光伏照明20問

1、光伏照明20問孟昭淵 李金剛1、無錫尚德太陽能電力有限公司2、江南大學1：為什么太陽電池照明裝置叫太陽能光伏照明裝置？ 當太陽光照射到太陽電池上時，就產(chǎn)生“光生電壓”，就是“光生伏打效應”。這時如果在太陽電池兩端接上負載，負載上就會有“光生電流”，于是產(chǎn)生了電能，我們把太陽電池發(fā)電稱為光伏發(fā)電；另外，太陽能發(fā)電還可以有利用收集太陽熱能的方法，這個方法稱為光熱發(fā)電；因此，太陽電池照明裝置也就被稱為太陽能光伏照明裝置。2：太陽電池的主要特性是什么？太陽電池首先是一種“電池”，是一種通過太陽光輻射產(chǎn)生電能的“電池”。對于使用者來說，其區(qū)別與其他種類電池的主要特性有：1） 電能的大小與太陽光輻射的強度

2、有關，輻射越強，電能量越大。2） 不怕開路。3） 不怕短路。4） 它在輕負載時，表現(xiàn)出恒壓特性，相當于恒壓源；在重負載時，表現(xiàn)出恒流特性，相當于恒流源。我們對于太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的控制正是通過太陽電池的這些特性進行的。對于單片太陽電池，它是一個PN結，除了當太陽光照射在上面時它能夠產(chǎn)生電能外，它還具有PN結的一切特性。在標準光照條件下它的額定輸出電壓為0.48V，而它的輸出電流由它的效率和面積決定。在太陽能照明燈具的使用中的太陽電池組件都是由多片太陽電池連接構成的。它和普通的PN結一樣，具有負的溫度系數(shù)，溫度每上升一度，電壓下降2mV，對于多片太陽電池組成的太陽電池組件這就是一個不可忽視的問題。

3、3：太陽電池有哪些主要技術參數(shù)？Isc：短路電流，Im：峰值電流，Voc：開路電壓，Vm：峰值電壓，Pm：峰值功率，F(xiàn)F：填充因子。IIsc PmImVm Voc V圖1圖1是太陽電池的輸出特性曲線，從圖中可以看到前4個參數(shù)的物理意義；填充因子：FF=Vm*Im/Voc*Isc，它表示了太陽電池的輸出電能的能力，對于使用者它是一個非常重要的參數(shù)。經(jīng)常會遇到這樣的情況：太陽電池的開路電壓和短路電流都比較大，就是給蓄電池充電的電流很小，這很可能是由于這塊太陽電池的填充因太低。4：如何判別太陽電池的優(yōu)劣？ 一個太陽能光伏照明裝置沒有一塊合格的太陽電池組件是肯定不行的。選擇到好的太陽電池，有兩個步驟：

4、 第一，太陽電池如果在真空中壽命是相當長的，太陽電池組件的壽命主要決定于它的封裝技術。一塊由合格材料并且嚴格按照規(guī)定工藝制造出來的太陽電池組件的使用壽命在25-30年，否則有可能在1-2年內就損壞或者嚴重出現(xiàn)衰減。問題是非專業(yè)人士往往很難分辨，就是專業(yè)人士，在沒有專門儀器的情況下也很難判斷。怎樣解決這個問題呢？應該采用通過權威結構（如：TUV UL IEC等 ）認證的企業(yè)提供的產(chǎn)品，通常在國外，使用沒有通過權威結構認證的太陽電池組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)是得不到政府財政補貼的，這里，我們應該和國際接軌。最后要指出，上面所指的是用玻璃封裝的太陽電池組件，太陽電池組件還有滴膠封裝、聚脂薄膜封裝等形式，這些

