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太阳能照明的原理及构造

信息来源:nooeoo.com  时间:2008-02-16  浏览次数:141

  1太阳能照明概述
  太阳能是“取之不尽,用之不竭”的,无污染的可再生能源,每天送到地球表面的辐射能大约相当于2.5亿万桶石油。在很长一段时间内,太阳能都白白地从人们身边“溜走”了。随着科学技术的飞速发展,太阳能逐渐被开发利用,并已成为最有发展前景的环保能源之一。
  目前,太阳能的利用方式主要有两种。
  (1)通过太阳能电池将太阳能转化为电能用于发电,即光伏发电,如太阳能照明、太阳能发电站等。
  (2)通过集热器把太阳能转换为热能加以利用,例如太阳能热水器、太阳灶等。
  其中,太阳能照明是利用太阳能最重要的途径之一,也是我们主要关注和研究的对象。
  在室外照明中,太阳能照明的发展势头强劲。太阳能路灯(非主干道)、太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能交通信号灯、太阳能广告灯等已不鲜见,均成为绿色照明中的亮点。我们所说的太阳能灯,既指灯具、光源,也包括太阳能电池、蓄电池、控制器、逆变器、灯杆等配套器件。
  太阳能照明最显著的特点是节能、经济、环保,无需由传统的公共电力系统获取电能,节省了变配电设备、缆线、开关等的投资,基本没有运行费用。太阳能转化为电能,避免了煤、油、核等发电导致的大气和环境污染。在当今技术条件下,太阳能照明尤其适合应用于供电距离较远或不易供电的地方。
  2 太阳能照明原理
  太阳能电池板把太阳能转化为电能,经过大功率二极管及控制系统给蓄电池充电。充电到一定程度时,控制器内的自保系统动作,切断充电电源。晚间,太阳能电池板充当了光电控制器,启动控制器,蓄电池给照明灯供电,点燃照明灯;凌晨,太阳能电池板又充当了光电控制器,启动控制器,切断照明灯电源,重新开始进行转化太阳能为电能的工作。在太阳能灯燃亮时,还能够根据设置进行调光。
  3 太阳能照明组成
  太阳能照明由太阳能电池板、蓄电池、太阳能灯专用控制器、发光体及灯杆等组成。下文重点介绍太阳电池、蓄电池、逆变器(交流照明灯泡用)、太阳能灯专用控制器、发光体等。
  3.1 太阳能电池
  3.1.1 太阳能电池原理
  太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的器件,这种光电转换过程通常叫做“光生伏打效应”,太阳能电池又称为“光伏电池”。
  当太阳光照射到由P、N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时,在一定条件下,太阳能辐射被半导体材料吸收,形成内建静电场。如果从内建静电场的两侧引出电极并接上适当负载,就会形成电压和电流,这就是太阳能电池的基本原理,如图2所示。
  单片太阳能电池就是一薄片半导体P-N结。标准光照条件下,额定输出电压为0.48V。为了获得较高的输出电压和较大容量,往往把多片太阳能电池连接在一起。
  太阳能电池的输出功率是随机的。不同时间、不同地点、不同安装方式下,同一块太阳能电池的输出功率也是不同的。
  目前,太阳能电池的光电转换率一般在百分之十几以上,个别发达国家的太阳能电池光电转换率已经可以达到30%左右。
  3.1.2 太阳能电池分类
  (1)硅太阳能电池;
  (2)以无机盐如:砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜、铟、硒等多元化合物为材料的电池;
  (3)功能高分子材料制备的太阳能电池;
  (4)纳米晶太阳能电池等。
  硅太阳能电池技术相对较成熟,半导体材料的禁带不是太宽,光电转换率较高,材料本身不造成污染,所以硅是目前最理想的太阳能电池材料。以其他材料为基础的太阳能电池也正在研制和发展过程中。
  3.1.3 硅太阳能电池
  (1)单晶硅电池:目前,单晶硅太阳能电池光电转换率最高(20%左右),技术最为成熟,但由于单晶硅材料价格过高,制造工艺繁琐,造成单晶硅成本价格居高不下,成为发展单晶硅太阳能电池的一大障碍,现在正在逐渐被多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池等取代。
  目前,单晶硅太阳能电池在道路照明、交通信号等室外照明中的应用较为普遍,光电转换率为11%~24%,使用年限较长。
  (2)多晶硅电池:多晶硅薄膜电池由于所使用的硅比单晶硅少很多,不存在效率衰退等问题,而且有可能在廉价衬底材料上制备。多晶硅薄膜太阳能电池的成本远低于单晶硅电池,光电转换率近20%,高于非晶硅薄膜电池。因此,多晶硅薄膜电池将有望成为太阳能电池的主导产品。
  多晶硅太阳能电池在室外照明中的应用将越来越广泛。
  (3)非晶硅电池:非晶硅薄膜太阳能电池制作简单,成本较低,便于大规模生产,普遍受到人们的重视并得以迅速的发展,光电转换率在14.5%以上,但稳定性较差。提高转换率和稳定性是非晶硅薄膜太阳能电池的发展方向。目前,非晶硅电池在低功率电力系统中应用较多。
  3.1.4 研制中的其他太阳能电池
