原创 发展太阳能LED路灯是发展我国光伏发电的头等大事

上海龙茂微电子有限公司    茅于海

一. 人类对大气变暖带来严重的后果还无动于衷

大气逐渐变暖已经是不容争辩的事实，然而人们对它的严重性还是远远认识不足的。近200年来大气中的二氧化碳的浓度增加了25%，使得地球平均温度上升了0.5ºC（图1）。

图1. 200年来全球平均气温的上升

 

而且进入上世纪80年代中叶以后，上升速度加快，这可以说主要是中国的贡献，因为中国已经是全球二氧化碳排放最多的国家。今后几十年内，二氧化碳的浓度倍增将引起地球平均温度上升3 －5度，两极地区将会升高10度。温室效应将消耗5％－20％的国民经济；北冰洋的冰层正在按每十年减少8％的速度消失，一年之内就缩小200万平方公里，2040年以后将会完全消失，北极熊也将要灭绝。而且还会使：

1）  海平面上升6公尺；2050年一些沿海城市（如纽约、上海）将会淹没

2）  气候反常，海洋风暴增多；

3）  土地干旱，沙漠化面积增大（北京将被沙漠化）；

4）  地球上的病虫害增加；

5）  冰冻亿年的病毒会激发出来

 

联合国秘书长在最近的讲话中指出：地球的温室效应已经威胁到人类的生存，其威胁程度不亚于恐怖主义，因为恐怖主义的威胁只限于特定国家和地区，如果不采取积极措施，温室效应将在不久以后就会影响到全球人类，而和国家无关。《京都议定书》规定，从２００８到２０１２年期间，主要工业发达国家的温室气体排放量要在１９９０年的基础上平均减少５．２％，其中欧盟将６种温室气体的排放量削减８％，美国削减７％，日本削减６％。

最近在哥本哈根召开的国际气候会谈想要达成一个包括所有国家在内的国际协议来减少二氧化碳的排放，但是已经演变成为穷国和富国之争，穷国认为这是富国种下的因，却要穷国来吃这个苦果。 实际上中国每年的二氧化碳和二氧化硫的排放量早在2006年就已经居世界第一位。我们过去一直争辩说你们发达国家已经排放了几百年，我们只不过最近几十年才开始大量排放。可是现在不是来讨论排放的权利问题，而是如何来拯救全世界和全人类的问题，更何况中国自己早已蒙受了极大的威胁和损失。中国62%的城市二氧化硫日平均浓度超过国家三级标准，全国酸雨区面积已占国土面积的30%，因酸雨和二氧化硫污染造成的损失1100多亿元/年。 每年都会发生冰冻灾害、台风灾害、旱灾甚至汶川抵制都有可能是大气变暖的结果。更不用说，今后很可能会发生的天津地区，上海地区和珠江三角洲的海水侵入了（珠三角已经发生了由海水侵入的饮水危机）。

 

二. 太阳能是最好的可再生能源

中国70％发电靠燃煤，排放大量二氧化碳和二氧化硫，是温室效应首要原因。所以彻底改变中国的能源结构是当务之急。所有人都知道，当今的可再生能源最重要的两种就是太阳能和风能，实际上风能也是一种太阳能，而且有很大的地区性和季节性，所以最基本的就是太阳能。太阳能是取之不尽用之不竭的最大的可再生能源，太阳光线照耀地球40分钟就相当于全球一年的能源消费。

美国已提出宏伟计划，到2050年使太阳能发电提供美国电力的69%和其总能源（包括运输业）的35%。如果风能、生物质能和地热能也被开发，则到2100年可再生能源可提供美国电力和其它能源的90%。2008年美国的太阳能发电装机容量已经达到35.7万千瓦。近景目标中，到2012年可再生能源产量占发电比例将提高到10％。2012年美国太阳能发电的装机容量会增加1,600万千瓦，是2007年全年增量的5.8倍。

中国国家发改委公布了可再生能源中长期发展规划，提出到2010年，光伏发电累计装机达到30万千瓦，只占前年火力发电的0.05％。2020年达到180万千瓦，最近计划把2020年的产能计划提高到2000万千瓦，也只占前年火力发电的3.6％。中国太阳能发电设施的实际部署是2009年达到350兆瓦（35万千瓦），占全球的5%。但中国生产的太阳能电池板产量已经达到全球的40%以上。也就是说中国生产的太阳能电池板的86%都出口了。因为太阳能发电是一个新兴产业，而且目前还是一个亏本产业，所以不论中外，这还是一个属于计划经济的产业，还没有进入到市场经济。假如政府不订货，那就卖不出去。所以中国不是没有太阳能电池板产业，而是没有太阳能发电产业。是政府不肯买单。

 

