1、太阳能光伏发电系统供电的城市亮化新产品的研发 国家科技成果服务聚光型太阳能光伏发电装置及其在亮化产品的应用可行性研究报告一、项目提出的目的及意义（相关领域国内外发展现状与趋势；我省现有技术基础；立题必要性；项目申报单位实施该项目的优势）：为使经济、社会、人口、资源和环境协调发展，防止和减轻大量石化燃料能源对环境的污染和生态破坏，必须采用可再生能源。太阳能光伏发电是最清洁、最可靠的发电技术。近年来世界光伏发电年增长35%以上，超过了半导体工业的发展速度（20%），已成为全球增长最快的高新技术产业。近两年来发展速度惊人，增长率达到70%以上，在世界各种能源增长速率中名列第一。世界各国都对太阳能光伏
2、产业给予了前所未有的重视，预计到2010年，太阳能光伏累计量将增加到18GW以上。这势必会给太阳能电池产业带来高速发展。我国太阳能电池生产大幅度提高，2005年中国大陆光伏电池产量约150兆瓦，占世界总产量的8.3，加上中国台湾地区的60兆瓦，已超过美国，成为继德国之后的世界第三位。据国家发改委有关人员介绍， 2006年将增至1450兆瓦生产能力。我国太阳能电池企业基本上集中在长江三角洲、珠江三角洲一带。但是产品大部分出口，被西方国家所利用，国内太阳能光伏发电的应用还刚开始。从2006年1月1日起,正式实施的中华人民共和国可再生能源法，未来几年国内光伏产业复合成长率将达到38%。可见，中国太阳
3、能光伏产业高速起飞时期即将到来。最近，北京2008年奥运会场馆要实现光伏供电。上海市在2007年要建设13万户光伏供电屋顶。近年来我国南方的太阳能光伏产业发展很快，而东北辽宁地区处于刚刚起始阶段。另一方面，城市亮化工程的需求很大，节能灯，庭园灯以及路灯产品也可以用太阳能光伏系统供电。目前，由发光二极管（LED）组成的全彩色显示屏在户外广告媒体中越来越多地代替传统的灯箱、高压霓红灯等。发光二极管（LED）是一种寿命长、节电的新型发光器件，据专家分析，潜在市场需求和应用领域将会有大的突破，如公共交通、体育场、餐饮、医院等综合服务的信息显示屏的需求量将有较大的提高。可大大节约用电量。国家科技部在20
4、03年6月紧急启动了国家半导体照明工程计划。辽宁省的光电产业在开发液晶显示屏（LCD），制备LED器件方面取得显著成绩。为本项目的实施创造条件。近年来我国电力供应紧张日趋严重，研发新型太阳能光伏发电装置成为发展可再生能源的重要步骤。虽然新型光伏材料与光伏电池一直在研究，但是单晶硅光伏电池的转换效率目前达到24.7，已经接近太阳电池理论值25。非晶硅薄膜电池商用只能达到58，其他化合物类的如铜铟硒电池的造价高，效率只有11，因此如何在现有的晶体硅光伏电池上，通过附加元部件，提高太阳光的利用率，成为目前研究的热点。本项目提出研发聚光型太阳能光伏发电装置。提高光伏器件单位面积的光电转换效率，提高性价
5、比，形成独立的聚光型太阳能光伏发电装置产品。并进一步将其运用于城市亮化工程中。如显示屏、节能灯，庭园灯、路灯，以及控制系统的太阳能光伏发电装置。即应用最清洁的太阳能光伏发电系统供电（零能源）；采用节电的显示屏（LED或LCD显示屏）实现城市亮化。研发光伏与光电产品联合运用的系列新产品，促进光电器件的产品应用和产业化，使得辽宁省的各城市亮化工程不消耗电能。同时将会形成相关的产业链，形成新的经济增长点，并占领国内外市场，为振兴东北老工业基地，实现跨越式发展做出贡献。二、 与项目相关的国内外发展概况及市场需求分析； 据相关权威机构预测，至本世纪中叶，世界可再生能源将占人类能源利用的半壁江山，其中太阳
