光伏照明20问

1、光伏照明20问孟昭渊 李金刚1、无锡尚德太阳能电力有限公司2、江南大学1：为什么太阳电池照明装置叫太阳能光伏照明装置？ 当太阳光照射到太阳电池上时，就产生“光生电压”，就是“光生伏打效应”。这时如果在太阳电池两端接上负载，负载上就会有“光生电流”，于是产生了电能，我们把太阳电池发电称为光伏发电；另外，太阳能发电还可以有利用收集太阳热能的方法，这个方法称为光热发电；因此，太阳电池照明装置也就被称为太阳能光伏照明装置。2：太阳电池的主要特性是什么？太阳电池首先是一种“电池”，是一种通过太阳光辐射产生电能的“电池”。对于使用者来说，其区别与其他种类电池的主要特性有：1） 电能的大小与太阳光辐射的强度

2、有关，辐射越强，电能量越大。2） 不怕开路。3） 不怕短路。4） 它在轻负载时，表现出恒压特性，相当于恒压源；在重负载时，表现出恒流特性，相当于恒流源。我们对于太阳电池发电系统的控制正是通过太阳电池的这些特性进行的。对于单片太阳电池，它是一个PN结，除了当太阳光照射在上面时它能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下它的额定输出电压为0.48V，而它的输出电流由它的效率和面积决定。在太阳能照明灯具的使用中的太阳电池组件都是由多片太阳电池连接构成的。它和普通的PN结一样，具有负的温度系数，温度每上升一度，电压下降2mV，对于多片太阳电池组成的太阳电池组件这就是一个不可忽视的问题。

3、3：太阳电池有哪些主要技术参数？Isc：短路电流，Im：峰值电流，Voc：开路电压，Vm：峰值电压，Pm：峰值功率，FF：填充因子。IIsc PmImVm Voc V图1图1是太阳电池的输出特性曲线，从图中可以看到前4个参数的物理意义；填充因子：FF=Vm*Im/Voc*Isc，它表示了太阳电池的输出电能的能力，对于使用者它是一个非常重要的参数。经常会遇到这样的情况：太阳电池的开路电压和短路电流都比较大，就是给蓄电池充电的电流很小，这很可能是由于这块太阳电池的填充因太低。4：如何判别太阳电池的优劣？ 一个太阳能光伏照明装置没有一块合格的太阳电池组件是肯定不行的。选择到好的太阳电池，有两个步骤：

4、 第一，太阳电池如果在真空中寿命是相当长的，太阳电池组件的寿命主要决定于它的封装技术。一块由合格材料并且严格按照规定工艺制造出来的太阳电池组件的使用寿命在25-30年，否则有可能在1-2年内就损坏或者严重出现衰减。问题是非专业人士往往很难分辨，就是专业人士，在没有专门仪器的情况下也很难判断。怎样解决这个问题呢？应该采用通过权威结构（如：TUV UL IEC等 ）认证的企业提供的产品，通常在国外，使用没有通过权威结构认证的太阳电池组件的光伏发电系统是得不到政府财政补贴的，这里，我们应该和国际接轨。最后要指出，上面所指的是用玻璃封装的太阳电池组件，太阳电池组件还有滴胶封装、聚脂薄膜封装等形式，这些

5、封装形式的太阳电池组件寿命只有1-5年，不适合作道路照明用第二，一般使用者利用合格的太阳电池组件作为参考，在同样的阳光照射条件用普通万用电表进行对比测试是一个简单易行的好方法，它可以比较准确的测量出Isc短路电流、Voc开路电压，但对于另外一个重要的参数FF填充因子却没有办法测量，用一个合适的负载接在太阳电池两端，可以估算出FF。现在社会上就有人专门收购短路电流、开路电压正常而填充因子很低的次品太阳电池片制造太阳电池组件，欺骗消费者。5：光伏照明的本质是什么？ 首先，目前大家对太阳能光伏照明装置的理解是不全面的，只是把它和传统的照明装置进行比较，参考传统的照明装置的标准对其评估；虽然这也是必须

6、的，但是非常不全面。这里，我们提出整体效率评价概念，就是把太阳能光伏照明装置当作一个“光辐射能量光辐射能量”的转换系统来分析和评估。首先，太阳电池将太阳辐射的光能量转化为电能，这个电能通过控制器的处理和控制储存在蓄电池里，夜晚蓄电池里的电能又通过各种光源转化为光辐射能量，以这样的角度来评价一个太阳能光伏照明装置，将更加准确。 这里，我们引出一个新概念：太阳电池功率流明小时。由于太阳能光伏照明装置的本质就是一个“光辐射能量光辐射能量”的转换系统，我们就完全可以以能量转换的效率来评价太阳能光伏照明装置的效率。图2就是太阳能光伏照明装置中能量转换的流程图： 图2系统的效率=（太阳电池的效率×