不过，太阳能发电本来是一个亏本的产业，现在常规太阳能发电是4元/度，薄膜太阳能发电可以到1元/度。而且政府不去大力发展太阳能发电产业也是有他的苦衷。让我们来看一下问题出在哪里吧！

 

三，中国很难按国外模式快速开展太阳能发电事业

现在国外快速发展太阳能发电主要有两种模式，一是在沙漠地区建设大型太阳能发电站，二是大规模展开太阳能屋顶计划。然而这两种计划都不适合中国的国情。

1．  大型太阳能电站需要占很大地面，只能在沙漠地区，而中国的沙漠大多数远离大城市，不像美国的拉斯维加斯就在沙漠里，中国离开兰州最近的敦煌太阳能发电站也有好几百公里的距离，更不用说沿海的大城市了。

2．  大型太阳能电站需要极大的投资，例如最近在呼和浩特签订的另一个大型太阳能电站，总功率为2万千瓦，投资10亿元，10个月后于2010年完工。所以发改委计划的30万千瓦，就需要150亿投资。

3．  根本问题是大型太阳能电站的技术还不成熟，现在世界上最大的太阳能发电站也只有4.6万千瓦，其中还有一系列问题要解决。可以说目前的所有太阳能电站都只具有示范作用，而还没有具有大规模推广的经济价值。

另一个最为成功的德国太阳能屋顶计划，的确是发动群众来办太阳能发电的好方法。它的基本计划是这样的，由个人出资在自家屋顶上建造太阳能发电装置，所发出的电由国家高价收买全部输回电网，几年下来就可以收回全部成本。所以美国加州也提出了同样的太阳能屋顶计划。计划一旦完成，素有“阳光之州”称呼的加州每年将获得３００万千瓦的清洁电能，同时将减少排放３００万吨温室气体，这相当于１００万辆汽车排出的废气。

 

但是中国就很难推动这种太阳能屋顶计划，这是因为中国有能力建造太阳能屋顶的中产阶级大多数居住在大城市高层公寓中，大多数没有自己的屋顶，少数更有钱的阶层，虽然有别墅，但也大多数不是长期居住在那里，不大可能去投资建造太阳能发电装置。至于农村虽然大多数农民都有自己的屋顶，但是顶多有能力建造自己的太阳能热水器，而不大有可能建造太阳能发电装置。

 

所以，也许这些原因可以解释，为什么中国无法大规模推广太阳能光伏发电。

 

四. 太阳能LED路灯是一个举足轻重的大市场

我们知道全球照明用电占全部用电的20%，而其中的很大一部分又是用在户外照明。中国也不例外。据统计中国已经安装的路灯大约有2亿盏之多。路灯的平均功率大约是200瓦，假定每天开启时间为10小时，那么每天就是2度电，365天就是730度电，2亿盏就是1460亿度电。而中国最大的水电站长江三峡水电站的26台机组完全投产以后每年的发电量才847亿度电。所以所有路灯所用电量大约为2个三峡电站的发电量。这决不是一个小数字。

更何况现在的路灯还在以每年2000万盏的速度增加。只是目前几乎90%以上都是采用高压钠灯。虽然它的发光效率还是很高，但是它的寿命短，耗电大，色温低，显色性差，而且还含有汞等有毒物质，将来迟早要被淘汰。

自从科技部提出了大力发展LED路灯的“十城万盏”计划以后。现在LED路灯正在以如火如荼的速度高速发展。可惜的是，“十城万盏”中的90%以上都还是采用交流电的LED路灯，或者说是改造现有高压钠灯为LED路灯。据保守估计，十城万盏计划的总数将会超过200万盏，但也只不过是每年新增路灯总数的十分之一而已。就像前面所说那样，假如每年新增的2000万盏都采用太阳能，那么其总功率将达到400万千瓦，其实还远不止此数，因为通常太阳能LED路灯所采用的的太阳能板功率是实际路灯功率的3-4倍。假定为3倍，那么总的太阳能板的装机容量将会达到1200万千瓦。而中国2008年太阳能电池板总产量为178万千瓦（1780兆瓦）。还远远不能供给太阳能路灯的需要。由此可见太阳能LED路灯的市场，决不是一个可有可无的市场，而是一个举足轻重的大市场。

 