6、能约占13%至15。目前国际上光伏发电市场主要集中在德国、美国、日本等一些发达国家和地区，国内企业面对的市场主要集中在欧洲，包括德国、西班牙、意大利等。在光伏产业链上，我国处在两头小中间大的地位。国外买家以每瓦32.5元的价格收购了我国的大部分太阳能光伏电池；中国仅消化国内产量的一成。具体看，目前中国生产太阳能电池150.7兆瓦，而中国本土需求仅为10兆瓦至20兆瓦。所以我们的资源和市场均被外国占有。我国的光伏电池大都出口，被发达国家所利用，而我们国内对太阳能的应用产品，还处于弱势，应用主要在灯具方面。还未有专用的太阳能发电装置用于亮化工程LED显示屏的系列化产品。发达国家推进可再生能源的主要
7、形式有：配额制度（RPS），政府定价制度，自愿购买的绿色能源制度。各国采取的具体激励政策各国采取的具体激励政策如表1所示。表1 各国采取的具体激励政策与措施国家 具体政策制度德国“可再生能源法”。上网电价收购，0.46 0.62 马克/Kwh。日本 “逐年递减”。工程补贴，最初补50%，十年逐年递减到零。允许向电网馈电。美国 “净电量计量法”。补贴2.256美元/瓦美元。06 年减税优惠从10增到30。我国在06年1月1日开始执行的可再生能源法，为培育我们自己的光伏产业市场创造了良好的条件。目前很多地方政府都相继发布较完备的新能源推广政策和计划，如2005-2007 上海市太阳能开发利用行动计
8、划、江苏省能源产业科技示范工程005-2007 实施方案等，将可再生能源产业的发展建立了政策法制基础。可以预见，辽宁省的相应政策也会出台。在德国、日本、美国等国家，太阳能光伏发电系统供电的庭园灯路灯以及交通信号，广告派等已经形成产品。在我国的京、沪、广东、江苏、河北等地无锡尚德集团，保定英利集团等光伏电池厂家在灯具方面的应用产品也发展较快。在全光谱太阳能电池即第三代太阳能电池的研究中，已经提出采用聚光的技术，加大太阳光的能量密度，提高光电转化效率。但聚光型太阳能光伏发电装置的研制在国内仅有少数单位在进行，而用于亮化工程的专用的太阳能发电装置的研制刚刚开始。科技大学陈应天教授研制出新型定日镜，可
9、以提高光伏发电装置的效率。本项目运用我们的独创思路研制聚光器，与商用太阳电池结合起来，研究开发聚光型太阳能光伏发电装置及控制系统，并研发供给城市亮化的系列产品，符合可再生能源法和市场的需求。产品投放市场，将促进城市的亮化，又无需架电线，价格与通常的显示屏相比稍有增加，但是可大大节约电能。随着国家十一五规划、可再生能源法政策的落实，市场的前景非常可观。三、主要攻关内容及技术路线（技术可行性分析）；1.主要研发内容；拟解决技术关键点及主要技术指标：研发内容：本项目研制开发具有自主知识产权的亮化产品专用聚光型太阳能光伏发电装置。具体内容为：（1）研制聚光型太阳能光伏发电装置。（2）研制聚光型太阳能光
10、伏发电装置相关的控制系统。（3）将聚光型太阳能光伏发电装置与亮化产品联合，形成整机，即研制聚光型太阳能光伏供电的LED显示屏。（4）研制用于以上聚光型太阳能光伏发电装置的计算、设计方法及软件。主要技术指标：1）研制聚光型太阳能光伏发电装置，功率为3300瓦，单位面积的光电转换效率是常规太阳能电池的1.32倍。可以直接运用在亮化工程产品中， 2）聚光型光伏发电装置的供电控制电路和系统设计，要达到直接给亮化产品及其控制器供电。3）聚光型太阳能光伏发电装置供电的LED显示屏。达到的技术指标： （1）系统采用聚光型太阳能光伏发电装置供电，白天采光蓄电，晚上按照需要供电；（2）显示屏清晰，亮度，颜色达到
