太阳能技术在照明中的应用
摘要：简述了太阳能光伏技术的原理与系统构成，介绍了太阳能光伏技术在照明工程中的应用,并对其成本及存在问题做了简要的分析。
关键词：太阳能 光伏技术 照明方案 照明设备
随着经济的发展，社会的进步，人们对能源提出了越来越高的要求，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题。由于太阳能发电具有火电、水电、核电所无法比拟的清洁性、安全性、资源的广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是二十一世纪最重要的能源。目前太阳能应用技术已取得较大突破，并且已较成熟地应用于建筑楼道照明、城市亮化照明、太阳能热水供应及采暖等系统。尤其是太阳能光伏技术的发展，给太阳能在照明中的应用带来了更加广阔的前景。
1 太阳能光伏技术
太阳能光伏技术是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的技术。太阳能光伏系统主要包括：太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、照明负载等（见图1）。当照明负载为直流时，则不用逆变器（见图２）。
1.1 太阳能电池
太阳能电池组件是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置。太阳能照明灯具中使用的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池并联构成的，因为受目前技术和材料的限制，单一电池的发电量十分有限。常用的单一电池是一只硅晶体二极管，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，形成内建静电场。从理论上讲，此时，若在内建电场的两侧面引出电极并接上适当负载，就会形成电流。近年来，非晶硅太阳电池的研制也取得了更大的进展，由于其具有生产成本较低、工艺简单、节省原料等优势，将在未来光伏技术中占有重要地位。太阳能电池的输出功率是随机的，在不同时间，不同地点，同一块太阳能电池的输出功率是不同的。太阳能电池的峰值功率Pm由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷决定。
1.2 蓄电池
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作。太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，达到一定阈值，才能供应照明负载。蓄电池的特性直接影响系统的工作效率、可靠性和价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储预定的连续阴雨天夜晚照明需要的电能。
1.3 控制器
控制器的作用是使太阳能电池和蓄电池安全可靠地工作,以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。通过控制器对充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，还应具有电路短路保护、反接保护、雷电保护及温度补偿等功能。由于太阳能电池的输出能量极不稳定，对于太阳能灯具的设计来说，充放电控制电路的质量至关重要。
1.4 DC-AC变换器
逆变器的主要功能是将蓄电池的直流电变换成交流电。采用逆变电路，经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载额定频率、额定电压匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。逆变器也应具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。
２．太阳能照明方案
太阳能光伏技术的应用不仅在边远地区和暂时缺电地区具有十分重要的地位，在其它地区也已迅速普及，已经应用在交通、建筑、农林等各个行业中。尤其在照明工程中，更是异彩纷呈。
2.1 城市亮化照明
目前太阳能光伏技术在城市亮化照明中的应用业已起步并以快速发展的势头逐步普及应用。学校、公园、住宅小区、别墅等场所的指示牌、警示牌、草坪灯、路灯等均可采用太阳能光伏照明技术，使公共照明更方便、安全、环保、节能。太阳能亮化照明的工作原理是：由太阳能电池板作为发电系统，让电池板电源经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电，当蓄电池电源达到一定程度时，控制系统内设的自动保护系统动作，电池板自动切断电源，实行自动保护。到晚上，太阳能电池板又起到了光控作用，给控制系统发出指令，此时控制系统自动开启，输出电压，使各式灯具达到设计的照明效果。并可调节所需的照明时间。
太阳能亮化照明技术具有一次性投资、无长期运行费用、安装方便、免维护、使用寿命长等特点，不会对原有植被、环境造成破坏，同时也降低了各项费用，节约能源，可谓“一举多得”。
2.1 建筑物楼道照明
太阳能走廊灯由太阳能电池板供电。整栋建筑采用整体布局、分体安装、集中供电方式。太阳能安装在天台或屋面，用专用导线（可预留）传送到每层走道和楼梯口。系统采用声、光感应，延时控制。白天系统充电、夜间自动转换开启装置，当探测到有人走动信息后，自动启动亮灯装置，并延时3～5分钟后自行关闭。当楼内发生突发事故如火灾、地震等切断电源或区域停电时，仍可连续供电3～5小时，可以作为应急灯使用，在降低各项费用的同时体现了人性化的设计理念。此种产品还可用在小区的楼号牌、单元门牌等部位，为夜归人及来访的客人提供方便。
2.3 "光伏--建筑照明一体化"技术。
目前已成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面(顶)、墙壁及门窗等，实现了"光伏--建筑照明一体化(BIPV)"。本系统的工作原理是：由多片单晶硅太阳能光电池组合而成的电池板，经过太阳光的照射之后产生光电效应而发出直流电，再由系统中的电源转换器将直流电转换成一般电器所需的交流电，经由配电系统供照明、空调等系统使用，以及蓄电池储存电力，尚可提供防灾紧急用电需求。建筑物的墙面和屋顶的PV组件的造型、色彩、建筑风格与建筑物结合，与周围的自然环境整合，以期达到完美的协调。国内某铝板幕墙制造公司研制成功一种"太阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，成功地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太阳能建筑系统(SPBS)，已通过专家论证。这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。
