1 緒 論
1.1太陽能照明的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)
無論是現(xiàn)在還是將來，太陽能都擁有廣闊的市場前景。潛力無限的太陽能是一種清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源。同時(shí)，使用太陽能也是一個(gè)明智的財(cái)務(wù)選擇。如果使用太陽能電池板為您的住宅供電，在收到每個(gè)月的電費(fèi)單時(shí)，您就能體會到這一點(diǎn)。另外，太陽能是環(huán)保的選擇——如果您知道使用太陽能將為您的孩子留下一個(gè)更環(huán)保的美好世界，您一定會感到自豪。
如今，全球的光伏 (Photovoltaic, PV) 太陽能供不應(yīng)求，是增長最快的可再生能源之一。隨著制造工藝的高效化，光伏系統(tǒng)的成本將繼續(xù)下降。如今，光伏系統(tǒng)的價(jià)格已經(jīng)是 20 年前的 1/25。即使是商業(yè)電力公司，也正在尋求通過利用太陽能來構(gòu)建更為穩(wěn)定的成本結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示，太陽能在北方的氣候條件下更為有效。在加利福尼亞州，電費(fèi)每年上漲 6.7%。太陽能則可以用來預(yù)防未來電費(fèi)的居高不下。在許多國家，您可以將富余電力賣給電力公司，沖抵您的電費(fèi)。與高成本的化石燃料污染和全球溫室效應(yīng)相比，太陽能不僅使用范圍廣，而且更經(jīng)濟(jì)。在近期的民意調(diào)查中，當(dāng)受訪對象被問及哪類能源最適合子孫后代時(shí)，太陽能的得分高出所有其它能源。光伏系統(tǒng)在提供電力的同時(shí)，不會排放二氧化碳 (CO2)。一塊光伏組件在 25 年的有效使用期內(nèi)，可減少約 7.5 噸的碳排放量。
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國的照明用電將大幅度提高，綠色節(jié)能照明的研究應(yīng)用，將越來越受到重視。太陽能LED照明燈具作為冷光源產(chǎn)品，具有性價(jià)比較高、綠色環(huán)保、安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長、安裝維護(hù)簡便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于綠地照明、公路照明、廣告燈箱照明、城市造型景觀照明及家居照明系統(tǒng)，但太陽能LED照明燈具一次性投入較高是其發(fā)展的瓶頸。
目前，照明消耗約占整個(gè)電力消耗的20%左右，降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，業(yè)界已研究開發(fā)出多種節(jié)能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還較遠(yuǎn)，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。
到2006年底，我國可再生能源利用量總計(jì)為2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤(不包括傳統(tǒng)方式利用生物質(zhì)能)，約占0.5個(gè)百分點(diǎn)，為2010年實(shí)現(xiàn)可再生能源占全國一次能源消費(fèi)總量10%2 的目標(biāo)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。目前，我國正在從以下幾個(gè)方面來推動光伏發(fā)電的國內(nèi)市場發(fā)展：一、啟動送電到村工程;二、在特殊工程上運(yùn)用光伏發(fā)電，如世博會、奧運(yùn)會等;三、在沙漠地區(qū)建光伏電站;四、動員一些城市啟動屋頂計(jì)劃;五、研究制定提高光伏發(fā)電競爭力的電價(jià)政策(光伏產(chǎn)品90%的出口以及國內(nèi)市場的缺失，都可能限制中國光伏產(chǎn)業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。一旦國外光伏產(chǎn)業(yè)政策有變或者為保護(hù)本國產(chǎn)業(yè)采取限制進(jìn)口的措施，中國近年來大量上馬的光伏項(xiàng)目將面臨困境)。
1.2太陽能照明是發(fā)展的趨勢
太陽的能源非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽光所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于全球人類一年消耗的能量�？梢哉f太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。目前，全球能源危機(jī)日益加劇，各國都在尋找新的能源，以取代即將枯竭的煤、石油、天然氣等地球上所剩無幾的不可再生能源。作為新型照明方式之一，太陽能照明能否挑起重?fù)?dān)，在未來的照明行業(yè)中起主導(dǎo)作用？這不僅僅是照明行業(yè)所關(guān)注的焦點(diǎn)，也是整個(gè)社會思考和關(guān)注的焦點(diǎn)。
利用太陽能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性在很多情況下要優(yōu)于常規(guī)的供電方式。太陽能電源系統(tǒng)運(yùn)行成本低，幾乎不需要維護(hù)，不需要備件，不需要增添燃料。太陽能系統(tǒng)設(shè)備可自動運(yùn)行，適于在無人職守站使用。不包含任何運(yùn)轉(zhuǎn)部件，系統(tǒng)可連續(xù)工作、使用壽命超過數(shù)十年。、太陽能電源系統(tǒng)的直流輸出電壓十分穩(wěn)定。無需為引接入電網(wǎng)而修路，在沒有電網(wǎng)的地方，太陽能為靈活選取站址提供可能。除了直接的經(jīng)濟(jì)效益以外，太陽能發(fā)電還有很多間接優(yōu)點(diǎn)。在其它一些供電系統(tǒng)，往往由于斷電而立即造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。太陽能系統(tǒng)仍能保證穩(wěn)定可靠地工作。
