太阳能/市电互补节能照明系统
研究报告
一 慨述
严重的能源危机、环境污染迫使人们去寻找替代能源，以太阳能、风能等为代表的可再生能源，随着应用技术的成熟，其发展前景和广阔的应用空间得到世界各国广泛关注。太阳能作为取之不尽用之不竭的可再生能源，给世界能源危机的解决带来了希望。
我国是能源消耗大国，国内的能源产出远不能满足国内的需要，但同时，我国又是一个能源浪费大国，导致我国万元产值能耗远大于美国、日本等国家，这种“高碳经济”是无法持续的。但是，要降低我国万元产值能耗，需要一个长期艰苦的过程。当前，我国大力提倡发展“低碳经济”，保护生存环境，光伏产业（太阳能产业）将在其中做出重大贡献。
开发新能源和可再生清洁能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定性影响的五项技术领域之一。充分开发利用太阳能是世界各国政府保持可持续发展的能源战略决策。
二 研究背景和意义
为了满足我国能源需求，在国家政策的支持和扶持下，我国光伏产业正在快速发展，太阳能路灯、射灯、日光灯、超级电容（快速大容量储能）等产品相继问世，太阳能电池板、太阳能热水器、太阳能饮水机、太阳能汽车等也陆续被开发出来并逐渐进入千家万户，太阳能作为一种绿色环保能源的价值逐渐被人们所认识。
太阳能是一种清洁能源，我们非常需要合理利用太阳能。但是，我国幅员辽阔，各地日照时间和日照度相差巨大。在青海、新疆等日照充足地区，太阳能设备很容易推广应用到日常生活和工业生产中，但在更广大的地区，由于日照不足，在成都地区还出现了安装的太阳能路灯只能提供3小时照明的情况，这极大限制了太阳能设备的推广和应用。
基于上述原因，太阳能节能系统是一个智能控制的工作系统，系统将太阳能通过蓄电池进行能量存储，自动进行检测控制，如果太阳能不能满足用电需求，控制系统将自动进行切换，接通220V市电，保证用电需求，从而达到“有多少用多少”的用电原则，使太阳能利用不再依赖日照充足度，太阳能在任何地方都可以为人们提供能源，为太阳能照明进入千家万户提供了可能。
在众多的节能环保技术发展应用中，在照明领域，LED照明产品的研发应用正吸引着世人的目光。LED照明技术是上世纪 60 年代发明的技术，它是利用半导体芯片作为发光材料，直接将电源转换成光能的发光器件，与传统的白炽灯、节能灯相比，它具有节能、环保、寿命长、体积小和安全等特性，被称为第四代照明光源或绿色光源，可以说，LED 照明技术是人类照明的第三次革命，具有全面取代传统光源可能性。因此，二十一世纪将进入LED照明光源时代。
当前，太阳能利用包括光-热、光-电转换两个方面的内容。太阳能照明系统
是利用太阳能组件的光生伏特效应，将光能转换为电能，并储存在蓄电池中，供负载使用。它是集太阳能光伏技术、蓄电池技术、照明光源技术、灯具设计技术和智能控制技术于一体的新兴技术。
国家已正式对太阳能的应用进行立法，把太阳能的利用上升到法律的角度，推出了新农村建设，对太阳能灯具应用国家支持30%，已在北京地区正式推行，在西部太阳资源好的地方和沿海经济发展较快的城市都在大力推广太阳能灯具的应用。
因此，太阳能照明节能系统将具有巨大的市场空间。
三 国内外研究现状
国外研究现状：
近年来，随着国外LED技术研究水平的不断提高，相关照明研究也逐步深入。在LED技术研究方面，美国波士顿Light Research Center研究中心研发出了一种蓝、黄波长的半导体光源，其所发出光线令人感觉为白光。这种LED光效与目前市场上LED相比高10倍甚至更高。另一公司0SRAM 0S公司开发的薄型MD，只有6mm高，沿边安装(s5de-mounted)将光射入一个导光材料(Hght-guidemateria)，其光均匀地分布表面。这种模块可以为灯具厂生产商所用，内置于产品，作通道、走廊、剧场或影院座号定向照明，其模块能耗从一瓦到几瓦不等。