5、封裝形式的太陽電池組件壽命只有1-5年，不適合作道路照明用第二，一般使用者利用合格的太陽電池組件作為參考，在同樣的陽光照射條件用普通萬用電表進行對比測試是一個簡單易行的好方法，它可以比較準確的測量出Isc短路電流、Voc開路電壓，但對于另外一個重要的參數(shù)FF填充因子卻沒有辦法測量，用一個合適的負載接在太陽電池兩端，可以估算出FF。現(xiàn)在社會上就有人專門收購短路電流、開路電壓正常而填充因子很低的次品太陽電池片制造太陽電池組件，欺騙消費者。5：光伏照明的本質是什么？ 首先，目前大家對太陽能光伏照明裝置的理解是不全面的，只是把它和傳統(tǒng)的照明裝置進行比較，參考傳統(tǒng)的照明裝置的標準對其評估；雖然這也是必須

6、的，但是非常不全面。這里，我們提出整體效率評價概念，就是把太陽能光伏照明裝置當作一個“光輻射能量光輻射能量”的轉換系統(tǒng)來分析和評估。首先，太陽電池將太陽輻射的光能量轉化為電能，這個電能通過控制器的處理和控制儲存在蓄電池里，夜晚蓄電池里的電能又通過各種光源轉化為光輻射能量，以這樣的角度來評價一個太陽能光伏照明裝置，將更加準確。 這里，我們引出一個新概念：太陽電池功率流明小時。由于太陽能光伏照明裝置的本質就是一個“光輻射能量光輻射能量”的轉換系統(tǒng)，我們就完全可以以能量轉換的效率來評價太陽能光伏照明裝置的效率。圖2就是太陽能光伏照明裝置中能量轉換的流程圖： 圖2系統(tǒng)的效率=（太陽電池的效率×

7、;控制器的效率×蓄電池的效率）×光源的效率；太陽電池的光電轉換效率在15%16%，控制器的效率在可以達到98%；蓄電池的平均為80%；前面3項的乘積基本上是一個常量K，這里只有不同的光源其光效差別比較明顯，所以簡化以后為： 系統(tǒng)效率=K×光源效率 在照明領域，光在單位時間輻射能量的大小是用光通量（Lm）來計量的，用太陽電池在白天的發(fā)電量（瓦時）和光伏照明裝置夜間所發(fā)出的光能量（流明小時）的比值來評價一個光伏照明裝置應該是最客觀的。6：光伏照明裝置是怎樣組成的？ 光伏照明裝置一般由太陽電池、控制器、蓄電池、光源和燈具、燈桿等組成；要組成一個高質量的光伏照明裝置，這個

8、系統(tǒng)的合理配制非常重要。為了達到一個好的使用效果，盲目的增加某一項的容量或者功率是不行的，有些情況下還適得其反 。同時，在不同的光輻射條件下，配制的要求相差很大。7：光伏照明裝置中的太陽電池功率怎樣計算？計算光伏照明裝置中的太陽電池功率的原理是能量的平衡，即：光源（含電子鎮(zhèn)流器等）每天消耗的能量要等于太陽電池系統(tǒng)平均每天發(fā)出的電能量。太陽電池系統(tǒng)平均每天能夠發(fā)多少度電呢？它的計算是比較復雜的，沒有經(jīng)驗的工程師往往搞不清楚，這里我們給出我國各大主要城市中每1KW并網(wǎng)太陽電池每天的平均發(fā)電量表，此表和我國已經(jīng)建造成功的光伏系統(tǒng)所報道的實際每天的平均發(fā)電量基本相符。注意！對于使用蓄電池但是沒有逆變器

9、的光伏照明裝置系統(tǒng)，發(fā)電量是下表的90%。每天平均太陽輻射量（KWh/）并網(wǎng)1KW太陽電池每天平均發(fā)電量（ KWh）能量回收時間 （年）最佳傾角安裝垂直安裝最佳傾角安裝垂直安裝最佳傾角安裝垂直安裝海口38915207712.911.55237446廣州31061183982.331.38297502昆明44239269733.312.02209342福州33771189912.531.42273486貴陽26526147151.91.10348628長沙30682171562.301.29301538南昌32762187752.451.41282491重慶24519133451.840.993

10、76692拉薩58634369353.952.77157250杭州3183188532.391.61290490武漢31454185362.351.39294498成都24536138631.841.04376666上海35999217612.701.63256424合肥33439203512.511.53276453南京33768208042.531.56273444西安33184200092.491.50278461鄭州38807244502.91.83238378蘭州40771254953.061.91226362濟南38241247542.871.86241373西寧455830242