3 太阳能照明设备
太阳能照明设备主要由照明灯具、光源和控制系统组成。
太阳能照明灯具主要有太阳能草坪灯、庭院灯、景观灯和高杆灯等。这些灯具以太阳光为能源，白天充电，晚上使用，无需进行复杂昂贵的管线铺设，而且可以任意调整灯具的布局。其光源一般采用ＬＥＤ或直流节能灯，使用寿命较长，又为冷光源，对植物生长无害。太阳能亮化灯具是一个自动控制的工作系统，只要设定该系统的工作模式就能自动工作。控制模式一般分为光控方式和计时控制方式，一般采用光控或者光控与计时组合工作方式。在光照强度低于设定值时控制器启动灯点亮，同时进行计时开始。当计时到设定时间时就停止工作。充电及开关过程可以由微电脑智能控制，自动开关，无需人工操作，工作稳定可靠，节省电费，免维护。
其中，太阳能景观灯外观设计大多采用金属与工程塑料相结合压铸成型，灯体可呈现出圆形、方形、几何图案等多种形状，仪态万千、风格迥异，或豪华典雅、或简洁明快。灯体颜色有白、红、绿、兰、紫、黄等，依次渐变或闪烁。天黑后系统自动启动亮灯装置，一眼望去，灯体发出均匀柔和的光线，几种颜色跳跃渐变，整个城市的夜晚在一瞬间律动起来。而太阳能高杆灯一般杆高8～13米，照明功率50W～130W，有效照明面积可达几百平方。夜幕降临，霓虹闪烁、流光溢彩、分外妖娆。
4 太阳能照明成本分析
近年来我国太阳能电池的生产能力猛增，其产品价格也由“七五”初期的80元/瓦，下降到目前的40元/瓦以下。使得推广使用太阳能光伏应用产品的价格瓶颈得到基本解决，不再因太阳能光伏产品的高价而制约其产品的推广，使可望不可及变为迅速普及。预计到本世纪二三十年代,太阳能发电成本有可能降低到常规电价的水平。
采用太阳能灯光亮化工程，每年可节省大量的资金，既亮化了城市，又生态地发展了城市，并充分地利用了能源，是目前世界上最合理的发展方向。
以２０层高层住宅的太阳能楼梯走道灯为例：一次性成本每平方米约为１０元，使用寿命约为１５年以上；与采用自带蓄电池的应急灯相比，其一次性成本相差无几，太阳能照明寿命更长，还节省了电费。
再以太阳能庭院灯为例：每盏３０００～４０００元，比普通庭院灯大约贵一倍，但是如算上电气管线、配电设施的投资再加上３～５年的电费和日常维护费，其成本也基本相当。
5 太阳能照明存在的问题
5. 1 太阳能光伏系统的效率
太阳能光伏系统的总效率由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。目前，太阳能电池的转换率只有17%左右，而控制器、蓄电池、逆变器的效率均远高于此，如逆变器的效率已达95%以上。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。
5. 2 太阳能电池的容量
目前太阳能电池还很难使用在主干道照明上。公路主干道的照明有较高的照度要求，就目前太阳能电池的转换效率和价格来讲，还不能够满足这个要求。但在不久的将来，随着技术水平的提高，太阳能照明在公路主干道上的应用将会普及开来。
5. 3 太阳能储能元件
太阳能电池的使用寿命在25年以上，普通蓄电池的使用寿命在2～3年，所以蓄电池是太阳能电力系统中最薄弱的环节。储能电容可以在一定程度上解决这个问题。储能电容的使用寿命可以达到10年以上，而且控制电路简单，但是昂贵的价格限制了它的应用，目前仅仅应用在部分交通信号灯和装饰灯上。随着技术和经济的发展，它将是一种最有希望成为和太阳能电池配套的理想储能元件。
5. 4 太阳能产品的质量
近年来，太阳能光伏技术发展很快，产品生产厂家如雨后春笋。但是，有些产品没有形成系列，质量参差不齐，甚至在光源的选择以及电路设计中存在许多缺陷，降低了产品的经济性和可靠性。同时，国家缺少相应的产品质量标准和检测系统，使太阳能光伏技术产业化受到影响。
6 结语
开发和利用太阳能是远有前景，近有实效的事业。推广太阳能光伏技术在照明中的应用是一个新的课题。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，太阳能光伏技术的效率、性价比将得到迅速提高，它在各个领域都将得到广泛的应用，也将极大地推动我国"绿色照明工程"的快速发展。
【摘要】 本文讲述了太阳能发电系统的结构和工作原理。太阳能发电系统在广大无电地区或供电严重不足地区应用，可有效地解决居民照明及生活用电的困难。文中提出充分利用太阳能，研究开发推广节能型的绿色光源，是实现建筑绿色照明，实施国家"绿色照明工程"的重要措施。
【关键词】 太阳能发电 绿色照明 光伏--建筑照明一体化
太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件(Solar cells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度，在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是"光伏--建筑(照明)一体化"技术，而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。
1 太阳能发电原理
太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件(阵列)、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
1.1 太阳能电源系统
太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。
(1) 电池单元：
由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件(阵列)。单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。 若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，就有"光生电流"流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。
