太阳能发电技术与绿色照明

河南科技学院2009 届本科毕业论文（设计）论文题目：太阳能发电技术与绿色照明学生姓名： 赵睿娟所在院系： 机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名： 沈 宏完成时间：2009 年 5 月 18 日I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IISolar electrical energy generation and green illuminationAbstractAlong with the economical and the population growth, the energy grew already could not meet humanitys need; On the other hand, depends upon many questions which purely the biological fuel creates, destroyed humanitys living environment, therefore in energy depletion and environmental pollution question day by day serious today, to govern the ecological environment which and alleviate already worsened, the people longed for used “inexhaustible, inexhaustible” the renewable energy source replaced the resources to be limited, pollution of the environment conventional energy source. The solar energy takes the green new energy which one kind clean, highly effective and never declines, since the short-term urgently needed energy supplemented, also will be the future energy structure foundation. In the new century, various countries government will be reasonable using the solar energy resources takes the country sustainable development the important content.Especially bends down the power technology take the semiconductor photovoltaic effect as the foundation light, not can only meet peoples life needs, moreover along with the solar cell transfer efficiency and the production technologys unceasing enhancement, the solar energy light will bend down the electricity generation application to be able to be getting more and more broad. This paper describes the solar photovoltaic system structure and working principle and the status of PV power at home and abroad. And mainly makes the further discussion and the analysis to the solar energy street lights design main point. Also proposed that the full use solar energy, the research development promotion energy conservations green energy is realizes the construction green illumination, the implementation country green lighting engineering important measure.Key words: Solar energy； Photovoltaic power generation； green energyIII目 录1 绪论 .12 光伏发电的现状及前景展望 .22.1 光伏发电历史 .22.2 国外太阳能光伏发电的现状 .32.2.1 德国光伏产业现状 .32.2.2 日本光伏产业现状 .32.2.3 美国光伏产业现状 .42.2.4 其他各国光伏产业现状 .42.3 我国光伏发电的现状与前景 .42.4 太阳能发展前景展望 .63 太阳能光伏发电系统 .83.1 光伏发电概述 .83.2 光伏发电系统的原理 .83.3 光伏发电系统的组成及功能 .83.4 光伏发电系统的分类 .93.5 光伏发电系统的效率 .103.6 发电与建筑照明一体化 .114 太阳能路灯的设计探索 .114.1 太阳能路灯的基本结构 .124.2 太阳能路灯的原理 .124.3 路灯设计所需的数据 .124.4 关键部件选型 .124.4.1 太阳电池组件 .124.4.2 蓄电池（组） .124.4.3 控制器 .134.4.4 光源的选择 .134.5 LED 使用注意事 项 .134.6 太阳能路灯注意事项 .145 结束语 .15谢辞 .16参考文献 .1711 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 5-10 倍。一座 1000MW 的太阳能热电站需要投资 20-25 亿美元，平均 1kW 的投资为 2000-2500 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(Solar cells)则 是利用半导体材料的 电子学特性实现 P-V 转换的固体2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 10%15%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。2.1 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 A.E.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”（photovoltaic effect）。1873 年英国科学家 Wilough B. Smith 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 Charles Fritts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 P-N 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” （solar cell）。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3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。2.2 国外太阳能光伏发电的现状2.2.1 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%。 2.2.2 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 96.7%，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。4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 3-5 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。2.2.3 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 23.4%；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 2-6 年。美国计划到 2010 年安装 1000-3000MW 太阳能电池。据国际能源网报道，根据美国环境 Co-op 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。2.2.4 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。2.3 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5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 4.5MW，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 0.51 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6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 2000 2005 2010 2020 2050农村电气化 40 55 60 10 5通信和工业 50 20 10 15 8太阳能商品和其它 10 20 10 15 8并网发电 5 20 60 80合计 100 100 100 100 1002005 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 1-3 倍，光伏 电池产量占全球产量的比例也由 2002 年 1.07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 13-14提高到 16-17。7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。2.4 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 8.8 亿 到 17.1 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 13.2 亿到 21.5 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 65.11 万平方公里、 8186.79 万平方公里、829.19 万平方公里。 829.19 万平方公里才占全部海洋面积 2.3或全部沙漠的 51.4，甚至才是撒哈拉沙漠的 91.5。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 1.7 万亿吨标准煤的能量；我国风能资源总量约为 7-12 亿千瓦，陆地可开发风能资源储量大于海上，年发电量可达 1.4-2.4 万亿千瓦时；当前可利用生物质资源约 2.9 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 2.5 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3.1 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9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 。3.2 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(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，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。3.3 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、 DC-AC 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10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 。3.4 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。11(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。3.5 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 24.4 多晶硅 16.6多晶硅 18.6 铜铟镓硒 18.8GaAs(单结) 25.7 碲化镉 16.0a-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。3.6 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。121999 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 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。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。4.1 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。4.2 太阳能路灯的原理13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。4.3 路灯设计所需的数据（1）通过已知太阳