引言

　　太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)很多年了，但是由于其初期投入高，在建筑照明系統(tǒng)中還沒有得到廣泛應(yīng)用。隨著發(fā)光二極管技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是白光二極管的高效特性，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)與LED燈結(jié)合的照明系統(tǒng)將成為建筑照明節(jié)能的新途徑。

　　1 光伏發(fā)電原理

　　作為世界第二大能源消費(fèi)國，我國政府一直高度重視能源和節(jié)能工作，早在20世紀(jì)80年代初就提出了“能源開發(fā)與節(jié)約并重，把節(jié)約放在優(yōu)先位置”的方針，將節(jié)能納入國家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展計(jì)劃。解決中國的能源問題，一方面要開源，加大國內(nèi)能源勘探開發(fā)力度；另一方面要節(jié)流，必須堅(jiān)持節(jié)約優(yōu)先，大幅度提高能源利用效率，加快建設(shè)節(jié)約型社會(huì)。

　　上個(gè)世紀(jì)50年代，在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室首次制成了實(shí)用的單晶硅太陽電池，誕生了將太陽光能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)。太陽電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN 結(jié)的光生伏打效應(yīng)，就是當(dāng)物體受到光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢和電流的一種效應(yīng)。即當(dāng)太陽光或其他光照射半導(dǎo)體的PN 結(jié)時(shí)，就會(huì)在PN 結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓，叫做光生電壓，使PN結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。

　　太陽光發(fā)電是指無需通過熱過程直接將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌l(fā)電方式。它包括光伏發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽能及半導(dǎo)體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉(zhuǎn)變成電能的直接發(fā)電方式，是當(dāng)今太陽光發(fā)電的主流。時(shí)下，人們通常所說太陽光發(fā)電就是太陽能光伏發(fā)電（PV），亦稱太陽能電池發(fā)電。

　　2 固體發(fā)光原理

　　近年來，固態(tài)照明得到了快速發(fā)展。固態(tài)照明是指用全固態(tài)發(fā)光器件作為光源的照明技術(shù)，目前主要包含半導(dǎo)體照明的發(fā)光二極管（LED）和有機(jī)物發(fā)光二極管（OLED）。LED 燈作為照明光源，其優(yōu)越性在于：光電轉(zhuǎn)換效率高，低壓供電，使用壽命長，既可以有選擇地發(fā)出單色光，也可以高效地發(fā)出白光，所以可以大大節(jié)約電能。半導(dǎo)體發(fā)光二極管（LED）利用注入PN結(jié)的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合，從而發(fā)出可見光，是一種直接把電能轉(zhuǎn)化為光能的發(fā)光器件。發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)主要由PN結(jié)芯片、電極和光學(xué)系統(tǒng)組成。當(dāng)在電極上加上正向偏壓之后，使電子和空穴分別注入P區(qū)和N區(qū)，當(dāng)非平衡少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)，就會(huì)以輻射光子的形式將多余的能量轉(zhuǎn)化為光能。其發(fā)光過程包括三個(gè)部分；正向偏壓下的載流子注入、復(fù)合輻射和光能傳輸。發(fā)光二極管有許多的優(yōu)點(diǎn)：工作電壓低，耗電量少；性能穩(wěn)定，壽命長（一般為10萬到1000 萬h）；抗沖擊，耐振動(dòng)性強(qiáng)；重量輕，體積小，成本低。

　　LED要替代傳統(tǒng)照明光源，必須要能發(fā)出白光，而目前LED不能直接發(fā)出白光。LED產(chǎn)生白光主要有兩種途徑：第一種是將紅、綠、藍(lán)三色LED組合產(chǎn)生白光；第二種是在LED 芯片上涂敷熒光粉，LED 芯片本身發(fā)出一定顏色的光，一部分用于激發(fā)涂敷在其上面的熒光粉，另一部分與熒光粉發(fā)出的光混合產(chǎn)生白光。