太陽能照明本質(zhì)上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，專業(yè)領(lǐng)域稱為“硅晶片地面光伏組件”。其工作原理是通過硅晶片接收太陽光線后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，然后儲存在蓄電池中，再由光感開關(guān)進(jìn)行控制，當(dāng)天黑時(shí)能夠自動點(diǎn)亮，天亮?xí)r又自動熄滅。太陽能燈是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的一種應(yīng)用產(chǎn)品，憑借其節(jié)能、環(huán)保、無需布線、自動控制、隨時(shí)變換位置等優(yōu)點(diǎn)，在照明行業(yè)中樹立起神圣的地位。 因?yàn)楣杈瑑r(jià)格昂貴，最初的太陽能僅應(yīng)用在航天事業(yè)上。在技術(shù)上稍有突破后，被美國、日本、德國等發(fā)達(dá)國家率先嘗試運(yùn)用在高科技領(lǐng)域。隨著太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在民用方面首先應(yīng)用在照明燈具上。近幾年來，太陽能燈具產(chǎn)品由于環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢，太陽能庭院燈、太陽能草坪燈和太陽能裝飾燈等應(yīng)用逐漸形成規(guī)模。 3 大量試驗(yàn)表明，太陽能燈具和普通燈具對比分析后得出：在滿足同樣照明要求的條件下，兩種不同的供電方式，太陽能燈成本比普通燈具要高；如果將投入工程的施工費(fèi)用計(jì)入整個(gè)工程，則兩種燈具在初始投資時(shí)造價(jià)相當(dāng)。工程越大，普通燈具的工程施工費(fèi)用越高，其初始投入大于太陽能燈具。使用時(shí)間越長，越能彰顯太陽能燈具的實(shí)惠。如果把人力、物力計(jì)算在內(nèi)，普通燈具的輔助費(fèi)用與維護(hù)費(fèi)用都將比預(yù)算的高。在后續(xù)的使用費(fèi)用上（電費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用等），太陽能燈具的優(yōu)勢更明顯。“如果在全國推廣使用3億只太陽能燈，其節(jié)能效果相當(dāng)于新建一個(gè)三峽工程”，中山市百特照明科技有限公司朱建平經(jīng)理介紹。 據(jù)了解，太陽能的優(yōu)點(diǎn)已被越來越多的人所接受。作為太陽能應(yīng)用的系列產(chǎn)品之一，太陽能燈具一直是各方研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，技術(shù)人員與廠商集思廣益，在諸多方面取得了突破性進(jìn)展，為太陽能燈最終走向千家萬戶打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。專家預(yù)測，太陽能照明在未來十年后將會普及，成為未來照明行業(yè)發(fā)展趨勢。
1.3太陽能路燈與普通路燈相比較
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽能逐漸被開發(fā)利用，并已成為最有發(fā)展前景的環(huán)保能源之一，太陽能照明就是利用太陽能最重要的途徑。太陽能照明路燈采用高效單晶硅太陽能電池供電,采用免維護(hù)密封型蓄電池貯存電能,用高效節(jié)能燈照明,并采用先進(jìn)的充放電和照明控制電路,具有性質(zhì)可靠、發(fā)光效率高、亮度大、安裝方便、無需鋪設(shè)電纜電線，無需交流電能和電費(fèi)，采用直流供電，光敏控制、安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，實(shí)用)壽命長,是未來戶外照明的發(fā)展方向和照明燈具中的一枝新秀。
市電照明燈具安裝復(fù)雜：在市電照明燈具工程中有復(fù)雜的作業(yè)程序，首先要鋪設(shè)電纜，這里就要進(jìn)行電纜溝的開挖、鋪設(shè)暗管、管內(nèi)穿線、回填等大量基礎(chǔ)工程。然后進(jìn)行長時(shí)間的安裝調(diào)試，如任何一條線路有問題，則要大面積返工。而且地勢和線路要求復(fù)雜、人工和輔助材料成本高昂。對比而言，太陽能照明綠色環(huán)保，能為高尚生態(tài)小區(qū)的開發(fā)和推廣增加新的賣點(diǎn)；可持續(xù)降低物業(yè)管理成本，減少業(yè)主公共分?jǐn)偛糠值馁M(fèi)用。綜上對比所述，太陽能照明之安全無隱患、節(jié)能無消耗、綠色環(huán)保、安裝簡便、自動控制免維護(hù)等固有的特性將為樓盤的銷售、市政工程的建設(shè)直接帶來明顯可利用的優(yōu)勢。太陽能照明燈具有體積小,重量輕,低能耗,高光強(qiáng),防雷擊,無須其它電源,安全可靠,安裝、維護(hù)方便等特點(diǎn)。太陽能照明燈可廣泛應(yīng)用于：家庭別墅、單位花園、公園綠地、環(huán)保小區(qū)、房前路邊等戶外場所的照明。 4
一盞普通的路燈以400W光源、日工作10小時(shí)計(jì)，1年平均耗電量是1460度電，還需要專人維護(hù)、更換燈泡；而太陽能路燈一般采用壽命長達(dá)50000小時(shí)以上的LED燈作為光源，日常無需增加消耗電量的費(fèi)用開支。換個(gè)角度說，每裝一盞太陽能路燈，每年就可節(jié)省1460度電，十年可節(jié)省14600度。
1.大陽能路燈的造價(jià)其實(shí)不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算
太陽能路燈其實(shí)并不貴。在很多人眼里，路燈的成本不過是一根桿，一只燈泡。但是，事實(shí)上根本不是這樣子，一盞普通路燈除了這些成本，還有預(yù)埋地下的電纜申請和施工過程的費(fèi)用，還可能影響、破壞周圍植被和景觀，日常需要專人定時(shí)維護(hù)、更換燈泡，同時(shí)每隔大約1Km要建一個(gè)升壓站（防止輸電線路過長，電壓降低過大，影響燈光亮度），分?jǐn)傁聛淼某杀久勘K大約在3萬元左右，目前市政道路路燈的招標(biāo)價(jià)格每盞一般也在2～3.5萬元之間。
而太陽能路燈的最大成本就是太陽能電池板，無需預(yù)埋輸電電纜及相關(guān)工程費(fèi)用，一盞8～12米的太陽能路燈的造價(jià)一般在1.8～3.5萬元之間。這些太陽能路燈一般使用的光源是長壽命的LED燈或低壓鈉燈，使用的電壓都是絕對安全的直流低電壓，采用光控、時(shí)控、全自動、無觸點(diǎn)電子開關(guān)，故障率極低，整體路燈使用壽命要長達(dá)15年。此外，路燈與路燈之間彼此獨(dú)立工作、互不干擾，可根據(jù)實(shí)際情況將某段時(shí)間設(shè)計(jì)成節(jié)能照明狀態(tài)，從而有效降低造價(jià)。只要設(shè)計(jì)合理，實(shí)際比普通路燈更劃算。
