毕业论文-太阳能发电技术与绿色照明

太阳能发电技术与绿色照明摘要随着经济和人口的增长，能源增长已经满足不了人类的需求；另一方面，单纯依靠生物燃料所造成的许多问题，破坏了人类的生存环境，因此在能源枯竭与环境污染问题日益严重的今天，为了治理和缓解已经恶化的生态环境，人们渴望用“取之不尽，用之不竭”的可再生能源来代替资源有限，污染环境的常规能源。太阳能作为一种清洁、高效和永不衰退的绿色新能源，既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。在新世纪中，各国政府都将合理利用太阳能资源作为国家可持续发展战略的重要内容。尤其是以半导体光生伏打效应为基础的光伏发电技术，不仅能满足人们的生活需要，而且随着太阳电池转换效率和生产技术的不断提高，太阳能光伏发电的应用将会越来越广。本文讲述了太阳能光伏发电系统的结构和工作原理及国内外光伏发电的现状及前景，并主要对太阳能路灯的设计要点作进一步的探讨与分析。又提出充分利用太阳能，研究开发推广节能性的绿色能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；光伏发电；绿色能源SOLARELECTRICALENERGYGENERATIONANDGREENILLUMINATIONABSTRACTALONGWITHTHEECONOMICALANDTHEPOPULATIONGROWTH,THEENERGYGREWALREADYCOULDNOTMEETHUMANITYSNEEDONTHEOTHERHAND,DEPENDSUPONMANYQUESTIONSWHICHPURELYTHEBIOLOGICALFUELCREATES,DESTROYEDHUMANITYSLIVINGENVIRONMENT,THEREFOREINENERGYDEPLETIONANDENVIRONMENTALPOLLUTIONQUESTIONDAYBYDAYSERIOUSTODAY,TOGOVERNTHEECOLOGICALENVIRONMENTWHICHANDALLEVIATEALREADYWORSENED,THEPEOPLELONGEDFORUSED“INEXHAUSTIBLE,INEXHAUSTIBLE”THERENEWABLEENERGYSOURCEREPLACEDTHERESOURCESTOBELIMITED,POLLUTIONOFTHEENVIRONMENTCONVENTIONALENERGYSOURCETHESOLARENERGYTAKESTHEGREENNEWENERGYWHICHONEKINDCLEAN,HIGHLYEFFECTIVEANDNEVERDECLINES,SINCETHESHORTTERMURGENTLYNEEDEDENERGYSUPPLEMENTED,ALSOWILLBETHEFUTUREENERGYSTRUCTUREFOUNDATIONINTHENEWCENTURY,VARIOUSCOUNTRIESGOVERNMENTWILLBEREASONABLEUSINGTHESOLARENERGYRESOURCESTAKESTHECOUNTRYSUSTAINABLEDEVELOPMENTTHEIMPORTANTCONTENTESPECIALLYBENDSDOWNTHEPOWERTECHNOLOGYTAKETHESEMICONDUCTORPHOTOVOLTAICEFFECTASTHEFOUNDATIONLIGHT,NOTCANONLYMEETPEOPLESLIFENEEDS,MOREOVERALONGWITHTHESOLARCELLTRANSFEREFFICIENCYANDTHEPRODUCTIONTECHNOLOGYSUNCEASINGENHANCEMENT,THESOLARENERGYLIGHTWILLBENDDOWNTHEELECTRICITYGENERATIONAPPLICATIONTOBEABLETOBEGETTINGMOREANDMOREBROADTHISPAPERDESCRIBESTHESOLARPHOTOVOLTAICSYSTEMSTRUCTUREANDWORKINGPRINCIPLEANDTHESTATUSOFPVPOWERATHOMEANDABROADANDMAINLYMAKESTHEFURTHERDISCUSSIONANDTHEANALYSISTOTHESOLARENERGYSTREETLIGHTSDESIGNMAINPOINTALSOPROPOSEDTHATTHEFULLUSESOLARENERGY,THERESEARCHDEVELOPMENTPROMOTIONENERGYCONSERVATIONSGREENENERGYISREALIZESTHECONSTRUCTIONGREENILLUMINATION,THEIMPLEMENTATIONCOUNTRYGREENLIGHTINGENGINEERINGIMPORTANTMEASUREKEYWORDSSOLARENERGY；PHOTOVOLTAICPOWERGENERATION；GREENENERGY目录1绪论12光伏发电的现状及前景展望221光伏发电历史222国外太阳能光伏发电的现状3221德国光伏产业现状3222日本光伏产业现状3223美国光伏产业现状4224其他各国光伏产业现状423我国光伏发电的现状与前景424太阳能发展前景展望63太阳能光伏发电系统831光伏发电概述832光伏发电系统的原理833光伏发电系统的组成及功能834光伏发电系统的分类935光伏发电系统的效率1036发电与建筑照明一体化114太阳能路灯的设计探索1141太阳能路灯的基本结构1242太阳能路灯的原理1243路灯设计所需的数据1244关键部件选型12441太阳电池组件12442蓄电池（组）12443控制器13444光源的选择1345LED使用注意事项1346太阳能路灯注意事项145结束语15谢辞16参考文献171绪论能源是人类经济及文化活动的动力来源。