光伏LED一体化解决农村照明问题的思考

时间：2016-09-09     作者：贾宁 刘叶冰      来源：      访问量：

A Thinking by Solar PV LED Integration to Solve the Rural Lighting

摘要：本文是在认真总结住建部在甘肃和新疆实施的光伏结合半导体照明“村村亮试点工程”，

以及青海玉树实施的“无电县试点工程”基础上，提出针对解决边远无电地区农户照明问题具体解决方案。以及提出解决有电地区农村公共照明问题的两种方案选择，即一个是“离网式独立直流光伏电站”方案，另一个是“市电备电独立光伏电站”方案。本文为更好地采用光伏LED一体化技术解决我国广大农村照明问题提出解决思路和经济分析。

Abstract: This article carefully research the case study on MOHURD Solar PV LED lighting integration in Guansu and Xinjiang, project name ‘ Village Lighting Pilot Project’. And also the implementation programme in Qinghai Yushu ‘ The Pilot Project of Lighting of Small Household on the No Power Grid’. Not only provide the solution for rural area lighting difficulty, And also provide the two option solution for existing lighting challenges in the powered rural areas. One is ‘off grid independent AC solar PV power station’ and another is‘Power grid back-up independent solar PV power station’. In order to further improve the LED lighting integration into the Chinese rural area, a series of studies on implementation, solution, economic study has been analysed in this study.

关键词：光伏 LED 无电农户照明 农村公共照明

Key Words: Solar LED No power grid rural area lighting Village Public Lighting

一、概况

二十一世纪将是人类走进直接使用太阳作为能源的一个新世纪。专家们估计，到本世纪中叶，太阳能将占到人类能源构成的15%；到本世纪末，太阳能将成为人类能源构成的“主力”。当前世界各国都极其重视太阳能光伏产业的发展。

本世纪最初的10年，世界光伏电池产业年增长率为48.6%。2010年世界光伏电池产量达15.8吉瓦，同比增长48.2%，完成太阳能发电装机容量12.5吉瓦，同比增长58.2%。

2009年中国光伏太阳能电池产量为4011兆瓦；2010年中国光伏电池产量达到8吉瓦，翻了1倍，占到世界产量的一半。2009年，中国光伏发电市场装机量约160兆瓦，占全球当年装机总量的2%；2010年，预计装机约380兆瓦，在全球总装机量中占3%。

我国太阳能光伏电池产量连续三年位居世界第一，但是国内应用不足5%。众所周知，生产1Wp太阳能硅晶电池板，大约需耗能5度电，而每Wp太阳能电池，按满寿命25年计算约可发37.5度电。

从上述数据可以看出，当前中国光伏产业发展还十分不尽人意，主要问题是光伏电池主要用于出口，内需严重不足，造成“耗能在国内、节能在国外”的虚假的产能过剩现象。2011年受到美国和欧洲对中国光伏电池的双反调查影响，出口受阻，产业发展十分艰难。亟需寻找产业发展出路，启动内需是最明智的选择。

LED照明产业，是发展最为迅速的第三代半导体照明产业。近几年随着技术和产品质量的不断提高，普通使用目的的LED照明灯具，已经轻易实现光效100Lm/瓦以上，寿命可达50,000小时，可以满足照明需求的各种色温要求，成本也大大降低，与传统白炽灯日光灯等照明灯具相比，可实现节电50%以上，甚至达到节能70%～80%。尤其是使用于普通家庭照明目的的LED照明灯，无论从实用性还是经济性出发，都已经具备全面推广应用的条件。

目前最紧迫的是有将近2000多万农户缺电少电。对于边远无电农户来说，最突出的问题是希望马上解决照明，此外还希望能够观看电视。按照传统办法解决这个问题，就需要将电网架设到这些最边远的末端。有些地方走进大山里十几公里、甚至几十公里才有那么三、两户人家，建设成本非常之高。假如这些农户使用太阳能和LED一体化，取代大电网供电，每年节约的电力也将有500多亿度。如采用传统的大电网延伸到这些地处偏远的小村庄，不仅75%的电力将消耗在线路上，而且其维护成本极其高昂，总投资要超过500亿元[1]。

因此，无论是国家经济发展和生活水平提高的需要，还是产业发展的市场推动力，都在促进光伏产业与LED半导体照明结合解决广大农村的照明问题。

二、试点工程

1、村村亮试点工程

对于采用太阳能光伏发电结合LED半导体照明技术，解决边远农村缺电少电状况的问题，一直得到国家相关部委和地方政府的高度重视。早在2年前，住建部就启动了“太阳能半导体照明装置农村试点”工作，于2011年1月正式在甘肃甘谷和新疆伊犁进行了“村村亮”试点工作（见图1～图4），得到了当地政府和农民的充分支持和肯定，取得了非常好的效果。同年5月完成了试点项目验收与总结。

