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光伏照明三大技术瓶颈
控制器、镇流器、储能装置
无锡尚德太阳能电力有限公司 孟昭渊

摘要
太阳能光伏照明的技术瓶颈在哪里？目前尚没有统一的看法。经过我们的研究，应该是控制器、电子镇流器和蓄电池，而不是通常大家认为的是太阳电池和光源，太阳电池和光源从来都不是影响太阳能光伏照明的技术瓶颈。
本文就是对以上的观点进行论述。
关键词
太阳电池 控制器 镇流器 磷酸铁锂蓄电池 飞轮电池

太阳能光伏照明技术最近几年在道路照明领域得到了推广和应用，受到了广泛的关注，光伏照明装置已经广泛应用在“村村通电”、“乡乡通电”、“城市亮化”、“社会主义新农村建设”等工程建设中，为缺电、少电地区的群众送去光明，为城乡节约能源、美化环境做出贡献。但是由于关键技术问题存在缺陷，盲目上马，频频出现的质量事故，又给产业的发展造成很大的阻力。
究竟是什么是造成太阳能照明装置可靠性不高的主要原因？它的技术瓶颈究竟在哪里？至今尚没有一个统一的认识，有人认为太阳能照明装置的可靠不高的主要原因是由于光源的可靠性造成的，其理由是在太阳能照明装置中，光源特别容易是损坏；也有人认为太阳能照明装置的可靠不高的主要原因是由于蓄电池的质量不好的原因，理由是再好的蓄电池，3-5年就报废了，而蓄电池的价格又特别昂贵。而我们认为主要是因为控制、电子镇流器和通常大家选择的铅酸蓄电池的技术指标达不到道路照明——这个特殊工作环境中的特殊要求所致。与光源几乎没有关系。
下面将对这个问题进行分析，并且提出解决问题的方法。
1：控制器
1.1控制器对光源的影响
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，如果光源不是LED，其它光源都会加速损坏。
合理控制蓄电池放电保护的回差电压值是一个比较复杂的问题，这是因为蓄电池的参数在整个使用寿命期间是一个变量，无论是充放电效率还是蓄电池的内阻、新旧之间相差甚远，
如果要兼顾新蓄电池和旧蓄电池的一个回差，并不是容易的事情。

1.2 控制器对蓄电池的影响
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”。
同时，蓄电池还不能够过充电过放电，一次严重的过电放电就有可能造成蓄电池的永久性损坏。
控制器就承担着保护蓄电池既不能够过充电也不能够过放电的任务，并且是在整个太阳能路灯的使用期间内，不能够有一次误动作；要知道，一次失误就有可能造成整个太阳能路灯的损坏。另外，不同的温度条件下，过充电、过放电的电压控制点是不一样的，这一点也需要控制器来补偿。

1.3控制器对太阳电池的影响
一般来说，控制器的好坏是影响不了太阳电池的使用寿命的。但是在一种特殊的情况下，控制器可能造成太阳电池的损坏。
为了控制太阳电池不对蓄电池过充电，通常是在蓄电池充满电以后将太阳电池断开或者是将太阳电池的正负极直接短路。对于小型光伏控制器，为了电路简单，经常采用正负极直接短路的办法，这样做在正常情况下是可以的。但是，如果太阳电池本身有瑕疵（一些没有资质的小型太阳电池组件加工厂经常会这样），过大的短路电流长时间工作就会让太阳电池损坏，所以太阳能路灯控制器最好是采用在蓄电池充满电以后将太阳电池断开的控制方法。