在20世纪的世界能源结构中，人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源。这些化石能源经过人类数千年，特别是近百年来的消费，已经日渐枯竭。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，世界上的化石能源消费总量总有一天将达到极限1。此外，大量使用化石燃料已经为人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，己经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应将融化两极的冰山，这可能使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化己经形成一对十分突出的矛盾。它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战2。针对以上情况，开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一3,4。太阳能发电方式有太阳能热发电和太阳能光伏发电。太阳能热发电就是利用太阳能将水加热，使产生的蒸汽去驱除汽轮机发电机组。基本类型有三种，分别是槽式线聚焦系统、塔式系统和蝶式系统。太阳能热发电效率很低而且成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站还要贵510倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元，平均1KW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，甚至还不能与普通的火电站或核电站相竞争。而太阳能光伏发电具有（1）无污染绝对零排放无任何物质及声，光，电，磁，机械噪音等“排放”；（2）可再生资源无限，可直接输出高品位电能,具有理想的可持续发展属性；（3）资源的普遍性基本上不受地域限制，只是地区之间有丰富与欠丰富之别；（4）机动灵活发电系统可按需要以模块方式集成，可大可小，扩容方便；（5）通用性，可存储性电能可以方便的通过输电线路传输，使用和存储；（6）分布式电力系统将提高整个能源系统的安全性和可靠性；（7）资源，发电，用电同一区域可望大幅度节省远程输变电设备的投资费用；（8）光伏建筑集成节省发电基地使用的土地面积和费用等优点。因此可以预料，太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。太阳能光伏发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。而太阳能电池组件SOLARCELLS则是利用半导体材料的电子学特性实现PV转换的固体装置。因为太阳电池的主要原料硅的储量十分丰富，而且随着太阳电池研究的快速进程和转换效率的不断提高以及与其相关之系统技术的进展，发电成本己经呈现快速下降趋势。因此太阳能光伏发电系统的应用将会普及的更广。目前在广大的无电力网地区，该装置可以方便地为用户实现照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。在国内，从民用的角度看，为了真正的实现绿色照明，太阳能光伏发电系统除了适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统之外，还可广泛地应用于城市和乡村道路、高速公路照明，公园、小区等亮化工程，形成了太阳能路灯、太阳能景观灯、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能水上灯、太阳能交通信号灯等系列产品。而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。因此，利用太阳能光伏发电是集开发利用绿色可再生能源、改善生态环境、改善人民生活条件于一体而面向21世纪人类发展的重大课题；同时又是集光电子半导体、电力电子、现代电力系统、电机学、电化学和现代控制理论等高新技术于一体的交叉科研课题。它具有巨大的经济、政治和社会效益，同时又含有丰富的学术研究价值和基础理论问题4。2光伏发电的现状及前景展望当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，针对其制定规划，增加投入，并加以大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期，光伏发电技术产业一直保持以1015的递增速度。90年代后期，其发展更为迅速，并成为全球增长速度最快的高新技术产业之一7。21光伏发电历史对光伏发电技术的研究始于100多年前。1839年，法国物理学家AE贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸入溶液构成的伏打电池，光照时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为“光生伏打效应”（PHOTOVOLTAICEFFECT）。