太阳能电池的工作原理及在照明技术中的应用

太阳能电池的工作原理及其在照明技术中的应用文 /王明成 吴红娟随着人类社会经济的持续发展， 地球上不可再生资源日渐枯竭， 人们对能源提出了越来越高的要求，因此，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、资源广泛性和充足性等优点，太阳能被认为是21 世纪最重要的能源。目前，太阳能应用技术已取得较大突破，并且已在建筑楼道照明、城市亮化照明、 太阳能热水供应及采暖等专业领域应用。 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更加广阔的前景。 太阳能电池是一种将太阳光的辐射能直接转换成电能的光电器件，它是利用半导体材料的“光伏效应”产生电能的。一、太阳电池的种类目前常见的太阳电池的种类有以下三种(1) 硅太阳电池：以硅为基体的太阳电池，如单晶硅、多晶硅太阳电池等。(2) 砷化镓太阳电池：以砷化镓为基体的太阳电池。(3) 硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳电池：硫化亚铜／硫化镉、硫化镉／硫化镉太阳电池等。二、单晶硅 n／ P 型太阳电池的工作原理当 P 型半导体与 n 型半导体紧密结合连成一块时，在两者的交界面处就形成 p— n 结。当光电池被太阳光照射时，在 p— n 结两侧形成了正、负电荷的积累，产生了光生电压，形成了内建电场，这就是“光生伏打效应” 。从理沦上讲，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， 负载上就会得到功率。 太阳能电池组件就是利用半导体材料的这种电子学特性实现 P— V 转换的周体装置。 由于受目前技术和材料的限制， 单一电池的发电量十分有限， 太阳能照明灯具中使用的太阳能电池组件都要由多片太阳能电池并联构成的。 太阳能电池的输出功率是随机的， 在不同时间和不同地点， 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 P 由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷决定。三、太阳能发电系统的组成太阳能发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池 (组 )组成。如果该系统输出电源为交流 2 2 0 V 或 1 l 0V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：(1)太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能转换为电能， 或送往蓄电池中存储起来， 或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。(2)太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起过充电保护、 过放电保护的作用。 在温差较大的地方， 合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其它附加功能如光控开关、时控开关等都是控制器应该具备的功能。(3)蓄电池：一股为铅酸电池，在小型系统中也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定， 所以一股需要配置蓄电池系统才能工作。 其作用是在有光照时将太阳能电池组所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。(4)逆变器：在很多场合，都需要提供 2 2 0 VA C 、 l 1 0 V A C 的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是 I 2 V D C 、 2 4 V D C 、 4 8 V DC。 为了能向 2 2 0 VA C 的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此就需要使用 D c- A c 逆变器。在某些场合，需要使用多种电压负载时，也要用到 Dc-D c 逆变器。例如，将 2 4 VD C的电能转换成 5 V D C 的电能时就需要使用 Dc-D c 逆变器。四、太阳能照明方案太阳能电池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， 在其它地区也被迅速普及并应用于交通、建筑、农林等各个行业，尤其是在照明工程中应用更加广泛。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也已起步并以快速发展的势头逐步普及，学校、公园、住宅小区、别墅等场所指示牌、禁示牌、草坪灯、路灯等均可采用太阳能光伏照明技术。 太阳能亮化照明的工作原理是： 以太阳能电池板作为发电系统， 让电池板的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运作， 即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， 使各式灯具达到所设计的照明效果，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． 同时还能降低各项费用，节约能源，可谓一举多得。2、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、 集中供电的方式。太阳能采集设备安装在天台或屋面，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、夜测自动转换开启装置，当探测到有人走动的信息后，自动启动亮灯装置，并延时 3～ 5min 后自行关闭。当楼内发生火灾、地震等需要切断电源或区域停电的突发事故时， 仍可连续供电 3～ 5 h， 并且可以作为应急灯使用， 该系统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，为夜归人及访客提供方便。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“光伏一建筑照明一体化 (B I P V)” 。该系统的工作原理是：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 P V 组件的造型、色彩、 理筑风格要与建筑物结合， 与周围的自然环境整合， 以期达到完美。 国内某铝板幕墙制造公司研制成功了一种“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。目前，这种被称为“太阳能建筑系统 (S P B S) ”的成果已通过专家论证。这种产品的出现将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。五、太阳能照明设备太阳能照明设备主要由照明灯具、光源和控制系统几部分组成。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， 无需铺设复杂、 昂贵的管线， 而且可以任意调整灯具的布局。其光源一般采用 L E D 或直流节能灯， 使用寿命较长， 又为冷光源对植物生长无害。 太阳能亮化灯是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的工作方式。 在光照强度低于设定值时控制器启动将灯点亮， 同时计时开始。 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，且工作稳定可靠，节省电费，免维护。六、太阳能照明的成本分析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， 是目前世界上亮化工程的发展方向。 近年来， 我国太阳能电池的生产能力迅速提高， 其产品价格也由原先的 8 0 元／瓦， 下降到目前的 4 0 元／瓦以下。以 2 0 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 1 0 元， 使用寿命约为 1 5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， 但太阳能照明的寿命更长，还节省了电费。预计 20～ 30 年后，太阳能发电成本有可能降低到常规电价水平。七、太阳能照明存在的问题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 P V 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 l 7％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。2、太阳能电池的容量目前，太阳能电池还很难使用于主干道照明。因为公路主干道的照明有较高的照明要求，而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。3、太阳能储能元件太阳能电池的使用寿命在 2 5 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闷题。 储能电容的使用寿命可以达到 l 0 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。4、太阳能产品的质量近年来， 太阳能光伏技术发展很快， 产品生产企业也越来越多。 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。开发和利用太阳能是大有前途的事业。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。