1.4通常控制器存在的问题及解决方法
1.4.1完全由硬件控制
这几年在北京社会主义新农村建设中的太阳能道路照明工程中，有一家生产厂的控制器大家反应比较好，故障率低；我们研究以后发现这种控制器完全是由硬件制造的，结构简单，运行可靠。缺点是功能比较简单，控制精度低。虽然控制器完全是由硬件制造在技术上是一种倒退，但是在实际使用中，它的可靠性明显高于由计算机控制的系统。
1.4.2外部硬件强制复位
用单片机制造控制器是太阳能道路照明技术的必由之路。单片机的强大功能以及低廉的价格非常适合制造控制器。但是软件设计上的缺陷或者单片机内核的缺陷在太阳能道路照明系统的恶劣环境中，出现“死机”的现象比较普遍。其中包括各种电磁干扰，以及连续阴雨天气蓄电池电压过低，单片机“失电”等等情况。我们用硬件在每天天亮时给单片机进行一次强制复位，可以基本上解决单片机程序跑飞，进入死循环的问题。
1.4.3全部灌胶密封
由于太阳能路灯的工作环境太恶劣，控制器应该全部灌胶密封，使防护等级达到IP65。实际上，通常路灯的电子镇流器等电子部件的防护措施就是这样做的。

2：镇流器
2.1蓄电池电压波动对镇流器性能的致命影响
通常电子镇流器的电源电压波动范围不会超过10%，而太阳能光伏照明系统中的蓄电池在正常情况下电压波动范围将超过25%以上。如果是使用时间过长，即将报废的蓄电池，在镇流器启动的瞬间蓄电池电压波动范围可能超过50%以上，这一点是通常电子镇流器所不能够接受的。其结果是：
1） 镇流器的技术参数将严重超标，造成荧光灯或者高压气体放电灯的损毁。
2） 电子镇流器本身的损坏。
2.2如何设计光伏照明专用电子镇流器
2.2.1 电源需要增加稳压电路
目前各种DC/DC稳压集成电路中，有许多可供选择的芯片，这里就不重复了。
2.2.2 尽量和光源分开
太阳能光伏照明都是低电压直流系统，通过功率驱动晶体管的电流要比常规电子镇流器的电流大10倍左右，功率驱动晶体管的功率损耗将大幅度增加，通常镇流器，特别是紧湊型荧光灯镇流器的散热方式已经不能够满足需要了；电子元器件的使用寿命与工作环境温度有关，所以镇流器应该和光源分开，避免光源发出的热量的影响。
2.2.3 防护等级IP65
太阳能光伏照明镇流器的工作环境温度变化范围大，-30℃——+50℃安装 在户外，工作环境恶劣，由于镇流器安装在灯杆内部，即使在正常的使用条件下，潮湿、灰尘、蚊虫尸体都可能造成镇流器内部高阻抗部分短路，因此镇流器失效。所以镇流器的防护等级应该为IP65。
2.2.4关于LED的恒流电源
现在LED应用技术水平已经提高了许多，大家都认识到LED必须由恒流电源驱动，这样，如果LED的散热问题也得到解决，太阳能LED灯的使用寿命应该是比较长的。这并不是LED本身的贡献，而是由于恒流电源比电子镇流器的结构要简单，同恒流电源对蓄电池的性能要求也比较低，恒流电源在启动时没有大的脉冲电流，对蓄电池的冲击小所造成的。
3：储能装置
3.1什么是太阳能光伏蓄电池？
3.1.1瓦时效率要高 蓄电池的效率分电压效率、安时效率和瓦时效率，我们最关心的是瓦时效率。普通蓄电池的瓦时效率是随使用时间而变化的，新的蓄电池的瓦时效率可以达到90%，旧的蓄电池瓦时效率只有60-70%；再者，蓄电池的瓦时效率是指25℃条件下的效率，当环境温度在零下或者40℃以上时实际效率要下降许多，蓄电池的效率往往不被大家注意，其实它对于小型太阳能光伏照明电器是非常重要的。
3.1.2充电曲线尽量平坦
为了得到太阳电池能量的最大输出，通常需要通过改变太阳电池输出电压，即：DC/DC变化来跟踪太阳电池的最大功率输出点，就是MPPT技术。但是对于目前绝大多数功率只有几十瓦至一两百瓦的LED照明系统来说，由于小功率的DC/DC变换效率比较低，通过这种变换多得到的太阳电池能量往往还弥补不了DC/DC变换中的能量损失，最多得失相当，所以没实际意义。