五. 发展太阳能LED路灯的疑虑

那么为什么现在还是没有在大规模发展太阳能LED路灯呢，普遍存在着几点疑虑：

1．  太阳能LED路灯的成本太高。本来LED路灯的成本就很高了，而太阳能LED路灯的成本就更高了。这主要是因为太阳能电池板的成本过高的原因。实际上，太阳能电池板的单价正在逐年快速降低。例如，现在的单价大约为10元/瓦（目前实际为12元/瓦，不过明年就有可能降为10元/瓦，为计算简单起见，假定为10元/瓦），大约是两年前的一半。对于一个100瓦的LED路灯，就算它需要300Wp的太阳能电池板，那么它的成本也只不过是3000元。而100瓦的LED路灯大约可以取代250瓦的高压钠灯，250瓦的路灯，假定每天开灯10小时，那么一天用电2.5度电，一年用电912.5W。若以每度0.8元计，全年需交付电费730元。4年下来，所省下的电费就可以补偿太阳能电池板的成本。实际上，情况还远非如此。太阳能LED路灯所节省的开支主要不是电费，而是电缆成本和埋电缆的施工费。就拿10公里（666盏）交流电路灯来说，其电缆的成本就是150万元，分摊到每一盏灯上就是2252元。还要加上埋电缆的铺设费用30万元，分摊到每一盏就是450元，因为每过一段距离电缆有压降而需要采用变压器升压的输配电等设备200万元，分摊到每一盏就是3003元，所有这些费用加起来就是5705元，还没有计算检查井300元/盏，等费用。所有这些加在一起，早就超过了太阳能LED路灯的初始投资，所以太阳能LED路灯所节省的电费完全是一种纯收益。

从上面的分析完全不用担心太阳能LED路灯的成本过高的问题。

 

2．  在大多数阳光不充足的地方需要加大太阳能板的面积，可能要采用x5的太阳能板，就是500Wp的太阳能电池板，从而提高了成本，降低了抗风力。

这的确是一个问题。然而并不是不能解决的问题。

一般的太阳能路灯的设计是考虑每晚要工作10小时以上所需的太阳能板功率。但是在绝大多数情况下，并不需要每晚照亮10个小时，在半夜和后半夜以后，过往的车辆行人都很少很少，在种情况下完全可以降低功率运行。过去在采用高压钠灯时，要任意改变钠灯的功率是很难做到的，而现在采用LED以后，改变功率和亮度是很容易做到的事，所以就可以采用一种称之为程序自动智能调亮的控制器来调亮。这种亮度调节完全是根据当地的交通流量的统计值来设定，通常在有些地区可以节省70%的太阳能电池板的面积，所以是非常合情合理的一种智能调光方法。这种智能调光控制器已经批量生产。

图2.程序自动智能调光可以节省70%的太阳能板面积

这样原来需要500瓦的太阳能电池板，现在只要150瓦就够了。有一家公司已经在上海市的崇明岛上安装了这种系统，采用x2的太阳能板，可以连续7个阴雨天气而照常工作。

 

不仅如此，太阳能电池板的面积还可以进一步减小。那就是采用最大功率跟踪（MPPT）技术。我们知道，在不同的太阳照度下，太阳能电池具有不同的输出功率和输出电压特性，其典型的特性如图3所示。但是，在太阳能电池板直接向蓄电池充电时，太阳能电池板的电压必须高于蓄电池的电压（例如12V），显然，从图中可以看出，这时它的输出功率并不是最大。为了充分利用太阳能电池板的功率，在充电控制器中加进了一

图3. 不同太阳照度时，太阳能电池板的输出功率和输出电压的关系

 

种称之为最大功率跟踪装置，它可以在任何（照度）时候，都可以工作在输出功率曲线的最大值上。这样，大约又可以得到30%的好处，也就是说，太阳能电池板的面积又可以减小30%，在前面的例子中，就只需要105Wp的太阳能电池板，这就大大减小了太阳能电池板的尺寸，也提高了抗风力。更重要的是降低了成本，将其成本从5000元降低到了1050元。完全是可以接受的程度。

 

3．蓄电池的问题

目前大多数太阳能LED路灯系统都是采用铅蓄电池，而一般的铅蓄电池的确存在寿命短，对环境污染等问题。而寿命短的问题已经可以采用胶体铅蓄电池或卷绕式铅蓄电池解决。它们不仅使用安全，还有自放电小、耐深放电性，性能优良、循环使用寿命长、浮充电压低、浮充电流小、可靠性高等优点。然而仍然存在铅污染问题。最近磷酸锂铁电池有了很快的发展，它的充放电次数可达2000次以上，为普通铅蓄电池的6倍以上。而且不存在环境污染问题，只是目前价格还比较贵，随着大量采用，价格也会下降。

 

所以认为太阳能LED路灯成本太高、续航力差、抗风力差、电池寿命短已经是老概念了，现在的新技术完全解决了这些问题，也为高速发展太阳能LED路灯扫清了障碍。

 

大力发展太阳能LED路灯是一种符合中国国情的快速发展我国的可再生能源的大事，也是快速实现节能减排的头等大事。而且这完全可以发动各级地方政府和各家从事太阳能LED路灯的企业来完成的工作。完全不需要像在建设三峡大坝时兴师动众，耗资几千亿，移民上百万就可以轻松完成的事。这样的多快好省的方法，我们何乐而不为？