常州城市太陽能照明系統(tǒng)的構(gòu)建與研究

引言

傳統(tǒng)能源日益緊缺引發(fā)了全世界的能源競(jìng)爭，加快發(fā)展新能源已經(jīng)成為世界各國的共識(shí)。太陽能分布廣泛，可再生，太陽能的利用可以遏制人類對(duì)資源的過度開采，可為子孫保留一定資源財(cái)富。同時(shí)，太陽能無污染，可以解決火力發(fā)電的污染問題，有利于環(huán)境保護(hù)。在市場(chǎng)巨大需求的推動(dòng)下，太陽能發(fā)展的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎人們的想象，大規(guī)模的運(yùn)用已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。

目前，世界經(jīng)濟(jì)環(huán)境尤其是歐美經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇緩慢，且對(duì)我國出口采用遏制措施，而常州市光伏企業(yè)的產(chǎn)品出口占比為17%，因此，在2012年光伏產(chǎn)業(yè)受到重大影響的情況下，對(duì)常州市的影響就非常直接。2012年，常州市光伏產(chǎn)品的出口額大幅下跌40%左右，這直接使常州市外貿(mào)出口下降了7個(gè)百分點(diǎn)，所以，大力發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)，拓展內(nèi)需市場(chǎng)和應(yīng)用，構(gòu)建科學(xué)合理的城市太陽能照明系統(tǒng)，不僅是節(jié)能環(huán)保的需要,也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，更是可持續(xù)發(fā)展的需要。

1可行性條件

對(duì)于很多城市，尤其是江蘇省常州市，構(gòu)建城市太陽能照明體系還是現(xiàn)實(shí)可行的，因?yàn)槌Ｖ菔械恼叻龀至Χ却?，軟硬件環(huán)境優(yōu)越，建設(shè)成本漸減，這些都是不可或缺的條件。

1.1太陽能優(yōu)勢(shì)明顯

首先,太陽能可再生，永不枯竭，用之不盡，且環(huán)保無污染,屬于綠色環(huán)保的資源；其次，采集太陽能的地理位置要求不高，而風(fēng)力發(fā)電或火力發(fā)電的地理位置要求則比較高；第三,太陽能發(fā)電站建設(shè)所需的時(shí)間、空間和成本都比水電站要低；另外，還有就是太陽能適用范圍廣，就算一般家庭，也可以利用太陽能發(fā)電。因此，世界各國為了更有效地開采和使用太陽能，都在不斷地發(fā)展著太陽能光伏組件技術(shù)，盡可能地利用這個(gè)永不枯竭的能源。

1.2政策扶持顯著

國家先后出臺(tái)了一些關(guān)于發(fā)展新能源的政策，其中《關(guān)于實(shí)施金太陽示范工程的通知》就重點(diǎn)支持用戶側(cè)并網(wǎng)光伏發(fā)電、大型并網(wǎng)光伏發(fā)電、獨(dú)立光伏發(fā)電等示范項(xiàng)目建設(shè)，而且并網(wǎng)運(yùn)行等光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和相關(guān)基礎(chǔ)能力的建設(shè),還可根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展情況、技術(shù)先進(jìn)程度等對(duì)各類示范項(xiàng)目予以補(bǔ)助。其中，對(duì)并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，原則上按光伏發(fā)電系統(tǒng)及其配套輸配電工程總投資的50%予以補(bǔ)助；對(duì)偏遠(yuǎn)無電地區(qū)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，則按總投資的70%予以補(bǔ)助；對(duì)光伏發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和基礎(chǔ)能力建設(shè)項(xiàng)目，主要通過貼息和補(bǔ)助的方式予以支持。

江蘇省政府頒布了《江蘇省“十二五”培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》，并對(duì)照國家性規(guī)劃，對(duì)比周邊省市，結(jié)合本省實(shí)際，對(duì)不同區(qū)域確定了不同的發(fā)展方向。其中，常州發(fā)展的重點(diǎn)方向?yàn)橹悄苤圃煅b備和太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。