在甘肃甘谷的村村亮试点工程，建设3座48VDC离网式独立直流电站系统：

1）建设1480Wp太阳能48VDC独立电站1座，安装24WLED庭院灯16盏，进行村民广场照明试点；

2）建设320Wp太阳能48VDC独立电站2座，分别安装7WLED路灯10盏，解决一条300米新村道路照明试点；和安装7WLED路灯15盏，解决两条合计400米的旧巷道照明试点。

在新疆伊犁村村亮试点工程，建设2座离网式1280Wp直流48VDC光伏电站，系统配置600Ah/48VDC蓄电池组，可实现每日工作6小时，3个连续阴雨天持续工作。用于：

1）1座建在村委会，为一条850米长主要道路试点LED公共照明，见图5、图6。

2）1座建在小学校，为一条800长主要道路试点LED公共照明，路灯灯具安装见图7。

上述总计提供15W-LED路灯5种51盏，实际道路照明使用47盏，其余4盏用于清真寺和小学校内照明。

3）同时，采用4个独立式20Wp直流12VDC光伏系统，分别配置1盏5W-12VDC的LED门头灯进行巷道两旁的农户户外照明试点，照明效果见图8。

上述村村亮试点工程，于2011年5月25日和5月26日分别在甘肃和新疆进行了现场总结和数据采集，同时召开村民座谈会，得到当地村民的宝贵意见和充分肯定。采集数据见表1。

表1. 甘肃村村亮试点工程数据采集

2、无电县试点工程

住建部于2011年5月29日，在青海省玉树州治多县立新乡叶青村启动了针对边远无电农户“无电县照明”的户式光伏半导体一体化照明试点工作（见图9）。由住建部组织十家公司免费提供48套“独立户式直流太阳能半导体照明系统”（见图10），供无电藏族牧民家庭照明使用，得到当地藏民热烈欢迎，目前仍在使用中。

3、编制《独立光伏半导体照明装置技术导则》

在上述“村村亮”和“无电县”两项试点工作取得了应用经验的基础上，住建部组织参与试点工作的单位和专家于2011年7月完成了《独立光伏半导体照明装置技术导则》制定工作。对将来实施的独立户式光伏LED照明装置和适用于农村公共照明的独立直流光伏电站建设进行了总结和规范，这对于今后全面推广应用标准化规范化的意义十分重大。其中“导则”对于LED照明灯具的光效和色温规定见表2

表2. HGZ户式光伏照明装置的LED照明灯具光效与色温

从上述数据可以看出，采用LED照明节能效果十分明显，与常规白炽灯相比，节能70%～80%，这也为解决同样的照明问题，大大降低太阳能电池板配置规模提供了巨大前景，使得此项工程从经济性分析角度出发也具有了可行性。

4、其它部委在行动

此外，科技部等国家部委和地方政府也先后启动了一系列各类试点工作，为大规模启动采用太阳能光伏技术解决边远农村缺电少电状况取得了宝贵经验。

2012年2月17日，关于6万套太阳能户用系统在北京西藏大厦正式开标，本次招标单位为西藏政府采购中心，计划采购的系统主要由270W的晶硅组件、3600Wh的蓄电池及500VA控逆一体机组成的太阳能户用系统。这只是首期6万套户用光伏系统仅是序曲，国家计划在西藏投入约为50万套的系统，以帮助西藏民众改变缺电窘况，推高民众生活质量。应该说，这是国家采用光伏技术解决边远农村缺电少电状况拉开大规模行动的序幕。

三、光伏应用技术发展情况

目前光伏应用主要有三种模式：

1）离网式，即白天光伏发电由蓄电池储电，晚上使用。系统一般由光伏组件（光伏PV电池、光伏薄膜电池）、控制器和蓄电池组成，典型的应用如大量使用的太阳能路灯、草坪灯、信号灯等。由于系统独立使用，因此称为独立式；又因系统与市电无关，也称离网式应用。

2）并网式，即光伏电力并入市政电网应用，典型的应用就是大型光伏电站建设，规模越来越大，超过100MW的光伏电站已经比比皆是。这种并网应用技术原本也想在建筑光伏应用中推广，为此出现一种用户侧并网的光伏应用技术，但是由于市政电网对并入电网的电力质量和技术有很高的要求，尽管国家标准对用户侧并网做了严格规定（当发生逆向功率时，要求系统在0.5～2s内实施保护，防止逆向功率发生[3]）。仍然无法彻底消除光伏电力在用户侧并网使用对市政电网安全运行的不利影响，目前尚难全面推广应用。

