太阳能LED照明的应用前景分析

太阳能LED照明的应用前景分析一、太阳能发电的优势：由于传统的燃料能源正在一每天削减，对环境造成的危害也日益突出，同时全球还有２０亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够变更人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能是“取之不尽，用之不竭”的无污染、廉价、人类能够自由利用的可再生能源，太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于目前世界上能耗的40倍。电力、煤炭、石油等不行再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家起先实行“阳光支配”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核探讨机构也起先转向可再生能源。截至2002年底，太阳能光伏发电制造实力已达56万KW，实际装机容量近400万KW，组件成本下降到3.5美元／WP。预料，2020年光伏组件的价格将下降到1美元／WP以下。目前世界最大的光伏工厂年产36MW，价格为3－4美元／WP。太阳能发电不会给空气带来污染，不破坏生态，是一种清洁平安的能源，同时又具有在自然界不断生成，并得到有规律的补充的特点，是可再生的清洁绿色能源。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处。太阳能发电具有很多优点，如平安牢靠，无噪音，无污染；能量随处可得，无需消耗燃料；无机械转动部件，维护简便，运用寿命长；建设周期短，规模大小随意；可以无人值守，也无需架设输电线路，节约了变配电设备、缆线、开关等的投资，基本没有运行费用。太阳能转化为电能，避开了煤、油、核等发电导致的大气和环境污染。还可便利与建筑物相结合等；这些都是常规发电和其他发电方式所不及的。我国太阳能资源特别丰富，理论储量达每年１７０００亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力特别广袤。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在５０００公里以上。在我国广袤的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米４千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米７千瓦时。年日照时数大于２０００小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。太阳能光伏技术是利用电池组件将太阳能干脆转变为电能的技术。光伏发电将在中国将来的电力供应中扮演重要的角色，预料到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600MWp，2020年累计装机将达到30GWp，2050年将达到100GWp。依据电力科学院的预料，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%。二、太阳能发电原理：太阳能发电是利用电池组件将太阳能干脆转变为电能的装置。由于技术和材料缘由，单一电池的发电量是特别有限的，好用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件(阵列)，太阳能电池组件(Solarcells)是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，单一电池是一只硅晶体二极管，依据半导体材料的电子学特性，当太阳光照耀到由P型和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，在肯定的条件下，太阳能辐射被半导体材料汲取，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，就有"光生电流"流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。理论探讨表明，太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)确定。在广袤的无电力网地区，可以便利地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度，在国外技术探讨趋于成熟且初具产业化的是"光伏--建筑(照明)一体化"技术，而国内主要探讨生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。

三、市场前景分析：自１９９７年以来，光伏技术将来的发展前景已经被愈来愈多的国家政府和金融界（如世界银行）所认同。很多发达国家和地区纷纷制定光伏发展支配。美国支配到２０１０年累计安装４．６ＧＷ（美国能源部规划，含“百万屋顶支配”）；欧盟支配累计安装６．７ＧＷ（“可再生能源白皮书”），其中３．７ＧＷ安装在欧洲内部，３ＧＷ出口等等。预料今后的１０年中，光伏组件的生产将以２０％～３０％的速度发展，到２０１０年全球的ＰＶ安装率将达到３．２kＭＷ，ＰＶ营业额也将增加到１８５亿美元，市场也将由边远地区和农村的补充能源逐步向全社会的替代能源过渡。到２１世纪中叶，太阳能光伏发电将达到世界总发电量的１５％～２０％，成为人类的基础能源之一。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国作为世界能源消耗其次大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家10－15年，甚至明显落后于印度。我国光伏产业正以每年30%的速度增长，国内光伏电池生产实力已达100MW。在国家各部委立项支持下，目前我国试验室光伏电池的效率已达21%，可商业化光伏组件效率达14－15%，一般商业化电池效率10－13%。目前我国太阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格渐渐从2000年的40元/瓦降到2003年的33元/瓦，2004年已经降到27元/瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了确定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。太阳能光伏发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展的可再生能源技术之一。截止2004年，太阳能光伏发电的应用领域遍及我们生活的各个方面，如交通、通讯、公共设施（如照明）、家庭生活用电等。尤其是在边远地区，太阳能光伏发电更加显示它的优势。我国目前尚有约30000个村庄，700万户，3000万农村人员还没有用上电，60%的有电县严峻缺电，光伏市场潜力巨大。专家预料2006年我国太阳能电池生产实力将超过300兆瓦。在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生很大的变更，到2010年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，从2011年到2020年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。中国作为新的世界经济发动机，光伏业也呈现出前所未有的活力，大量系统集成公司伴随者国家的“光明工程”、“奥运工程”、“世博会工程”等项目的启动应运而生，国内市场，从20世纪90年头，国内光伏市场平稳发展，年增长速度在20%左右；进入21世纪，国内光伏市场呈现加速发展趋势，2001～2003年平均增长速度都在30%以上四、国家政策导向：中国政府目前正在制订《新能源和可再生能源发展规划》，将出台一系列扶持PV发展的实惠政策。依据规划，中国2003～2009年在农村电网建设中。每年安装70兆瓦光伏系统，2010～2020年普及推广应用，年平均安装100兆瓦。目前中国已经是国际光伏发电应用产品生产基地。