1.3適用場(chǎng)所眾多

常州綠地較多，道路河流縱橫，高層建筑林立，公共設(shè)施齊全，這些場(chǎng)所對(duì)照明強(qiáng)度要求不高，適合太陽能照明系統(tǒng)的構(gòu)建與使用。

1.3.1公園綠化逐年激增

常州先后新建了荷園、淹城森林公園、青楓公園、西林公園、紫荊公園等9個(gè)公園，擴(kuò)建改建了紅梅公園、新區(qū)中心公園、薔薇濕地公園、東坡公園、圩墩公園等10個(gè)原有公園；除了公園之外，還新建了12個(gè)游園廣場(chǎng)綠地、5個(gè)濱河綠地,擴(kuò)建了3個(gè)游園廣場(chǎng)綠地，市民熟悉的市民廣場(chǎng)、西太湖綠地、青山廣場(chǎng)、城鐵北廣場(chǎng)綠地等一大批綠地都是在近五年里新建起來的。截至目前，市區(qū)共有公園綠地64個(gè)，總面積達(dá)800多公頃，而且逐年激增。

1.3.2園區(qū)院校數(shù)量龐大

常州包括光伏產(chǎn)業(yè)園、創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園、新北開發(fā)區(qū)、武進(jìn)高新區(qū)等眾多園區(qū)和各類教育單位以及大型行政機(jī)關(guān)等數(shù)量過百，這些地方白天需要電量較多，晚上需求少，非常適合太陽能供電的特點(diǎn)。、

1.3.3河流道路交織縱橫

常州河流道路眾多，政府投入了大量的人力物力進(jìn)行整治，河流兩側(cè)的亮化工程和路燈都非常適宜太陽能照明系統(tǒng)的使用。

1.3.4高樓大廈日漸增多

由于土地的日趨緊張，高層建筑平地而起，日益增多，如果能夠建設(shè)成為光伏一體化建筑，那么就可以節(jié)能環(huán)保，減少建筑物的溫度，用電又可以自給自足。

1.4技術(shù)資源豐富

常州市高校與科研機(jī)構(gòu)林立。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)：常州共有高校10所，其中重點(diǎn)本科2所，普通本科2所，?？?所，另有光伏產(chǎn)業(yè)園3個(gè)，園內(nèi)聚集了眾多的光伏生產(chǎn)企業(yè)和光伏研究機(jī)構(gòu)。根據(jù)各院校人才培養(yǎng)的方案和目標(biāo)，截止到目前，常州共有6所院校開設(shè)了光伏技術(shù)的有關(guān)專業(yè)。圖1所示是常州市開設(shè)光伏專業(yè)的情況分析。

由圖1可知，開設(shè)光伏材料加工類專業(yè)的只有1所?？?開設(shè)光伏產(chǎn)品應(yīng)用類專業(yè)的有專科、本科和碩士三個(gè)層次的院校，分別有2所、2所和1所，開設(shè)應(yīng)用設(shè)計(jì)類專業(yè)的有本科和碩士兩個(gè)層次各1所，而開設(shè)研究開發(fā)類專業(yè)的只有博士層次的1所。

常州工業(yè)學(xué)院和常州天華新能源科技有限公司共建了1個(gè)國家新能源（光伏）技術(shù)管理人才重點(diǎn)培養(yǎng)基地和1個(gè)國家新能源（光伏）產(chǎn)業(yè)研發(fā)中心，而常州大學(xué)光伏材料與器件產(chǎn)業(yè)化制造技術(shù)博士人才培養(yǎng)項(xiàng)目已經(jīng)成功通過評(píng)審，將為常州光伏產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)更高級(jí)的研究開發(fā)類人才。