3）光伏微电网共网应用新技术

其主要特征是：光伏微电网系统的光伏电力和市政电力共同向负载供电，当光伏电力不足或没有时，由市政电力作为系统基础供电向负载供电。即正常状态下，光伏共网（grid co-existing PV）应用与不可逆流的光伏并网（grid-connected PV）应用工作状态相同。两者不同是：共网应用系统能够保证无论在什么情况下，包括市电失电时，光伏电力绝对不会对市政电网发生逆向功率，即实现设备级本质安全零逆流。这样一来，光伏微电网系统对市政电网而言，就是一个可变负载（相当于变频电机）在用电，而不会对市政电网安全运行造成任何不利影响[4]。

四、光伏LED一体化解决农村照明的方案考虑

1、无电地区

我国目前尚有2000多万户农户，地处边远农村，处于缺电少电状况。但凡无电地区一定十分边远，将电网架设到这些无电地区农户家中成本很高，而且未来的使用电量也不会很大，其电力输送成本和线路设备维护成本都很高。因此，采用太阳能光伏结合LED半导体照明技术，解决这些无电边远农户的用电问题将是最佳方案。住建部根据青海玉树实施的“无电县试点”工程经验，制定了《独立光伏半导体照明装置技术导则》，给出如下规格（表1）：

表1. HGZ户式光伏照明装置型号规格与配置

上述HGZ户式光伏照明装置（图6）是按每天工作4小时，可连续工作3个阴雨天；装置欠电后，太阳能电池可1.5天将装置储能蓄电池电量充满的条件设计的，其中装置所配太阳能电池板是按日照时数5小时计算配置的，具体配置应根据使用当地日照时数的不同会有所不同，导则中给出了具体参考数据。

从表1中可以看出，上述HGZ户式光伏照明装置考虑无电户三种使用需求：

1）最小规格HGZ-6户式光伏半导体照明装置是仅考虑解决无电农户每天4小时的2盏3瓦（每盏相当于25瓦白炽灯照度）LED灯照明。该装置制造成本（按2012年3月价格匡算，下同）在600元左右。该价格仅为装置制造成本价格，没有考虑项目实施时的包装、运输、维护、管理、利润、税费等其它成本（下同）。

装置HGZ-9、HGZ-10、HGZ-12，随着装置额定功率增大（额定功率分别为9W、10W、12W），分别可带3瓦和5瓦LED灯各1盏、2盏5瓦LED灯、2盏3瓦和1盏5瓦LED灯照明。

2）HGZ-18规格装置额定功率18W，不仅可以解决无电农户每天4小时的2盏3瓦LED灯照明，同时还可以提供农们农户观看低功耗电视（例如直流12VDC-17”车载电视，功耗仅10W）和手机充电的需求，这也是我们在进行试点工程时，无电农户强烈要求实现的功能。HGZ-18装置制造成本为1100元左右。

3）当采用较大规格HGZ-24户式光伏半导体照明装置（额定功率为24W）时，可以解决无电农户每天4小时的2盏5瓦（相当于40瓦白炽灯照度）和1盏3瓦LED灯（相当于40瓦白炽灯照度）的照明，可以2盏用于室内，1盏用于室外。也就是说，HGZ-24规格装置可解决室内照明和观看电视的同时，还解决农户的户外照明。当然也可以不带载户外照明，而用于加大每天观看电视的时间（可到6小时左右）。HGZ-24装置制造成本为1,400元左右。

2、有电地区

目前在广大农村绝大部分尚没有公共照明，即便已经建有公共照明的，也为电费的负担而发愁。因此十分必要利用光伏发电结合半导体照明解决农村的公共照明问题，包括农村道路和村民广场等公共场所照明。根据在甘肃甘谷和新疆伊犁有电地区进行的“村村亮试点”工程经验，我们认为有两种解决方案可供选择：

1）方案一：建设离网式独立直流光伏电站全面解决农村公共照明

建设全面满足农村公共照明的离网式独立光伏电站，系统需要根据当地气象条件（连续阴雨天数）设计系统蓄电池蓄电能力，以及加大光伏极板规模，这势必增加系统建设投资。而系统加大的蓄电池容量和光伏极板规模，仅仅是一种为了适应连续阴雨天所考虑的能力，大部分时间将处于闲置状态，这使得系统效率极低，备用天数考虑的越大系统效率就越低。根据我们的测算，当考虑满足3个连续阴雨天使用时，系统效率将不足50%。因此，在有电地区应该考虑采用方案二进行建设。