国外政府在节能环保的巨大压力下，采取相关政策鼓励和推广LED照明产品应用。美、日、欧盟等发达国家皆由政府成立专项，编列预算与计划推行：日本的“21世纪光照明”计划从1998年～2002年，耗费50亿日元推行半导体照明； 美国的“国家半导体照明计划”从2000年～2010年，投资5亿美元；欧盟的“彩虹计划”，在2000年7月启动，通过欧共体资助推广应用白光LED。
而对LED相关产品，奥地利照明设计公司采用1400只白光和彩色LED混合照明整个房间，光照水平达到600～700Lux，足够一间大型办公室照明。用计算机计算白光、蓝光、蓝／绿光、琥珀和红光二极管混合效果，以获得2500～3000K暖色温，其显色指数非常接近最好的荧光灯。
在瑞典，SwedZsh NationalRoad AdminZstration采用LED作交通信号灯，以减少对发热量大的传统交通信号灯的需求。
2005年，美国、日本、欧洲八大集团公司共同组成的固态照明系统及科技联盟ASSIST制定了“普通照明用LED寿命”技术标准，规定了普通LED寿命的定义、器件和系统测量方法。
2005年12月日本出台改善与提高能源使用的促进税法，明确规定企业或机构使用LED照明取代白炽灯照明，可获得投资额130%超额折旧，或者是投资额7%的税率减免。欧盟2006年7月开始实施ROHS法案（全称是《在电子电气设备中禁止使用某些有害物质指令》），限制含汞的荧光灯管的使用；美国加州立法者提议到2012年实行白炽灯禁止令；2007年2月澳大利亚政府宣布将逐步淘汰白炽灯。
从2001年开始，美国、日本、德国、加拿大等国家相继出台太阳能利用优惠政策，对利用太阳能进行生产的企业提供更大的税收优惠。
国内研究现状：
国内LED仅处于照明应用的初级阶段，为使LED真正进入照明领域，产业界还要做很多工作。目前在国家“863”计划新材料领域资助下，LED产业取得
了重大的进展，氮化镓基半导体材料和器件实现产业化。一些科研院所，如中国科学院物理所和长春光机与物理所、北京大学、北京有色金属研究院、石家庄十三所等单位也相继开展了这方面的研究工作。目前已取得了可喜的进步，正在缩短与国际先进水平的差距。当前市场上的白光LED大都是国内LED厂家采用进口芯片和荧光粉自行封装的。由于技术力量和自主开发能力薄弱，蓝光芯片的选用和白光LED的性能受到一定限制和影响。
目前，半导体照明灯已逐渐对传统照明灯具发起了挑战，已有几家著名公司先后推出此类光源样品。
由于技术、工艺、生产成本等因素的影响，目前应用最多的是光转换型，其次是多色组合型。从发展的眼光来看，多量子阱型和“光子再循环”当是未来的发展趋势。但由于技术限制，生长不同结构的量子阱相对困难得多，在短时间内还不能产业化。
在我国 LED起步于二十世纪七十年代，至今已三十多年。全国约有 100多家企业，其中95%厂家都从事后道封装生产，所需管芯几乎全部来自台湾地区或从国外进口。通过几个“五年计划”的技术改造、技术攻关、引进国外先进设备和部分关键技术，使我国 LED 的生产技术已向前跨进了一步。我国台湾地区是世界 LED及管芯的主要产地，年产 LED 约 40亿只，产品品种规格齐全，性能达到或接近世界先进水平，所生产的管芯也大量出口日本等国。目前，一方面我国是照明灯具产业的大国，半导体LED产业链经多年发展已相对完善，具备了一定基础，另一方面政府和业界适当协调，发展半导体LED照明事业大有可为。
光伏发电研究现状：
我国光伏供电系统研究主要包括太阳能电池、逆变器、控制器等相关开发。近年来，太阳能电池研究主要集中于太阳能电池用材料研究和国产化，其研究机构主要在大学和研究所，如北京市太阳能研究所、信息产业部第18研究所、上海811研究所、中科院半导体所、上海交通大学、四川大学等等。