11、要求；（3）外观设计美观大方，具有时代特征；（4）系统实现自动控制，设立多种自动控制方案，如：LED显示屏可实现滚动显示，随机显示，自动切换显示，阶梯，扇形，跳跃式等等。并可以实现图形显示；工作稳定。4）研究聚光型太阳能光伏发电装置的设计系统软件。技术关键点：1.本项目要研制给显示屏系统供电的聚光型太阳能光伏发电装置，聚光部件使其中的关键技术。 在计算、设计、加工聚光部件，与光伏电池的结合，系统整体效果以及散热等一系列的问题需要解决。以及由此带来的散热等问题的解决等一系列的问题需要解决。2.由于聚光型太阳能光伏发电装置供电的LED显示屏采用直流供电，而太阳能的强度和光谱随时间变化，因此在功率的
12、计算，能量合理配置，以及稳定性控制等方面的技术关键问题需要解决。2.主要创新点，尤其是预期获得的知识产权简况：本项目的技术创新性在于：1、在普通太阳能电池的基础上，运用独特的思路，研制出聚光型太阳能光伏发电装置，使其发电的效率提高30以上，价格合理，性能好。本项目综合了光学，光伏学，电子学，机械学，自动控制等多学科多种高新技术。从工艺，设计，结构到理论具有整体创新成果。2.将太阳能光伏发电技术与LED显示屏以及控制技术结合起来，包含光电转换（光伏电池）、电光转换（LED屏）以及新型电子控制系统多种高新技术，该系统具有跨学科的特点。3.本项目设计的聚光型光伏发电装置，其形状、机械结构等将融入亮化
13、工程产品的形成一个整体。知识产权情况：本项目的成果将具有自主知识产权，并可形成系列产品。3.技术路线本项目的技术路线、实施方案如下（图1所示）：1）研制聚光型太阳能光伏发电装置具体包括：（1）研制聚光型光伏组件：A. 研制聚光器。进行光学计算、设计，选用合适的光学材料，检测其性能，以一定的加工手段研制聚光器部件； B.采用普通商用的硅材料单体太阳能电池，按照所需要的外观形状，加工为光伏组件。光伏电池组件采用工业艺术设计，并符合功率要求；外形设计采用三维Pro-E软件,应用铝合金或塑钢支架；引线，以及通用的太阳电池组件材料，经过层压制成组件，并进行严格检测。C.将聚光器与光伏组件结合，制成聚光型
14、光伏发电装置。此时，要解决散热问题。研制有关的散热技术与部件。并且要选择适当的蓄电池连接在系统中，因此对蓄电池的特性要进行检测。2）聚光型太阳能光伏发电装置控制电路系统的设计及实验。在研制过程中，由集成电路与分立元件结合，将运用电力电子学的技术，设计电路，各个电控制部分有机连接，实现有效控制并且尽量节省电能。开发聚光型太阳能光伏电池系统与LED显示屏之间的联结技术，研制接口电路以及相关产品。并可研究制成集成电路产品。3）研制聚光型太阳能光伏发电装置供电的的LED显示屏系统对LED显示屏进行选型，供电采用聚光型太阳能光伏发电装置。制作的LED屏显示清晰，美观，可实现多种自动控制方案（如滚动、随机
15、、自动切换式显示等），并可实现图形、图像显示，工作稳定。这里要注意：LED显示屏的艺术设计、电路设计，组装；在外形设计中采用艺术设计软件技术，使得艺术效果同使用节能相结合，研制出符合市场要求的显示屏。系统样机包括计算容量，备料，LED器件的选取，选用蓄电池，设计控制电路、系统机架，安装，调试等。LED显示屏的设计不同于通常的市电供电情况，要考虑直流供电，做到既要满足设计要求，又要满足节能要求。采用高增益、高阻抗、低污染的集成电路，设计过载保护装置，以求达到工作稳定可靠，运用电子线路、单片机研制出专用的LED显示屏控制器。（4）研究聚光型太阳能光伏发电系统的设计原理、方法，建立系统软件，软件包括