1873年英国科学家WILOUGHBSMITH就已经观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下，硒导电能力的增加正比于光通量。1880年CHARLESFRITTS开发出以硒为基础的光伏电池。以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类器件为“光伏电池”（SOLARCELL）。从1961年到1971年，硅光伏电池技术没有取得重大进展。研究的重点放在提高抗辐射能力及降低成本方面。在1972年到1976年之间研制出了各种空间用的光伏电池并以不同的商标出现。在20世纪中期，研制出超薄单晶硅光伏电池。从20世纪中后期开始，光伏技术得到不断的完善，成本不断降低，形成了不断发展的光伏技术产业，成为21世纪世界能源舞台上的主要成员之一。22国外太阳能光伏发电的现状221德国光伏产业现状在这场阳光革命中领先的国家是德国,德国对太阳能的认知最早，位居前列。上个世纪90年代，德国推出了“十万屋顶计划”。政府鼓励居民在自家屋顶上安装太阳能光伏发电系统，发出的电由政府强制命令电网公司出资收购。每个家庭安装太阳能发电设备后卖电的钱，不仅能回收成本，还能产生利润。数十万个屋顶的独立太阳能发电系统，并网发出的电力很是可观。政府或电网公司收购资金由社会公摊把太阳能或者风能发的电与水电、火电、核电等在电网上进行平摊，平均的结果，是居民的消费电价略有上涨，但上涨的幅度不高，平均每户每月只多花一个欧元。德国为光伏产业提供10年期无息贷款。2004年，德国共装配10万台新的太阳能发电设备，合计容量3000万千瓦，首次超过日本，居世界第一位。面对强势竞争，德国太阳能产业依然傲视群雄，硕果累累。2005年，业内企业营业额达37亿欧元，从业公司约5000家，从业人数包括研发和服务达42000人。德国联邦太阳能经济协会有关人士说“全球范围内太阳能发电装机容量将从2005年的1210兆瓦上升至2010年的3000兆瓦，年增长率为22”。全球四分之一的太阳能电池产自德国，五年来德国所占全球市场份额始终保持在10。德国去年太阳能业的总产值达到20亿欧元，比前年增长60。222日本光伏产业现状90年代初以来，日本在太阳能光伏发电方面取得了巨大的成功，通过推行可再生能源配额法和实行强补贴等政策，日本已经成为世界光伏发电的先导。近五年来日本居民光伏屋顶系统年增长率为967，成为目前世界上光伏发电最大的市场。日本是一个自然资源极其匮乏的经济大国，太阳能利用设施的家庭普及率几乎是100。2002年全球太阳电池和光伏组件产量约600MW，其中日本占45。日本是光伏产业发展最快的国家，在不到10年的时间里超过了美国，2001年世界10大太阳电池生产厂，日本就有4家，分别是夏普、京都陶瓷、三洋和三菱。1993年，包括太阳光在内的新能源消费量约占全日本能源消费的3。1997年到2003年间，日本的太阳能普及率始终保持着90的增长率。1997年到2004年间，日本政府向用于住宅屋顶上的太阳能电池板安装工程投入了1230亿日元的资助金。政府的全力支持，使日本的太阳光伏发电产业很快跃居世界领先地位。日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍，并在35年后，将太阳能电池系统的价格降至目前的一半左右。2009年还专门安排30亿日元的补助金，专项鼓励太阳能蓄电池的技术开发。223美国光伏产业现状1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。1980年，又正式将光伏发电列入公共电力规划。1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了234；1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，虽受金融危机的影响，美国政府对光伏产业的扶持力度仍然没有降低，2008年9月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策（ITC）续延26年。美国计划到2010年安装10003000MW太阳能电池。据国际能源网报道，根据美国环境COOP非盈利组织最近的一份研究指出太阳能发电的成本将在十年内与传统化石能源发电成本对等。随着太阳能发电成本的下降，煤炭、天然气和核电成本的上涨。美国将在2015年抵达这一交叉点。该报告预测到2025年，美国电力来源的10将由太阳能电力提供，或者说有255000MW的太阳能电力安装产能。2008年，美国太阳能光伏和光热发电已经从2003年的600MW提高到3000MW。224其他各国光伏产业现状另外，瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。印度、马来西亚等东南亚国家，也制定了国家的光伏发展计划。近几年国际上光伏发电快速发展，2007年全球太阳能新装容量达2826MW，其中德国约占47，西班牙约占23，日本约占8，美国约占8。2007年，在太阳能光电产业链中有大量的投资集中到新产能的提升上。除此之外，太阳能光电企业在2007年间的贷款融资金额增长了近100亿美元，使得该产业规模不断扩大。虽然受金融危机影响，德国、西班牙对太阳能光伏发电的扶持力度有所降低，但其它国家的政策扶持力度却在逐年加大。23我国光伏发电的现状与前景我国于1958年开始研究光伏电池，1972年首次成功地将光伏电池用于地面，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。