常州城市太陽能照明系統(tǒng)的構建與研究

引言

傳統(tǒng)能源日益緊缺引發(fā)了全世界的能源競爭，加快發(fā)展新能源已經成為世界各國的共識。太陽能分布廣泛，可再生，太陽能的利用可以遏制人類對資源的過度開采，可為子孫保留一定資源財富。同時，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。在市場巨大需求的推動下，太陽能發(fā)展的速度遠遠超乎人們的想象，大規(guī)模的運用已經成為現(xiàn)實。

目前，世界經濟環(huán)境尤其是歐美經濟復蘇緩慢，且對我國出口采用遏制措施，而常州市光伏企業(yè)的產品出口占比為17%，因此，在2012年光伏產業(yè)受到重大影響的情況下，對常州市的影響就非常直接。2012年，常州市光伏產品的出口額大幅下跌40%左右，這直接使常州市外貿出口下降了7個百分點，所以，大力發(fā)展光伏產業(yè)，拓展內需市場和應用，構建科學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,也是經濟發(fā)展的需要，更是可持續(xù)發(fā)展的需要。

1可行性條件

對于很多城市，尤其是江蘇省常州市，構建城市太陽能照明體系還是現(xiàn)實可行的，因為常州市的政策扶持力度大，軟硬件環(huán)境優(yōu)越，建設成本漸減，這些都是不可或缺的條件。

1.1太陽能優(yōu)勢明顯

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)電站建設所需的時間、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，盡可能地利用這個永不枯竭的能源。

1.2政策扶持顯著

國家先后出臺了一些關于發(fā)展新能源的政策，其中《關于實施金太陽示范工程的通知》就重點支持用戶側并網光伏發(fā)電、大型并網光伏發(fā)電、獨立光伏發(fā)電等示范項目建設，而且并網運行等光伏發(fā)電關鍵技術產業(yè)化和相關基礎能力的建設,還可根據(jù)市場發(fā)展情況、技術先進程度等對各類示范項目予以補助。其中，對并網光伏發(fā)電項目，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%予以補助；對偏遠無電地區(qū)的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，則按總投資的70%予以補助；對光伏發(fā)電關鍵技術產業(yè)化和基礎能力建設項目，主要通過貼息和補助的方式予以支持。

江蘇省政府頒布了《江蘇省“十二五”培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產業(yè)規(guī)劃》，并對照國家性規(guī)劃，對比周邊省市，結合本省實際，對不同區(qū)域確定了不同的發(fā)展方向。其中，常州發(fā)展的重點方向為智能制造裝備和太陽能光伏產業(yè)。

1.3適用場所眾多

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

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個公園，擴建改建了紅梅公園、新區(qū)中心公園、薔薇濕地公園、東坡公園、圩墩公園等10個原有公園；除了公園之外，還新建了12個游園廣場綠地、5個濱河綠地,擴建了3個游園廣場綠地，市民熟悉的市民廣場、西太湖綠地、青山廣場、城鐵北廣場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，總面積達800多公頃，而且逐年激增。

1.3.2園區(qū)院校數(shù)量龐大

常州包括光伏產業(yè)園、創(chuàng)意產業(yè)園、新北開發(fā)區(qū)、武進高新區(qū)等眾多園區(qū)和各類教育單位以及大型行政機關等數(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。、

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行整治，河流兩側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技術資源豐富

常州市高校與科研機構林立。據(jù)調查統(tǒng)計：常州共有高校10所，其中重點本科2所，普通本科2所，?？?所，另有光伏產業(yè)園3個，園內聚集了眾多的光伏生產企業(yè)和光伏研究機構。根據(jù)各院校人才培養(yǎng)的方案和目標，截止到目前，常州共有6所院校開設了光伏技術的有關專業(yè)。圖1所示是常州市開設光伏專業(yè)的情況分析。

由圖1可知，開設光伏材料加工類專業(yè)的只有1所?？?開設光伏產品應用類專業(yè)的有?？?、本科和碩士三個層次的院校，分別有2所、2所和1所，開設應用設計類專業(yè)的有本科和碩士兩個層次各1所，而開設研究開發(fā)類專業(yè)的只有博士層次的1所。

常州工業(yè)學院和常州天華新能源科技有限公司共建了1個國家新能源（光伏）技術管理人才重點培養(yǎng)基地和1個國家新能源（光伏）產業(yè)研發(fā)中心，而常州大學光伏材料與器件產業(yè)化制造技術博士人才培養(yǎng)項目已經成功通過評審，將為常州光伏產業(yè)培養(yǎng)更高級的研究開發(fā)類人才。

2常州市的光伏產業(yè)分析

常州市構建太陽能照明體系優(yōu)勢明顯，但是，技術是關鍵，經濟是基礎，環(huán)保是目標，成本問題也不可忽略。常州光伏企業(yè)眾多，產業(yè)結構完整，示范工程效果顯著，都為常州構建太陽能照明之城打下了堅實基礎。

2.1光伏產業(yè)集群化

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

2.2產業(yè)結構齊全合理

常州光伏產業(yè)主要分布在三大區(qū)域：天合光伏產業(yè)園集聚了天合光能、創(chuàng)大光伏、江南電力設備等企業(yè)，形成了一個分工明確、配套較全的一體化光伏產業(yè)園；金壇光伏產業(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;武進低碳產業(yè)示范園匯聚了順風光電、中弘光伏等企業(yè),擁有除硅材料生產以外的完整產業(yè)鏈。