16、聚光器的光学设计，系统的机械设计与能量分配，功率、输出电压、电流控制模式等等。 图1 技术路线、实施方案示意图 四、现有工作基础和条件；项目现有工作基础（本单位已有的相关支撑条件和主要仪器设备等）简况：大连光谷科技开发有限公司为依托单位，公司多年来注重技术投入，在LED技术研发、光电产品软硬件设计等方面取得跨越式发展。公司在新型LED全彩显示屏及嵌入式控制系统、系列专业显示控制软件、高分辨率室内显示屏散热处理技术、显示屏超远距离控制和无线传输控制技术等方面取得一系列成果，有多项专利和软件登记，并具自主知识产权，技术优势明显。如大连世界博览广场建成亚洲室内最大/国内领先的100平方米的高清晰全彩
17、室内显示屏，2007年连续中标，如奥运比赛场馆、沈阳电视台、上海闵行区亮化工程，青岛国际会展中心奥运显示等项目。2008年公司签订的销售合预计将突破8000万元。在亮化产品方面有很大的优势。公司将投入配套资金450万元，研发聚光型太阳能发电装置。本项目负责人薛钰芝教授两次到澳大利亚新南威尔士大学与世界著名的诺贝尔创新奖获得者M.Green教授合作研究，对三代光伏电池的研究、生产、及发展现状有较深的了解。承担国家科技部国际合作项目“新型光伏材料及第三代太阳能光伏技术与系统”。近年来研究组已经研制成功小型、便携式光伏发电系统等样机，并采用LED屏为负载，设计、制成了太阳能光伏供电的LED光柱等样机
18、。本项目具有很好的前期研究工作基础。五、 申请人基础条件（包括主要研究成果）；薛钰芝，博士(博士后)、教授、博导，任大连光谷科技开发有限公司技术总监。大连交通大学材料学院电子材料与器件教学与研究中心主任。1968年毕业于北京大学，1982，1988年在清华大学获硕士、博士学位。1993年荷兰FOM原子分子物理所博士后。从事材料表面、薄膜，光伏学，电子材料与器件的教学与科研。承担国家、省、部级十多项课题。研制成我国第一台低能电子衍射仪（电子部二等奖）、扫描离子显微镜（863项目），均填补国内空白，达国际先进水平。长期研究多层光、电功能膜。主持完成“多层光、电功能膜及其界面的研究”等省自然基金、教
19、委留学基金项目。与长春应化所合作，完成国家自然基金（仪器专项）“剪切激光光散射仪器的研究”，04年通过基金委专家验收，填补国内空白，达国际先进水平。承担“新型光伏材料及第三代太阳能光伏技术与系统的研究”（科技部中澳合作特别基金），两次到澳大利亚新南威尔士大学与世界著名的光伏专家、诺贝尔创新奖获得者M.Green教授合作，研究第三代太阳电池。 发表论文50余篇。培养博士生2名，硕士生14名（7名毕业）。2003年创建电子科学与技术专业，是国内少数几个专门培养光伏、光电子人才的专业。获电子部科技成果二等奖；辽宁省教委科技进步二等奖。获“有突出贡献的中国博士学位获得者”；铁道部有突出贡献的专家、铁道
20、部优秀教师，全国三八红旗手”等称号；国务院政府特殊津贴。六、 进度安排和实施方案（包括运行机制）；针对本项目产学研相结合的特点，直接面向新产品开发，采取集中攻关，及时转化为生产力的运行机制。预期实施进度安排的初步计划为：2007.12007.121、项目调研，查阅资料；制定方案，作各种准备工作；2、设计、研制聚光器，包括光学计算设计，材料的选用，加工及测试等等。3、建立适应本项目的太阳能光伏电池组件装配线：购置必要的设备，实验室改造，备料，制定工艺等。2008.1.2008.12 1.研制聚光型太阳能光伏装置：制作太阳能光伏电池组件，与聚光器组合，进行反复实验，检测性能。解决有关的散热等问题。
