡化設計容量分別如下:460Kw和430Kw:

  因為太陽能發電享受中央和地方補貼以及余電上網收入,那么:

  現金收入=(中央+地方補貼單價)*太陽能總發電量+余電上網收入

  比如第一年現金收入=(0.42+0.25)*487600+0.45*48760=348634;從第6年開始,包括第6年,上海市地方補貼將不再享有。

  3、綜合收益對比

  設定當地市電價格:1元/Kwh

  1)、投資回報期測算

  很明顯:安裝LED和太陽能屋頂,6年回本并獲得收益,而單純安裝太陽能板,需要7年時間才能回本。

  2)、投資總匯報測算

  綜合兩張表可以看出:

  a)、單純安裝太陽能電池板,20年時間里總效益:1390萬,初始投資成本460萬,燈具壽命按照3年一個輪換周期,換6次,耗資12萬,相當于初始投資成本472萬,凈收益918萬,年回報率9.7%;

  b)、LED+安裝太陽能電池板,20年時間里總效益:1376萬,初始投資成本430萬,LED燈具壽命按照5年一個輪換周期,換4次,耗資24萬,相當于初始投資成本454萬,凈收益922萬,年回報率10.2%。

  注:以上計算只是顯示在同等條件下,安裝LED之后的太陽能系統與未安裝LED的太陽能系統的收益對比,我們簡化了一些變量。在實際計算中,我們必須考 慮太陽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,另外在投資計算模型時,我們還要考慮必要的金融成本和金融杠桿 工具,更加貼近真實的投資回報。

  末了,再額外補充幾句,歡迎大家拍磚:

  1、以上各類計算和分析,簡而言之:花小錢(LED照明投資相對于太陽能屋頂的投資,份額很小),辦大事。太陽能分布式如果輔以工作負載端節能改造,比如LED照明應用,投資回報如虎添翼;

  2、LED照明可以發揮其易于調光調色,進一步降低能耗,從而可以進一步降低太陽能設計容量;

  3、未來太陽能分布式家庭,室內安裝有各類節能電器,包括LED燈具,還有儲能設施,將有一套HEMS(居家能源管理系統)無線網絡管理這些負載端,儲能端和太陽能光伏發電端。

  LED燈具作為節能照明的功能可能不再是其賣點,而是將LED燈具作為HEMS這個微型網絡的一個Node載體,收集各類信息,燈具與燈具之間進行通信組網,燈具與控制中心之間通信。

  比如,室外燈具可以集成氣溫計,感知天氣變化,及時發出預警信息至控制中心,控制中心自動偵測儲能蓄電池容量,決定太陽能光伏板發電是否優先充蓄電池。

  同樣的LED路燈,將成為一個優良的傳感器集成平臺,成為市政管理大數據信息采集平臺,更遠一些,去中心化的大背景下,分布式清潔能源構建的微電網里,LED照明也會扮演一個節能和信息攝取傳輸的雙重角色!


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