中国的光伏产业的发展有两次跳跃，第一次是在上世纪80年代末，我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使我国的太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的45MW，引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动；例如2002年由国家发改委负责实施的“光明工程”送电到乡和即将实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。由于我国西部人口密度小，居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源，所以太阳能光伏发电是既廉价又清洁的能源选择8。近20年来，我国光伏产业的发展已初具规模，但在总体水平上我国同国外相比还有很大差距，主要表现为（1）生产规模小。我国太阳电池制造厂的生产能力约为051兆瓦/年，比国外生产规模低一个多数量级。（2）技术水平较低。电池效率、封装水平同国外存在一定差距。（3）专用原材料国产化经过“八五”攻关取得一定成果，但性能有待进一步改进，部分材料仍采用进口品。（4）成本高。目前我国电池组件成本约30元/瓦，平均售价42元/瓦，成本和售价都高于国外产品。（5）市场培育和发展迟缓，缺乏市场培育和开拓的支持政策、措施。我国目前尚有约30000个村庄，700万户，3000万农村人员还没有用上电，60的有电县严重缺电，光伏市场潜力巨大。在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的改变，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统9。表1按照应用领域市场划分的预测（）应用领域20002005201020202050农村电气化405560105通信和工业502010158太阳能商品和其它102010158并网发电5206080合计1001001001001002005年2月28日，第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过中华人民共和国可再生能源法，该法于2006年1月1日起正式实施。可再生能源法规定国家将可再生能源开发利用的科学技术研究和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并安排资金支持可再生能源开发利用的科学技术研究、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利用的技术进步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。国家鼓励和支持可再生能源并网发电。为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展，根据国家可再生能源中长期发展规划，国家发展和改革委员会决定在20052007年期间，实施可再生能源和新能源高技术产业化专项。其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭/硅片以及高效低成本太阳能电池组件及系统控制部件的产业化成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支持的重点领域之一。2007年，中国光伏电池产量首次超过德国和日本，居世界第一位。2008年的产量继续提高，达到了200万千瓦。近5年来，中国光伏电池产量年增长速度为13倍，光伏电池产量占全球产量的比例也由2002年107增长到2008年的近15。商业化晶体硅太阳能电池的效率也从3年前的1314提高到1617。由于技术和成本问题，我国能源政策在今后很长一个时期都是以节能为主，效率为本。煤炭和石油仍然是主要的能源，然后才是可再生能源的多元化发展，目前让光伏发电作为主力能源还不成熟。但不可否认的是，煤炭和石油的价格逐步上升，光伏发电价格的逐步下降，在某一个时期会有一个交叉点出现，那时候，光伏发电就进入了成熟的发展期。24太阳能发展前景展望太阳能是大家公认的清洁能源，用之不尽，取之不竭，除非太阳走到生命的尽头。太阳能发电完全是一种零排放的清洁能源，也是一种接近规模应用的现实能源，虽然存在着占地面积大，设备价格高的缺点，但未尝不是解决世界各国局部电力紧缺的一种有效方式。从全球可再生能源投资情况来看，虽然2008年金融危机的爆发影响了世界经济的发展，但是在新能源领域的投资并没有减少。从现在起到2030年，针对可持续能源领域的投资有望在2012年达到每年4500亿美元的水平；从2020年开始，投资有可能增加到每年6000亿美元。同样在我国，随着我国能源需求日益增加，使我国的能源需求形势越来越紧张，如何解决能源危机成了国家亟需解决的重点。根据我国中长期能源规划研究，2020年之前，我国将投入2万亿元用于可再生能源的应用与研究。到2050年前后，非水能可再生能源的战略定位是主导能源之一，可以满足88亿到171亿吨标煤的能源需求，占全国能源需求的17到34；含水能则可以提供132亿到215亿吨标煤，占全国能源需求的26到43。