2.偷盜難，也不劃算，太陽能路燈燈桿一般都在8米高以上，偷盜電線不合算
近年來，由于銅以及其他金屬價(jià)格的上漲，偷盜路燈電纜成為一大治安問題。很多人擔(dān)心太陽能路燈采用的都是高新技術(shù)的材料，一旦被盜的損失會更高，持這種觀點(diǎn)的人不少，不僅僅有一些政府官員，連一些能源研究專家也認(rèn)為這確實(shí)是一個(gè)問題。
小偷偷電線一般用剪或用絞輪拉，目的是為了獲得金屬銅謀取利益，而太陽能路燈的內(nèi)部電線絕大部分都在燈桿里面且短而小，含銅量不如傳統(tǒng)路燈，加上燈桿較高，一般都在8米以上，要開著吊車才能將太陽能電池板和電纜快速盜走，被盜可能性比傳統(tǒng)路燈要低得多。如果小偷真的開著吊車來偷路燈了，那不知是什么天下了，應(yīng)該不是偷了而是搶了！那我們國家能有這么亂嗎？因此，偷盜太陽能路燈內(nèi)部電線是不合算的。
3.大陽能路燈的造價(jià)其實(shí)不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算
(1)不受地理位置限制、無需消耗燃料，無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，建設(shè)周期短，規(guī)模大小隨意； (2)安全可靠、無污染、無噪聲、環(huán)保美觀、故障率極低、壽命長；
(3)拆裝簡易、移動方便、工程安裝成本低，無需預(yù)埋架高輸電線路，可免去遠(yuǎn)距離敷設(shè)電纜時(shí)對植被和環(huán)境的破壞及其所需的工程費(fèi)用；
(4)廣泛應(yīng)用于道路照明上，非常適用于鄉(xiāng)村、農(nóng)場、山頭、海島、高速公路等輸電不便的偏僻地方。
2 設(shè)計(jì)思路
太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理相同，因而太陽能路燈的設(shè)計(jì)思路也可依據(jù)一般的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，先確定太陽電池組件的功率，然后計(jì)算蓄電池的容量。但太陽能路燈又有其特殊性，需要確保系統(tǒng)工作的穩(wěn)定與可靠，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意。
太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，但太陽能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問題。
現(xiàn)本人想設(shè)計(jì)一個(gè)太陽能路燈的電路.白天充電靠太陽能電池吸收光能產(chǎn)生電能.而LED照明熄滅.夜晚LED點(diǎn)亮進(jìn)行照明.并有電路保護(hù)電池不會過充過放。
3 太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理
3.1太陽能路燈的組成
太陽能路燈由太陽能電池組件、蓄電池、電源控制器、光源等組成。如圖3.1
圖3.1 太陽能原理方框
太陽能路燈技術(shù)特點(diǎn)是：①具有特大功率，光亮度相當(dāng)于白熾燈150W-250W時(shí)，每天8小時(shí)照明，可在連續(xù)陰雨9天內(nèi)正常工作；②應(yīng)用了具有充放電保護(hù)功能、光敏自控裝置和時(shí)控裝置的光電智能控制器，使產(chǎn)品可有效地節(jié)約能源，增加有效照明時(shí)間，降低生產(chǎn)成本；③中央控制器單元采用單片機(jī)控制，并在智能控制器中建立了全球不同緯度的全年日照時(shí)間數(shù)據(jù)。使用時(shí)在控制器中輸入所在地區(qū)緯度，調(diào)整好年、月、日和開/關(guān)機(jī)的時(shí)間，就能夠長年自動跟蹤環(huán)境光線；④在大面積使用后，啟動和關(guān)閉的時(shí)差很小，從而比較好的克服了傳統(tǒng)太陽能燈因啟動時(shí)差過大而產(chǎn)生的種種弊端。
3.2太陽能路燈的工作原理
太陽能光伏發(fā)電是依靠太陽能電池組件，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于P-N結(jié)勢壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各自向相反方向運(yùn)動，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢升高，N區(qū)電勢降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)大8
體上可以分為兩類，一類是并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，即和公用電網(wǎng)通過標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠;另一類是獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)，即在自己的閉路系統(tǒng)內(nèi)部形成電路。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過光伏數(shù)組將接收來的太陽輻射能量經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過逆變器逆變后向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏數(shù)組首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉(zhuǎn)換成電能供給負(fù)載，并將多余能量經(jīng)過充電控制器后以化學(xué)能的形式儲存在蓄電池中。白天的時(shí)候，太陽能電池吸收太陽光子能產(chǎn)生電能，通過控制器吧電能儲存在蓄電池里，當(dāng)夜幕降臨或者燈具周圍的廣度較低時(shí)，蓄電池通過控制器向光源供電設(shè)定的時(shí)間后切斷，這樣就可以照明了。 9
4 各部件的組成及工作原理
4.1太陽能電池組件的組成及其工作原理
4.1.1太陽能電池的分類
