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楊偉杰（中國礦業(yè)大學(xué)，江蘇徐州 221008）

摘要：簡述了太陽能光伏技術(shù)的原理與系統(tǒng)構(gòu)成，介紹了太陽能光伏技術(shù)在照明工程中的應(yīng)用,并對其成本及存在問題做了簡要的分析。

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，社會(huì)的進(jìn)步，人們對能源提出了越來越高的要求，尋找新能源成為當(dāng)前人類面臨的迫切課題。由于太陽能發(fā)電具有火電、水電、核電所無法比擬的清潔性、安全性、資源的廣泛性和充足性等優(yōu)點(diǎn)，太陽能被認(rèn)為是二十一世紀(jì)最重要的能源。目前太陽能應(yīng)用技術(shù)已取得較大突破，并且已較成熟地應(yīng)用于建筑樓道照明、城市亮化照明、太陽能熱水供應(yīng)及采暖等系統(tǒng)。尤其是太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展，給太陽能在照明中的應(yīng)用帶來了更加廣闊的前景。

1  太陽能光伏技術(shù)

太陽能光伏技術(shù)是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿募夹g(shù)。太陽能光伏系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件、蓄電池、控制器、逆變器、照明負(fù)載等。當(dāng)照明負(fù)載為直流時(shí)，則不用逆變器。

1.1 太陽能電池

太陽能電池組件是利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實(shí)現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置。太陽能照明燈具中使用的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池并聯(lián)構(gòu)成的，因?yàn)槭苣壳凹夹g(shù)和材料的限制，單一電池的發(fā)電量十分有限。常用的單一電池是一只硅晶體二極管，當(dāng)太陽光照射到由P型和N型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的P-N結(jié)上時(shí)，在一定的條件下，太陽能輻射被半導(dǎo)體材料吸收，形成內(nèi)建靜電場。從理論上講，此時(shí)，若在內(nèi)建電場的兩側(cè)面引出電極并接上適當(dāng)負(fù)載，就會(huì)形成電流。近年來，非晶硅太陽電池的研制也取得了更大的進(jìn)展，由于其具有生產(chǎn)成本較低、工藝簡單、節(jié)省原料等優(yōu)勢，將在未來光伏技術(shù)中占有重要地位。太陽能電池的輸出功率是隨機(jī)的，在不同時(shí)間，不同地點(diǎn)，同一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。太陽能電池的峰值功率Pm由當(dāng)?shù)氐奶柶骄椛鋸?qiáng)度與末端的用電負(fù)荷決定。

1.2  蓄電池

由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定,所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作。太陽能電池產(chǎn)生的直流電先進(jìn)入蓄電池儲(chǔ)存，達(dá)到一定閾值，才能供應(yīng)照明負(fù)載。蓄電池的特性直接影響系統(tǒng)的工作效率、可靠性和價(jià)格。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下,把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲(chǔ)下來，同時(shí)還要能夠存儲(chǔ)預(yù)定的連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。

1.3  控制器

控制器的作用是使太陽能電池和蓄電池安全可靠地工作,以獲得最高效率并延長蓄電池的使用壽命。通過控制器對充放電條件加以限制，防止蓄電池反充電、過充電及過放電。另外，還應(yīng)具有電路短路保護(hù)、反接保護(hù)、雷電保護(hù)及溫度補(bǔ)償?shù)裙δ?。由于太陽能電池的輸出能量極不穩(wěn)定，對于太陽能燈具的設(shè)計(jì)來說，充放電控制電路的質(zhì)量至關(guān)重要。

1.4  DC-AC變換器

逆變器的主要功能是將蓄電池的直流電變換成交流電。采用逆變電路，經(jīng)過調(diào)制、濾波、升壓等，得到與照明負(fù)載額定頻率、額定電壓匹配的正弦交流電供系統(tǒng)終端用戶使用。逆變器也應(yīng)具有電路短路保護(hù)、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、反接保護(hù)及雷電保護(hù)等功能。

２．太陽能照明方案

太陽能光伏技術(shù)的應(yīng)用不僅在邊遠(yuǎn)地區(qū)和暫時(shí)缺電地區(qū)具有十分重要的地位，在其它地區(qū)也已迅速普及，已經(jīng)應(yīng)用在交通、建筑、農(nóng)林等各個(gè)行業(yè)中。尤其在照明工程中，更是異彩紛呈。

