Ⅰ概述

　　當前巨額的能量消耗已經(jīng)對世界、對人類構(gòu)成了極大的威脅，此起彼伏的旱澇災害，百年難遇的嚴寒酷暑和暴風驟雨，千百萬人的家破人亡、流離失所，銹蝕萬物的無情酸雨、經(jīng)年如常的蒙蒙灰天、萬里奔襲的狂風黃塵等已使人類受盡苦難。生態(tài)的變化、物種的絕滅更不知要為子孫后代帶來怎樣的災禍。不可再生的巨大能源的耗費是所有這些災禍的根源。如何改善這種狀態(tài)，已成如今的燃眉之急，節(jié)能減排、保護環(huán)境是刻不容緩的世界課題。

　　在人們耗費了巨大能源生產(chǎn)的巨大電能中有約14%用于照明，這是一項巨大的能耗，為此排放的CO2、SO2的量也是非常驚人的。當前使用的照明光源中仍存在大量最低能效的白熾燈和鹵鎢燈，如果將此類光源用節(jié)能光源替代，則照明用電可以減少2/3，這樣我國現(xiàn)在消費的總電量可以減少9%， 而CO2和SO2的排放量亦將相應降低。

　　億萬年來太陽一直不間斷的以光輻射的形式向地球輸送能量，據(jù)估算太陽無休止地向地球投射的總輻射功率約為170萬億千瓦，經(jīng)過大氣層的吸收和散射到達地球表面時總輻射能仍有約80萬億千瓦，其中投射到我國國土上的功率不下2萬億千瓦，即使利用其中的萬分之一，也有2億千瓦，按每日8小時日照計全年可利用的太陽能約折合6000億千瓦時，可見太陽能的利用具有極為巨大潛在價值。

　　植物的光合作用吸收了太陽輻射到地球表面的部分能量，其余部分則為地球表面土地和海洋吸收，轉(zhuǎn)化為熱能并引起了地球表面的各種變化，如四季的呈現(xiàn)、如風雨雷電的形成等，這為地球創(chuàng)造了生機，造就了億萬種的生物包括人類文明，但同時也為人類制造了大量災禍。多年來人類一直在利用的水力、風力和潮汐力包括陽光暴曬等也都是太陽能量的直接和間接利用，這樣的利用太少了。而煤炭、石油等則是億萬年來地球儲備的太陽能的現(xiàn)代應用，這種應用又太過分了。按照人類目前掌握的技術(shù)水平，人們已經(jīng)能把太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能，最簡單的方法就是利用專門制作的某種物質(zhì)如經(jīng)特殊處理(摻雜)的半導體材料硅片，當陽光照射到這種硅片上的某一面時將產(chǎn)生光伏效應，在二面之間形成一定的電勢差，這樣的硅片就成了為人類提供電力的所謂光電池。

　　上述摻雜的硅片的n型與p型半導體之間的p-n結(jié)構(gòu)成了阻擋層，n型半導體在光照下吸收光子后，其施主(雜質(zhì))能級上的電子躍遷到導帶中變?yōu)樽杂呻娮硬⒕奂砻妫怪畮ж撾姟＿@時n型半導體與另一側(cè)未受光的p型半導體之間產(chǎn)生電勢差、這就是所謂光伏效應。外線路接通時光電子將從n型半導體通過負載流向p型半導體、注入其中的受主能級(正穴)并通過阻擋層再流入n型半導體回到施主能級、并在陽光照射下再次進入導帶，從而向負載源源提供電力。太陽是人們所處環(huán)境中的最大的輻射源，利用太陽輻射的光伏效應自然就成了人們理想的能源。在這種能源的產(chǎn)生過程中不會排放任何廢物，所以這是一種潔凈能源。

　　目前人們利用太陽能的光伏效應所能提供的電力有限。整個照明的總能耗雖然巨大，而照明是很分散的，單個照明系統(tǒng)很小、耗電不多，完全可以利用不大的太陽能發(fā)電系統(tǒng)獨立供電，目前的技術(shù)水平完全可以實現(xiàn)。例如在開闊地域、每個家庭甚至每盞燈就是一個獨立的照明系統(tǒng)，對于這種容量的系統(tǒng)，幾片不太大的光電池板、適當容量的儲能電池和簡單的控制電路就能保證可靠的夜晚照明。

　　光伏效應在人類技術(shù)史上已經(jīng)應用了近百年，最早的硒和氧化亞銅光伏電池并不是向人們提供電能，而是作為檢測光的信號、根據(jù)轉(zhuǎn)換電壓的高低判定光強。直到約40年前，硅光伏電池開始用于為某些小型電器如計算器等提供電能。利用光伏效應作能源的應用則是從人造衛(wèi)星開始的，在遙遠的太空除太陽能外，不可能方便地能獲得其他能源，這時人們學會了如何利用太陽能的光伏效應向人造衛(wèi)星長期不間斷地提供運行所必須的電能，自此光伏電池得以快速發(fā)展。人造衛(wèi)星的太陽能光伏電池是由單晶硅片制作的，它的光電轉(zhuǎn)換效率較高，也較為昂貴。為提供足夠電力，衛(wèi)星用單晶硅光電池都做得十分龐大、十分昂貴。人造衛(wèi)星是不計成本的，這一應用的成功推動了太陽能光伏電池的快速發(fā)展。