太陽能電池按結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導(dǎo)體薄膜形和有機(jī)膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。 太陽能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。
1. 硅太陽能電池
硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的效率為15%。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。 多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實(shí)驗(yàn)室最高轉(zhuǎn)換效率為18%,工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據(jù)主導(dǎo)地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉(zhuǎn)換效率較高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，有極大的潛力。但受制于其材料引發(fā)的光電效率衰退效應(yīng)，穩(wěn)定性不高，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么，非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。下面對硅太陽能電池進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2. 多元化合物薄膜太陽能電池 多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規(guī)模生產(chǎn)，但由于鎘有劇毒，會對環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此， 并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。 砷化鎵（GaAs）III-V 化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs 化合物材料具有十分理想的光學(xué)帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強(qiáng),對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs 材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs 電池的普及。 銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。
3. 聚合物多層修飾電極型太陽能電池
以有機(jī)聚合物代替無機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽能電池制造的研究方向。由于有機(jī)材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優(yōu)勢，從而對大規(guī)模利用太陽能， 提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)用意義的產(chǎn)品，還有待于進(jìn)一步研究探索。 4. 納米晶太陽能電池 納米TiO2 晶體化學(xué)能太陽能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡單的工藝及穩(wěn)定的性能。其光電效率穩(wěn)定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～ 1/10．壽命能達(dá)到2O 年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會逐步走上市場。
4.1.2 硅太陽能電池工作原理與結(jié)構(gòu)
太陽能電池發(fā)電的原理主要是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，一般的半導(dǎo)體主要結(jié)構(gòu)，如圖4.1。
圖4.1 中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。當(dāng)硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當(dāng)摻入硼時(shí)，硅晶體中就會存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照圖4.2 所示。
圖4.2
圖4.2 中，正電荷表示硅原子，負(fù)電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個(gè)電子。而實(shí)心的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥? 個(gè)電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的空心的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆]有電子而變得很不穩(wěn)定，容易吸收電子而中和，形成P（positive） 型半導(dǎo)體。
同樣，摻入磷原子以后，因?yàn)榱自佑形鍌�(gè)電子，所以就會有一個(gè)電子變得非�；钴S，形成N（negative）型半導(dǎo)體。實(shí)心的為磷原子核，小的為多余的電子，如圖4.3 所示。
圖4.3
圖4.4
N 型半導(dǎo)體中含有較多的空穴，而P 型半導(dǎo)體中含有較多的電子，這樣，當(dāng)P 型和N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN 結(jié)。如圖4.4 所示。
當(dāng)P 型和N 型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會形成一個(gè)特殊的薄層)，界面的P 型一側(cè)帶負(fù)電，N 型一側(cè)帶正電。這是由于P 型半導(dǎo)體多空穴，N 型半導(dǎo)體多自由電子，出現(xiàn)了濃度差。N 區(qū)的電子會擴(kuò)散到P 區(qū)，P 區(qū)的空穴會擴(kuò)散到N 區(qū)，一旦擴(kuò)散就形成了一個(gè)由N 指向P 的“內(nèi)電場”，從而阻止擴(kuò)散進(jìn)行。達(dá)到平衡后， 就形成了這樣一個(gè)特殊的薄層形成電勢差，這就是PN 結(jié)。