理论研究表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。
(2) 电能储存单元：
太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间(发电时间)的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。
1.2 控制器
控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。而充电控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。放电控制主要是指当电池缺电、系统故障，如电池开路或接反时切断开关。目前日立公司研制出了既能跟踪调控点Pm，又能跟踪太阳移动参数的"向日葵"式控制器，将固定电池组件的效率提高了50%左右。
1.3 DC-AC逆变器
逆变器按激励方式，可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流
电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照
明负载频率f，额定电压UN等匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。
2 太阳能发电系统的效率
在太阳能发电系统中，系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、控制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲，要比控制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。因此提高电池组件的转换率，降低单位功率造价是太阳能发电产业化的重点和难点。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的研究，主要围绕着加大吸能面，如双面电池，减小反射；运用吸杂技术减小半导体材料的复合；电池超薄型化；改进理论，建立新模型；聚光电池等。几种太阳能电池的转换效率见表1。
表1 几种太阳能电池的转换效率
实验室典型电池 商品薄膜电池
各种太阳能电池 ηmax(%) 各种太阳能电池 η(%)
单晶硅 24.4 多晶硅 16.6
多晶硅 18.6 铜铟镓硒 18.8
GaAs(单结) 25.7 碲化镉 16.0
a-si(单结) 13 铜铟硒 14.1
充分利用太阳能是绿色照明的重要内容之一。而真正意义上的绿色照明至少还包括：照明系统的高效率，高稳定性，高效节能的绿色光源等。
3.1 发电--建筑照明一体化
目前成功地把太阳能组件和建筑构件加以整合，如太阳能屋面(顶)、墙壁及门窗等，实现了"光伏--建筑照明一体化(BIPV)"。1997年6月，美国宣布了以总统命名的"太阳能百万屋顶计划"，在2010年以前为100万座住宅实施太阳能发电系统。日本"新阳光计划"已在2000年以前将光伏建筑组件装机成本降到170～210日元/W，太阳能电池年产量达10MW，电池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德国仅用一年两个月建成了全球首座零排放太阳能电池组件厂，完全用可再生能源提供电力，生产中不排放CO2。工厂的南墙面为约10m高的PV阵列玻璃幕墙，包括屋顶PV组件，整个工厂建筑装有575m2的太阳能电池组件，仅此可为该建筑提供三分之一以上的电能，其墙面和屋顶PV组件造型、色彩、建筑风格与建筑物的结合，与周围的自然环境的整合达到了十分完美的协调。该建筑另有约45kW容量，由以自然状态的菜子油作燃料的热电厂提供，经设计燃烧菜子油时产生的CO2与油菜生长所需的CO2基本平衡，是一座真正意义上的零排放工厂。BIPV还注重建筑装饰艺术方面的研究，在捷克由德国WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墙。印度西孟加拉邦为一无电岛117家村民安装了12.5kW的BIPV。国内常州天合铝板幕墙制造有限公司研制成功一种"太阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，成功地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太阳能建筑系统(SPBS)，SPBS已于2000年9月20日通过专家论证。近日在上海浦东建成了国内首座太阳能--照明一体化的公厕，所有用电由屋顶太阳能电池提供。这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。
3.2 绿色照明光源研究
绿色照明系统优化设计，要求低能耗下获得高的光效输出，并延长灯的使用寿命。因此DC-AC逆变器设计，应获得合理的灯丝预热时间和激励灯管的电压和电流波形。目前处在研究开发中的太阳能照明光源激励方式有四种典型电路：①自激推挽振荡电路，通过灯丝串联启辉器预热启动。该光源系统的主要参数是：输入电压DC＝12V，输出光效＞495Lm/支，灯管额定效率9W，有效寿命3200h,连续开启次数＞1000次。②自激推挽振荡(简单式)电路，该光源系统的主要参数是：输入电压DC＝12V，灯管功率9W，输出光效315Lm/支，连续启动次数＞1500次。③自激单管振荡电路，灯丝串联继电器预热启动方式。④自激单管振荡(简单式)电路等方式的高效节能绿色光源。
4 结束语
绿色能源和可持续发展问题是本世纪人类面临的重大课题，开发新能源，对现有能源的充分合理利用已经得到各国政府的极大重视。太阳能发电作为一种取之不尽，用之不竭的清洁环保能源将得到前所未有的发展。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，它的效率、性价比将得到提高，它在包括BIPV在内的各个领域都将得到广泛的应用，也将极大地推动中国"绿色照明工程"的快速发展。
