太阳能照明技术的应用要点与发展方向剖析

编者按：当前，随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，对能源需求的增长已经达到了史无前例的程度，能源危机越演越烈。据可靠统计，我国现有的空调如果同时全部运行，仅此一项就需要耗电达９０００万kW，几乎相当于５座三峡发电站的装机容量。

如果仅仅为了满足用电的需求而一味地新建水电站，将会严重破坏人类赖以生存的自然生态环境；而若建设更多的燃煤或燃油电站，则会使本来已岌岌可危的煤炭和石油的蕴藏量快速耗尽，提前枯竭。届时，人类如果尚未有效突破新型电能的供给技术，如：核聚变发电、可再生能源发电等，人类的生存将会面临真正的危机。目前，应对能源危机的主要途径，一是有效节能；二是快速发展太阳能、风能等可再生的自然能发电技术。节约用电与用电设备和工程的节能设计，已成为当前社会发展的主题之一。可再生能源的利用已成为当务之急。

本文引入“综合照明成本”的概念，以园林景区照明中太阳能灯具应用为例，对太阳能技术的应用要点与发展方向展开讨论，揭示了在园林景区照明中，园林面积较大时太阳能的积极意义。探讨了太阳能利用中的太阳能电池、储能装置、控制系统和ＬＥＤ光源等器件，分析了目前太阳能利用中影响经济效益的因素，为加快太阳能的利用，同时实现社会效益与经济效益提供了有益的思路。

1 照明项目长期经济投入的指标分析

1．1 普遍意义的“综合照明成本”概念

为了科学合理地分析和比较任何节能照明项目长期的经济投入，这里我们首先给出一个普遍意义上的“综合照明成本”的概念。其定义如下：
 “综合照明成本＝初期投资＋运行耗电费用＋光源更换费用+其他维修费用”
 “综合照明成本”可以按5年期、10年期、20年期、25年期等计算，对节能照明项目的经济投入进行分析与比较。在以下例子中，我们根据目前灯具整体寿命的普遍情况，暂时按10年期进行分析。为了简化，略去“其他维修费用”一项。

１．２　某旅游园林景区采用常规灯具与采用太阳能灯具的经济性分析与比较

某旅游园林景区，根据绿化园林景观的面积，以及园内丰富的山丘、河道、小溪、曲径、干道、草坪等资源布局规划，简单的夜景照明需要安装庭院灯１００只，园林灯２００只，需用多芯电缆约９０００m。我们首先分析比较采用普通灯具与采用太阳能灯具的费用支出状况（如表1~表7所示，其中表1~表3为传统庭院灯和园林灯的费用；表4~表6为太阳能庭院灯和园林灯的费用；表7为传统灯和太阳能灯具的经济性比较）。

根据表1~表7的数据分析，可得出以下四个初步结论：
 （1）本例中的园林景区，粗看起来太阳能灯具与传统灯具相比“综合照明成本”似乎大致相当或略有节省。
 （2）露天或室外照明中应用太阳能的另一个重要优点是节省了电缆投资。在露天或室外照明的条件下，利用太阳能的好处除了高节省电网电能外，还能大幅减少高昂的输电电缆投资，从而有利于节省有色金属。对常规照明中电缆用量较大的室外照明或者道路照明工程，则应首先斟酌利用太阳能一体化灯具的可行性，因为这样将大量节省电缆投资，应给予高度的重视。
 （3）露天或室外照明中应用太阳能的另一个重要优点是节省电控箱的投资。由于采用了一体化太阳能灯具，实现了单灯自动控制，因此节省了传统电网供电系统中必需的输配电控制箱，总体上可对节约投资有所贡献。
 （４）园林景区中节省“初期投资”中的电缆、“运行耗电费用”和“光源更换费用”的投入是降低太阳能照明系统“综合照明成本”的关键因素。在上述例子中，太阳能灯具“综合照明成本”的节省或者说与传统灯具“综合照明成本”所取得的平衡，主要得益于节省了对“初期投资”中的电缆投入、十年“运行耗电费用”以及“光源更换费用”的投入。

实际上，这仅仅是对所提供的例子进行直观的分析所得出的结论。

在上述结论中，对第二、第三和第四条结论，显然是不容置疑的。但是对第一条结论，实际情况未必如此简单，在出现各种不同的或不利的具体情况时，可能会出现逆变。

2 对旅游园林景区利用太阳能的实例进行分析

太阳能灯具实现了对可再生能源的利用，其目的首先是节约电网电能，以节省日益紧缺的一次性资源，如：燃煤或燃油的消耗，同时减少污染排放，以净化人类的生存环境。这是一种社会效益。但是推广太阳能的应用还需要强有力的经济作用，或经济上的诱惑力，也就是说既要节电，又要省钱，真正降低“综合照明成本”。实现社会效益与经济效益双丰收。

显然，人们对采用太阳能灯具能节约电网电能和减少环境污染的社会效益是不会有争议的。但是，应用太阳能灯具的综合经济效益，是否能在多种应用条件下始终优于传统灯具的“综合照明成本”呢？按目前的技术水平，可能仍然存在诸多变数。我们在下面具体进行分析。

２．１ 园林景区照明“初期投资”中电缆投资的节省、“运行耗电费用”、“光源更换费用”等投入的降低，取决于园林景区面积大小。由上述例子可知，在园林景区中，由于面积较大，灯具较多，电缆较长，节约的“电缆投入”、“运行耗电费用”和“光源更换费用”较大，方能使得在十年运行期间，太阳能灯具与传统灯具的“综合照明成本”大致相当，换句话说，节约总投入的经济效益并不显著，尽管社会效益是肯定的。