當(dāng)晶片受光后，PN 結(jié)中，N 型半導(dǎo)體的空穴往P 型區(qū)移動，而P 型區(qū)中的電子往N 型區(qū)移動，從而形成從N 型區(qū)到P 型區(qū)的電流。然后在PN 結(jié)中形成電
勢差，這就形成了電源 ，如圖4.5 所示。
圖4.5
由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過p－n 結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋p－n 結(jié)，如圖4.5，以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學(xué)家們給它涂上了一層反射系數(shù)非常小的保護(hù)膜，如圖4.5 所示，將反射損失減小到5％甚至更小。一個(gè)電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36 個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。
4.2 蓄電池的組成及工作原理
太陽能照明必須配備蓄電池才能工作，這是因?yàn)椋海?）.太陽能電池只能在白天進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲備在蓄電池內(nèi)，儲備的容量要足夠當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個(gè)陰天的照明需要。
（2）.太陽能電池板的輸出能量極不穩(wěn)定，配備蓄電池后，太陽能燈等負(fù)荷才能正常工作。
4.2.1蓄電池的種類和應(yīng)用
化學(xué)電源是人類目前可以利用的高效能源之一。蓄電池也稱作二次電源，它是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放出來的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。蓄電池按照其電解液的不同，通常分為酸性電池和堿性電池。近幾十年來，由于交通。通訊。計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，其產(chǎn)品系列。產(chǎn)品種類。產(chǎn)品性能發(fā)生了巨大變化，以此滿足不同用途的需要。目前，蓄電池主要應(yīng)用于各種車輛。船舶。飛機(jī)等內(nèi)燃機(jī)的起動以及照明。蓄能。不間斷電源。移動通訊。便攜式電動五金|工具。電動玩具當(dāng)中。
總之，蓄電池在國防。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。交通運(yùn)輸。電力。電子。通訊。教學(xué)�？蒲小ａt(yī)療衛(wèi)生以及人們?nèi)粘Ｉ钪斜粡V泛應(yīng)用。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池。鎘鎳蓄電池。鐵鎳蓄電池。金屬氧化物蓄電池。鋅銀蓄電池。鋅鎳蓄電池。氫鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等。
常用蓄電池介紹：
1．鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池負(fù)極為鉛，正極為二氧化鉛，電解液為稀硫酸，主要有起動型。固定型。牽引型。動力型和便攜型，常為開口或防酸式(GF),少量為膠體電解液蓄電池(GEL)。近年來，，特別是VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄電池的出現(xiàn)，在某些領(lǐng)域已經(jīng)能夠取代堿性蓄電池和干電池，使鉛酸蓄電池發(fā)揮更大的作用。由于鉛酸蓄電池價(jià)格低廉，適于低溫高倍率放電，因此應(yīng)用廣泛，是我國的電信行業(yè)中后備電源的主要產(chǎn)品。但同時(shí)由于鉛酸蓄電池比能量偏低，生產(chǎn)過程有毒。污染環(huán)境等不利因素，一定程度上影響了其使用范圍。
2．鎘鎳蓄電池
鎘鎳蓄電池負(fù)極為鎘，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液。常見外形是方形�？凼胶蛨A柱形，其有開口。密封和全密封三種結(jié)構(gòu)。按極板制造方式又分有極板盒式。燒結(jié)式。壓成式和拉漿式。鎘鎳蓄電池具有放電倍率高。低溫性能好，循環(huán)壽命長等特點(diǎn)。
3．金屬氫化物鎳蓄電池
金屬氫化物鎳蓄電池是新開發(fā)出來的新產(chǎn)品，負(fù)極為吸氫稀土合金，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀。氫氧化鋰水溶液，比能量是鎘鎳蓄電池1.5-2倍，具有可快速充電。優(yōu)良的高倍率放電性能和低溫放電性能，價(jià)格便宜，無污染，被稱為綠色環(huán)保電池。
4．鐵鎳蓄電池
鐵鎳蓄電池負(fù)極為鐵粉，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液。具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。耐用。壽命長等特點(diǎn)，比能量較低，多用于礦井運(yùn)輸車動力電源。
5．鋅銀蓄電池
鋅銀蓄電池負(fù)極為鋅，正極為氧化銀，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有較高的比能量及優(yōu)良的高倍率放電性能，但價(jià)格偏高，多用于軍事工業(yè)及武器系統(tǒng)。
6．鋅鎳蓄電池
鋅鎳蓄電池負(fù)極為鋅，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有高比能量，價(jià)格較低；但壽命較短，近年來鋅鎳蓄電池的循環(huán)壽命有了較大提高，預(yù)計(jì)隨著循環(huán)壽命的提高將獲得更廣泛應(yīng)用。
7．鋰離子蓄電池
鋰離子蓄電池負(fù)極是碳(石墨),正極是氧化鈷鋰，由于采用有機(jī)電解質(zhì)液，具有電壓高。比能量高及優(yōu)良的循環(huán)壽命，安全無污染，被稱為綠色電源。常作為通訊工具和便攜器材的電源。
