摘 要：光控太阳能照明系统是光伏应用的重要领域，这类光伏系统的工作条件非常苛刻，必须根据其特点，进行仔细的系统优化设计，才能确保其长期稳定地工作。由于系统每天工作的时间长短不一样，在光伏系统设计时，可以根据当地不同月份的日落和日出之间的无日照小时数减1，来作为光控太阳能照明系统的工作时间，以确定其各月不同的负载日耗电量。决定蓄电池维持天数时，也是以最大的日耗电量为依据。光伏方阵的最佳倾角也要大于一般的独立光伏系统。
Abstract: Light-control solar lighting system is where the photovoltaic mostly applied. For this kind of the photovoltaic system, the working condition is very harshness. Only by a careful optimum sizing method according to the characteristics can its long-lasting and stable working ability be ensured. As the working hours of the system differ from day to day, it’s advisable that to determine its different daily power consumption every month, one should have the local non-sunshine time between sunset and sunrise minus one hour, serving as the working hours of the light-control solar lightning system. Judging by its maximum daily power consumption, days of autonomy of the battery can also be determined. The optimum tilted angle of the photovoltaic array needs to be bigger than that of the ordinary stand-alone photovoltaic system.
关键词：光伏方阵；照明系统；光控；最佳倾角;
Key words: photovoltaic array, lighting system, light-control, optimum tilted angle
1、引言
近年来，随着太阳能光伏发电的发展，光伏产品种类不断增加，应用范围迅速扩大，太阳能照明系统就是其中增长最快的光伏产品之一，量多面广，现已成为全球推广数量最多的光伏应用产品。在大发展中，各种产品的质量参差不齐，有些为了片面追求经济效益，或者限于技术水平，不少产品根本没有按照光伏发电的工作特点和运行规律来进行设计，因而使得系统无法长期正常地运行，这种现象在太阳能照明系统尤其突出。因此必须推广太阳能照明系统的优化设计，通过科学的计算方法，达到可靠性和经济性的最佳结合，做到既能保证系统的稳定可靠运行，又能尽量减少系统规模，降低费用，达到最佳化的配置。
太阳能照明系统种类很多，根据使用场所的不同，主要应用于航标灯、草坪灯、庭院灯、路灯、交通信号灯、室内外照明灯等。工作时间的控制主要有定时和光控两种。对于工作时间全年不作调整的定时照明光伏系统，可以按照通常为均衡负载供电的独立光伏系统进行优化设计。而光控太阳能照明系统，属于“冬天”型季节性负载，工作条件极其严酷，必须专门加以分析研究。
2、光控太阳能照明的特点
光控照明系统是以自然光线的强弱来控制照明灯具开关的，即在黄昏天黑到一定程度（例如照度为10Lux左右）时自动开灯，到黎明时自动关灯。这样在不同季节每天工作时间不一样，夏天工作时间短，而冬天工作时间长。而且工作时间的长短还随纬度的不同而改变，当地从日落到日出之间的无日照小时数为
t = 24 -2 / 15 c o s -1[ - tanΦ tanδ] （1）
其中：φ为当地纬度，δ为太阳赤纬。
我国地域辽阔，不同地区每天无日照小时数差别很大，如：海口地区（φ= 20.030）夏至时t =10.1h，冬至时t =13.2h。而哈尔滨地区（φ= 45.68）夏至时缩短到t =8.5h，冬至时延长为t =15.5h。可见越是北方地区冬天和夏天需要照明的时数相差越大。
为了尽量减少系统容量，考虑到在一般情况下，日出前和日落后半小时内，天空尚有余光，可以不必开灯。这样系统每天实际工作时间可比（1）式得出的无日照小时数减少一个小时。如果负载的工作电流是i，则负载的日耗电量为
Q l =（t -1）i （2）
各月耗电量为
Q c = N Q l （3）
其中 N是当月天数。不同月份平均日耗电量都不一样，冬天日耗电量大，而夏天日耗电量小。这是与各个月份平均日耗电量都当作相同的全年均衡负载的最大区别。
同时，在通常情况下，夏天太阳辐射强度要比冬天大，因此太阳电池方阵产生的电量也是夏天多而冬天少，这与光控照明系统所需要的情况正好相反，这就使得光控太阳能照明系统的工作条件更加不利。
所以光控太阳能照明系统必须进行仔细的优化设计，日耗电量不能当作均衡负载来处理，否则很可能造成容量不足，影响系统的长期可靠运行。更不能将同一个光控太阳能照明灯具在南北各地通用。
在光伏方阵结构上，由于冬至前后负载日平均耗电量最多，似乎应当取12月份方阵面上接收到最大太阳辐照量的角度为方阵最佳倾角。但是，在一般地区，随着角度的增加，全年太阳总辐照量下降很快，12月份倾斜面上所接收到的太阳辐照量却增加很慢，到最大值时，全年太阳总辐照量下降太多，尤其是在夏天方阵面上接收到的太阳辐照量会比冬天的小很多，显然这是不合适的，应当根据具体条件确定。当然在一般情况下，其方阵倾角要比为均衡性负载供电的方阵最佳倾角要大[1]。
