太陽能照明的原理及構造

太陽能照明的原理及構造
1 太陽能照明概述

太陽能是“取之不盡，用之不竭”的，無污染的可再生能源，天天送到地球表面的輻射能大約相當于２．５億萬桶石油。在很長一段時間內，太陽能都白白地從人們身邊“溜走”了。隨著科學技術的飛速發(fā)展，太陽能逐漸被開發(fā)利用，并已成為最有發(fā)展遠景的環(huán)保能源之一。
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目前，太陽能的利用方式主要有兩種。

（1）通過太陽能電池將太陽能轉化為電能用于發(fā)電，即光伏發(fā)電，如太陽能照明、太陽能發(fā)電站等。

（2）通過集熱器把太陽能轉換為熱能加以利用，例如太陽能熱水器、太陽灶等。

其中，太陽能照明是利用太陽能最重要的途徑之一，也是我們主要關注和研究的對象。

在室外照明中，太陽能照明的發(fā)展勢頭強勁。太陽能路燈（非主干道）、太陽能庭院燈、太陽能草坪燈、太陽能交通訊號燈、太陽能廣告燈等已不鮮見，均成為綠色照明中的亮點。我們所說的太陽能燈，既指燈具、光源，也包括太陽能電池、蓄電池、控制器、逆變器、燈桿等配套器件。

太陽能照明最明顯的特點是節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保，無需由傳統(tǒng)的公共電力系統(tǒng)獲取電能，節(jié)省了變配電設備、纜線、開關等的投資，基本沒有運行用度。太陽能轉化為電能，避免了煤、油、核等發(fā)電導致的大氣和環(huán)境污染。在當今技術條件下，太陽能照明尤其適合應用于供電間隔較遠或不易供電的地方。

2 太陽能照明原理

太陽能電池板把太陽能轉化為電能，經(jīng)過大功率二極管及控制系統(tǒng)給蓄電池充電。充電到一定程度時，控制器內的自保系統(tǒng)動作，切斷充電電源。晚間，太陽能電池板充當了光電控制器，啟動控制器，蓄電池給照明燈供電，點燃照明燈；凌晨，太陽能電池板又充當了光電控制器，啟動控制器，切斷照明燈電源，重新開始進行轉化太陽能為電能的工作。在太陽能燈燃亮時，還能夠根據(jù)設置進行調光。 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀|

3 太陽能照明組成

太陽能照明由太陽能電池板、蓄電池、太陽能燈專用控制器、發(fā)光體及燈桿等組成。下文重點先容太陽電池、蓄電池、逆變器（交流照明燈泡用）、太陽能燈專用控制器、發(fā)光體等。 

3.1 太陽能電池

3.1.1 太陽能電池原理

太陽能電池是利用光電轉換原理使太陽的輻射光通過半導體物質轉變?yōu)殡娔艿钠骷�，這種光電轉換過程通常叫做“光生伏打效應”，太陽能電池又稱為“光伏電池”。

當太陽光照射到由Ｐ、Ｎ型兩種不同導電類型的同質半導體材料構成的Ｐ－Ｎ結上時，在一定條件下，太陽能輻射被半導體材料吸收，形成內建靜電場。假如從內建靜電場的兩側引出電極并接上適當負載，就會形成電壓和電流，這就是太陽能電池的基本原理。

單片太陽能電池就是一薄片半導體Ｐ-Ｎ結。標準光照條件下，額定輸出電壓為０．４８Ｖ。為了獲得較高的輸出電壓和較大容量，往往把多片太陽能電池連接在一起。

太陽能電池的輸出功率是隨機的。不同時間、不同地點、不同安裝方式下，同一塊太陽能電池的輸出功率也是不同的。

目前，太陽能電池的光電轉換率一般在百分之十幾以上，個別發(fā)達國家的太陽能電池光電轉換率已經(jīng)可以達到３０％左右。

3.1.2 太陽能電池分類

（1）硅太陽能電池；
（2）以無機鹽如：砷化鎵ＩＩＩ－Ｖ化合物、硫化鎘、銅、銦、硒等多元化合物為材料的電池；
（3）功能高分子材料制備的太陽能電池；
（4）納米晶太陽能電池等。