7、;控制器的效率×蓄电池的效率）×光源的效率；太阳电池的光电转换效率在15%16%，控制器的效率在可以达到98%；蓄电池的平均为80%；前面3项的乘积基本上是一个常量K，这里只有不同的光源其光效差别比较明显，所以简化以后为： 系统效率=K×光源效率 在照明领域，光在单位时间辐射能量的大小是用光通量（Lm）来计量的，用太阳电池在白天的发电量（瓦时）和光伏照明装置夜间所发出的光能量（流明小时）的比值来评价一个光伏照明装置应该是最客观的。6：光伏照明装置是怎样组成的？ 光伏照明装置一般由太阳电池、控制器、蓄电池、光源和灯具、灯杆等组成；要组成一个高质量的光伏照明装置，这个

8、系统的合理配制非常重要。为了达到一个好的使用效果，盲目的增加某一项的容量或者功率是不行的，有些情况下还适得其反 。同时，在不同的光辐射条件下，配制的要求相差很大。7：光伏照明装置中的太阳电池功率怎样计算？计算光伏照明装置中的太阳电池功率的原理是能量的平衡，即：光源（含电子镇流器等）每天消耗的能量要等于太阳电池系统平均每天发出的电能量。太阳电池系统平均每天能够发多少度电呢？它的计算是比较复杂的，没有经验的工程师往往搞不清楚，这里我们给出我国各大主要城市中每1KW并网太阳电池每天的平均发电量表，此表和我国已经建造成功的光伏系统所报道的实际每天的平均发电量基本相符。注意！对于使用蓄电池但是没有逆变器

9、的光伏照明装置系统，发电量是下表的90%。每天平均太阳辐射量（KWh/）并网1KW太阳电池每天平均发电量（ KWh）能量回收时间 （年）最佳倾角安装垂直安装最佳倾角安装垂直安装最佳倾角安装垂直安装海口38915207712.911.55237446广州31061183982.331.38297502昆明44239269733.312.02209342福州33771189912.531.42273486贵阳26526147151.91.10348628长沙30682171562.301.29301538南昌32762187752.451.41282491重庆24519133451.840.993

10、76692拉萨58634369353.952.77157250杭州3183188532.391.61290490武汉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郑州38807244502.91.83238378兰州40771254953.061.91226362济南38241247542.871.86241373西宁455830242

11、3.412.27203305太原41961276993.142.08220333银川50982343243.822.57181269天津40736274733.052.06227336北京42277291213.172.18218317沈阳40826286433.062.15226322乌鲁木齐42081278183.162.08219332长春44700326173.342.44207283哈尔滨42309307403.172.30218300表1举例：在北京安装一只由40W陶瓷金卤灯组成的路灯，要求每天亮12小时。计算：40W×12h=480Wh=0.48KWh查表：北京，最佳倾

12、角安装并网1KW太阳电池每天平均发电量3.17KWh，计算：0.48kWh/3.17KWh×0.9=0.168 1000W×0.168=168W结论：在北京安装一只由40W陶瓷金卤灯组成的路灯，要求每天亮12小时，需要168W的太阳电池组件。8：如何让太阳电池多发电？ 提高太阳电池的利用效率是太阳电池应用技术的永恒主题。 从本文图1中，大家可以在太阳电池的输出特性中发现最大功率输出点Pm，如果希望太阳电池多发电，就是要跟踪Pm。在太阳电池应用技术中称为MPPT最大功率点跟踪，MPPT技术在太阳能发电中得到了广泛的应用。但是对于最大仅用几百瓦太阳电池的太阳能光伏路灯，由于功率

13、小，MPPT技术中的DC/DC变换损失超过了由此多发的电，所以只有用其他方法来跟踪最大功率输出点Pm。这就是要合理配置蓄电池的容量，让蓄电池以尽量多的时间工作在Vm附近，尽量多的吸收太阳电池的电能。9：太阳电池的最佳倾角如何确定？ 太阳电池接受太阳辐射的能量来自两个途径：直接辐射和大气造成的散射，最佳倾角是针对直接辐射而言的，近年来由于大气的被污染，太阳电池接受的散射能量比例在增加。太阳电池的安装倾角对发电量 的影响与该地区的空气质量有密切关系，空气环境质量越好，影响越大；从本文表1中可以看出，海口和兰州就形成了鲜明的对比。由于海口的空气质量好，最佳倾角安装和垂直安装的发电量比值为1.88，而