自2005年以后，光伏产业快速发展，质量和产量提高迅速，2008年光伏组件产量已居世界第一，随着硅材料解决和薄膜太阳电池的发展，价格迅速下降，为大规模应用创造了有利条件。国内企业研究和开发能力迅速增强，已有多家单独或以产学研结合方式建立了研发中心。
太阳能电池是光伏发电系统的一个重要组成部分，其封装用材料EVA膜及PVF复合膜等的改进、丝网印刷用浆料国产化等研制已经开展。随着太阳能电池的逐步成熟，与之配套的储能产品-蓄电池的研发也渐渐引起重视，但市场上蓄电池仍然缺乏全部满足以下要求的产品：
耐过充电和过放电能力强； 比能量尽可能高；
维护简单，不需要补水；
无酸雾溢出，无需隔离放置；
低温性能好（野外使用，无人值守）； 价格便宜。
这是由于国内目前很少开展这方面工作，导致了太阳能和风能发电系统专用蓄电池存在一定问题，尚须进一步研制开发。
光伏供电系统建立后，控制器好坏将影响系统功效发挥是否充分，尤其国内与国际的技术水平在小型户用电源控制器上尚有一定差距，主要原因并非技术能
力，而是户用电源集成商迫于市场竞争的压力，不肯选用高档控制器。
如上可知，我国光伏供电系统尚需不断改进，以提高普及应用能力，满足无供电条件或条件不好时照明系统应用。在此背景下，国家科技部通过《国家科技攻关计划》、《863计划》、《973计划》等支持较大的光伏研究课题，以支持光伏产业发展。
四 节能减排社会和经济效益分析
太阳能技术和产品的出现，符合社会发展的需要，符合节能环保的要求，其所带来的社会效益是普通产品无法比拟的，太阳能灯具的寿命比普通电力灯具的寿命要高很多，如太阳能灯具的主要部件--太阳能电池组件的使用寿命20年以上； LED寿命100000小时；太阳能专用铅酸蓄电池的寿命5年。专家披露，中国能源的12%用在了照明上。而作为光源，LED至少在节约能源方面体现出了优势。它不依靠灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上需要的电能只是普通白炽灯的1/10，相比荧光灯， LED也可以达到50%的节能效果。中国绿色照明工程促进项目办公室做过一个专项调查，中国照明用电每年在3000亿度以上，用LED取代全部白炽灯或部分取代荧光灯，节省1/3的照明用电，就意味着节约1000亿度，相当于一个总投资超过2000亿元人民币、世界上最大的发电站三峡工程全年的发电量。这对经济发展速度已经超过能源供给速度的中国来说，无疑具有十分重要的意义，显然有助于缓解能源紧张。同样，美国能源部也有一个类似的预测，到2010年美国一半的白炽灯如果由LED取代的话，仅节约的电费就达到350亿美元。美国能源部指出：照明所消耗的能量占到了美国年发电量的22%。LED照明的广泛使用将使此项能耗下降50%。如果客观地考虑到这一点，那么到2027年，LED照明所实现的年度能耗削减量将相当于5亿桶石油，同时还减少了二氧化碳的排放量。
据国家统计局统计，2006年中国生活消费了28587.97亿KW/H电量，其中城市照明用电可达 12%，约为3430.5亿KW/H电量。而国内城市照明以高压纳灯和金属卤化灯为主，其能耗大和光电转换率低等特性，将损害我国的能源经济，增大我国的生产经济成本，制约我国的经济可持续发展和生态平衡。
主要创新点、先进性：
1）将太阳能作为照明能源的一个补充，实现太阳能、市电互补，突波了日照度对太阳能利用的限制。
2）设计了智能控制器，该控制器自动检测太阳能电源电压（带不同负载）和市电以及蓄电池充放电参数，保障该系统可靠安全工作。
3）设计了满足12V蓄电池使用的专用LED灯具，该灯具能够直接工作于12V直流电源供电，并在控制器恒流和恒压控制下保持恒光照度工作，同时减少了逆变环节，从而提高了能源利用率。
4）设计了蓄电池组网充放电功能，从而既可以单独使用，满足单用户需求，也可以在楼宇中组网使用，满足集群用户集体用电需求。
产品效果图：