硅太陽能電池技術相對較成熟，半導體材料的禁帶不是太寬，光電轉換率較高，材料本身不造成污染，所以硅是目前最理想的太陽能電池材料。以其他材料為基礎的太陽能電池也正在研制和發(fā)展過程中。

3.1.3 硅太陽能電池

（1）單晶硅電池：目前，單晶硅太陽能電池光電轉換率最高（２０％左右），技術最為成熟，但由于單晶硅材料價格過高，制造工藝繁瑣，造成單晶硅本錢價格居高不下，成為發(fā)展單晶硅太陽能電池的一大障礙，現(xiàn)在正在逐漸被多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池等取代。

目前，單晶硅太陽能電池在道路照明、交通訊號等室外照明中的應用較為普遍，光電轉換率為１１％～２４％，使用年限較長。

（2）多晶硅電池：多晶硅薄膜電池由于所使用的硅比單晶硅少很多，不存在效率衰退等題目，而且有可能在廉價襯底材料上制備。多晶硅薄膜太陽能電池的本錢遠低于單晶硅電池，光電轉換率近２０％，高于非晶硅薄膜電池。因此，多晶硅薄膜電池將有看成為太陽能電池的主導產(chǎn)品。

多晶硅太陽能電池在室外照明中的應用將越來越廣泛。

（3）非晶硅電池：非晶硅薄膜太陽能電池制作簡單，本錢較低，便于大規(guī)模生產(chǎn)，普遍受到人們的重視并得以迅速的發(fā)展，光電轉換率在１４．５％以上，但穩(wěn)定性較差。進步轉換率和穩(wěn)定性是非晶硅薄膜太陽能電池的發(fā)展方向。目前，非晶硅電池在低功率電力系統(tǒng)中應用較多。

3.1.4 研制中的其他太陽能電池

（1）納米晶化學太陽能電池：納米晶化學太陽能電池是新型太陽能電池，目前仍在研制過程中，其中納米晶ＴｉＯ２太陽能電池倍受關注。納米晶ＴｉＯ２太陽能電池光電效率在１０％以上，制作本錢為硅太陽電池的１/５～１/１０，壽命可達到２0年以上。

（2）聚合物多層修飾電極型太陽能電池：原材料為有機材料，柔性好，制作輕易，材料來源廣泛，本錢較低。性能和壽命遠不如硅電池，但有可能提供廉價電能。此項研究剛剛起步。

（3）多元化合物薄膜太陽能電池：有些金屬化合物如硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率比非晶硅薄膜太陽能電池效率高，本錢較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會造成嚴重污染，因此，不能開發(fā)應用。

3.1.5 太陽能電池的容量選擇

太陽能電池功率必須比負載功率高出４倍以上，系統(tǒng)才能正常工作。

3.2 蓄電池

3.2.1 太陽能照明必須配備蓄電池

太陽能照明必須配備蓄電池才能工作，這是由于：

（1）太陽能電池只能在白天進行光電轉化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲備在蓄電池內。儲備的容量要足夠當?shù)剡B續(xù)幾個陰天的照明需要。

（2）太陽能電池板的輸出能量極不穩(wěn)定，配備蓄電池后，太陽能燈等負荷才能正常工作。

3.2.2 蓄電池的種類和應用

（1）鉛酸蓄電池：傳統(tǒng)蓄電池，能量密度較低，對環(huán)境污染較為嚴重，將逐漸被淘汰。

（2）Ｎｉ－Ｃｄ（鎳－鎘）蓄電池：性能較鉛酸蓄電池優(yōu)越，但能量密度不足，鎘的污染嚴重，多數(shù)國家嚴格控制此類蓄電池的生產(chǎn)和使用。

（3）Ｎｉ－Ｈ（鎳－氫）蓄電池：具有能量密度高、重量輕、壽命長、無環(huán)境污染等優(yōu)點，各國正在積極開發(fā)。發(fā)達國家在20世紀９０年代已經(jīng)進進產(chǎn)業(yè)化階段。