太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50以上，太阳能光伏发电将占总电力的20以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80以上，太阳能发电将占到60以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。而且，世界各国对太阳能发电的发展都有自己的计划，一个是日本提出的创世纪计划。准备利用地面上沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站联成统一电网以便向全球供电。据测算，到2000年、2050年、2100年，即使全用太阳能发电供给全球能源，占地也不过为6511万平方公里、18679万平方公里、82919万平方公里。82919万平方公里才占全部海洋面积23或全部沙漠的514，甚至才是撒哈拉沙漠的915。因此这一方案是有可能实现的。另一个是天上发电方案。早在1980年美国宇航局和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满太阳电池，这样便可提供500万千瓦电力。但这需要解决向地面无线输电的问题。现已提出用微波束、激光束等各种方案。目前虽已用模型样机实现了短距离、短时间、小功率的微波无线输电，但离真正实用还有漫长的路程。对于中国来说，自上世纪80年代，风电、太阳能、现代生物质能等技术应用和产业在政府的支持下稳步发展，小水电、太阳能热水器、小风电等一些可再生能源技术和产业已经走在世界的前列。另外，我国可再生能源资源丰富。太阳能较丰富的区域占国土面积的三分之二以上，年辐射量超过60万焦耳/平方厘米，每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量；我国风能资源总量约为712亿千瓦，陆地可开发风能资源储量大于海上，年发电量可达1424万亿千瓦时；当前可利用生物质资源约29亿吨，主要是农业有机废弃物；可开发的水能资源总量非常丰富，约为6亿千瓦左右，全国水能技术可开发量，至少也在5亿千瓦以上，年可提供电量25万亿千瓦时。因此，我国具有大规模开发可再生能源的资源条件和技术潜力，可以为未来社会和经济发展提供足够的能源保障。尤其是近年来，由于世界能源的日趋紧张和光伏技术的不断发展，廉价的非晶硅太阳电池的生产技术已经成熟。大规模的光伏发电，不仅可解决广大中西部无电地区居民的能源问题。而且，对于城市和乡村的亮化工程也起到促进作用。不过，这不是太阳能产业迅速发展的主要原因，一个更诱人的动因是，太阳能在未来建筑上的应用，太阳电池组件比太阳能热水器与建筑更有亲和力。太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，有节省了建材，国外已有非常好的案例。因此，太阳能光伏发电技术与建筑结合方面，将具有良好的经济效益，前途无限。专家预测，若光伏电池与城市和农村的建筑相结合，实行光伏并网发电，不但达到绿色环保的目的，而且会逐步改变我国传统能源结构，对克服我国能源紧张、改善生态环境及人体健康具有重大意义。3太阳能光伏发电系统31光伏发电概述光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为可靠、稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。目前，光伏发电产品主要用于三大方面一是为无电场合提供电源，主要为广大无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源。二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地灯具等。三是并网发电，这在发达国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，2008年北京“绿色奥运”部分用电主要由太阳能发电和风力发电提供。32光伏发电系统的原理太阳能光伏发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。而太阳能电池组件SOLARCELLS是利用半导体材料的电子学特性实现PV转换的固体装置，是太阳能光伏发电系统的核心部件，又称光伏电池。其发电原理是“光生伏打效应”，即当太阳光照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生电子空穴对，在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端分别出现正负电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样太阳的光能就直接变成可以被利用的电能。33光伏发电系统的组成及功能太阳能光伏系统主要由太阳能电池板、蓄电池、控制器、DCAC逆变器和用电负载等组成。其中，太阳能电池板、蓄电池为电源系统控制器，逆变器为控制保护系统。1太阳能电池板单一太阳电池的发电量十分有限，实用中的太阳能电池是根据系统需求，将多个电池经串、并联组成的电池系统，称为太阳能电池板。它是太阳能光伏系统的核心部件，直接将太阳光能转换成电能。电池板板面为钢化玻璃封装，可承受冰雹冲击和12级强风的力量，使用温度为4060，基本可满足一般需求。目前太阳能电池板使用寿命为2025年。2蓄电池蓄电池将太阳能电池板产生的电能储存起来，当光照不足或晚上，或者负载需求大于太阳能电池板所发出的电量时，将存储的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。