2常州市的光伏產(chǎn)業(yè)分析

常州市構(gòu)建太陽能照明體系優(yōu)勢(shì)明顯，但是，技術(shù)是關(guān)鍵，經(jīng)濟(jì)是基礎(chǔ)，環(huán)保是目標(biāo)，成本問題也不可忽略。常州光伏企業(yè)眾多，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)完整，示范工程效果顯著，都為常州構(gòu)建太陽能照明之城打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.1光伏產(chǎn)業(yè)集群化

一是光伏企業(yè)數(shù)量持續(xù)增多。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，常州市光伏及相關(guān)企業(yè)150余家。二是產(chǎn)能規(guī)模不斷擴(kuò)大。截至2011年年底，天合光能組件產(chǎn)能達(dá)到2GW，同比增長67%；億晶光電和協(xié)鑫光伏硅片產(chǎn)能都達(dá)到1GW以上，同比增長100%。三是產(chǎn)業(yè)配套逐步延伸。常州市擁有強(qiáng)大的光伏配套產(chǎn)業(yè)鏈，如光伏設(shè)備、光伏玻璃、電池組件封裝用硅橡膠、接線盒及逆變器等產(chǎn)品。四是產(chǎn)品技術(shù)含量高，天龍光電的綜合技術(shù)水平已達(dá)國際先進(jìn)水平，亞瑪頓的光伏玻璃透光率長期穩(wěn)定在93.5%以上。

2.2產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)齊全合理

常州光伏產(chǎn)業(yè)主要分布在三大區(qū)域：天合光伏產(chǎn)業(yè)園集聚了天合光能、創(chuàng)大光伏、江南電力設(shè)備等企業(yè)，形成了一個(gè)分工明確、配套較全的一體化光伏產(chǎn)業(yè)園；金壇光伏產(chǎn)業(yè)園集聚了億晶光電、天龍光電、晶晶光電等企業(yè)，形成百家爭鳴的局面;武進(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)示范園匯聚了順風(fēng)光電、中弘光伏等企業(yè),擁有除硅材料生產(chǎn)以外的完整產(chǎn)業(yè)鏈。

2.3示范工程成效顯著

目前，常州已建光伏示范項(xiàng)目14個(gè),裝機(jī)總量22.7MW。其中,有5個(gè)光伏發(fā)電項(xiàng)目相繼并網(wǎng)發(fā)電，分別是天合光能的2MW金太陽工程，光大環(huán)保在武進(jìn)低碳產(chǎn)業(yè)園區(qū)建設(shè)的3.5MW光伏示范項(xiàng)目，常州優(yōu)博新能源有限公司建設(shè)的3.1MW光伏屋頂并網(wǎng)工程，億晶光電廠內(nèi)屋頂5.2MW發(fā)電項(xiàng)目，正信電子廠內(nèi)5.1MW光伏屋頂發(fā)電項(xiàng)目。隨著上網(wǎng)電價(jià)政策的頒布及企業(yè)應(yīng)用意識(shí)的增強(qiáng)，常州市光伏應(yīng)用將不斷發(fā)展。

2.4光伏產(chǎn)業(yè)增速明顯

2011年，常州市光伏產(chǎn)業(yè)總銷售額450億元左右，約占全市新能源產(chǎn)業(yè)銷售的80%。其中,規(guī)模以上光伏企業(yè)有37家,實(shí)現(xiàn)銷售收入400億元，同比增長約42%，是常州市新能源產(chǎn)業(yè)中發(fā)展最快的行業(yè)。其中，常州天合光能等十余家公司年銷售收入都超過了10億元，先后有亞瑪頓、順風(fēng)光電、億晶等5家公司成功上市。

3光伏發(fā)電方案設(shè)計(jì)

綜合目前的成功案例和常州的具體條件，提出光伏發(fā)電在常州的應(yīng)用范圍，并就各方案和方法的實(shí)現(xiàn)與所涉及到的技術(shù)問題展開討論、設(shè)計(jì)與分析。

3.1方案設(shè)計(jì)

