光伏照明的最佳光源——小功率陶瓷金卤灯[1]

 

摘  要:论述了光伏照明的意义、特征和要求，介绍了光伏照明的最佳配用光源小功率陶瓷金卤灯的特性、特征和参数。

关键词：光伏照明、节能减排、陶瓷金卤灯

　　当前巨额的能量消耗已经对世界、对人类构成了极大的威胁，此起彼伏的旱涝灾害，百年难遇的严寒酷暑和暴风骤雨，千百万人的家破人亡、流离失所，锈蚀万物的无情酸雨、经年如常的蒙蒙灰天、万里奔袭的狂风黄尘等已使人类受尽苦难。生态的变化、物种的绝灭更不知要为子孙后代带来怎样的灾祸。不可再生的巨大能源的耗费是所有这些灾祸的根源。如何改善这种状态，已成如今的燃眉之急，节能减排、保护环境是刻不容缓的世界课题。

　　在人们耗费了巨大能源生产的巨大电能中有约14%用于照明，这是一项巨大的能耗，为此排放的CO₂、SO₂的量也是非常惊人的。当前使用的照明光源中仍存在大量最低能效的白炽灯和卤钨灯，如果将此类光源用节能光源替代，则照明用电可以减少2/3，这样我国现在消费的总电量可以减少9%， 而CO₂和SO₂的排放量亦将相应降低。

 

　　亿万年来太阳一直不间断的以光辐射的形式向地球输送能量，据估算太阳无休止地向地球投射的总辐射功率约为170万亿千瓦，经过大气层的吸收和散射到达地球表面时总辐射能仍有约80万亿千瓦，其中投射到我国国土上的功率不下2万亿千瓦，即使利用其中的万分之一，也有2亿千瓦，按每日8小时日照计全年可利用的太阳能约折合6000亿千瓦时，可见太阳能的利用具有极为巨大潜在价值。

 

　　植物的光合作用吸收了太阳辐射到地球表面的部分能量，其余部分则为地球表面土地和海洋吸收，转化为热能并引起了地球表面的各种变化，如四季的呈现、如风雨雷电的形成等，这为地球创造了生机，造就了亿万种的生物包括人类文明，但同时也为人类制造了大量灾祸。多年来人类一直在利用的水力、风力和潮汐力包括阳光暴晒等也都是太阳能量的直接和间接利用，这样的利用太少了。而煤炭、石油等则是亿万年来地球储备的太阳能的现代应用，这种应用又太过分了。按照人类目前掌握的技术水平，人们已经能把太阳能直接转换为电能，最简单的方法就是利用专门制作的某种物质如经特殊处理（掺杂）的半导体材料硅片，当阳光照射到这种硅片上的某一面时将产生光伏效应，在二面之间形成一定的电势差，这样的硅片就成了为人类提供电力的所谓光电池。

 

　　上述掺杂的硅片的n型与p型半导体之间的p-n结构成了阻挡层，n型半导体在光照下吸收光子后，其施主（杂质）能级上的电子跃迁到导带中变为自由电子并聚集表面，使之带负电。这时n型半导体与另一侧未受光的p型半导体之间产生电势差、这就是所谓光伏效应。外线路接通时光电子将从n型半导体通过负载流向p型半导体、注入其中的受主能级（正穴）并通过阻挡层再流入n型半导体回到施主能级、并在阳光照射下再次进入导带，从而向负载源源提供电力。太阳是人们所处环境中的最大的辐射源，利用太阳辐射的光伏效应自然就成了人们理想的能源。在这种能源的产生过程中不会排放任何废物，所以这是一种洁净能源。

 

　　目前人们利用太阳能的光伏效应所能提供的电力有限。整个照明的总能耗虽然巨大，而照明是很分散的，单个照明系统很小、耗电不多，完全可以利用不大的太阳能发电系统独立供电，目前的技术水平完全可以实现。例如在开阔地域、每个家庭甚至每盏灯就是一个独立的照明系统，对于这种容量的系统，几片不太大的光电池板、适当容量的储能电池和简单的控制电路就能保证可靠的夜晚照明。

 

　　光伏效应在人类技术史上已经应用了近百年，最早的硒和氧化亚铜光伏电池并不是向人们提供电能，而是作为检测光的信号、根据转换电压的高低判定光强。直到约40年前，硅光伏电池开始用于为某些小型电器如计算器等提供电能。利用光伏效应作能源的应用则是从人造卫星开始的，在遥远的太空除太阳能外，不可能方便地能获得其他能源，这时人们学会了如何利用太阳能的光伏效应向人造卫星长期不间断地提供运行所必须的电能，自此光伏电池得以快速发展。人造卫星的太阳能光伏电池是由单晶硅片制作的，它的光—电转换效率较高，也较为昂贵。为提供足够电力，卫星用单晶硅光电池都做得十分庞大、十分昂贵。人造卫星是不计成本的，这一应用的成功推动了太阳能光伏电池的快速发展。

 

　　随着科技的发展，人们制造光伏电池的方法已经大幅改进，简化了工艺，成本大幅降低，并已开始了大规模工业化生产，但即使如此目前其发电成本也比常规火力发电贵十倍以上。