  (1)纳米晶化学太阳能电池:纳米晶化学太阳能电池是新型太阳能电池,目前仍在研制过程中,其中纳米晶TiO2太阳能电池倍受关注。纳米晶TiO2太阳能电池光电效率在10%以上,制作成本为硅太阳电池的1/5~1/10,寿命可达到20年以上。
  (2)聚合物多层修饰电极型太阳能电池:原材料为有机材料,柔性好,制作容易,材料来源广泛,成本较低。性能和寿命远不如硅电池,但有可能提供廉价电能。此项研究刚刚起步。
  (3)多元化合物薄膜太阳能电池:有些金属化合物如硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率比非晶硅薄膜太阳能电池效率高,成本较单晶硅电池低,并且也易于大规模生产,但由于镉有剧毒,会造成严重污染,因此,不能开发应用。
  3.1.5 太阳能电池的容量选择
  太阳能电池功率必须比负载功率高出4倍以上,系统才能正常工作。
  3.2 蓄电池
  3.2.1 太阳能照明必须配备蓄电池
  太阳能照明必须配备蓄电池才能工作,这是因为:
  (1)太阳能电池只能在白天进行光电转化工作,电能在夜晚才能用于照明,因此必须储备在蓄电池内。储备的容量要足够当地连续几个阴天的照明需要。
  (2)太阳能电池板的输出能量极不稳定,配备蓄电池后,太阳能灯等负荷才能正常工作。
  3.2.2 蓄电池的种类和应用
  (1)铅酸蓄电池:传统蓄电池,能量密度较低,对环境污染较为严重,将逐渐被淘汰。
  (2)Ni-Cd(镍-镉)蓄电池:性能较铅酸蓄电池优越,但能量密度不足,镉的污染严重,多数国家严格控制此类蓄电池的生产和使用。
  (3)Ni-H(镍-氢)蓄电池:具有能量密度高、重量轻、寿命长、无环境污染等优点,各国正在积极开发。发达国家在20世纪90年代已经进入产业化阶段。
  (4)锂电池:新型高能化学电源,具有高容量、高功率、小型化、无污染的特点。锂电池主要用于笔记本电脑和手机。
  目前,我国室外照明大量使用全封闭、免维护的铅酸蓄电池。小型照明工程、笔记本电脑和手机等大量使用锂电池、镍氢电池。锂电池的应用领域正在逐步扩大。
  研制、推广无污染蓄电池是发展太阳能照明迫切需要解决的一个重大课题。
  3.2.3 蓄电池容量选择
  我国地域广阔,气候差异很大,蓄电池白天储存的电能应能满足夜晚照明的需求,同时应该满足当地连续阴雨天气时夜晚照明的需求。但是,所选蓄电池容量也不必过大,否则,蓄电池经常处于亏电状态,将影响蓄电池的寿命,造成不必要的浪费。
  对蓄电池容量大小的选择,我国西部地区建议高出照明灯日耗电量的4倍以上;北方地区建议高出照明灯日耗电量5倍以上;南方地区建议高出照明灯日耗电量6倍以上。
  3.3 控制器
  控制器的作用是控制太阳能灯系统的工作状态,如照明灯的光控或设置开关、调光、雷电保护、电路短路保护,对蓄电池进行过充电保护、反充电保护、过放电保护、温度补偿等。
  控制器是太阳能灯的“大脑”。有了合格的控制器,太阳能灯才能顺利工作,同时延长蓄电池等器件的寿命。
  3.4 逆变器
  逆变器是把蓄电池输出的直流电变成交流电的装置,照明负载为直流时不必设置,照明负载为交流负载时必须使用。根据我国现状,一般蓄电池为24V(或12V、36V),室外照明灯泡(灯管)为220V、50Hz交流,因此,逆变器多为DC24V(或12V、36V)/AC220V的电压形式。逆变器也应具有电路短路保护、欠压保护、过流保护、反接保护及雷电保护等功能。
  3.5 照明负载
  由于太阳能照明存在光电转换率较低,成本价格较高等因素,使得目前其应用范围仅限于交通信号灯、景观照明、装饰照明等范围,以草坪灯、庭园灯、小功率路(非主干道)灯等为主。太阳能照明光源以LED发光二极管、三基色高效节能灯为主,也可能使用低压钠灯、无极灯,个别情况采用小功率HID灯。
  LED与节能灯相比,前者寿命较长、光效较低;后者寿命较短、光效较高。在不同情况下,要经过经济技术比较,从中选择合适的光源。
  太阳能交通信号灯光源采用LED发光二极管,寿命长,发光性能符合信号灯的要求。
  有调节明暗、频繁开关功能的1W以下的小功率太阳能草坪灯,一般应该使用LED作为光源。对于功率较大的太阳能草坪灯,目前使用三基色高效节能灯比较合理。
  庭院灯和路灯以装饰为主时,建议选择LED发光二极管;以照明为主时,建议选择三基色高效节能灯或低压钠灯。
  随着LED发光二极管光效的提高,太阳能照明的配套光源将越来越多地使用LED发光二极管。
  4 太阳能照明的发展趋势
  (1)提升电池板的光电转换率;
  (2)加大系统容量,满足大功率室外照明灯的要求;
  (3)降低成本。目前,一套太阳能照明灯(全套)是普通照明灯(全套)的几倍,影响了太阳能照明的推广使用;
  (4)延长蓄电池等器件的寿命,从而延长太阳能照明系统的寿命;
  (5)减小电池板、蓄电池等的体积,美化杆型;
  (6)逐步淘汰严重污染的铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池等,加快开发研制无污染蓄电池,实现真正意义的环保;
  (7)太阳能照明在经过技术进步和降低价格后,将成为新世纪的主导光源之一。

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