3.1.1并網(wǎng)發(fā)電型

并網(wǎng)發(fā)電型方案主要是光伏電站，如10kW~50MW獨(dú)立光伏電站、風(fēng)光互補(bǔ)電站等。該系統(tǒng)主要包括太陽能電池片、太陽能電池跟蹤支架系統(tǒng)、逆變器等，圖2所示是太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖。在建設(shè)光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)時(shí),除了要完成各組成部分的建設(shè)工作，還要認(rèn)真完成前期調(diào)研、工程設(shè)計(jì)、工程施工、入網(wǎng)調(diào)試等工作。

圖2太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

3.1.2獨(dú)立專用型

太陽能獨(dú)立專用型發(fā)電系統(tǒng)的主要實(shí)現(xiàn)方法就是太陽能建筑一體化，也就是將太陽能發(fā)電與建筑材料相結(jié)合，使得未來的大型建筑實(shí)現(xiàn)電力自給，這是未來發(fā)展的一個(gè)方向。常州的高層建筑、公園綠地、道路河流和公共設(shè)施都非常多，這些對(duì)強(qiáng)光要求不高，非常適合采用太陽能進(jìn)行照明。小型獨(dú)立專用型發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

目前，德國、日本和印度等都在大力發(fā)展太陽能電池應(yīng)用,開始實(shí)施“百萬屋頂”等計(jì)劃，這些都極大地推動(dòng)了光伏市場(chǎng)的發(fā)展，前途十分光明。

圖3小型獨(dú)立專用型發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

3.1.3一電多用余電入網(wǎng)型

一電多用余電入網(wǎng)型的太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括跟蹤系統(tǒng)、太陽能電池組件、充電器、蓄電池、配電柜、智能電表、用電設(shè)備和電網(wǎng)，圖4所示是一電多用余電入網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。其中，使用跟蹤系統(tǒng)可以使電池組瞬時(shí)發(fā)電最大化。該系統(tǒng)除了為某些用電設(shè)備供電外，其系統(tǒng)充電器可以將多余的電充到蓄電池中，或接入國家電網(wǎng)，以備后用。

圖4一電多用余電入網(wǎng)型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

這種太陽能發(fā)電系統(tǒng)非常適用公園、校園、園區(qū)、居民區(qū)和公共設(shè)施等。

3.2應(yīng)用方案關(guān)鍵技術(shù)

城市太陽能照明系統(tǒng)中的最關(guān)鍵技術(shù)是充電技術(shù)和電路控制技術(shù)，以城市照明中的路燈為例，其充放電電路如圖5所示。該電路包括12V的太陽能電池板、充電電路和電流檢測(cè)電路等幾部分，可對(duì)6V、2A的蓄電池充電。

圖6所示是太陽能路燈中LED驅(qū)動(dòng)控制電路。白天，由于有光照，該太陽能路燈LED驅(qū)動(dòng)電路中的太陽能電池板可將光能轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)隔離二極管D1對(duì)蓄電池充電。同時(shí),Q3不導(dǎo)通，LED不發(fā)光。晚上，太陽能電池不發(fā)電，D1截止,蓄電池工作，Q3導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)LED得電發(fā)光。

3.3在線網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控

太陽能發(fā)電系統(tǒng)在使用的過程中會(huì)受到天氣情況等因素的影響，所以在線監(jiān)控是必不可少的。以路燈為例，在線監(jiān)

控網(wǎng)絡(luò)分為上位機(jī)監(jiān)控層、目標(biāo)局域網(wǎng)路燈控制層和末支路燈執(zhí)行層等三層模式，其流程圖如圖7所示。

圖7太陽能路燈三級(jí)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控流程圖

當(dāng)需要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，先輸入目標(biāo)局域網(wǎng)絡(luò)的地址、端口號(hào)和硬件地址。當(dāng)連接成功后，進(jìn)行其它控制參數(shù)的設(shè)置。目標(biāo)局域網(wǎng)接受路燈含有以太網(wǎng)通信模塊的局域網(wǎng)控制器接收到的指令后，即進(jìn)行命令解析以獲得控制參數(shù)，同時(shí)將控制參數(shù)通過無線通信模塊發(fā)送到本局域網(wǎng)內(nèi)的其它末支路燈。

