Ⅰ概述

　　當(dāng)前巨額的能量消耗已經(jīng)對(duì)世界、對(duì)人類構(gòu)成了極大的威脅，此起彼伏的旱澇災(zāi)害，百年難遇的嚴(yán)寒酷暑和暴風(fēng)驟雨，千百萬(wàn)人的家破人亡、流離失所，銹蝕萬(wàn)物的無(wú)情酸雨、經(jīng)年如常的蒙蒙灰天、萬(wàn)里奔襲的狂風(fēng)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(lái)怎樣的災(zāi)禍。不可再生的巨大能源的耗費(fèi)是所有這些災(zāi)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(hù)環(huán)境是刻不容緩的世界課題。

　　在人們耗費(fèi)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(xiàng)巨大的能耗，為此排放的CO2、SO2的量也是非常驚人的。當(dāng)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(guó)現(xiàn)在消費(fèi)的總電量可以減少9%， 而CO2和SO2的排放量亦將相應(yīng)降低。

　　億萬(wàn)年來(lái)太陽(yáng)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(yáng)無(wú)休止地向地球投射的總輻射功率約為170萬(wàn)億千瓦，經(jīng)過(guò)大氣層的吸收和散射到達(dá)地球表面時(shí)總輻射能仍有約80萬(wàn)億千瓦，其中投射到我國(guó)國(guó)土上的功率不下2萬(wàn)億千瓦，即使利用其中的萬(wàn)分之一，也有2億千瓦，按每日8小時(shí)日照計(jì)全年可利用的太陽(yáng)能約折合6000億千瓦時(shí)，可見(jiàn)太陽(yáng)能的利用具有極為巨大潛在價(jià)值。

　　植物的光合作用吸收了太陽(yáng)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(fēng)雨雷電的形成等，這為地球創(chuàng)造了生機(jī)，造就了億萬(wàn)種的生物包括人類文明，但同時(shí)也為人類制造了大量災(zāi)禍。多年來(lái)人類一直在利用的水力、風(fēng)力和潮汐力包括陽(yáng)光暴曬等也都是太陽(yáng)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(wàn)年來(lái)地球儲(chǔ)備的太陽(yáng)能的現(xiàn)代應(yīng)用，這種應(yīng)用又太過(guò)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(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為電能，最簡(jiǎn)單的方法就是利用專門(mén)制作的某種物質(zhì)如經(jīng)特殊處理(摻雜)的半導(dǎo)體材料硅片，當(dāng)陽(yáng)光照射到這種硅片上的某一面時(shí)將產(chǎn)生光伏效應(yīng)，在二面之間形成一定的電勢(shì)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(dǎo)體之間的p-n結(jié)構(gòu)成了阻擋層，n型半導(dǎo)體在光照下吸收光子后，其施主(雜質(zhì))能級(jí)上的電子躍遷到導(dǎo)帶中變?yōu)樽杂呻娮硬⒕奂砻妫怪畮ж?fù)電。這時(shí)n型半導(dǎo)體與另一側(cè)未受光的p型半導(dǎo)體之間產(chǎn)生電勢(shì)差、這就是所謂光伏效應(yīng)。外線路接通時(shí)光電子將從n型半導(dǎo)體通過(guò)負(fù)載流向p型半導(dǎo)體、注入其中的受主能級(jí)(正穴)并通過(guò)阻擋層再流入n型半導(dǎo)體回到施主能級(jí)、并在陽(yáng)光照射下再次進(jìn)入導(dǎo)帶，從而向負(fù)載源源提供電力。太陽(yáng)是人們所處環(huán)境中的最大的輻射源，利用太陽(yáng)輻射的光伏效應(yīng)自然就成了人們理想的能源。在這種能源的產(chǎn)生過(guò)程中不會(huì)排放任何廢物，所以這是一種潔凈能源。

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

　　光伏效應(yīng)在人類技術(shù)史上已經(jīng)應(yīng)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(cè)光的信號(hào)、根據(jù)轉(zhuǎn)換電壓的高低判定光強(qiáng)。直到約40年前，硅光伏電池開(kāi)始用于為某些小型電器如計(jì)算器等提供電能。利用光伏效應(yīng)作能源的應(yīng)用則是從人造衛(wèi)星開(kāi)始的，在遙遠(yuǎn)的太空除太陽(yáng)能外，不可能方便地能獲得其他能源，這時(shí)人們學(xué)會(huì)了如何利用太陽(yáng)能的光伏效應(yīng)向人造衛(wèi)星長(zhǎng)期不間斷地提供運(yùn)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(yáng)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(jì)成本的，這一應(yīng)用的成功推動(dòng)了太陽(yáng)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(jìn)，簡(jiǎn)化了工藝，成本大幅降低，并已開(kāi)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(dāng)前的單晶硅電池產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)達(dá)到16%左右，但因價(jià)格較高只用于某些特殊場(chǎng)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(jiǎn)單，但轉(zhuǎn)換效率較低，約10%以下，且壽命較短仍在改進(jìn)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(jì)的單元規(guī)模為20W~50W。若以每天工作8小時(shí)計(jì)這種照明系統(tǒng)每天耗電0.16KWh0.4KWh，若以儲(chǔ)備三天電能計(jì)，則儲(chǔ)能電池必須儲(chǔ)存0.5 KWh1.2 KWh的電能，并配備相應(yīng)容量的太陽(yáng)能光伏電池板。

　　為適應(yīng)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(shè)施光伏照明。對(duì)于照明距離較遠(yuǎn)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(gè)獨(dú)立照明系統(tǒng)，對(duì)于室內(nèi)或庭園照明以采用20W光源為宜。當(dāng)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(dá)到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模(雖然這種器件的實(shí)驗(yàn)室水平已超過(guò)150lm/W，但工業(yè)產(chǎn)品尚遠(yuǎn)未達(dá)到)。目前普遍認(rèn)為L(zhǎng)ED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(duì)于三米以下高度的庭園燈及室內(nèi)照明這也差強(qiáng)人意了。但是對(duì)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(duì)于這樣的設(shè)計(jì)一則成本太高、二則燈具較難設(shè)計(jì)，所以還是選用其他更為經(jīng)濟(jì)的光源為好。我們所參觀的LED光伏照明的實(shí)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(jìn)行二次光學(xué)設(shè)計(jì)否則將出現(xiàn)斑馬效應(yīng)，即二燈之間的三分之一以上的路面完全沒(méi)有光，加以光衰太快，雖然其壽命號(hào)稱50000小時(shí)以上，但在使用了1000~2000小時(shí)甚至幾十小時(shí)后效果已經(jīng)很差，這是由于在此類實(shí)施中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(jià)的產(chǎn)品，已經(jīng)普及到家庭和各種應(yīng)用場(chǎng)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(shí)。一支燈泡的價(jià)格與一粒1W的白光LED相仿或更低，成本非常低廉，燈具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(duì)于一般家庭室內(nèi)照明和庭園照明已經(jīng)差強(qiáng)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(shí)，發(fā)光體小(點(diǎn)光源)加以這是一種成熟的光源，較易通過(guò)常規(guī)燈具獲得所需要的光分布，滿足不同應(yīng)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(dá)到所述指標(biāo)，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(biāo)是非常差的，加以光衰太大、壽命短，最簡(jiǎn)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(guò)500小時(shí)，選用時(shí)切宜慎重。