2005年2月28日，第十届全国人代表大会常务委员会第十四次会议通过了《中华人民共和国可再生能源法》，于2006年1月1日起正式实施。可再生能源法规定国家将可再生能源开发利用的科学技术探讨和产业化发展列为科技发展与高技术产业发展的优先领域，纳入国家科技发展规划和高技术产业发展规划，并支配资金支持可再生能源开发利用的科学技术探讨、应用示范和产业化发展，促进可再生能源开发利用的技术进步，降低可再生能源产品的生产成本，提高产品质量。国家激励和支持可再生能源并网发电。为促进我国可再生能源和新能源技术及相关产业的发展，依据国家可再生能源中长期发展规划，国家发展和改革委员会确定在2005～2007年期间，实施可再生能源和新能源高技术产业化专项。其中太阳能光伏发电、太阳能电池用硅锭/硅片以及高效低成本太阳能电池组件及系统限制部件的产业化成为可再生能源和新能源高技术产业化专项支持的重点领域之一。太阳能是干净无污染的巨大能源，最大限度地开发利用太阳能将是人类新能源利用方面的科技发展方向。近年来，由于世界能源的日趋惊慌和光伏技术的不断发展，廉价的非晶硅太阳电池的生产技术已经成熟。大规模的光伏发电，可解决广袤中西部无电地区居民的能源问题。专家预料，若光伏电池与城市和农村的建筑相结合，实行光伏并网发电，不但达到绿色环保的目的，而且会逐步变更我国传统能源结构，对克服我国能源惊慌、改善生态环境及人体健康具有重大意义。在跨入21世纪之际，人类将面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匮乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温室效应都与化石燃料的燃烧有关。目前的环境问题，很大程度上是由于能源特殊是化石能源的开发利用造成的。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生干净能源。太阳能以其独具的优势，其开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担纲重任，成为21世纪后期的主导能源。

五、LED在景观照明中的优势：目前在电能的消耗中，照明用电占有很大的比例，对绿色节能的照明探讨应用越来越受到重视，ＬＥＤ就是在这样的形势下发展起来的。加之随着新材料及半导体工业技术的发展，ＬＥＤ尤其是白光ＬＥＤ发光的效率不断提升，价格也随之下降。利用ＬＥＤ特性，结合相关新技术开发出适用于不同场合和用途的照明系统，可以说其在照明市场的潜力将是不行估量的。到２００４年ＬＥＤ全球总销售额已达到３８００亿美元，与２００３年相比，其增长率达到３６％。据预料，到２００８年，ＬＥＤ的全球总销售额将达到甚至超过６０００亿美元，使其真正替代白炽灯、荧光灯等传统能源，成为新一代的绿色光源。LED的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能4/5是宏大的创举，但LED比节能灯还要节能1/4，这是固体光源更宏大的改革。太阳能ＬＥＤ照明产品是新一代的绿色环保照明产品，它的主要部件包括太阳能光伏电池（ＰＶ技术）和半导体照明光源（ＬＥＤ）。LED光源除了无汞、节能、节材、对环境无电磁干扰、无有害射线等优点外，在照明领域中，特殊是在景观照明中，还有很多出类拔萃的优势。如：(1)低压供电：无高压环节，为了绝缘的开销要小很多，牢靠性高；(2)附件简洁：无启动器、镇流器或超高压变压器；(3)结构简洁：具有固体光源的最大优点，不充气，无玻璃外壳，无气体密封问题，耐冲击；(4)可控性好：响应时间快（微秒数量级），可反复频繁亮灭，基本无惰性，不会疲乏；(5)色调纯厚：由半导体PN结自身产生色调，纯正，深厚；(6)色调丰富：三基色加数码技术，可演化随意色调；(7)轻质结构：材质对灯具强度和刚度要求很低；(8)体积小巧：大的LED灯具可看成有LED细胞组成，最小的LED仅为平方毫米数量级或更小；(9)柔性化好：LED光源的精致，使LED能适应几何尺寸和不同空间大小的装饰照明要求，诸如：点、线、面、球、异形体乃至随意艺术造型的灯光雕塑。

六、太阳能LED照明系统的组成：

1、太阳能电池板

太阳能电池板是在有阳光时用来产生电能的，发电功率要依据照明用电的功率和照明时间来计算。如照明灯具的功率是2瓦，要求没有阳光时连续照明时间10小时，再考虑变换电路的变换损失，太阳能电池板的发电功率必需是3瓦左右。