通常在判断独立光伏系统的蓄电池维持天数时，只要将蓄电池有效容量除以系统日耗电量即可。然而对于光控太阳能照明系统，其全年中日耗电量各不相同。为了保证系统的安全可靠，可以最大日耗电量来考虑。
3. 光控太阳能照明系统优化设计方法
优化设计的原则是：在保证满足负载长期可靠运行需要的前提条件下，尽量减少系统规模，节省投资，达到可靠性与经济性的最佳结合。对于光控太阳能照明系统的优化设计方法，基本上与很多文献[2~4 ]所介绍的为全年均衡负载供电的独立光伏系统优化设计方法相同，主要差别在于前者一年中的日耗电量每天都不一样。由于设计时通常是以每个月份为单位来计算其能量盈亏的，为了方便起见，可以近似认为在每个月中平均日耗电量都相同。
光控太阳能照明系统的优化设计步骤大致为：
3．1 确定负载日耗电量
特别要注意根据公式（1）和（2）来确定各月的日耗电量。
3．2 计算某个倾角时方阵面上太阳辐照量
任意指定方阵倾角，依照国外通常采用Klien和Theilacker 提出的计算倾斜面上月平均太阳辐照量的方法进行计算，具体计算公式可参阅文献[5，6]
3．3 算出各月发电盈亏量
根据各月的太阳辐照量和在估计最大和最小电流之间任取的工作电流，再结合各种损耗，得出各月发电量与耗电量之差即为发电盈亏量。
3．4 确定累计亏欠量 ∑∣-⊿Qi∣
将各月发电量与耗电量相减得到负值的亏欠量按一定规则相加，确定累计亏欠量。
3．5 决定方阵输出电流
与日耗电量相比，得到指定的蓄电池维持天数所需要的合适电流。
3．6 求出方阵最佳倾角
改变倾角，重复以上计算，进行比较，得出最小的方阵输出电流所对应的倾角。
3．7 得出蓄电池及方阵容量
这样蓄电池容量为：
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式中：（DOD）为蓄电池放电深度，η2为由蓄电池到负载的放电回路效率，包括蓄电池放电效率、控制器和逆变器的效率及线路损耗等。
光伏方阵容量为
P = k · I m · ( V b + V d ) （5）
其中：k为安全系数；V b为蓄电池充电电压；V d 为防反充二极管及线路等压降。
3．8 最终决定最佳搭配
改变蓄电池维持天数，重复以上计算，可得到一系列B ~ P组合。再根据产品型号及单价等因素，进行经济核算，最后决定蓄电池及光伏方阵容量的最佳组合。
4. 计算实例中国
为上海地区（Φ = 31.170）设计一种太阳能光控照明灯具，负载工作电流 i = 0.55A，工作电压12V。取蓄电池维持天数为7天，取日耗电量最大的12月份为计算依据。通过优化设计，得到方阵最佳倾角β= 480，而对于在相同条件下工作的为全年均衡负载供电的独立光伏系统的最佳倾角是430，可见光控系统比一般系统方阵倾角要大，这主要是为了增加冬天所接收的太阳辐照量。优化设计得到的方阵最佳工作电流为 I = 2.485A。各月具体结果如表1。
由此得出累计亏欠量: ∑∣-⊿Qi∣= 49.72 Ah，通过验算可知取其它倾角时，所得到的累计亏欠量更大，因此方阵最佳倾角为480。取由蓄电池到负载的放电回路效率η2 = 0.9，蓄电池的放电深度（DOD）= 0.8，根据公式（4）得到蓄电池容量B=69.1Ah。实际可采用70Ah / 12V。再由公式
（5）算出光伏方阵容量为P = 42.87W，实际取太阳电池方阵容量为43W。当然也可以改变蓄电池维持天数，从而得到另外一组蓄电池和太阳电池方阵容量的组合。
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5．结论
1.本文主要讨论光伏电力作为唯一能源的独立系统，以自然光的强弱来控制照明灯具开关的光控太阳能照明系统的优化设计。
2.光控太阳能照明系统的工作条件极其苛刻，不能当作为全年均衡负载供电的独立光伏系统来处理。必须根据其特点，进行仔细的系统优化设计，才能确保其长期稳定地工作。
3.系统设计可以根据当地不同月份的日落和日出之间的无日照小时数减1，来作为光控太阳能照明系统的工作时间，以确定其各月不同的负载日耗电量。
4.在确定系统的蓄电池维持天数时，由于各月的日耗电量都不一样，考虑安全起见，可以取最大的日耗电量作为计算依据。
5.由于光控太阳能照明系统在冬天的耗电量多，所以安装的方阵最佳倾角要比一般的独立光伏系统的倾角要大。
参考文献
[1]杨金焕等. 季节性负载光伏方阵倾角的分析[J].太阳能学报，2003，24（2）：241~244.
[2]Chapman R N. Development of sizing nomograms for stand-alone photovoltaic / storage systems [J]Solar Energy，1989，43（2）：71~76.
[3]Gordon J M. Optimal sizing of stand-alone PV solar power systems [J]. Solar Cells，1989，43（2）：71~76.
[4]杨金焕等. 太阳能发电系统的最佳化设计[J].能源工程，2003，6（即将出版）
[5]Klien S A，Theilacker J C. An algorithm for calculating monthly-average radiation on inclined surfaces [J]. Journal of Solar Energy Engineering, 1981,103:29~33
[6]Duffie J A, Backman W A. Solar engineering of thermal processes [M]. New York: John Wiley &Sons. INC, 1991:113~119