11、3.412.27203305太原41961276993.142.08220333銀川50982343243.822.57181269天津40736274733.052.06227336北京42277291213.172.18218317沈陽40826286433.062.15226322烏魯木齊42081278183.162.08219332長春44700326173.342.44207283哈爾濱42309307403.172.30218300表1舉例：在北京安裝一只由40W陶瓷金鹵燈組成的路燈，要求每天亮12小時。計算：40W×12h=480Wh=0.48KWh查表：北京，最佳傾

12、角安裝并網(wǎng)1KW太陽電池每天平均發(fā)電量3.17KWh，計算：0.48kWh/3.17KWh×0.9=0.168 1000W×0.168=168W結論：在北京安裝一只由40W陶瓷金鹵燈組成的路燈，要求每天亮12小時，需要168W的太陽電池組件。8：如何讓太陽電池多發(fā)電？ 提高太陽電池的利用效率是太陽電池應用技術的永恒主題。 從本文圖1中，大家可以在太陽電池的輸出特性中發(fā)現(xiàn)最大功率輸出點Pm，如果希望太陽電池多發(fā)電，就是要跟蹤Pm。在太陽電池應用技術中稱為MPPT最大功率點跟蹤，MPPT技術在太陽能發(fā)電中得到了廣泛的應用。但是對于最大僅用幾百瓦太陽電池的太陽能光伏路燈，由于功率

13、小，MPPT技術中的DC/DC變換損失超過了由此多發(fā)的電，所以只有用其他方法來跟蹤最大功率輸出點Pm。這就是要合理配置蓄電池的容量，讓蓄電池以盡量多的時間工作在Vm附近，盡量多的吸收太陽電池的電能。9：太陽電池的最佳傾角如何確定？ 太陽電池接受太陽輻射的能量來自兩個途徑：直接輻射和大氣造成的散射，最佳傾角是針對直接輻射而言的，近年來由于大氣的被污染，太陽電池接受的散射能量比例在增加。太陽電池的安裝傾角對發(fā)電量 的影響與該地區(qū)的空氣質量有密切關系，空氣環(huán)境質量越好，影響越大；從本文表1中可以看出，?？诤吞m州就形成了鮮明的對比。由于?？诘目諝赓|量好，最佳傾角安裝和垂直安裝的發(fā)電量比值為1.88，而

14、蘭州的空氣質量相對比較差，最佳傾角安裝和垂直安裝的發(fā)電量比值為1.538。最佳傾角的計算也是比較復雜，這里提供我國主要大中城市的最佳傾角，列表2供查看： 表210：為什么用照度計來判斷太陽電池的好壞是不準確的？ 照度計計量的是可見光，而太陽電池的光譜響應除了可見光以外，還有照度計無法測量的近紫外線和近紅外線部分，所以，用照度計為基準，判斷太陽電池的好壞是不準確的。由于太陽電池的短路電流Isc和太陽的輻射強度成正比，所以通?？梢杂觅|量比較穩(wěn)定的太陽電池的短路電流Isc作為判別太陽的輻射強度的參考依據(jù)，判斷太陽電池的優(yōu)劣。11：多晶硅太陽電池和單晶硅太陽電池有什么區(qū)別？ 對于使用者，多晶硅太陽電池

15、和單晶硅太陽電池是沒有區(qū)別。多晶硅太陽電池和單晶硅太陽電池的壽命和穩(wěn)定性都很好，雖然單晶硅太陽電池的平均轉換效率比多晶硅太陽電池的平均轉換效率高1%左右，但是由于單晶硅太陽電池只能做成準正方形（四個頂端是圓?。?，當組成太陽電池組件時就有一部分面積填不滿，而多晶硅太陽電池太陽電池是正方形，不存在這個問題，因此對于太陽電池組件的效率是一樣的。 另外，由于兩種太陽電池材料的制造工藝不一樣，多晶硅太陽電池制造過程中消耗的能量要比單晶硅太陽電池少30%，所以在多晶硅太陽電池的在全世界太陽電池總產(chǎn)量的份額越來越大，我們如果使用多晶硅太陽電池做太陽能路燈，將更加節(jié)能、更加環(huán)保。12：蓄電池的容量越大，系統(tǒng)越