2.1　城市亮化照明

目前太陽能光伏技術(shù)在城市亮化照明中的應(yīng)用業(yè)已起步并以快速發(fā)展的勢頭逐步普及應(yīng)用。學(xué)校、公園、住宅小區(qū)、別墅等場所的指示牌、警示牌、草坪燈、路燈等均可采用太陽能光伏照明技術(shù)，使公共照明更方便、安全、環(huán)保、節(jié)能。太陽能亮化照明的工作原理是：由太陽能電池板作為發(fā)電系統(tǒng)，讓電池板電源經(jīng)過大功率二極管及控制系統(tǒng)給蓄電池充電，當(dāng)蓄電池電源達(dá)到一定程度時(shí)，控制系統(tǒng)內(nèi)設(shè)的自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，電池板自動(dòng)切斷電源，實(shí)行自動(dòng)保護(hù)。到晚上，太陽能電池板又起到了光控作用，給控制系統(tǒng)發(fā)出指令，此時(shí)控制系統(tǒng)自動(dòng)開啟，輸出電壓，使各式燈具達(dá)到設(shè)計(jì)的照明效果。并可調(diào)節(jié)所需的照明時(shí)間。

太陽能亮化照明技術(shù)具有一次性投資、無長期運(yùn)行費(fèi)用、安裝方便、免維護(hù)、使用壽命長等特點(diǎn)，不會(huì)對原有植被、環(huán)境造成破壞，同時(shí)也降低了各項(xiàng)費(fèi)用，節(jié)約能源，可謂“一舉多得”。

2.2  建筑物樓道照明

太陽能走廊燈由太陽能電池板供電。整棟建筑采用整體布局、分體安裝、集中供電方式。太陽能安裝在天臺(tái)或屋面，用專用導(dǎo)線（可預(yù)留）傳送到每層走道和樓梯口。系統(tǒng)采用聲、光感應(yīng)，延時(shí)控制。白天系統(tǒng)充電、夜間自動(dòng)轉(zhuǎn)換開啟裝置，當(dāng)探測到有人走動(dòng)信息后，自動(dòng)啟動(dòng)亮燈裝置，并延時(shí)3～5分鐘后自行關(guān)閉。當(dāng)樓內(nèi)發(fā)生突發(fā)事故如火災(zāi)、地震等切斷電源或區(qū)域停電時(shí)，仍可連續(xù)供電3～5小時(shí)，可以作為應(yīng)急燈使用，在降低各項(xiàng)費(fèi)用的同時(shí)體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)理念。此種產(chǎn)品還可用在小區(qū)的樓號(hào)牌、單元門牌等部位，為夜歸人及來訪的客人提供方便。

2.3　"光伏--建筑照明一體化"技術(shù)

目前已成功地把太陽能組件和建筑構(gòu)件加以整合，如太陽能屋面(頂)、墻壁及門窗等，實(shí)現(xiàn)了"光伏--建筑照明一體化(BIPV)"。本系統(tǒng)的工作原理是：由多片單晶硅太陽能光電池組合而成的電池板，經(jīng)過太陽光的照射之后產(chǎn)生光電效應(yīng)而發(fā)出直流電，再由系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換器將直流電轉(zhuǎn)換成一般電器所需的交流電，經(jīng)由配電系統(tǒng)供照明、空調(diào)等系統(tǒng)使用，以及蓄電池儲(chǔ)存電力，尚可提供防災(zāi)緊急用電需求。建筑物的墻面和屋頂?shù)腜V組件的造型、色彩、建筑風(fēng)格與建筑物結(jié)合，與周圍的自然環(huán)境整合，以期達(dá)到完美的協(xié)調(diào)。國內(nèi)某鋁板幕墻制造公司研制成功一種"太陽房"，把發(fā)電、節(jié)能、環(huán)保、增值融于一房，成功地把光電技術(shù)與建筑技術(shù)結(jié)合起來，稱為太陽能建筑系統(tǒng)(SPBS)，已通過專家論證。這將有力地推動(dòng)太陽能建筑節(jié)能產(chǎn)業(yè)化與市場化的進(jìn)程。

3  太陽能照明設(shè)備　

太陽能照明設(shè)備主要由照明燈具、光源和控制系統(tǒng)組成。

太陽能照明燈具主要有太陽能草坪燈、庭院燈、景觀燈和高桿燈等。這些燈具以太陽光為能源，白天充電，晚上使用，無需進(jìn)行復(fù)雜昂貴的管線鋪設(shè)，而且可以任意調(diào)整燈具的布局。其光源一般采用ＬＥＤ或直流節(jié)能燈，使用壽命較長，又為冷光源，對植物生長無害。太陽能亮化燈具是一個(gè)自動(dòng)控制的工作系統(tǒng)，只要設(shè)定該系統(tǒng)的工作模式就能自動(dòng)工作?？刂颇Ｊ揭话惴譃楣饪胤绞胶陀?jì)時(shí)控制方式，一般采用光控或者光控與計(jì)時(shí)組合工作方式。在光照強(qiáng)度低于設(shè)定值時(shí)控制器啟動(dòng)燈點(diǎn)亮，同時(shí)進(jìn)行計(jì)時(shí)開始。當(dāng)計(jì)時(shí)到設(shè)定時(shí)間時(shí)就停止工作。充電及開關(guān)過程可以由微電腦智能控制，自動(dòng)開關(guān)，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省電費(fèi)，免維護(hù)。