2、蓄电池

蓄电池的作用是把有阳光时太阳能电池发出的电存储起来，供没有阳光时运用。蓄电池的容量要依据太阳能电池板的功率和LED灯的功率以及照明时间来确定。如协作2瓦的LED灯，3瓦的太阳能电池板，没有太阳时要求连续照明时间10小时，可选用12V/2.2AH的蓄电池。

3、太阳能充电限制电路

这部分电路的功能是在阳光足够，光照时间长的时候限制充电程度，电池充溢即停止充电，不使蓄电池过充损坏，以爱护蓄电池，延长其运用寿命。使太阳能电池和蓄电池平安牢靠地工作,以获得最高效率并延长蓄电池的运用寿命。通过限制器对充放电条件加以限制，防止蓄电池反充电、过充电及过放电。另外，还应具有电路短路爱护、反接爱护、雷电爱护及温度补偿等功能。由于太阳能电池的输出能量极不稳定，对于太阳能灯具的设计来说，充放电限制电路的质量至关重要。

4、LED驱动器

这是系统的核心限制电路。它的功能有三个：

①、完成发光二极管的恒流驱动限制，使流过发光管的电流不随蓄电池的电压变更。

②、具有光控功能，天亮时自动关灯，天黑时自动开灯。

③、低电压爱护。当电池电压下降到10.8伏时输出关闭，以免过放电损坏蓄电池。

5、LED照明灯发光二极管在小功率时间效比较高，用好的发光二极管做半导体灯，2瓦左右就有很好的亮度，2瓦的半导体灯可以用两只1瓦的大功率发光二极管串联组成，也可以用40个小功率发光管2只串联以后再20串并联组成，用小功率发光二极管串/并联做半导体灯时每一串里要串联一个10Ω的电阻以均衡各串之间的电流。目前用小功率发光管做半导体灯成本比较低。制作半导体灯时，LED驱动器装在灯体内部。七、太阳能LED照明系统的设备：

太阳能照明设备主要由照明灯具、光源和限制系统组成。

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，晚上运用，无需进行困难昂贵的管线铺设，而且可以随意调整灯具的布局。光源一般采纳ＬＥＤ或直流节能灯，运用寿命较长，又为冷光源，对植物生长无害。太阳能亮化灯具是一个自动限制的工作系统，只要设定该系统的工作模式就能自动工作。限制模式一般分为光控方式和计时限制方式，一般采纳光控或者光控与计时组合工作方式。在光照强度低于设定值时限制器启动灯点亮，同时进行计时起先。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限制，自动开关，无需人工操作，工作稳定牢靠，节约电费，免维护。

八、太阳能LED照明系统的应用：太阳能光伏技术的应用不仅在边远地区和短暂缺电地区具有特别重要的地位，在其它地区也已快速普及，已经应用在交通、建筑、农林等各个行业中。尤其在照明工程中，更是异彩纷呈。

a.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业已起步并以快速发展的势头逐步普及应用。学校、公园、住宅小区、别墅等场所的指示牌、警示牌、草坪灯、路灯等均可采纳太阳能光伏照明技术，使公共照明更便利、平安、环保、节能。太阳能亮化照明的工作原理是：由太阳能电池板作为发电系统，让电池板电源经过大功率二极管及限制系统给蓄电池充电，当蓄电池电源达到肯定程度时，限制系统内设的自动爱护系统动作，电池板自动切断电源，实行自动爱护。到晚上，太阳能电池板又起到了光控作用，给限制系统发出指令，此时限制系统自动开启，输出电压，使各式灯具达到设计的照明效果。并可调整所需的照明时间。

太阳能景观灯外观设计大多采纳金属与工程塑料相结合压铸成型，灯体可呈现出圆形、方形、几何图案等多种形态，仪态万千、风格迥异，或豪华高雅、或简洁明快。灯体颜色有白、红、绿、兰、紫、黄等，依次渐变或闪耀。天黑后系统自动启动亮灯装置，一眼望去，灯体发出匀称柔软的光线，几种颜色跳动渐变，整个城市的夜晚在一瞬间律动起来。而太阳能高杆灯一般杆高8～13米，照明功率50W～130W，有效照明面积可达几百平方。夜幕驾临 ，霓虹闪耀、流光溢彩、格外妩媚。

