离网式太阳能照明系统在金字塔底层市场的应用与设计

飞利浦（中国）投资有限公司2009年 10月

王洪波

离网式太阳能照明系统在金字塔底层市场的应用与设计

CHINASSL2009, WHB, PHILIPS 2

背景介绍

CHINASSL2009, WHB, PHILIPS

• 全球以经济发展情况区分：– 发达国家– 发展中国家

• 全球以个体的收入或等效购买力区分：

3

什么是金字塔底层市场？

全球收入金字塔购买力单位：美金人口

<1500

1500-15000

>15000

40亿

15亿

8亿

低收入市场（金字塔底层）

中等收入

富有收入

来源： Prahalad和 Hart， 2002


每年 380 亿美金的照明需求不容小觑！

4

全球金字塔底层市场照明状况：

全球收入金字塔购买力单位：美金人口照明形式 & 年花费

<1500

1500-15000

>15000

40亿

15亿

8亿电力照明为主

燃油照明为主

低收入市场（金字塔底层）

中等收入

富有收入1850 亿美金

380 亿美金（ 770 亿升燃油）


并且， 40亿人口中约有 16亿生活在黑暗中 !!!蜡烛、煤油灯为主要照明光源…

5


• 蜡烛和煤油灯的大致性能：

• 照明特征：– 低亮度– 明火光源，易着火– 运行成本高– 便携性差– 不健康光源：煤油灯会产生烟雾

6

其照明状况很糟糕

光源大概光输出大概照度水平

(@1m 的距离处 ) 大概价格消耗状况

蜡烛 10流明 1勒克斯 1.1元 /支 8小时 /支

煤油灯 40流明 3.2勒克斯 9.1元 /升 25小时 /升

月花费(@5 小时 / 天 )

21元

55元

关注金字塔底层的人们，尤其是完全没有电力设施的人们，的照明需求也是我们照明工作者的社会责任……


• 2004年，飞利浦开始了为金字塔底层市场的产品开发工作

• 2007 年 6月，飞利浦在签署的斯霍克兰协定中承诺为撒哈拉以南区域的 5亿人民提供照明和清洁饮用水的服务

• 2008年 7月 7号，飞利浦和荷兰外交部签署了合作协议，承诺服务于这一市场

7

事实上，飞利浦已经开始了相应的作为

飞利浦照明 CEO Rudy Provoost与荷兰外交部长 Koenders签署合作协议


离网式太阳能照明系统


如何才能满足金字塔底层市场的照明需求？• 在电力设施不具备或不完善的情况下，可能的照明能源：

– 人力发电，比如手摇式发电照明产品，但存在使用寿命短的问题– 风力发电– 太阳能发电

• 由于丰富的太阳能资源，太阳能发电适用于大部分的金字塔底层市场

• 金字塔底层市场的照明产品需求：– 手电筒– 定向光束型手提灯– 全向光束型手提灯– 固定式照明系统


典型的离网太阳能照明系统

太阳能板模组电池管理模组光源模组

探测、控制模组

用户操作界面模组

太阳能量输入

光输出

用户输入

离网太阳能照明系统

服务于金字塔底层市场的系统期望

可承担的初始成本

高性能高效率

模块化设计

长寿命低维护

离网式太阳能照明系统示意图


离网太阳能照明系统设计 -目标

• 120流明光输出，每天使用 5小时• 每天充、每天用• 每天 5 峰值小时数的太阳辐照时间，每天的最高环境温度 40 摄氏度


离网太阳能照明系统设计 - 方案• 太阳能板

– 多晶硅– 硅片光电转化效率 14%，组建效率约 12%

• 电池– 6V 密封铅酸蓄电池

• 光源： 3 种光源作为候选– 冷白 CFL灯管– 超高光效冷白低功率 LED– 中上光效冷白低功率 LED


离网太阳能照明系统设计 -系统评判参数• 为了更好的评判系统的性能，我们定义了以下的参数：

– 系统光量的初始成本定义为：初始成本 /（光输出 x 每天的照明时间）；单位为：元 /流明小时。

– 系统的太阳能量效率定义为：（光输出 x每天的照明时间） /（太阳能组件接收的太阳辐照能量 x 辐照峰值数）；单位为：流明小时 / 瓦时

– 系统年均运行成本定义为：寿命周期的总成本 /寿命周期；单位为：元 /年

• 以上 3个自定义参数将作为不同光源方案的评价指数，从而定量的分析系统的优劣


离网太阳能照明系统设计 - 方案分析和比较（ 1/2）项目冷白 LED1 冷白 LED2 CFL灯管煤油灯蜡烛

设计要求

系统要求1 ） 120流明光输出，每天使用 5小时2 ） 5 峰值小时数的太阳辐照时间，每天的最高环境温度 40 摄氏度

光源额定光效 150 lm/W 110 lm/W 60 lm/W单颗光源光输出 8.6 lm 6.9 lm 300 lm 40 lm 10 lm单颗光源价格 4.0 元 1.2 元 3.0 元 20.0 元 1.1 元