14、兰州的空气质量相对比较差，最佳倾角安装和垂直安装的发电量比值为1.538。最佳倾角的计算也是比较复杂，这里提供我国主要大中城市的最佳倾角，列表2供查看： 表210：为什么用照度计来判断太阳电池的好坏是不准确的？ 照度计计量的是可见光，而太阳电池的光谱响应除了可见光以外，还有照度计无法测量的近紫外线和近红外线部分，所以，用照度计为基准，判断太阳电池的好坏是不准确的。由于太阳电池的短路电流Isc和太阳的辐射强度成正比，所以通常可以用质量比较稳定的太阳电池的短路电流Isc作为判别太阳的辐射强度的参考依据，判断太阳电池的优劣。11：多晶硅太阳电池和单晶硅太阳电池有什么区别？ 对于使用者，多晶硅太阳电池

15、和单晶硅太阳电池是没有区别。多晶硅太阳电池和单晶硅太阳电池的寿命和稳定性都很好，虽然单晶硅太阳电池的平均转换效率比多晶硅太阳电池的平均转换效率高1%左右，但是由于单晶硅太阳电池只能做成准正方形（四个顶端是圆弧），当组成太阳电池组件时就有一部分面积填不满，而多晶硅太阳电池太阳电池是正方形，不存在这个问题，因此对于太阳电池组件的效率是一样的。 另外，由于两种太阳电池材料的制造工艺不一样，多晶硅太阳电池制造过程中消耗的能量要比单晶硅太阳电池少30%，所以在多晶硅太阳电池的在全世界太阳电池总产量的份额越来越大，我们如果使用多晶硅太阳电池做太阳能路灯，将更加节能、更加环保。12：蓄电池的容量越大，系统越

16、可靠吗？ 否。虽然蓄电池的容量大了以后对于减少蓄电池的放电深度有帮助，但是不能够过大，这是因为在伏照明装置中，实际上蓄电池是太阳电池唯一的负载，如本文前面所叙，太阳电池有一个最大功率输出点的问题，合理配置蓄电池的容量，让蓄电池以尽量多的时间工作在Vm附近，尽量多的吸收太阳电池的电能，才能够提高系统的效率。如果蓄电池的容量过大，在连续阴雨天后蓄电池将长时间工作在过放电控制点附近，对蓄电池的使用寿命将有影响，同时，太阳电池的利用效率也比较低，系统将恶性循环，可靠性反而降低。13：如何延长蓄电池的使用寿命？ 一个有资质工厂生产的蓄电池通常使用寿命还是相当长的，条件是必须让蓄电池严格地在规定的温度环境

17、和充电、放电环境下工作。目前太阳能光明装置所使用的蓄电池基本上是“免维护蓄电池”和“密闭蓄电池” 免维护蓄电池并不是不需要维护，只不过是维护周期延长了，并不是真正的免维护。为了“免维护”和“密闭”在技术上这两种蓄电池必须防止电池失水、以及把蓄电池充放电过程中产生的气体重新组合生成水；这两种蓄电池的的电极和隔板和普通蓄电池的电极和隔板是不一样的不能够出现过充电，过充电是这类蓄电池绝对不允许发生的。 要想提高蓄电池使用寿命，应该做到以下几点：绝对不能够出现过充电和过放电，一次严重的过充电和过放电就可能造成蓄电池的永久性的损坏。尤其不能够出现过充电。尽量控制蓄电池在浅放电状态下工作。要确保蓄电池的环

18、境温度不要超过-10+50。14：风光互补光伏照明装置有什么优点？ 太阳能和风能具有一定的互补特性，一般太阳能丰富的季节风能往往比较少，然而，当风能丰富的季节太阳光往往比较弱；晴天和阴雨天 、白天和黑夜，也有类似自然的现象。于是太阳电池和风力发电机的混合系统可以明显降低光伏照明装置成本，尤其是减少蓄电池的容量。但是它的使用是有条件的： 必须有比较丰富的风力资源，由于风力发电机的功率输出和风速的立方成正比，4级以下的风力能量太小，利用价值不高，而8级以上的风由于能量过大，会损环风机，4-8级风是可以利用的风能，在设计以前需要了解当地每年4级以上风力的小时数。 由于风力发电机在风速大时的噪声会对环