目前光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。3控制器控制器对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池板和蓄电池对负载的电能输出，它是整个系统的核心控制部分，保证系统能正常、可靠地工作，延长系统部件（特别是蓄电池）的使用寿命。它必须包含蓄电池过充、过放、负载过流和防反充等保护电路。随着光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。4逆变器在光伏供电系统中，如用户终端为交流负载，则须使用逆变器设备，将太阳能电池板产生的直流电或蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。如为直流负载，则不需逆变器转换。34光伏发电系统的分类目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类独立系统、并网系统及混合系统。1独立系统单一个体本身带有电池板、蓄电池、控制器、用电器等全套配置的系统。例如太阳能路灯、庭院灯等。该系统的特点是单一个体是一个独立的系统，即使某一个体出现故障，不会影响其他个体，且不必架设配电线路。但要求应用场所周围没有遮挡物，确保每一单体必须是接收阳光良好。这是一种常见的太阳能应用方式。在国内外应用已有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。2并网系统并网系统的特点是太阳能电池板产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。由于直接将电能输入到电网，免除了蓄电池的配置，降低了系统的成本；且省掉了蓄电池储能和释放的过程，充分利用太阳能电池板所发的电力，减少了能量的损耗。但另一方面，系统中需要配置专用的并网逆变器，以保证输出的电能满足电网电力对电压、频率等用电性能指标的要求。因为逆变器效率的问题，会有部分的能量损失。这种系统能够并行使用市电和太阳能电池板作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率，而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。但并网光伏系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。3混合系统这是介于上述两个之间的系统，混合系统中除了使用太阳能电池板发电之外，还使用了柴油发电机作为备用电源，其目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。如光伏系统的优点是维护少，缺点是电能输出依赖于天气,不稳定。使用这种光或柴油混合供电系统，可减少对天气的依赖性，降低负载缺电率，并实现较好的负载匹配和较高的性价比。该方案有较强的适应性，例如可以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略，但是其造价和运行成本较上述两种方案要高。35光伏发电系统的效率在太阳能发电系统中，系统的总效率ES是由电池组件的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。自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。常见的几种太阳能电池的转换效率见表2。表2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MAX各种太阳能电池单晶硅244多晶硅166多晶硅186铜铟镓硒188GAAS单结257碲化镉160ASI单结13铜铟硒141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。36发电与建筑照明一体化各国工程技术人员目前已经能够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，美国宣布了总统亲自命名的“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170210日元/W，太阳能电池年产量达10MW，电池成本降到2530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，由以自然状态的菜籽油作燃料的热电厂提供，经设计燃烧菜籽油时产生的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125KW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。已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。在2008年第二十九届北京奥运会上，为践行“绿色奥运”的理念，在众多的场馆和奥运村，太阳能也得到了广泛的应用，太阳能光伏发电系统已在国家体育馆等7个奥运场馆得到应用，总装机容量600多千瓦，年发电量58万千瓦时；奥运场馆周围80至90的路灯利用太阳能光伏发电系统，这是太阳能光伏发电系统在北京奥运会的应用。4太阳能路灯的设计探索随着太阳能光伏技术的发展和进步，太阳能灯具具有环保节能的双重优势，太阳能路灯，庭院灯，草坪灯等方面的应用已经形成规模，太阳能发电在灯具照明领域已经日趋完善。