16、可靠嗎？ 否。雖然蓄電池的容量大了以后對于減少蓄電池的放電深度有幫助，但是不能夠過大，這是因為在伏照明裝置中，實際上蓄電池是太陽電池唯一的負載，如本文前面所敘，太陽電池有一個最大功率輸出點的問題，合理配置蓄電池的容量，讓蓄電池以盡量多的時間工作在Vm附近，盡量多的吸收太陽電池的電能，才能夠提高系統(tǒng)的效率。如果蓄電池的容量過大，在連續(xù)陰雨天后蓄電池將長時間工作在過放電控制點附近，對蓄電池的使用壽命將有影響，同時，太陽電池的利用效率也比較低，系統(tǒng)將惡性循環(huán)，可靠性反而降低。13：如何延長蓄電池的使用壽命？ 一個有資質工廠生產(chǎn)的蓄電池通常使用壽命還是相當長的，條件是必須讓蓄電池嚴格地在規(guī)定的溫度環(huán)境

17、和充電、放電環(huán)境下工作。目前太陽能光明裝置所使用的蓄電池基本上是“免維護蓄電池”和“密閉蓄電池” 免維護蓄電池并不是不需要維護，只不過是維護周期延長了，并不是真正的免維護。為了“免維護”和“密閉”在技術上這兩種蓄電池必須防止電池失水、以及把蓄電池充放電過程中產(chǎn)生的氣體重新組合生成水；這兩種蓄電池的的電極和隔板和普通蓄電池的電極和隔板是不一樣的不能夠出現(xiàn)過充電，過充電是這類蓄電池絕對不允許發(fā)生的。 要想提高蓄電池使用壽命，應該做到以下幾點：絕對不能夠出現(xiàn)過充電和過放電，一次嚴重的過充電和過放電就可能造成蓄電池的永久性的損壞。尤其不能夠出現(xiàn)過充電。盡量控制蓄電池在淺放電狀態(tài)下工作。要確保蓄電池的環(huán)

18、境溫度不要超過-10+50。14：風光互補光伏照明裝置有什么優(yōu)點？ 太陽能和風能具有一定的互補特性，一般太陽能豐富的季節(jié)風能往往比較少，然而，當風能豐富的季節(jié)太陽光往往比較弱；晴天和陰雨天 、白天和黑夜，也有類似自然的現(xiàn)象。于是太陽電池和風力發(fā)電機的混合系統(tǒng)可以明顯降低光伏照明裝置成本，尤其是減少蓄電池的容量。但是它的使用是有條件的： 必須有比較豐富的風力資源，由于風力發(fā)電機的功率輸出和風速的立方成正比，4級以下的風力能量太小，利用價值不高，而8級以上的風由于能量過大，會損環(huán)風機，4-8級風是可以利用的風能，在設計以前需要了解當?shù)孛磕?級以上風力的小時數(shù)。 由于風力發(fā)電機在風速大時的噪聲會對環(huán)

19、境有一定影響，它不適合用在居民生活區(qū)。15：降低光伏照明裝置成本的最有效方法是什么? 要降低光伏照明裝置成本，首先要解決的是如何評價光伏照明裝置的成本？單純以照度評價、以保證正常工作連續(xù)陰雨天數(shù)評價、以太陽電池和光源的功率評價，都有一定的局限性；應該站在系統(tǒng)的角度上，把太陽能光伏照明裝置當作一個“光輻射能量光輻射能量”的轉換系統(tǒng)， 我們就完全可以以能量轉換的效率來評價太陽能光伏照明裝置的效率。效率高，成本自然就降低了。正如本文前面第5個問題“光伏照明的本質是什么？”中所指出的，光伏照明裝置系統(tǒng)效率=K×光源效率，光源的效率決定系統(tǒng)的成本。 結論：合理選擇光源是降低太陽能光伏照明裝置成