總之，我國的蓄電池工業(yè)隨著各行各業(yè)的發(fā)展獲得了迅速發(fā)展機(jī)會。至今目前，我國從事蓄電池生產(chǎn)的企業(yè)已達(dá)千家之多。同時(shí)，免維護(hù)。閥控密封式鉛酸蓄電池。金屬氧化物物鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等新型蓄電池也各有側(cè)重的應(yīng)用于各行各業(yè)中。
4.2.2鉛酸蓄電池的工作原理
由于太陽能路燈采用的是鉛酸蓄電池，所以這里只對鉛酸蓄電池進(jìn)行分析。鉛酸蓄電池充、放電化學(xué)反應(yīng)的原理方程式如下：
1.充電：
蓄電池從其他直流電源獲得電能叫做充電。充電時(shí)，在正、負(fù)極板上的硫酸鉛會被分解還原成硫酸、鉛和氧化鉛，同時(shí)在負(fù)極板上產(chǎn)生氫氣，正極板產(chǎn)生氧氣。電解液中酸的濃度逐漸增加，電池兩端的電壓上升。當(dāng)正、負(fù)極板上的硫酸鉛都被還原成原來的活性物質(zhì)時(shí)，充電就結(jié)束了。 在充電時(shí)，在正、負(fù)極板上生成的氧和氫會在電池內(nèi)部“氧合”成水回到電解液中。
化學(xué)反應(yīng)過程如下：
（正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液） （負(fù)極）
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充電反應(yīng)）
(硫酸鉛) （水） （硫酸鉛）
2.放電
蓄電池對外電路輸出電能時(shí)叫做放電。蓄電池連接外部電路放電時(shí)， 硫酸會與正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，生成化合物“硫酸鉛”，放電時(shí)間越長，硫酸濃度越稀薄，電池里的“液體”越少，電池兩端的電壓就越低。
化學(xué)反應(yīng)過程如下：
（正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液）（負(fù)極）
PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 （放電反應(yīng)）
(過氧化鉛) （硫酸） （海綿狀鉛）
從以上的化學(xué)反應(yīng)方程式中可以看出，鉛酸蓄電池在放電時(shí)，正極的活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極的活性物質(zhì)金屬鉛都與硫酸電解液反應(yīng)，生成硫酸鉛，在電化學(xué)上把這種反應(yīng)叫做“雙硫酸鹽化反應(yīng)”。在蓄電池剛放電結(jié)束時(shí)，正、負(fù)極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的硫酸鉛是一種結(jié)構(gòu)疏松、晶體細(xì)密的結(jié)晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過程中，正、負(fù)極疏松細(xì)密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池就又處于充足電的狀態(tài)。正是這種可逆轉(zhuǎn)的電化學(xué)反應(yīng)，使蓄電池實(shí)現(xiàn)了儲存電能和釋放電能的功能。
4.3電源控制器的組成及工作原理
4.3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
太陽能路燈智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖4.6所示，該 以STC12C5410AD單片機(jī)為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負(fù)載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽能光線強(qiáng)弱的識別及蓄電池電壓的獲取。單片機(jī)的P3口的兩位作為鍵盤輸入口，用于工作模式參數(shù)的設(shè)置。
圖4.6
STC12C5410AD 是STC12 系列的單片機(jī)，采用RISC 型CPU 內(nèi)核，兼容普通8051 指令采集，片內(nèi)容含有10KBFlash 程序存儲器，同時(shí)內(nèi)部還有看門口（WDT）；片內(nèi)集成MAX810 專用復(fù)位電路、8 通道10 位ADC 以及4 通道PWM；具有可編程的8 級中斷源4 種優(yōu)先級，具有在系統(tǒng)片成（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP），片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD 對系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度，實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、蓄電池及負(fù)載的管理、工作狀態(tài)的指示等。
于設(shè)置狀態(tài)的識別及參數(shù)設(shè)置;P3.5(T1)接F2 鍵,該鍵用于自檢及“加1”功能,根據(jù)程序流程,分別實(shí)現(xiàn)不同功能。電壓采集與電池管理太陽能電池板電壓采集,用于太陽光線強(qiáng)弱的判斷,因而可以作為白天、黃昏的識別信號。同時(shí)本系統(tǒng)支持太陽能板反接、反充保護(hù)。 蓄電池電壓采集,用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM 功能,對蓄電池進(jìn)行充電管理。蓄電池開路保護(hù):萬一蓄電池開路,若在太陽能電池正常充電時(shí),控制器將關(guān)斷負(fù)載,以保證負(fù)載不被損傷,若在夜間或太陽能電池不充電時(shí),控制器由于自身得不到電力,不會有任何動作。
4.3.2 電壓采集與電池管理
太陽能電池板電壓采集用于太陽光線強(qiáng)弱的判斷，因而可以做為白天、黃昏的識別信號。同時(shí)本系統(tǒng)支持太陽能板反接、反充保護(hù)。
蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器PWM 功能對蓄電池進(jìn)行充電管理。若太陽能電池正常充電時(shí)蓄電池開路，控制器將關(guān)斷負(fù)載，以保證負(fù)載不被損傷，若在夜間或太陽能電池不充電時(shí)蓄電池開路，控制器由于自身得不到電力，不會有任何動作。當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓（15V）時(shí)，自動關(guān)斷對蓄電池的充電；此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓（13.2V）時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓（13.2V）后浮充關(guān)不，進(jìn)入均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓（11V）時(shí)，控制器自動關(guān)閉負(fù)17
載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路，可使太陽能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統(tǒng)充電效率。本系統(tǒng)支持蓄電池的反接、過充、過放。
4.3.3負(fù)載輸出控制與檢測電路
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路負(fù)載輸出，每路輸出均有獨(dú)立的控制于檢測，具有完善的過流、短路保護(hù)措施，電路原理如圖4.7所示。
圖4.7
注：P1.6為單片機(jī)18引腳；P1.7為單片機(jī)19引腳；
P3.2為單片機(jī)6引腳
負(fù)載過流及短路保護(hù):設(shè)計(jì)了兩級保護(hù)。第一級采用了R7(0.01Ω康銅絲)以及運(yùn)放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測電路配合單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換及外部中斷響應(yīng)來實(shí)現(xiàn),這里使用了硬件+軟件的方式,LM358的輸出送P1.7(A/D轉(zhuǎn)換)口,用作過流信號識別,當(dāng)電流超過額定電流20%并維持30s以上時(shí),確認(rèn)為過流;短路電流整定為10A,響應(yīng)時(shí)間為毫秒數(shù)量級。第二級采用了電子保險(xiǎn)絲保護(hù),當(dāng)流經(jīng)電子保險(xiǎn)絲的電流驟然增加時(shí),溫度隨之上升,其電阻大大增加,工作電流大幅降低,達(dá)到保護(hù)電路目的,響應(yīng)時(shí)間為秒數(shù)量級,過流撤消或短路恢復(fù)后電子保險(xiǎn)絲恢復(fù)成低阻抗導(dǎo)體,無須任何人為更換或維修。系統(tǒng)采用了兩級保護(hù)措施后,在長達(dá)數(shù)小時(shí)時(shí)間負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)后,控制器仍沒出現(xiàn)電路燒毀現(xiàn)象。解決了用傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲只能對電路進(jìn)行一次性保護(hù),一旦燒毀必須人為更換的問題,同短路后需手動復(fù)位或斷電后重新開啟的系統(tǒng)相比,也具有明顯的優(yōu)點(diǎn),簡化了維護(hù),提高了系統(tǒng)的安全性能。
4.3.4硬件設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)
（1）感應(yīng)雷保護(hù)電路應(yīng)設(shè)計(jì)在太陽能電池板引線入口處,保護(hù)電路周圍4mm內(nèi)不要布置其他器件。 （2）防止太陽能電池板反接用的二極管必須采用快恢復(fù)二極管,這種管子導(dǎo)通內(nèi)阻小,充電時(shí)發(fā)熱量小,不用散熱器也可以連續(xù)充電,充電效果好。 （3）充電、負(fù)載放電電路的印刷線路寬度至少要4～5mm,線路上用搪錫處理以增加過電流能力,大電流導(dǎo)線在一層過渡到另一層時(shí),要放置3～5個(gè)過孔。 （4）過流、短路保護(hù)電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個(gè)因素。電阻增大則電路效率下降,本系統(tǒng)選用電阻為0.01Ω,過電流能力在10A以上的康銅絲作為電流取樣電阻,來產(chǎn)生取樣電壓,取樣電壓最多不超過0.2V,故采用運(yùn)放LM358對它進(jìn)行放大。 （5）器件的布局和PCB圖的布線采用模塊化,大電流信號與小電流信號要分離,對放大電路的線路猶其要精心布置。數(shù)字地和模擬地分開,注意電源線和地線的布局。
4.3.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
1.軟件編程要點(diǎn)
（1）本系統(tǒng)采用較少的按鍵實(shí)現(xiàn)了諸多功能，如負(fù)載工作模式的設(shè)計(jì)、雙燈同時(shí)工作還是分時(shí)工作、負(fù)載工作時(shí)間的設(shè)定、自檢功能等，為防止誤操作采取了一些措施。這種方法實(shí)際上是一鍵多用的一種嘗試，還可以推廣到更復(fù)雜的人際對話設(shè)計(jì)。
（2）鍵盤在定時(shí)終端服務(wù)程序中讀取，用終端間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍵盤的去抖，不必編寫另外的延時(shí)程序，提高了CPU的利用率。鍵盤值輸入存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在主程序中讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容，執(zhí)行鍵盤功能散轉(zhuǎn)子程序。
（3）環(huán)境光線（閃電、禮花燃放）對太陽能電池板的采樣電壓有明顯的影像，在白天、黃昏、的識別時(shí)，要進(jìn)行軟件延遲，一般控制在2~3min。
（4）外部中斷為高優(yōu)先級中斷，編制子程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)載過流、短路保護(hù)時(shí)，要充分考慮負(fù)載啟動瞬間會產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流，沖擊電流維持在3ms~5ms，應(yīng)在軟件上采取措施，避免短路與負(fù)載開啟的誤判。確定負(fù)載過流、短路后，切斷負(fù)載輸出。負(fù)載切斷后，每隔一段時(shí)間，如20ms，應(yīng)試接通負(fù)載開關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過流、短路信號已消除，則恢復(fù)負(fù)載的輸出，否則負(fù)載開關(guān)仍然保持?jǐn)嚅_。