　　3 光伏照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　太陽能光伏發(fā)電是緩解能源短缺的新路子。事實(shí)上，我國自20世紀(jì)70年代已開始探索太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，但真正要有效果必須在兩個(gè)方面有所突破：一方面要利用廣闊的荒漠發(fā)展大型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)；另一方面要向屋頂進(jìn)軍即將那些閑置的空間和就近太陽能資源利用起來，推出一個(gè)中國的太陽能“屋頂計(jì)劃”。

　　目前，太陽能光伏發(fā)電照明應(yīng)用系統(tǒng)中的典型部件包括光伏矩陣板、電池、電網(wǎng)、動(dòng)力調(diào)節(jié)單元，交流負(fù)載中心、直流/交流變換器、交流/直流變換器、直流電流調(diào)節(jié)器、光源和泛光燈。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可能只包括其中的幾個(gè)部分，這主要取決于光源和不同的應(yīng)用需求。

　　光伏發(fā)電照明系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)類型，包括獨(dú)立系統(tǒng)，并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)，如圖1所示。

　　獨(dú)立系統(tǒng)常見于居民區(qū)路燈、停車場標(biāo)志燈和電網(wǎng)公共照明系統(tǒng)，它們通常需要電池，所以有很高的存儲(chǔ)修復(fù)損耗和維護(hù)費(fèi)用。并網(wǎng)系統(tǒng)不需要電池，但是它們要連接到電網(wǎng)上，并且當(dāng)從光伏矩陣板中采集的太陽能不能滿足于裝置需求時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)從電網(wǎng)吸取電能。在并網(wǎng)系統(tǒng)中為了將光伏矩陣板中輸入能量和從公共網(wǎng)中輸入能量混合，我們需要直流負(fù)載還是交流負(fù)載，是需要?jiǎng)恿卧€是交流負(fù)荷中心，這些都取決于負(fù)載的種類。

　　最好的情況是，當(dāng)光伏矩陣板發(fā)出的能量超過需求時(shí)，一些并網(wǎng)系統(tǒng)能夠?qū)⒛芰糠答伒诫娋W(wǎng)?；旌舷到y(tǒng)將很多電力產(chǎn)品和儲(chǔ)能元件結(jié)合起來，以此來滿足能量需求，例如，將并網(wǎng)系統(tǒng)與備份電池相連。這樣系統(tǒng)雖然復(fù)雜昂貴，但是可靠性提高，尤其是連接到公共電網(wǎng)的時(shí)候。固態(tài)照明技術(shù)在過去的幾年中得到了高速發(fā)展。市場上一些白光LED已經(jīng)能做到每瓦功效超過25lm，這包括驅(qū)動(dòng)損耗，其功效是普通白熾燈的兩倍。再有，LED 直流低電壓工作的特點(diǎn)，使它成為太陽能利用的最佳組合。因此，對于研制和設(shè)計(jì)有效的光伏發(fā)電照明系統(tǒng)，白光二極管是一個(gè)最有潛力的選擇。圖2 是建筑物中光伏LED節(jié)能照明系統(tǒng)示意圖。

　　4 結(jié)語

　　在今后的十幾年中，太陽能電池的市場走向?qū)l(fā)生很大的改變，到2010年以前中國太陽電池多數(shù)是用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，從2011年到2020年，中國光伏發(fā)電的市場主流將會(huì)由獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏供電技術(shù)是解決21世紀(jì)能源和環(huán)境問題的有效途徑。常規(guī)能源面臨枯竭，可再生能源將成為能源消費(fèi)的主流。

　　新材料及半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，使得LED尤其是高亮度白光LED的發(fā)光效率不斷提升，當(dāng)白光LED光效達(dá)到200lm/W，并且單燈成本小于28元時(shí)，LED光源完全可以取代傳統(tǒng)光源在各種照明領(lǐng)域中的應(yīng)用。

　　隨著我國對可再生能源的重視和投入、國家半導(dǎo)體照明工程的開展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)和LED照明系統(tǒng)將會(huì)很快進(jìn)入我們的建筑物。今后的照明系統(tǒng)將是新一代的能源（PV）和新一代光源（LED）的完美結(jié)合