2.3示范工程成效顯著

目前，常州已建光伏示范項目14個,裝機總量22.7MW。其中,有5個光伏發(fā)電項目相繼并網發(fā)電，分別是天合光能的2MW金太陽工程，光大環(huán)保在武進低碳產業(yè)園區(qū)建設的3.5MW光伏示范項目，常州優(yōu)博新能源有限公司建設的3.1MW光伏屋頂并網工程，億晶光電廠內屋頂5.2MW發(fā)電項目，正信電子廠內5.1MW光伏屋頂發(fā)電項目。隨著上網電價政策的頒布及企業(yè)應用意識的增強，常州市光伏應用將不斷發(fā)展。

2.4光伏產業(yè)增速明顯

2011年，常州市光伏產業(yè)總銷售額450億元左右，約占全市新能源產業(yè)銷售的80%。其中,規(guī)模以上光伏企業(yè)有37家,實現(xiàn)銷售收入400億元，同比增長約42%，是常州市新能源產業(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、順風光電、億晶等5家公司成功上市。

3光伏發(fā)電方案設計

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

3.1方案設計

3.1.1并網發(fā)電型

并網發(fā)電型方案主要是光伏電站，如10kW~50MW獨立光伏電站、風光互補電站等。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所示是太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)的基本結構框圖。在建設光伏太陽能發(fā)電系統(tǒng)時,除了要完成各組成部分的建設工作，還要認真完成前期調研、工程設計、工程施工、入網調試等工作。

圖2太陽能并網發(fā)電系統(tǒng)的基本結構

3.1.2獨立專用型

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

目前，德國、日本和印度等都在大力發(fā)展太陽能電池應用,開始實施“百萬屋頂”等計劃，這些都極大地推動了光伏市場的發(fā)展，前途十分光明。

圖3小型獨立專用型發(fā)電系統(tǒng)的組成結構

3.1.3一電多用余電入網型

一電多用余電入網型的太陽能發(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、用電設備和電網，圖4所示是一電多用余電入網型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成結構。其中，使用跟蹤系統(tǒng)可以使電池組瞬時發(fā)電最大化。該系統(tǒng)除了為某些用電設備供電外，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，以備后用。

圖4一電多用余電入網型太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成結構

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)和公共設施等。

3.2應用方案關鍵技術

城市太陽能照明系統(tǒng)中的最關鍵技術是充電技術和電路控制技術，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電路等幾部分，可對6V、2A的蓄電池充電。

圖6所示是太陽能路燈中LED驅動控制電路。白天，由于有光照，該太陽能路燈LED驅動電路中的太陽能電池板可將光能轉換為電能，經隔離二極管D1對蓄電池充電。同時,Q3不導通，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導通，驅動LED得電發(fā)光。

3.3在線網絡化監(jiān)控

太陽能發(fā)電系統(tǒng)在使用的過程中會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)

控網絡分為上位機監(jiān)控層、目標局域網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太陽能路燈三級網絡監(jiān)控流程圖

當需要進行遠程監(jiān)控時，先輸入目標局域網絡的地址、端口號和硬件地址。當連接成功后，進行其它控制參數(shù)的設置。目標局域網接受路燈含有以太網通信模塊的局域網控制器接收到的指令后，即進行命令解析以獲得控制參數(shù)，同時將控制參數(shù)通過無線通信模塊發(fā)送到本局域網內的其它末支路燈。

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)，完成在線遠程終端監(jiān)控的操作。

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

4建設方法與管理模式

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，建成后由國家電網統(tǒng)一運營和管理。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，經濟上補貼，使用單位管理和政府監(jiān)督的方式。對于小型的發(fā)電系統(tǒng)，則可以采用政府規(guī)范，單位建設，用戶監(jiān)督與管理的模式。逐步規(guī)范建設方法和管理模式，從而形成自下而上的發(fā)展模式，促進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，保護自然環(huán)境，發(fā)展和應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方面的瓶頸，太陽能光伏產業(yè)必然前途無限。

首先是政策規(guī)范和扶持。制定關于光伏產業(yè)發(fā)展和應用為目標的中長期規(guī)劃，如《關于實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用途。

其次，應鼓勵民電上網。借鑒國內外經驗，逐步啟動和實施真正意義的“光伏建筑一體化”，將光伏建筑一體化太陽能發(fā)電落到實處。

第三，建立專項扶持資金，實施稅費減免政策。如從國內電費中抽出一部分專用資金補貼到光伏產業(yè)中；貧困地區(qū)的光伏發(fā)電，政府和企業(yè)各出一部分，以成本價支持等。

第四，借鑒成功示范案例。借鑒發(fā)達國家和國內成功的示范案例，使普通建筑必須要和光伏產品相結合的經驗，在發(fā)達地區(qū)實施公共設施、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)，有效降低建設成本。對高純度硅原材料產業(yè)和光伏照明配套企業(yè)進行政策和資金扶持,降低光伏電池成本，從而有效加快和降低光伏并網電站的成本和應用推廣。

5結語

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

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