据此，对于面积较小，用灯较少的园林景区，则使用太阳能灯具的经济效益必定不如传统灯具。其主要原因是目前太阳能灯具本身价格较高，造成第一次投入就较大，仅仅依靠不用电缆和以后节约的电费，仍然不足以抵消太阳能灯具的价格差，无法降低“综合照明成本”。

２．２ 太阳能电池板和蓄电池的寿命是降低“综合照明成本”的“瓶颈”

在上例中，我们还未涉及太阳能电池板和蓄电池的寿命。而实际上这是一个不可回避的重要问题。

2.2.1 太阳能电池板　

如今，影响太阳能电池板寿命的因素主要是太阳能电池板的封装工艺，其他还有安装方式、“热岛效应”、维护保养、天灾（冰雹等较重的跌落物）和异常损坏等因素。为节省篇幅，本文仅讨论太阳能电池板的封装工艺对其寿命的影响（如表8所示）。

由表8可知，采用不同封装工艺的太阳能电池板，对于应用太阳能灯具的照明项目的“初期投资”影响较大，最终将体现为“综合照明成本”的高低。而且，如果采用普通的太阳能电池板，寿命较短，则“综合照明成本”的计算式中还要加上一项“太阳能电池板更新费用”，对太阳能灯具应用的总“综合照明成本”必然不利。

2.2.2 储能装置

在太阳能灯具中，必须要有储能装置，例如：可充电电池、蓄电池等。而这些储能装置的使用寿命，也直接影响到太阳能照明系统的“综合照明成本”。目前，不同的储能装置，对于充、放电要求和充、放电控制电路、以及容量、寿命、维护、价位等方面有较大差别。本文将对有关储能装置的特点进行讨论（如表9所示）。

由表9可知，采用不同的储能装置，对于使用太阳能灯具照明项目的“初期投资”影响较大，最终将体现为“综合照明成本”的高低。而且，如果采用普通的储能装置，寿命较短，则“综合照明成本”的计算式中还要加上一项“储能装置更新费用”，对太阳能灯具应用的总“综合照明成本”必然不利。但是，如果采用高性能的储能装置，其价格目前又难以接受。而价位较低的储能装置，对充、放电的要求较为严格，任何欠充电，过放电、过充电都会影响其寿命。

２．３ ＬＥＤ光源的功率与实际寿命是降低“综合照明成本”的重要因素

在太阳能应用中，为降低“综合照明成本”，对ＬＥＤ光源有两条基本的期望：
 （1）真正达到理想的寿命值，如：数万至十万小时，以将“光源更换费用”降至最低；
 （2）有足够大的功率，能替代更多的传统光源，达到节电与最大限度降低“光源更换费用”的目的；

ＬＥＤ光源是一种非常怕热的器件。目前，由于很多ＬＥＤ光源的基板热膨胀特性不匹配和热阻较大，再加上使用者对ＬＥＤ灯具散热设计的疏忽，使用时温升过高，导致ＬＥＤ提早失效，寿命变短，不能发挥经久耐用的长处。

如果ＬＥＤ基板的热性能无法突破，散热问题解决不了，ＬＥＤ的面积发光密度不能提升，大功率ＬＥＤ就不能与光效很高的传统光源竞争，例如：目前优秀的小功率节能灯，光效可达６０lm/W左右，寿命可达６０００h。那么，在本文的园林景区例子中，庭院灯的光源究竟是用ＬＥＤ，还是用节能灯呢？这个问题，目前对任何利用太阳能的照明项目都是同样存在的。实际上，这个问题对任何照明在选择光源时都会出现。

ＬＥＤ低电压工作的优点，使它成为利用太阳能的最佳配偶，这是节能灯望尘莫及的。如果ＬＥＤ在单位面积发光密度上实现真正的突破，加速大功率ＬＥＤ光源的发展，特别是路灯ＬＥＤ光源，那么ＬＥＤ光源在相当长的时期内将是无可替代的。届时，采用ＬＥＤ的照明工程，将可实现最低的“光源更换费用”。

ＬＥＤ对节省“综合照明成本”才能真正发挥作用。

3 结束语

太阳能利用技术与市场的发展，对缓和越演越烈的一次性能源的危机、减少环境污染，必然产生积极的社会影响。这就是世界各国加速发展太阳能利用的根本原因。

太阳能利用率的提高，如能真正实现满意的经济效益，将会如虎添翼，贡献巨大。

在室内外照明工程中，降低“综合照明成本”，提高太阳能利用的经济效益与照明面积和ＬＥＤ光源的耐用年限成正比，而且如果是集中的太阳能发电还可运用“可再生能源法”与电网联网出售多余电能，更可优化经济效益。

对园林景区、道路、广场等较分散场所，的太阳能利用的室外照明，为了降低“综合照明成本”，照明面积越大越有利，因为与室内照明相比还可节省大笔电缆投资，同时也对一体化太阳能灯具的性能和质量要求更高，耐用年限要求更严，涉及到一系列综合技术的改进。

如上图中所示，努力跨越“临界点”将是太阳能照明取得社会与经济效益的突破点，也是太阳能照明器材的综合技术水平以及规模生产达到新的高度所取得的必然成果。