基本假设

光源寿命 / 消耗率 25000 小时 25000 小时 8000 小时 25 小时 /升 8.0 元 /支光源驱动电路效率 85% 85% 85% 系统光学效率 90% 90% 90%

太阳能组件转换效率 12% 12% 12% 太阳能组件价格 20 元 / 峰瓦 20 元 / 峰瓦 20 元 / 峰瓦

电池 /煤油 /蜡烛价格 1 元 / 瓦时 1 元 / 瓦时 1 元 / 瓦时 9.1 元 /升 1.1 元 /支

系统配置

6V 铅酸电池容量 2.0 安时 2.5 安时 4.5 安时太阳能组件功率 2.5 峰瓦 3.5 峰瓦 5.5 峰瓦系统初始总成本（假定电路控制和机械结构成本都一样） 183 元 188 元 232 元 20 元 13 元

系统评价

二氧化碳年排放量 600 千克系统光量的初始成本 0.305 元 /流明小时 0.313 元 /流明小时 0.387 元 /流明小时

系统的太阳能量效率 6.8 流明小时 / 瓦时 5.0 流明小时 / 瓦时 2.9 流明小时 / 瓦时

系统年均运行成本 30.7 元 /年 35.1 元 /年 50.4 元 /年 2077 元 /年 3011 元 /年备注：1）以上方案的成本分析仅限于材料成本；价格信息仅供参考。2）以上分析包括了整体的设计考虑，包括充放电保护、实际工作状态下 LED的热损耗等。3 ）为了达到 120流明的要求，煤油灯和蜡烛的系统配置分别对应 3 盏和 12支；4）如果都使用 1 盏和 1支，那么煤油灯和蜡烛对应的初始总成本为 20元和 1.1元，年均运行成本为 692元和 251元；二氧化碳年排放量为 200 千克。


离网太阳能照明系统设计 - 方案分析和比较（ 2/2）

注：作为对比，如果都使用1 盏煤油灯和 1支蜡烛，对应的初始总成本为 20元和 1.1元，年均运行成本为 692元和 251元；并且煤油灯的二氧化碳年排放量为 200 千克。


离网太阳能照明系统设计 - 结论• 根据系统评判指数可知： 150lm/W的冷白 LED 方案最优。• 基于 LED光源的离网式太阳能照明系统是金字塔底层市场很好的解决方案

– 经济、便宜：高效 LED 方案对 1 盏煤油灯和 1支蜡烛的方案的回收期约 3和 9个月

– 环保、易于携带• 进一步，在离网式太阳能照明系统中：

– 光源的光效在系统配置中起到了至关重要的作用：在满足同样的设计要求的前提下，系统要求的铅酸电池的容量和太阳能组件的功率随光源光效的提高而降低。

– 系统太阳能量效率随着光源光效的提高而提高。– 光源的光效对于优化系统的成本起着重要的作用：

• 系统的年均运行成本随着光源光效的提高和光源寿命的延长而降低。• 虽然 CFL灯管的流明价格（ 3元 vs. 300流明）比即使中上水平的冷白 LED的流明

价格（ 1.2元 vs. 6.9流明）便宜很多，但由于其光效低而要求较大功率的太阳能组件，从而导致系统的初始总成本较高。因此，对于太阳能照明系统， LED 更适合作为其照明光源。

• 虽然高光效的 LED流明价格（ 4元 vs. 8.6流明）比中等水平光效的 LED流明价格（ 1.2元 vs. 6.9流明）贵很多，但由于其光效高而要求较小功率的太阳能组件，从而导致系统的初始总成本持平或略低。因此，在当前的太阳能组件价格水平上，太阳能照明系统可以承受使用高光效 LED光源。


离网太阳能照明系统设计 -展望• 随着白光 LED效率的持续提高和 LED 价格的持续降低， LED 必将成为离网式太阳能照明系统最重要的光源选择，其也必将推动离网式太阳能照明系统进一步的普及和应用。

LED产业的 Heitz定律 DOE 在 2008年发布的研发目标计划


现在，飞利浦已经活跃在金字塔底层市场，将与业界同仁一起致力于为他们提供更好、更合适的产品

进行中的基于 LED 的手电筒、手提

灯、固定照明系统等

离网式太阳能照明系统在金字塔底层市场的应用与设计

Documents