　　隨著科技的發(fā)展，人們制造光伏電池的方法已經(jīng)大幅改進，簡化了工藝，成本大幅降低，并已開始了大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，但即使如此目前其發(fā)電成本也比常規(guī)火力發(fā)電貴十倍以上。

　　Ⅱ 光伏照明光源的選擇

　　當前的單晶硅電池產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達到16%左右，但因價格較高只用于某些特殊場合。多晶硅光伏電池產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率約為13%，因成本較低，是一種正在推廣的產(chǎn)品。非晶硅光伏電池生產(chǎn)工藝較簡單，但轉(zhuǎn)換效率較低，約10%以下，且壽命較短仍在改進中。

　　目前情況下，多晶硅光伏電池用于照明比較適合，而最經(jīng)濟的單元規(guī)模為20W~50W。若以每天工作8小時計這種照明系統(tǒng)每天耗電0.16KWh0.4KWh，若以儲備三天電能計，則儲能電池必須儲存0.5 KWh1.2 KWh的電能，并配備相應容量的太陽能光伏電池板。

　　為適應如上所述的光伏電池的特征和要求，宜選擇50W以下的高效、節(jié)能光源以設施光伏照明。對于照明距離較遠的照明系統(tǒng)如高桿路燈、大廳吊燈、吸頂燈等可選用35W、50W的燈型，而且每一支燈就是一個獨立照明系統(tǒng)，對于室內(nèi)或庭園照明以采用20W光源為宜。當前可供選擇的光源有：

　　1、 大功率白光LED：通常選擇單燈功率為0.5W或1W為宜，也有采用0.3WLED的，其光效約50lm/W此類 LED已達到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模(雖然這種器件的實驗室水平已超過150lm/W，但工業(yè)產(chǎn)品尚遠未達到)。目前普遍認為LED是光伏照明的優(yōu)選光源，在多所城市均已建立了樣板工程。一支20W的LED照明燈需采用20只1W的LED，可以產(chǎn)生約1000lm光通量，對于三米以下高度的庭園燈及室內(nèi)照明這也差強人意了。但是對于6~8米高的小區(qū)路燈照明則至少需要50W即約2500lm左右的光通量，這需采用50只1W白光LED或100只0.5W的LED。對于這樣的設計一則成本太高、二則燈具較難設計，所以還是選用其他更為經(jīng)濟的光源為好。我們所參觀的LED光伏照明的實際效果并不理想，不僅成本太高、光效較低、而且由于LED有一定的光發(fā)射角必須進行二次光學設計否則將出現(xiàn)斑馬效應，即二燈之間的三分之一以上的路面完全沒有光，加以光衰太快，雖然其壽命號稱50000小時以上，但在使用了1000~2000小時甚至幾十小時后效果已經(jīng)很差，這是由于在此類實施中運轉(zhuǎn)時LED的p-n極溫度太高，造成熒光粉光衰所致，所以部分公司已將LED從他們的光源候選名單中排除。

　　2、 緊湊型熒光燈：這是一種非常成熟、非常廉價的產(chǎn)品，已經(jīng)普及到家庭和各種應用場合，推廣極為方便。3W~20W的各類緊湊熒光燈的光效在50lm~80lm/瓦之間，壽命約5000~8000小時。一支燈泡的價格與一粒1W的白光LED相仿或更低，成本非常低廉，燈具設計簡單，目前在光伏照明樣板工程中已被廣泛試用。例如二只12W緊湊型熒光燈可以產(chǎn)生1600lm的光通量，對于一般家庭室內(nèi)照明和庭園照明已經(jīng)差強人意了。

　　3、 小功率金鹵燈：20~50W之間的小功率型金鹵燈，由于光效較高(70~85lm/W)，顯色性好(>70)，壽命約3000~4000小時，發(fā)光體小(點光源)加以這是一種成熟的光源，較易通過常規(guī)燈具獲得所需要的光分布，滿足不同應用的需要。但是此種小功率照明金鹵燈的制作十分困難，必須是在特殊條件下生產(chǎn)的產(chǎn)品才能達到所述指標，用目前市售普通照明金鹵燈的裝備生產(chǎn)的此類超小功率金鹵燈的各種性能指標是非常差的，加以光衰太大、壽命短，最簡單的方法是了解一下他們生產(chǎn)裝備，如果是在純Ar手套箱體中生產(chǎn)，則質(zhì)量較為可靠，否則很難超過500小時，選用時切宜慎重。