21、2.研制聚光型太阳能光伏发电装置相关的控制系统。3. 研制用于以上聚光型太阳能光伏发电装置的计算、设计方法及软件。4. 研制显示屏控制器，进行外观设计，使得系统具有较好的艺术效果。2009.12009.121.研制聚光型太阳能光伏发电装置与LED显示屏相匹配的电源控制器以及LED显示屏控制器。LED显示屏可实现全自动控制，可设立多种自动控制方案，如滚动显示，随机显示，自动切换显示，阶梯，扇形，跳跃式等等。并可以实现图形、图像显示。2.将聚光型太阳能光伏发电装置与亮化产品联机，形成整机。即聚光型太阳能光伏供电的LED显示屏。3.申报专利，进行图纸资料的整理，进行规范化标准化等工作，进行项目总结。
22、举办成果推介活动。七、 预期成果和考核目标；本项目的成果为：1.研制成聚光型太阳能光伏发电装置。2.聚光型太阳能光伏发电装置相关的控制系统。3.研制成聚光型太阳能光伏供电的LED显示屏及其控制系统。4.用于以上聚光型太阳能光伏发电装置的计算、设计方法及软件。八、 推广及应用前景； 1.目前的商用太阳能电池的效率为1517，虽然研究新型太阳能电池的工作一直在进行，但是近期内突破较难。如能在太阳能电池的主体材料上加以研究和改进，降低太阳能电池的成本，改进制作太阳电池生产的工艺，可以大大提高效率。聚光型太阳能光伏发电装置是将聚光装置与常规的太阳能电池组合起来，提高光电转换效率。将克服占用面积过大等缺
23、点，因而具有很大的意义。2. 聚光型太阳能光伏发电装置供电的LED显示屏系统均可运用在以下领域：1）道路交通信息显示，如智能交通系统（ITS）在城市交通、高速公路运用的信息板、限速标志等，替代国外同类产品；2）调度指挥中心信息显示，如车辆动态跟踪、车辆调度管理，电力调度等；3）机场航班，港口、车站旅客引导显示屏；4）广告媒体：户外显示屏，集群显示屏，列车显示屏广告等；5）体育场馆信息显示屏；以取代了传统的灯泡及CRT显示屏；6）邮政、电信、商场购物中心等服务领域的业务宣传及信息显示。3.在本项目的研制过程中，将建立独立太阳能光伏电池供电系统产品的生产线，不仅可以满足显示屏的供电，而且是独立的光
24、伏系统产品，可以提供作为户用和通讯基地的电源。4.就目前的广告牌价格来看，应用本项目研制的产品成本的提高幅度仅有1020，但是却不用电，对长远来讲，是使用可再生能源的可持续发展产品，随着“可再生能源法”的实施，国家将与国际接轨，出台对可再生能源的补偿措施，因而市场前景十分广阔。综上所述，本项目将发挥产学研的优势，含概光伏（光电转换）、电光转换及新型电子控制器等多类高新技术，这符合可持续发展战略的要求。项目完成后，直接可以转化为生产力，推动能源、电子信息、广告业等经济资源的优化配置，促使具有高科技和高附加值特征的行业和产品的快速发展。其经济、社会、环境效益显著。对发挥可再生能源光伏发电、光电子技