下面以太阳能路灯为例介绍太阳能独立发电系统在照明领域的应用。41太阳能路灯的基本结构太阳能路灯由以下几个部分组成太阳电池组件、组件支架、太阳能控制器、蓄电池组、光源、灯杆及灯具外壳。如输出电源为交流220V或110V，还要配置逆变器。42太阳能路灯的原理太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，白天太阳电池吸收太阳能光子能量产生电能，通过控制器储存在蓄电池里；当夜幕降临或灯具周围光照度较低时，蓄电池通过控制器向光源供电一直到设定的时间后切断。43路灯设计所需的数据（1）通过已知太阳能路灯使用地来查找使用地的经度与纬度。通过（中国不同倾斜面上太阳辐射数据库）来确定太阳电池组件的倾斜角与方位角及计算该地区的太阳能标准峰值日照时间。（2）路灯所选用光源的功率（W）。光源功率的大小直接影响着整个系统的参数及稳定性。（3）太阳能路灯每天晚上工作的时间（H）。这是决定太阳能路灯系统中组件大小的核心参数，通过确定工作时间，可以初步计算负载每天的功耗和与之相应的太阳电池组件的充电电流。（4）太阳能路灯需要保持的连续阴雨天数。这个参数决定了蓄电池容量的大小及阴雨天过后恢复电池容量所需要的太阳电池组件功率。（5）确定两个连续阴雨天之间的间隔天数。这是决定系统在一个连续阴雨天过后充满蓄电池所需要的电池组件功率。44关键部件选型441太阳电池组件太阳电池组件的电压会随着温度的升高而降低，由于高温的影响，电池组件的电压损失约2V，而充电过程控制器上的二极管压降为07V，所以选择工作电压为18V的组件。由于太阳能路灯的特殊性，太阳能电池板一般安装在灯杆上，对于路灯杆而言，一般都是5米以上，重心较高，而且大部分太阳电池板都是悬挂式，为增强整套设备的抗风力，一般选择多块太阳电池板组成所需要的组件功率。442蓄电池（组）在选择蓄电池时，须要考虑放电率对蓄电池容量的影响，温度对蓄电池容量的影响，放电深度对蓄电池容量的影响等几个方面。所以一定要选用深循环的太阳能专用蓄电池。蓄电池在进行并联连接时，需要考虑各单体电池间的不平衡影响，通常情况下并联组数不宜超过4组。443控制器控制器是整个路灯系统中充当管理者的关键部件，它的最大功能是对蓄电池进行全面的管理，好的控制器应当根据蓄电池的特性，设定各个关键参数点，比如蓄电池的过充点、过放点，恢复连接点及SOC放电控制等。在选择路灯控制器时，特别需要注意控制器恢复连接点参数，由于蓄电池有电压自恢复特性，当蓄电池处于过放电状态时，控制器切断负载，随后蓄电池电压恢复，如果些时控制器各参数点设置不当，则可能出现灯具闪烁不定，缩短蓄电池和光源的寿命。444光源的选择光源的选型对于太阳能路灯来说是最为关键的一步，目前针对太阳能路灯专用的光源较少，为减少有限能量的损失，光源尽量选直流光源。目前常见的光源有直流节能灯、高频无极灯、低压钠灯和LED光源。LED作为半导体光源，寿命长，可达1000000小时，工作电压低，不需要逆变器，光效较高，国产50LM/W，进口80LM/W。随着技术进步，LED的性能将进一步提高。其发展势头强劲，是太阳能路灯最为理想的光源，LED光源是一款多功能、环保节能型路灯光源，适合在各种场合的照明使用。LED路灯驱动器是专门针对LED路灯系统所研发的产品，用于提供LED灯具稳定的电源。运用先进的电子电力技术，设计了高效率增强以及超节能脉宽调制（PWM）两种输出模式，配合时间控制，可以在需要的时候（上半夜天黑人多车多的时候）以高效率增强模式点亮LED灯具，提供良好的照明，而其它时间段（后半夜人车稀少的时候）则以超节能模式输出，节约蓄电池的电力的消耗。45LED使用注意事项1LED的特性接近稳压二极管，工作电压变化为01V，工作电流可能变化20MA左右。为了安全，普通情况下使用串联限流电阻，极大的能量损失显然不适合太阳能草坪灯，并且LED亮度随工作电压变化。采用升压电路是一个好办法，也可以用简单的恒流电路，总之一定要自动限流，否则将损坏LED。2一般LED的峰值电流50100MA，反向电压6V左右，注意不要超过这个极限，尤其在太阳能电池反接或者蓄电池空载，升压电路峰值电压过高时，很可能超过这个极限，损坏LED。3LED温度特性不好，温度上升5，光通量下降3，夏季使用要注意。4工作电压离散性大，同一型号，同一批次的LED工作电压都有一定差别，不宜并联使用。一定要并联使用，应该考虑均流。5超高亮白光LED色温为6400K30000K。目前，低色温的超高亮白光LED尚没有进入市场，因此用超高亮白光LED制造的太阳能草坪灯光穿透能力比较差，所以在光学设计上要注意。6静电对超高亮白光LED影响很大，在安装时要有防静电设施，工人要佩带防静电手腕。受静电伤害的超高亮白光LED当时可能凭眼睛看不出来，但是使用寿命将变短。46太阳能路灯注意事项1道路照度与适用范围根据城市道路照明设计标准的规定快速路平均照度2LX，均匀度04，主干路平均照度15LX，均匀度035，次干路平均照度8LX，均匀度035，支路平均照度5LX，均匀度03。现投入使用的LED路灯，由于技术条件，LED功率偏小30100W，光效5080LX/W，道路照度较低，有人曾做过测试，杆高85米，间距30米，光源250WLED灯，灯下照度19LX，两灯之间11LX，最暗处35LX。以上数据为新安装灯具的初始照度值，故其照度是不能满足快速路与主干路。太阳能路灯宜在次干路、支路上使用，主要道路慎用。2照明时间LED路灯每天的工作时间应同一般路灯的工作要求，设计应考虑冬天日照时间短时，其工作时间应能在12小时之上。