2）方案二：建设采用市电备电的独立光伏电站

这种电站的设计原则是“今天发电明天用掉”，不考虑连续阴雨天气的照明备电。当遇有阴雨天时，第二天的照明由市电解决。这种方案的光伏系统应用效率可以做的较高（75%以上），系统建设投资可以大大减少，唯一的缺点是如果当地阴雨天气较多发生时，将较大使用市电，两者成正比。一般情况下，只要当地的阴雨天数全年不超过50%，就有建设价值。

这种独立光伏电站可以采用离网逆变器将直流光伏电力逆变为通用220V交流电使用，这样系统的好处是可以选用普通220VAC交流照明灯具。

这种独立光伏电站也可以采用直接使用直流光伏电力向直流灯具供电，尤其是LED灯具原本就是直流灯具。此时的系统需要将作为备电的交流市电转换为直流电供直流灯具使用。

两种技术方案的经济分析见表3

表3. 有电地区两种光伏电站建设的经济分析

表3所进行的经济分析，方案一离网式独立直流光伏电站的系统设计条件是：系统采用4块12VDC（系统48VDC）胶体蓄电池，放电深度60%，循环次数1,000次以上，蓄电池寿命3年。系统失电后由光伏电池1.5天充满，可连续工作3天，每天工作5小时。表3中系统仅列出按日照时数5小时的太阳能电池板配置，并按此数据（2012年3月价格）计算了系统设备成本。

表3中的方案二市电备电的独立光伏电站的系统设计条件是：系统采用4块12VDC（系统48VDC）胶体蓄电池，放电深度60%，循环次数1,000次以上，蓄电池寿命3年。系统失电后由光伏电池1天充满，仅供1天使用5小时。即“今天发电明天用掉”方案。系统采用市电作为备电，就是遇到阴雨天，第二天系统采用市电向公共照明设备供电，这样的系统配置将大大提高系统效率。缺点是阴雨天较多地区，使用市电较多。表3中列出的系统配置太阳能电池板也是按日照时数5小时配置，并按此数据（2012年3月价格）计算的系统设备成本。

从表3最后一项经济分析数据可以看出，采用方案二投资仅为方案一的40%左右，两者相差一倍以上，方案二经济效益十分明显。因此，如果从系统效率和经济性上考虑，我们建议在有电地区建设村村亮光伏LED一体化照明电站系统时，应优先考虑采用方案二，这是有电农村地区建设光伏LED一体化照明电站系统的独有优势。

四、结束语

在无电地区，一般不会形成较大村落，因此基本不存在建设公共照明系统的问题。我们建议采用HGZ户式光伏照明装置解决2000多万农户的缺电少电情况。即便提供最高档HGZ-24户式光伏照明装置，匡算费用每户仅需1600元，不仅可以解决无电农户的照明问题，还可以为他们提供观看电视的供电。这个解决方案，将比建设电网所需要500亿投资减少180亿，而且更为重要的是还将减少电力输送到这些电网末端所不可避免的75%线路损耗[1]。

对于我国近半数城镇化人口的2万个左右的小城镇[1]，建议建设“市电备电的独立光伏电站”解决其农村公共照明问题。按2万个小城镇，每个城镇需要建设1000米的公共照明路灯系统（即可带33盏7瓦路灯的规格），采用上述方案一“离网式独立直流光伏电站”建设的话，每个光伏照明电站的设备投资约15,000元，加上配备LED照明灯具，以及安装建设等成本后，每个光伏照明电站的建设投资约30,000元，2万个村镇总计约需资金6亿元。如果我们选择采用上述方案二“市电备电独立光伏电站”建设相同规格光伏照明电站时，建设资金约为方案一的50%左右，即3亿元人民币。办这么大事，这点钱，实在少之又少，不足挂齿。当然还应该根据村镇规模的扩大，可以平行增加建设规模，总投资也相应增加。

以上是我们对参与上述“村村亮”和“无电县”试点工程的总结思考，但愿对相关部门决策有用。

参考文献：

[1]仇保兴 “加快LED在绿色建筑中的应用” 科技部、住房城乡建设部 广州“十城万盏半导体照明试点工程现场会” 2011年12月15日 《新浪地产》

[2]刘学瑞、李小武 “用太阳能电池给蓄电池充电的方法” 《2007太阳能光伏照明装置技术研讨会》2007年

[3]中华人民共和国国家标准GB/T 19939-2005 光伏系统并网技术要求 北京：中国标准出版社，2006

[4]贾宁、邢岩等，一种光伏应用新技术. 《智能建筑电气技术》. 2011（5）68-70.