各末支路燈接收到指令后，修改寄存器參數(shù)，從而改變工作狀態(tài)，完成在線遠(yuǎn)程終端監(jiān)控的操作。

太陽能照明系統(tǒng)涉及到的技術(shù)很多，除了上述幾個(gè)外，還要考慮散熱、發(fā)光強(qiáng)度、照明面積以及所需電池板面積等方面的技術(shù)。

4建設(shè)方法與管理模式

城市太陽能照明系統(tǒng)可以考慮不同的建設(shè)模式和管理模式。大型的發(fā)電站如用于城市道路等，可以由政府主持和出資建設(shè)，建成后由國家電網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)營和管理。中小型的發(fā)電系統(tǒng)，如工業(yè)園區(qū)、企事業(yè)單位等用電類型的發(fā)電系統(tǒng)可以采用由政府主持，經(jīng)濟(jì)上補(bǔ)貼，使用單位管理和政府監(jiān)督的方式。對(duì)于小型的發(fā)電系統(tǒng)，則可以采用政府規(guī)范，單位建設(shè)，用戶監(jiān)督與管理的模式。逐步規(guī)范建設(shè)方法和管理模式，從而形成自下而上的發(fā)展模式，促進(jìn)城市太陽能照明體系健康有序的發(fā)展。

為了減少人類能源的消耗，保護(hù)自然環(huán)境，發(fā)展和應(yīng)用太陽能是必然之路。正如上海太陽能研究所所長所說，如果能夠突破政策和技術(shù)方面的瓶頸，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)必然前途無限。

首先是政策規(guī)范和扶持。制定關(guān)于光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應(yīng)用為目標(biāo)的中長期規(guī)劃，如《關(guān)于實(shí)施金太陽示范工程的通知》一樣，從法律上規(guī)定太陽能電力采購比例和重點(diǎn)用途。

其次，應(yīng)鼓勵(lì)民電上網(wǎng)。借鑒國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，逐步啟動(dòng)和實(shí)施真正意義的“光伏建筑一體化”，將光伏建筑一體化太陽能發(fā)電落到實(shí)處。

第三，建立專項(xiàng)扶持資金，實(shí)施稅費(fèi)減免政策。如從國內(nèi)電費(fèi)中抽出一部分專用資金補(bǔ)貼到光伏產(chǎn)業(yè)中；貧困地區(qū)的光伏發(fā)電，政府和企業(yè)各出一部分，以成本價(jià)支持等。

第四，借鑒成功示范案例。借鑒發(fā)達(dá)國家和國內(nèi)成功的示范案例，使普通建筑必須要和光伏產(chǎn)品相結(jié)合的經(jīng)驗(yàn)，在發(fā)達(dá)地區(qū)實(shí)施公共設(shè)施、政府和事業(yè)單位的建筑必須采用光伏建筑一體化的剛性政策。

第五，扶持光伏高新企業(yè)，有效降低建設(shè)成本。對(duì)高純度硅原材料產(chǎn)業(yè)和光伏照明配套企業(yè)進(jìn)行政策和資金扶持,降低光伏電池成本，從而有效加快和降低光伏并網(wǎng)電站的成本和應(yīng)用推廣。

5結(jié)語

目前，太陽能城市照明系統(tǒng)的構(gòu)建還不夠系統(tǒng)化和規(guī)?；嬖谝欢ǖ募夹g(shù)問題和成本問題，只能是個(gè)別使用，未能大面積推廣，示范也只是局部，若能構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)化管理，應(yīng)用效果會(huì)更好。隨著技術(shù)的發(fā)展和政策的不斷完善，以及人類節(jié)能環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，太陽能城市照明系統(tǒng)也會(huì)不斷完善和改進(jìn)，屆時(shí)，必將形成一定的規(guī)模，并廣泛應(yīng)用。

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