25、术、自动控制等多学科技术交叉优势，实施可持续发展战略，建设节能型环境友好和谐社会，形成辽宁省新的经济增长点，振兴辽宁老工业基地具有重大意义。九、经费概算及来源；项目资金来源及科三费用途【提示】注明项目经费来源 经费单位：万元合 计政 府 部 门自有资金银行贷款其他国家科技 厅市 县其他合 计450100350已投入资金 150150新增资金300100200【提示】注明科三费用途 经费单位：元用途合计人员费用调研培训费用公务费用设备购置费用能源材料费用建安工程租赁业务费用验收鉴定费用其他费用预算10000004000014000600014000064000011000020000200001
26、0000十、 合作单位基本情况项目合作单位在本领域或同行业的研发水平、能力、实力、国内位次；为该项目提供支撑条件简况：项目合作单位大连交通大学创建于1956年，是国务院博士、硕士、学士三级学位授权单位。大连交通大学材料科学与工程学院电子材料与器件教学与研究中心一直从事太阳能光伏材料与系统，光电材料与器件等领域的教学与科研。承担国家科技部中澳合作项目“新型光伏材料及第三代太阳能光伏技术与系统的研究”，已经招收本科、硕士、博士研究生。参照澳大利亚新南威尔士大学光伏工程中心及学院的模式，建立了国内少数几个培养光伏、光电人才的专业。薛钰芝教授（博导）、柴卫平教授（博导）是学术带头人，中心致力于培养具有
27、从事电子、光电子材料与器件、太阳能光伏电池与系统的生产、研发、设计与制造的高级专业技术人才。近日学校投资近200万元，建立光电材料与器件研究所，柴卫平教授任所长。将开展光伏、光电材料、器件、系统的研发，研究所也将给予本项目坚实的技术支持。大连交通大学与大连光谷科技有限公司联合实施本项目，建立产学研基地，必将有利于研制成功聚光型太阳能光伏发电装置，以及开发用此装置供电的LED显示屏系列产品，发展不污染环境的“零能源”的城市亮化工程，对形成环保、节能的光伏、光电产业链有很大的促进，为振兴辽宁老工业基地和实施可持续发展战略作出贡献。大连交通大学较强的学科优势成为本项目的坚强后盾，并提供实验条件。主要
28、仪器设备:太阳能光伏性能测试设备，光强计，LED测试设备，精密电表，计算机、绘图仪，激光光路系统及光谱测试仪，电路设计、机械设计软件等相关设备与软件。十一、申请单位主管部门或市科技局意见太阳能光伏技术是最清洁的可再生新能源。而聚光型太阳能光伏发电装置是目前的攻关热点，它通过在研究和改进现有的商用太阳能电池，可以大大提高效率，降低成本，为太阳能光伏电池的应用开辟道路。成果能直接转化为生产力，形成新产品，其价格将低于现有的商品太阳电池。节能、长寿命的新型发光管（LED）显示屏，是新一代显示器件。将最新的太阳能光伏技术与LED显示屏结合起来，并采用自动控制技术，可以达到供电与用电的最佳组合，实现“零
29、能源的光明工程。应用在证券金融，机场，港口、车站，道路交通信息显示；广告媒体，以及邮政，电信、商场，等领域，可以节省大量的电能，具有很广泛的应用前景。并可以推进形成新的产业链。特别是太阳能光伏技术的运用，为防止和减轻大量使用石化燃料对环境的严重污染和生态破坏，实施可持续发展战略具有重大意义。对发展辽宁省大连市的光伏和光电产业具有开创性作用，从而有利于推动我们辽宁省大连市的能源和装备业的产业化，其社会效益十分显著。由于本项目大连光谷科技有限公司与大连交通大学的产学研合作的项目，企业与高校大力支持，从资金、设备投入，人员配备方面给予全力支持。项目负责人薛钰芝教授近年来承担有关太阳能光伏的国家科技部课题并研制成小型光伏发电系统应用于亮化系列产品。有很好的前期工作。科技部03年启动半导体照明工程计划。大连市光电产业在制备取得显著成绩。 通过产学研合作攻关，完全有能力完成本项目。