20、本的最佳方案。16：為什么要系統(tǒng)、全面、客觀地評價哪一種光源適合光伏照明裝置要求？日新月異的新型電光源的出現(xiàn)往往使得非照明專業(yè)的工程師們不知所措；為了降低太陽能光伏照明裝置的制造成本，需要選擇高光效的光源，什么是高光效的光源呢？對于高效光源應該滿足4個基本要求：1） 高的光效，即Lm/W要高，根據(jù)目前的技術水平，應該在70Lm/W以（歐盟規(guī)定的道路照明節(jié)能標準和美國新標準都要求達到70Lm/W以上）。2）最近幾年，在學術界對道路照明提出了新的觀點，這就是中間視覺和司辰視覺。視覺是由進入眼睛的看見光引起的一種感覺，視覺分為明視覺、暗視覺和中間視覺；目前我們通常對道路照明的設計和相關標準都是根據(jù)明

21、視覺光度系統(tǒng)進行的，然而道路照明在絕大多數(shù)情況下屬于中間視覺范疇，人們在中間視覺條件下的視覺函數(shù)中的光譜特性和明視覺條件下是不一樣的，在中間視覺條件下，人類眼睛對480nm-540nm能量的光譜最敏感。司辰視覺是由美國Brown大學David Berson教授領導的研究小組發(fā)現(xiàn)的，他揭示了人的眼睛在接受了光線，將有兩個通道成像視覺和非成像視覺，非成像視覺通道控制時辰感覺和人們的精神狀態(tài)。司辰視覺的發(fā)現(xiàn)要求我們必須對照明進行重新認識，都照明的一些參數(shù)進行從新評價。司辰視覺對照明系統(tǒng)的要求，不僅僅只關心亮度，還要關心光源的光譜特性，司辰視覺敏感的光譜峰值為465nm。太陽能光伏照明裝置通常使用在街

22、道和庭院等場合，司辰視覺對人們時辰感覺（生物鐘）和人們精神狀態(tài)的影響是不可忽視的，太陽能光伏照明裝置中的光源除了應該有高的發(fā)光效率以外，還應該包含465-540nm的光譜。根據(jù)以上的觀點，太陽能光伏照明裝置必須選擇顯色指數(shù)Ra80的光源。3）光衰減小，有比較長的使用壽命，使用壽命應該5000小時。4）好的性能/價格比。17：還有什么好方法進一步降低成本？續(xù)陰雨天并不等于太陽電池不能夠給蓄電池充電，只不過這種情況下充電電流比較小而已。通常，在續(xù)陰雨天的條件下，太陽能光伏照明裝置每天工作1-2個小時還是有可能的。目前，我們?yōu)榱藵M足保證連續(xù)陰雨正常工作天數(shù)，大大增加了太陽電池和蓄電池的容量；于是，系

23、統(tǒng)成本也就大幅度提高了，然而增加了的太陽電池和蓄電池的容量在每年的絕大多數(shù)的時間所發(fā)的電都被浪費了。我們是否可以換一個思維方式：除了特殊要求以外，太陽能光伏照明裝置在連續(xù)陰雨天的情況下，不盲目追求其正常工作，而是降低標準，采用半功率甚至1/3至1/4的功率的方法，節(jié)省能源，降低成本。具體用在庭院和鄉(xiāng)村道路照明上，連續(xù)陰雨天數(shù)時，我們的太陽能路燈就主要起到一個導向作用。可見，我們選擇的光源應該是可以調整功率的。18：可以介紹幾種適合太陽能光伏照明裝置的光源嗎？在影響太陽能光制造伏照明裝置的成本的諸多因素中，合理選擇光源是降低太陽能光伏照明裝置成本的最佳方案。在同樣的照明效果下，一個合理的光源配置要比一個不合理的光源配置節(jié)省制造成本50%以上。光效（LM/W）顯色指數(shù)壽命 （小時）價格（元/LM）功率調整 性能節(jié)能燈608060000.0125困難冷陰極熒光燈8080100000.016困難陶瓷金鹵燈100以上80-85150000.406容易高壓鈉燈100以上15000困難低壓鈉燈120以上20000困難LED50-60視結構而定理論：1000002.444容易說明：全部以20-25W光源為例 表3 對于