【摘要】 将窗户的合页式改装为旋转式，将普通玻璃换为光伏电池，在窗户对称线处设一转动轴如图所示。

该窗户适合安装与向阳一面，白天有光伏电池的一侧向室外，利用光伏电池将太阳光光能转换为电能；夜间没有太阳光，光伏电池空置不用，可以旋转窗户，光伏电池的一侧向室内，利用光伏电池将灯光的光能转换为电能。结合蓄电池将白天多余的电能储存，夜间由蓄电池的一部分电能和灯光光能转换的电能一起为夜间室内照明供电。在夜间通过光伏电池将灯光与电能的相互转换，能量得以重复利用。此窗户优越的移动性和光伏项目，一定大小房间可以自己供电。经改装的窗户不改变最原始通风透气的功能，安装上光伏电池充分利用了空间，将太阳光和灯光转换为电能，使用了清洁能源，达到了低碳的目的。

【关键字】 窗户；光伏电池；清洁能源；太阳能；光能

【引言】 在石油、煤炭等传统能源储量有限的情况下，并且这些传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，世界各地正努力寻找清洁高效的新型能源，以取代日益枯竭的传统能源，维持长远的可持续发展。

国际能源署（IEA）对2000—2030年国际电力需求的研究显示，来自可再生能源的发电总量年平均增长速度将最快，其中非水可再生能源发电的年增长速度，将达近6%。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。

一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。但是受日本地震影响，日本境内所有核电站将全部关闭，加之福岛核危机爆发，日本将失去近1/3的电力供应。3月24日，全球第四大经济体、欧洲强国德国宣布将暂停使用国内的核反应堆，并计划正式永久放弃核能，投入资金发展可再生新能源的开发利用。目前，德国核发电量占全国总发电量的23%，而可再生能源发电量仅占17%。 

抛弃核能之后，可再生能源又远水不解近渴，世界能源对石油、煤炭的过度依赖，将愈加失衡。出路何在？ 唯有太阳能，光能。

作为21世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是新兴的朝阳行业，再加上良好的环境、行业本身的特性，使得太阳能产业具有较高的投资价值和发展潜力。

经改装的窗户不仅能利用太阳能还能利用灯光光能，二者交替发电，并能相互补充，将能利用的光能最大化，光伏电池也得到了充分利用。

【正文】

1、系统介绍 

1.1、系统基本组成简介 

    系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、控制箱 （内有充放电控制器、蓄电池）和旋转动力系统几部分构成；太阳能电池板光效达到127Wp/m2，效率较高。其中充放电控制器兼顾了功能齐备，具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等。

1.2、工作原理介绍 

系统工作原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至10lux左右、太阳能电池板开路电压4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对外放电。蓄电池放电8.5小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。充放电控制器的主要作用是保护蓄电池。

2光伏发电系统

2.1光伏发电

　光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域，因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。

2.2光伏发电的原理

     光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。

太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送至蓄电池中存储起来。太阳能电池主要使用单晶硅为材料。用单晶硅做成类似二极管中的P-N结。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。也就是通常所说的光生伏特效应原理。

图1 光伏发电原理图

这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

2.3光电转换效率η％

2.3.1  光电转换效率η％ 评估太阳电池好坏的重要因素。目前：实验室η≈24％，产业化：η≈15％。

2.3.2单体电池电压V 0.4V---0.6V 由材料物理特性决定。 

2.3.3  填充因子FF％ 评估太阳电池负载能力的重要因素。

几何意义用I-V曲线图来表示：

图2  I-V曲线图

阴影部分为负载面积，填充因子的数学表达形式：FF=(Im*Vm)/(Isc*Voc)

其中：Isc--短路电流, Voc--开路电压, Im--最佳工作电流, Vm--最佳工作电压;

2.4光伏发电系统组成

主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成。

最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等。目前，单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。

a）  直流负载系统

图3直流负载系统

b)  交流负载系统

图4 交流负载系统

3、旋转动力及发电控制系统

3.1、旋转动力系统

马达驱动，齿轮传动，采用单轴，由计算机系统控制轴的旋转，向左或向上单向旋转。在轴固定处接电刷引出电流。

3.2、发电控制系统

3.2.1、控制器

控制器用工业级MCU做主控制器，通过对环境温度的测量，对蓄电池和太阳能电池组件电压、电流等参数的检测判断，控制MOSFET器件的开通和关断，达到各种控制和保护功能。智能型太阳能灯具控制器能为蓄电池提供全面保护，使蓄电池更能可靠地长久工作。

通过感光控制旋转动力系统，是有最佳的采光位置

3.2.2、蓄电池

    贮能，以便在夜间或阴雨天即太阳能发电部足以供能时保证负载用电。

3.2.3、逆变器

把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。太阳能逆变器是光伏风力发电系统的核心部件。

4、光伏发电部分参数

4.1、光伏电池的技术参数：

(1)、标准测试条件：AM1.5光强，1000W/m2 ，t = 25℃；

(2)、光电转换效率 ： 15%

(3)、电池板开路电压： 21.5V 

(4)、电池板最佳工作电压： 17.5V

(5)、绝缘电阻：大于200兆欧

(6)、填充因子FF%： 70% 

(7)、使用寿命大于20年（使用20年效率大于原来效率的90%）

4.2、太阳能电池组件选型

设计要求：山东地区，负载输入电压24V功耗34.5W，每天工作时数8.5h，保证连续阴雨天数7天。 

⑴ 山东地区近二十年年均辐射量大约为110Kcal/cm2，经简单计算山东地区峰值日照时数约为3. 5h； 

⑵ 负载日耗电量为 10AH 

⑶ 所需太阳能组件的总充电电流6A 

⑷ 太阳能组件的最少总功率数102W 

4.3、蓄电池选型 

    蓄电池设计容量计算相比于太阳能组件的峰瓦数要简单。 

根据上面的计算知道，负载日耗电量10AH。在蓄电池充满情况下，可以连续工作7个阴雨天，再加上第一个晚上的工作，蓄电池容量： 

10×（7+1） = 80（AH），选用2台12V100AH的蓄电池就可以满足要求了。

5、结论

5.1、太阳能优点

光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。

5.2、装置改进

     该装置中主体是光伏电池，若能有高效的太阳能发电玻璃则为更为理想的主体材料，并且延续窗户透光的功能。

要保证窗户的透光性，也可以将部分窗户不换用太阳能光伏电池，就采用普通玻璃。因为房间内要达到一定的光强度，只需要很小的一部分的透光即可满足。另外经改装后的窗户安装在阳面，其利用效率才能达到最佳，所以保证其透光性的普通窗户安装在阴面即可。

【参考文献】

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[2] 张晓东.杜云贵.  核能及新能源发电技术.北京：中国电力出版社.2008

[3] 钱伯章.太阳能利用技术.北京：化工出版社.2010

[4] 罗运俊.何梓年.太阳能利用技术.北京：化学工业出版社.2005

[5] R.H蒙哥马利.家庭太阳能利用指南.北京：新时代出版社.1987下载本文