太阳能亮化照明技术具有一次性投资、无长期运行费用、安装便利、免维护、运用寿命长等特点，不会对原有植被、环境造成破坏，同时也降低了各项费用，节约能源，可谓“一举多得”。

b.建筑物楼道照明

太阳能走廊灯由太阳能电池板供电。整栋建筑采纳整体布局、分体安装、集中供电方式。太阳能安装在天台或屋面，用专用导线（可预留）传送到每层走道和楼梯口。系统采纳声、光感应，延时限制。白天系统充电、夜间自动转换开启装置，当探测到有人走动信息后，自动启动亮灯装置，并延时3～5分钟后自行关闭。当楼内发生突发事故如火灾、地震等切断电源或区域停电时，仍可连续供电3～5小时，可以作为应急灯运用，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，为夜归人及来访的客人供应便利。

c."光伏--建筑照明一体化"技术太阳能光伏发电产业增长快速，不仅因为它是具有很多优点的清洁能源，一个更迷人的动因是，在太阳能与建筑一体化的过程中，太阳电池组件比太阳能热水器与建筑更有亲合力。太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节约了建材，国外己有特别好的案例。因此，太阳能光伏发电技术与建筑结合方面，将具有良好的经济效益，前途无限。目前已胜利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--建筑照明一体化(BIPV)"。本系统的工作原理是：由多片单晶硅太阳能光电池组合而成的电池板，经过太阳光的照耀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沟通电，经由配电系统供照明、空调等系统运用，以及蓄电池储存电力，尚可供应防灾紧急用电需求。建筑物的墙面和屋顶的PV组件的造型、色调、建筑风格与建筑物结合，与四周的自然环境整合，以期达到完备的协调。国内某铝板幕墙制造公司研制胜利一种"太阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，胜利地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太阳能建筑系统(SPBS)，已通过专家论证。这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。1997年6月，美国宣布了以总统命名的"太阳能百万屋顶支配"，在2010年以前为100万座住宅实施太阳能发电系统。日本"新阳光支配"已在2000年以前将光伏建筑组件装机成本降到170～210日元/W，太阳能电池年产量达10MW，电池成本降到25～30日元/W。1999年5月14日，德国仅用一年两个月建成了全球首座零排放太阳能电池组件厂，完全用可再生能源供应电力，生产中不排放CO2。工厂的南墙面为约10m高的PV阵列玻璃幕墙，包括屋顶PV组件，整个工厂建筑装有575m2的太阳能电池组件，仅此可为该建筑供应三分之一以上的电能，其墙面和屋顶PV组件造型、色调、建筑风格与建筑物的结合，与四周的自然环境的整合达到了特别完备的协调。该建筑另有约45kW容量，由以自然状态的菜子油作燃料的热电厂供应，经设计燃烧菜子油时产生的CO2与油菜生长所需的CO2基本平衡，是一座真正意义上的零排放工厂。BIPV还注意建筑装饰艺术方面的探讨，在捷克由德国WIP公司和捷克合作，建成了世界第一面彩色PV幕墙。印度西孟加拉邦为一无电岛117家村民安装了12.5kW的BIPV。国内常州天合铝板幕墙制造有限公司研制胜利一种"太阳房"，把发电、节能、环保、增值融于一房，胜利地把光电技术与建筑技术结合起来，称为太阳能建筑系统(SPBS)，SPBS已于2000年9月20日通过专家论证。近日在上海浦东建成了国内首座太阳能--照明一体化的公厕，全部用电由屋顶太阳能电池供应。这将有力地推动太阳能建筑节能产业化与市场化的进程。九、太阳能照明成本分析：

近年来我国太阳能电池的生产实力猛增，其产品价格也由“七五”初期的80元/瓦，下降到目前的40元/瓦以下。使得推广运用太阳能光伏应用产品的价格瓶颈得到基本解决，不再因太阳能光伏产品的高价而制约其产品的推广，使可望不行及变为快速普及。预料到本世纪二三十年头,太阳能发电成本有可能降低到常规电价的水平。

采纳太阳能LED灯光亮化工程，每年可节约大量的资金，既亮化了城市，又生态地发展了城市，并充分地利用了能源，是目前世界上最合理的发展方向。

以２０层高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１０元，运用寿命约为１５年以上；与采纳自带蓄电池的应急灯相比，其一次性成本相差无几，太阳能照明寿命更长，还节约了电费。

再以太阳能庭院灯为例：每盏３０００～４０００元，比一般庭院灯大约贵一倍，但是如算上电气管线、配电设施的投资再加上３～５年的电费和日常维护费，其成本也基本相当。十、太阳能照明存在的问题：1

太阳能光伏系统的效率

在太阳能发电系统中，系统的总效率ηese由电池组件的PV转换率、限制器效率、蓄电池效率、逆变器效率及负载的效率等组成。但相对于太阳能电池技术来讲，要比限制器、逆变器及照明负载等其它单元的技术及生产水平要成熟得多，而且目前系统的转换率只有17%左右。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。太阳能电池问世以来，晶体硅作为主角材料保持着统治地位。目前对硅电池转换率的探讨，主要围围着加大吸能面，如双面电池，