太陽(yáng)能照明的原理及構造
1 太陽(yáng)能照明概述

太陽(yáng)能是“取之不盡，用之不竭”的，無(wú)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(wàn)桶石油。在很長(cháng)一段時(shí)間內，太陽(yáng)能都白白地從人們身邊“溜走”了。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽(yáng)能逐漸被開(kāi)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(yáng)能的利用方式主要有兩種。

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

（2）通過(guò)集熱器把太陽(yáng)能轉換為熱能加以利用，例如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)灶等。

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

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

太陽(yáng)能照明最明顯的特點(diǎn)是節能、經(jīng)濟、環(huán)保，無(wú)需由傳統的公共電力系統獲取電能，節省了變配電設備、纜線(xiàn)、開(kāi)關(guān)等的投資，基本沒(méi)有運行用度。太陽(yáng)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(shù)條件下，太陽(yáng)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(yáng)能照明原理

太陽(yáng)能電池板把太陽(yáng)能轉化為電能，經(jīng)過(guò)大功率二極管及控制系統給蓄電池充電。充電到一定程度時(shí)，控制器內的自保系統動(dòng)作，切斷充電電源。晚間，太陽(yáng)能電池板充當了光電控制器，啟動(dòng)控制器，蓄電池給照明燈供電，點(diǎn)燃照明燈；凌晨，太陽(yáng)能電池板又充當了光電控制器，啟動(dòng)控制器，切斷照明燈電源，重新開(kāi)始進(jìn)行轉化太陽(yáng)能為電能的工作。在太陽(yáng)能燈燃亮時(shí)，還能夠根據設置進(jìn)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(yáng)能照明組成

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

3.1 太陽(yáng)能電池

3.1.1 太陽(yáng)能電池原理

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

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

單片太陽(yáng)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(yáng)能電池連接在一起。

太陽(yáng)能電池的輸出功率是隨機的。不同時(shí)間、不同地點(diǎn)、不同安裝方式下，同一塊太陽(yáng)能電池的輸出功率也是不同的。

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

3.1.2 太陽(yáng)能電池分類(lèi)

（1）硅太陽(yáng)能電池；
（2）以無(wú)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(yáng)能電池；
（4）納米晶太陽(yáng)能電池等。

硅太陽(yáng)能電池技術(shù)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(yáng)能電池材料。以其他材料為基礎的太陽(yáng)能電池也正在研制和發(fā)展過(guò)程中。

3.1.3 硅太陽(yáng)能電池

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

目前，單晶硅太陽(yáng)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(cháng)。

（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(jià)襯底材料上制備。多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的本錢(qián)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(yáng)能電池的主導產(chǎn)品。

多晶硅太陽(yáng)能電池在室外照明中的應用將越來(lái)越廣泛。

（3）非晶硅電池：非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池制作簡(jiǎn)單，本錢(qián)較低，便于大規模生產(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，但穩定性較差。進(jìn)步轉換率和穩定性是非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池的發(fā)展方向。目前，非晶硅電池在低功率電力系統中應用較多。

3.1.4 研制中的其他太陽(yáng)能電池

（1）納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池：納米晶化學(xué)太陽(yáng)能電池是新型太陽(yáng)能電池，目前仍在研制過(guò)程中，其中納米晶ＴｉＯ２太陽(yáng)能電池倍受關(guān)注。納米晶ＴｉＯ２太陽(yáng)能電池光電效率在１０％以上，制作本錢(qián)為硅太陽(yáng)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(yáng)能電池：原材料為有機材料，柔性好，制作輕易，材料來(lái)源廣泛，本錢(qián)較低。性能和壽命遠不如硅電池，但有可能提供廉價(jià)電能。此項研究剛剛起步。

（3）多元化合物薄膜太陽(yáng)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(yáng)能電池效率高，本錢(qián)較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會(huì )造成嚴重污染，因此，不能開(kāi)發(fā)應用。

3.1.5 太陽(yáng)能電池的容量選擇

太陽(yáng)能電池功率必須比負載功率高出４倍以上，系統才能正常工作。

3.2 蓄電池

3.2.1 太陽(yáng)能照明必須配備蓄電池

太陽(yáng)能照明必須配備蓄電池才能工作，這是由于：

（1）太陽(yáng)能電池只能在白天進(jìn)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地連續幾個(gè)陰天的照明需要。

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

3.2.2 蓄電池的種類(lèi)和應用

（1）鉛酸蓄電池：傳統蓄電池，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，多數國家嚴格控制此類(lèi)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(cháng)、無(wú)環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，各國正在積極開(kāi)發(fā)。發(fā)達國家在20世紀９０年代已經(jīng)進(jìn)進(jìn)產(chǎn)業(yè)化階段。

（4）鋰電池：新型高能化學(xué)電源，具有高容量、高功率、小型化、無(wú)污染的特點(diǎn)。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(lǐng)域正在逐步擴大。

研制、推廣無(wú)污染蓄電池是發(fā)展太陽(yáng)能照明迫切需要解決的一個(gè)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(mǎn)足夜晚照明的需求，同時(shí)應該滿(mǎn)足當地連續陰雨天氣時(shí)夜晚照明的需求。但是，所選蓄電池容量也不必過(guò)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，我國西部地區建議高出照明燈日耗電量的４倍以上；北方地區建議高出照明燈日耗電量５倍以上；南方地區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(yáng)能燈系統的工作狀態(tài)，如照明燈的光控或設置開(kāi)關(guān)、調光、雷電保護、電路短路保護，對蓄電池進(jìn)行過(guò)充電保護、反充電保護、過(guò)放電保護、溫度補償等。

控制器是太陽(yáng)能燈的“大腦”。有了合格的控制器，太陽(yáng)能燈才能順利工作，同時(shí)延長(cháng)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(shí)不必設置，照明負載為交流負載時(shí)必須使用。根據我國現狀，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(guò)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(yáng)能照明存在光電轉換率較低，本錢(qián)價(jià)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(guān)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(yáng)能照明光源以ＬＥＤ發(fā)光二極管、三基色高效節能燈為主，也可能使用低壓鈉燈、無(wú)極燈，個(gè)別情況采用小功率ＨＩＤ燈。

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

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

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

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

隨著(zhù)ＬＥＤ發(fā)光二極管光效的進(jìn)步，太陽(yáng)能照明的配套光源將越來(lái)越多地使用ＬＥＤ發(fā)光二極管。

4 太陽(yáng)能照明的發(fā)展趨勢

（1）提升電池板的光電轉換率；
（2）加大系統容量，滿(mǎn)足大功率室外照明燈的要求；
（3）降低本錢(qián)。目前，一套太陽(yáng)能照明燈（全套）是普通照明燈（全套）的幾倍，影響了太陽(yáng)能照明的推廣使用；
（4）延長(cháng)蓄電池等器件的壽命，從而延長(cháng)太陽(yáng)能照明系統的壽命；
（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(kāi)發(fā)研制無(wú)污染蓄電池，實(shí)現真正意義的環(huán)保；
（7）太陽(yáng)能照明在經(jīng)過(guò)技術(shù)進(jìn)步和降低價(jià)格后，將成為新世紀的主導光源之一。