（4）鋰電池：新型高能化學電源，具有高容量、高功率、小型化、無污染的特點。鋰電池主要用于筆記本電腦和手機。

目前，我國室外照明大量使用全封閉、免維護的鉛酸蓄電池。小型照明工程、筆記本電腦和手機等大量使用鋰電池、鎳氫電池。鋰電池的應用領域正在逐步擴大。

研制、推廣無污染蓄電池是發(fā)展太陽能照明迫切需要解決的一個重大課題。

3.2.3 蓄電池容量選擇

我國地域廣闊，天氣差異很大，蓄電池白天儲存的電能應能滿足夜晚照明的需求，同時應該滿足當?shù)剡B續(xù)陰雨天氣時夜晚照明的需求。但是，所選蓄電池容量也不必過大，否則，蓄電池經(jīng)常處于虧電狀態(tài)，將影響蓄電池的壽命，造成不必要的浪費。

對蓄電池容量大小的選擇，我國西部地區(qū)建議高出照明燈日耗電量的４倍以上；北方地區(qū)建議高出照明燈日耗電量５倍以上；南方地區(qū)建議高出照明燈日耗電量６倍以上。

3.3 控制器

控制器的作用是控制太陽能燈系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如照明燈的光控或設置開關、調光、雷電保護、電路短路保護，對蓄電池進行過充電保護、反充電保護、過放電保護、溫度補償?shù)取?

控制器是太陽能燈的“大腦”。有了合格的控制器，太陽能燈才能順利工作，同時延長蓄電池等器件的壽命。

3.4 逆變器

逆變器是把蓄電池輸出的直流電變成交流電的裝置，照明負載為直流時不必設置，照明負載為交流負載時必須使用。根據(jù)我國現(xiàn)狀，一般蓄電池為２４Ｖ（或１２Ｖ、３６Ｖ），室外照明燈泡（燈管）為２２０Ｖ、５０Ｈｚ交流，因此，逆變器多為ＤＣ２４Ｖ（或１２Ｖ、３６Ｖ）/ＡＣ２２０Ｖ的電壓形式。逆變器也應具有電路短路保護、欠壓保護、過流保護、反接保護及雷電保護等功能。

3.5 照明負載

由于太陽能照明存在光電轉換率較低，本錢價格較高等因素，使得目前其應用范圍僅限于交通訊號燈、景觀照明、裝飾照明等范圍，以草坪燈、庭園燈、小功率路（非主干道）燈等為主。太陽能照明光源以ＬＥＤ發(fā)光二極管、三基色高效節(jié)能燈為主，也可能使用低壓鈉燈、無極燈，個別情況采用小功率ＨＩＤ燈。

ＬＥＤ與節(jié)能燈相比，前者壽命較長、光效較低；后者壽命較短、光效較高。在不同情況下，要經(jīng)過經(jīng)濟技術比較，從中選擇合適的光源。

太陽能交通訊號燈光源采用ＬＥＤ發(fā)光二極管，壽命長，發(fā)光性能符合信號燈的要求。

有調節(jié)明暗、頻繁開關功能的１Ｗ以下的小功率太陽能草坪燈，一般應該使用ＬＥＤ作為光源。對于功率較大的太陽能草坪燈，目前使用三基色高效節(jié)能燈比較公道。

庭院燈和路燈以裝飾為主時，建議選擇ＬＥＤ發(fā)光二極管；以照明為主時，建議選擇三基色高效節(jié)能燈或低壓鈉燈。

隨著ＬＥＤ發(fā)光二極管光效的進步，太陽能照明的配套光源將越來越多地使用ＬＥＤ發(fā)光二極管。

4 太陽能照明的發(fā)展趨勢

（1）提升電池板的光電轉換率；
（2）加大系統(tǒng)容量，滿足大功率室外照明燈的要求；
（3）降低本錢。目前，一套太陽能照明燈（全套）是普通照明燈（全套）的幾倍，影響了太陽能照明的推廣使用；
（4）延長蓄電池等器件的壽命，從而延長太陽能照明系統(tǒng)的壽命；
（5）減小電池板、蓄電池等的體積，美化桿型；
（6）逐步淘汰嚴重污染的鉛酸蓄電池、Ｎｉ－Ｃｄ蓄電池等，加快開發(fā)研制無污染蓄電池，實現(xiàn)真正意義的環(huán)保；
（7）太陽能照明在經(jīng)過技術進步和降低價格后，將成為新世紀的主導光源之一。