其中，太陽能景觀燈外觀設(shè)計(jì)大多采用金屬與工程塑料相結(jié)合壓鑄成型，燈體可呈現(xiàn)出圓形、方形、幾何圖案等多種形狀，儀態(tài)萬千、風(fēng)格迥異，或豪華典雅、或簡潔明快。燈體顏色有白、紅、綠、蘭、紫、黃等，依次漸變或閃爍。天黑后系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)亮燈裝置，一眼望去，燈體發(fā)出均勻柔和的光線，幾種顏色跳躍漸變，整個(gè)城市的夜晚在一瞬間律動(dòng)起來。而太陽能高桿燈一般桿高8～13米，照明功率50W～130W，有效照明面積可達(dá)幾百平方。夜幕降臨，霓虹閃爍、流光溢彩、分外妖嬈。

4  太陽能照明成本分析

近年來我國太陽能電池的生產(chǎn)能力猛增，其產(chǎn)品價(jià)格也由“七五”初期的80元/瓦，下降到目前的40元/瓦以下。使得推廣使用太陽能光伏應(yīng)用產(chǎn)品的價(jià)格瓶頸得到基本解決，不再因太陽能光伏產(chǎn)品的高價(jià)而制約其產(chǎn)品的推廣，使可望不可及變?yōu)檠杆倨占?。預(yù)計(jì)到本世紀(jì)二三十年代,太陽能發(fā)電成本有可能降低到常規(guī)電價(jià)的水平。

采用太陽能燈光亮化工程，每年可節(jié)省大量的資金，既亮化了城市，又生態(tài)地發(fā)展了城市，并充分地利用了能源，是目前世界上最合理的發(fā)展方向。

以２０層高層住宅的太陽能樓梯走道燈為例：一次性成本每平方米約為１０元，使用壽命約為１５年以上；與采用自帶蓄電池的應(yīng)急燈相比，其一次性成本相差無幾，太陽能照明壽命更長，還節(jié)省了電費(fèi)。

再以太陽能庭院燈為例：每盞３０００～４０００元，比普通庭院燈大約貴一倍，但是如算上電氣管線、配電設(shè)施的投資再加上３～５年的電費(fèi)和日常維護(hù)費(fèi)，其成本也基本相當(dāng)。  

5   太陽能照明存在的問題

5. 1  太陽能光伏系統(tǒng)的效率

太陽能光伏系統(tǒng)的總效率由電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器效率、蓄電池效率、逆變器效率及負(fù)載的效率等組成。目前，太陽能電池的轉(zhuǎn)換率只有17%左右，而控制器、蓄電池、逆變器的效率均遠(yuǎn)高于此，如逆變器的效率已達(dá)95%以上。因此提高電池組件的轉(zhuǎn)換率，降低單位功率造價(jià)是太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

5. 2  太陽能電池的容量

目前太陽能電池還很難使用在主干道照明上。公路主干道的照明有較高的照度要求，就目前太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率和價(jià)格來講，還不能夠滿足這個(gè)要求。但在不久的將來，隨著技術(shù)水平的提高，太陽能照明在公路主干道上的應(yīng)用將會(huì)普及開來。

5. 3　太陽能儲(chǔ)能元件

太陽能電池的使用壽命在25年以上，普通蓄電池的使用壽命在2～3年，所以蓄電池是太陽能電力系統(tǒng)中最薄弱的環(huán)節(jié)。儲(chǔ)能電容可以在一定程度上解決這個(gè)問題。儲(chǔ)能電容的使用壽命可以達(dá)到10年以上，而且控制電路簡單，但是昂貴的價(jià)格限制了它的應(yīng)用，目前僅僅應(yīng)用在部分交通信號(hào)燈和裝飾燈上。隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，它將是一種最有希望成為和太陽能電池配套的理想儲(chǔ)能元件。

5. 4　太陽能產(chǎn)品的質(zhì)量

近年來，太陽能光伏技術(shù)發(fā)展很快，產(chǎn)品生產(chǎn)廠家如雨后春筍。但是，有些產(chǎn)品沒有形成系列，質(zhì)量參差不齊，甚至在光源的選擇以及電路設(shè)計(jì)中存在許多缺陷，降低了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。同時(shí)，國家缺少相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢測系統(tǒng)，使太陽能光伏技術(shù)產(chǎn)業(yè)化受到影響。

6  結(jié)語

開發(fā)和利用太陽能是遠(yuǎn)有前景，近有實(shí)效的事業(yè)。推廣太陽能光伏技術(shù)在照明中的應(yīng)用是一個(gè)新的課題。隨著太陽能產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和技術(shù)開發(fā)的深化，太陽能光伏技術(shù)的效率、性價(jià)比將得到迅速提高，它在各個(gè)領(lǐng)域都將得到廣泛的應(yīng)用，也將極大地推動(dòng)我國"綠色照明工程"的快速發(fā)展。