由于LED灯受天气影响较大，如遇连续阴雨天就使LED灯缺乏电能而无法使用。国家现无规范对LED路灯在低辐照度（连续阴雨天）情况，允许最少工作时间没有做出规定，现一般根据灯具厂家和当地的气象情况，应在低照度（连续阴雨天）工作状况下工作在1520天。在设计时应充分考虑太阳能电池板及蓄电池的容量。3防雷接地LED路灯的工作电压一般为12V或24V，属安全电压，不做电气保护接地。但LED路灯金属灯杆应做防雷接地，接地电阻不大于10欧姆。总之，影响太阳能路灯性能的因素很多，除了上述几点，还需要考虑路灯整体的结构，特别是路灯的抗风能力的计算以及结合城市道路设计路灯整体的美观性。太阳能路灯的设计需要科学、合理，一些人在设计太阳能路灯系统时往往把日照时间看作太阳能峰值时数，其实这是不正确的，这样设计的结果会导致整个系统的不稳定性。只有掌握了安装地点的详细气象资源及使用条件，再结合实际经验，优化系统设计，才能确保太阳能路灯能正常工作。5结束语综上所述，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。而且，太阳能作为一种取之不尽，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、性价比也将得到前所未有的提高。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。谢辞本论文是在导师的悉心指导和严格要求下完成的，从课题选择到具体的写作过程，无不凝聚着导师的心血和汗水，在我的毕业论文写作期间，导师为我提供了种种专业知识上的指导和一些富于创造性的建议，没有这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业论文。在此向我的导师表示深深的感谢和崇高的敬意。在临近毕业之际，我还要借此机会向在这五年中给予了我帮助和指导的所有老师表示由衷的谢意，感谢他们五年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负责，治学严谨，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业论文。同时，在论文写作过程中，我还参考了有关的书籍和论文，在这里一并向有关的作者表示谢意。最后，我还要感谢同组的各位同学，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢。参考文献1严陆光力促大规模非水可再生能源发展J电网与清洁能源,2009,32522王长贵新能源和可再生能源的现状和展望C太阳能光伏产业发展论坛论文集,2003,239493赵玉文太阳能光伏技术的发展概况C第五届全国光伏技术学术研讨会论文集,19984BENNERJPKAZMERSKILPHOTOVOLTAICSGAININGGREATERVISIBILITYSPECTRUM,IEEE1999,36934425林安中,王斯成国内外太阳电池和光伏发电的进展与前景J太阳能学报增刊,199968746赵争鸣,刘建政,孙晓瑛太阳能光伏发电及其应用M北京科学出版社,20057PALZWPVFORTHENEWCENTURYSTATUSANDPROSPECTSFORPVINEUROPERENEWABLEENERGYWORLD2000,32248黄讯我国光伏发电的现状及市场展望J中国环保产业,2003,520219赵玉文我国太阳能光伏产业发展形式和思考J世界科技展,2003,254313810傅定文光伏控制器的应用和发展J阳光能源,2003,4131811李进国,金新民小功率光伏并网逆变器控制系统的设计J电源技术用,2002,512414412崔岩,柴炳煌太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究J太阳能学报,2006,27653553913侯聪玲,吴捷太阳电池充电器中的自适应算法J太阳能,2004,1181914岳新苗,吴捷,张先勇一种新型的最大功率跟踪试验方法在太阳能充电器中的应用C全国电工理论与新技术学术年会论文集,200515雷元超,陈春根光伏电源最大功率点跟踪控制方法研究J电工电能新技术,2004,233768016张兴,张崇巍,曹仁贤光伏并网逆变器非线性控制策略的研究J太阳能学报,2002,23677077317史云鹏光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨J太阳能学报,2005,261868918邹新京独立光伏发电系统检测标准介绍J太阳能,2006,4383919赵争鸣太阳能光伏发电及其应用M北京科学出版社,200520王长贵,王斯成太阳能光伏发电实用技术M北京化学工业出版社,200521张志强,马琴,程大章太阳能光伏发电系统中的控制技术研究J同济大学社区信息化与智能建筑研究中心,2007,1120586222胡希杰上海太阳能发电的现状J上海太阳能科技有限公司,2002,192123中国电工技术学会编电工高新技术丛书（第二分册）北京机械工业出版社,200424李申生太阳池的应用太阳能,1999，（4）222325李安定等碟式聚光太阳热发电技术太阳能,2003,（3）2527AGANEMPLOYMENTTRIBUNALCLAIEMLOYMENTTRIBUNALSSORTOUTDISAGREEMENTSBETWEENEMPLOYERSANDEMPLOYEESYOUMAYNEEDTOMAKEACLAIMTOANEMPLOYMENTTRIBUNALIFYOUDONTAGREE