19、境有一定影响，它不适合用在居民生活区。15：降低光伏照明装置成本的最有效方法是什么? 要降低光伏照明装置成本，首先要解决的是如何评价光伏照明装置的成本？单纯以照度评价、以保证正常工作连续阴雨天数评价、以太阳电池和光源的功率评价，都有一定的局限性；应该站在系统的角度上，把太阳能光伏照明装置当作一个“光辐射能量光辐射能量”的转换系统， 我们就完全可以以能量转换的效率来评价太阳能光伏照明装置的效率。效率高，成本自然就降低了。正如本文前面第5个问题“光伏照明的本质是什么？”中所指出的，光伏照明装置系统效率=K×光源效率，光源的效率决定系统的成本。 结论：合理选择光源是降低太阳能光伏照明装置成

20、本的最佳方案。16：为什么要系统、全面、客观地评价哪一种光源适合光伏照明装置要求？日新月异的新型电光源的出现往往使得非照明专业的工程师们不知所措；为了降低太阳能光伏照明装置的制造成本，需要选择高光效的光源，什么是高光效的光源呢？对于高效光源应该满足4个基本要求：1） 高的光效，即Lm/W要高，根据目前的技术水平，应该在70Lm/W以（欧盟规定的道路照明节能标准和美国新标准都要求达到70Lm/W以上）。2）最近几年，在学术界对道路照明提出了新的观点，这就是中间视觉和司辰视觉。视觉是由进入眼睛的看见光引起的一种感觉，视觉分为明视觉、暗视觉和中间视觉；目前我们通常对道路照明的设计和相关标准都是根据明

21、视觉光度系统进行的，然而道路照明在绝大多数情况下属于中间视觉范畴，人们在中间视觉条件下的视觉函数中的光谱特性和明视觉条件下是不一样的，在中间视觉条件下，人类眼睛对480nm-540nm能量的光谱最敏感。司辰视觉是由美国Brown大学David Berson教授领导的研究小组发现的，他揭示了人的眼睛在接受了光线，将有两个通道成像视觉和非成像视觉，非成像视觉通道控制时辰感觉和人们的精神状态。司辰视觉的发现要求我们必须对照明进行重新认识，都照明的一些参数进行从新评价。司辰视觉对照明系统的要求，不仅仅只关心亮度，还要关心光源的光谱特性，司辰视觉敏感的光谱峰值为465nm。太阳能光伏照明装置通常使用在街

22、道和庭院等场合，司辰视觉对人们时辰感觉（生物钟）和人们精神状态的影响是不可忽视的，太阳能光伏照明装置中的光源除了应该有高的发光效率以外，还应该包含465-540nm的光谱。根据以上的观点，太阳能光伏照明装置必须选择显色指数Ra80的光源。3）光衰减小，有比较长的使用寿命，使用寿命应该5000小时。4）好的性能/价格比。17：还有什么好方法进一步降低成本？续阴雨天并不等于太阳电池不能够给蓄电池充电，只不过这种情况下充电电流比较小而已。通常，在续阴雨天的条件下，太阳能光伏照明装置每天工作1-2个小时还是有可能的。目前，我们为了满足保证连续阴雨正常工作天数，大大增加了太阳电池和蓄电池的容量；于是，系

23、统成本也就大幅度提高了，然而增加了的太阳电池和蓄电池的容量在每年的绝大多数的时间所发的电都被浪费了。我们是否可以换一个思维方式：除了特殊要求以外，太阳能光伏照明装置在连续阴雨天的情况下，不盲目追求其正常工作，而是降低标准，采用半功率甚至1/3至1/4的功率的方法，节省能源，降低成本。具体用在庭院和乡村道路照明上，连续阴雨天数时，我们的太阳能路灯就主要起到一个导向作用。可见，我们选择的光源应该是可以调整功率的。18：可以介绍几种适合太阳能光伏照明装置的光源吗？在影响太阳能光制造伏照明装置的成本的诸多因素中，合理选择光源是降低太阳能光伏照明装置成本的最佳方案。在同样的照明效果下，一个合理的光源配置要比一个不合理的光源配置节省制造成本50%以上。光效（LM/W）显色指数寿命 （小时）价格（元/LM）功率调整 性能节能灯608060000.0125困难冷阴极荧光灯8080100000.016困难陶瓷金卤灯100以上80-85150000.406容易高压钠灯100以上15000困难低压钠灯120以上20000困难LED50-60视结构而定理论：1000002.444容易说明：全部以20-25W光源为例 表3 对于