图1相对平坦的充电曲线使得太阳电池的工作点保持在Um附近

如果有一种能够相对稳定的蓄电池充电平台，这个电压可以始终保持在Um附近 ，从而不用 DC/DC变换完成MPPT功能，图1说明了这个问题，可以使太阳电池对蓄电池的充电效率达到最高。

3.1.3循环次数多，使用寿命长
3.1.4价格合适
3.2磷酸铁锂蓄电池
1）磷酸铁锂蓄电池的瓦时效率在使用寿命期内平均可以达到95%以上。
2）超长寿命，长寿命铅酸电池的循环寿命在300次左右，最高也就500次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上，磷酸铁锂电池在同样条件下使用，将达到７－８年。综合考虑，性能价格比将为铅酸电池的5倍以上。
3）体积小、重量轻，同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3重量是铅酸电池的1/3。
4）磷酸铁锂材料无任何有毒有害物质不会对环境构成任何污染被世界公认为绿色环保电池，该电池无论在生产及使用中，均无污染，因此该电池又列入了“十五”期间的“863”国家高科技发展计划，成为国家重点支持和鼓励发展的项目。
5）单体3V电压，适合与白颜色LED直接高效率匹配，小型太阳能光伏照明电器所用的光源大部分是LED，不同颜色的LED的工作电压是不同的，如果不考虑到这个因素，随便使用蓄电池，难免就需要DC/DC变换电路，DC/DC变换电路是有能量损失的，尤其是小功率的小型太阳能光伏照明电器中使用的DC/DC变换电路，效率比较低70%左右。如果认识到不同的蓄电池的标称电压是不同的，只要巧用蓄电池的标称电压，不同的LED采用 不同标称电压的蓄电池，就可以达到予想不到的效果。例如，对于用工作电压3V左右白颜色LED设计的1W太阳能应急照明灯，无论用锂离子蓄电池、镍氢蓄电池，铅酸蓄电池都组合不出3V的标称电压，通常要用DC/DC变换电路或者比较大的限流电阻，系统效率比较低。如果采用磷酸铁锂蓄电池（单体电压3V），就可以不用DC/DC变换电路，只要比较小的限流电阻，效率提高和成本下降。
6）有相对平坦的充电电压平台，可以自动钳位MPP，如图2

图2 充电电压相对平坦

3.3飞轮电池
飞轮储能技术大约有100年的发展历史，是今天的磁悬浮和现代电力电子技术的进步让这个古老的技术焕发了青春。
现代的飞轮储能技术是将飞轮悬浮在一个真空的腔体里面，几乎没有损失的存储能量，这是飞轮储能技术划时代的进步。它的储能效率可以达到90%以上，能量存储成本可以接近胶体铅酸蓄电池，使用寿命20年，可以和太阳电池：“门当户对”。
这是一个太阳能路灯系统的飞轮储能的方案
Steel Flywheel
Mil Std. 2154
9.5” dia. x 18”

Motor-Generator Rotor Magnets

Motor-Generator
Air Core Armature

Vacuum Seal

Electronic Drive
4 Quadrant, Trapezoidal

Vacuum Getter
ZrVFe Pellets

DC Power
In-Out

Axial Permanent Magnet Lift Bearing

Touchdown Shaft

Radial Ball Bearing

Quill Shaft

Internal Vacuum

目标参数

可用能量: 1.0 kWh
额定功率: 40 W
电压: 12-48 Vdc
飞轮转速: 32 krpm
使用寿命: 20 years

图3 飞轮电池结构

图4 飞轮 图5 驱动器
结论：
1：太阳电池和光源不是影响太阳能光伏照明的技术瓶颈。
2：控制器的质量直接影响太阳能光伏照明的主要部件的使用寿命。
3：由于传统的镇流器设计不能够适应蓄电池电压的波动，从而造成光源使用寿命问题。
4：太阳能光伏照明储能的希望在磷酸铁锂蓄电池和飞轮电池。
5：由于太阳电池价格的大幅度下降，我们只要解决控制器、镇流器和储能技术存在的问题，光伏照明真正的春天就到来了。