（5）為保護(hù)負(fù)載（燈具），蓄電池過放保護(hù)恢復(fù)時(shí)，應(yīng)用軟件設(shè)置一個(gè)回差電壓，這樣負(fù)載開關(guān)不會出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象，有利于延長燈具的使用壽命。
（6）根據(jù)STC12C5410AD的Data Flash的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)寫入時(shí)必須啟動ISP/IAP命令，CPU 等待IAP 動作定時(shí)后，才繼續(xù)執(zhí)行程序，要先關(guān)斷中斷（EA）。還應(yīng)注意數(shù)據(jù)寫入Data Flash 存儲器，不能跨越扇區(qū)。
2.單片機(jī)軟件編程
本設(shè)計(jì)方案的硬件電路對應(yīng)的軟件程序包括:主程序、定時(shí)中斷程序、A/D 轉(zhuǎn)換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負(fù)載管理子程序。單片機(jī)的軟件編程上,以KeilC 編譯器的Windows 集成開發(fā)環(huán)境μ vision2 作為軟件開發(fā)平臺,采用C51 高級語言編寫。按鍵處理流程如圖4.8 所示,電壓檢測子程序如圖4.9 所示。
圖4.8 按鍵程序流程圖
圖4.9 電壓檢測子程序流程圖
1. ADS 子程序
INT8U ADC(INT8U number)using 2
{number=number&0x0.7;//通道號不超過7
ADS_CONTR= ADS_CONTR e0; //清ADC_FLAG、AD 不啟動
While（（ADS_CONTR&0x10）=0x10）； 等待A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束
return（ADC_DATA）;//結(jié)束返回
}
2. 外部0 中斷響應(yīng)子程序
void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1
{if（P3_2） //高電平，認(rèn)為是干擾信號觸發(fā)中斷
return
delay 1（5000）； //10ms 延時(shí)
if（P3_2=0）
{load_switch_1=LSTOP;//負(fù)載開關(guān)1 關(guān)
LOOP1_DL=1; 置負(fù)載短路標(biāo)志
}
} 這個(gè)太陽能路燈控制器可適用12V或24V工作光伏系統(tǒng)，可以直接驅(qū)動只留節(jié)能燈或通過逆變器驅(qū)動無極燈等作為照明光源，也可以驅(qū)動一些直流低壓負(fù)載用于城市亮化。控制器的兩路負(fù)載輸出可以用于電動車道和人行道的照明，照明時(shí)間和工作模式可以靈活設(shè)置。著重解決了如何對蓄電池及負(fù)載進(jìn)行有效管理問題，提高了太陽能電池板的使用效率，延長了蓄電池的使用壽命，防止因線路問題而造成的意外事件的發(fā)生。
4.4光源的選擇
4.4.1各種光源的特性比較
光源的選型對于太陽能路燈來說是最關(guān)鍵的一步，目前針對太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和LED光源。
（1）低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，但使用壽命2000小時(shí)，電壓低燈管發(fā)黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。 （2）低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達(dá)200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價(jià)格貴，整個(gè)系統(tǒng)造高，采用較少。 （3）無極燈：功率小，光效較高。該燈在220V（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達(dá)到5萬小時(shí)，在太陽能燈具上使用壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不多（因?yàn)樘柲軣艟叨际欠讲孀兤鳎柲茈娫?20V輸出頻率、項(xiàng)位、電壓都是不能和普通市電相比的）。 （4） LED：LED燈光源，壽命長，可達(dá)1000000小時(shí)，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高。
4.4.2 LED燈的特點(diǎn)
LED 作為半導(dǎo)體光源，其發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，是太陽能路燈最為理想的光源，LED路燈光源是一款多功能、環(huán)保節(jié)能型路燈光源，適合在各種場合的照明使用。有以下特點(diǎn)： （1）高光效 LED光效達(dá)50～200流明/瓦，光譜窄，單色性好，幾乎所有發(fā)出的光都可利用，且無需過濾直接發(fā)出色光。 （2）高節(jié)能 具有電壓低、電流小、亮度高的特性。一個(gè)10～12瓦的LED光源發(fā)出的光能與一個(gè)35～150瓦的白熾燈發(fā)出的光能相當(dāng)。同樣照明效果LED比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%～90%。 （3）光色多 可以選擇白色或彩色光，紅色、黃色、藍(lán)色、綠色、黃綠色、橙紅色等。 （4）安全性高 LED光源使用低電壓驅(qū)動, 發(fā)光穩(wěn)定，無污染，沒有50HZ頻閃，沒有紫外線B波段，白色色溫5000K，最接近太陽色溫5500K。 （5）快速響應(yīng) LED發(fā)光管響應(yīng)時(shí)間很短。采用專用電源給LED光源供電時(shí)，達(dá)到最大照度的時(shí)間小于10ms。 （6） 運(yùn)行成本低 其他光源不僅耗電是LED光源的2-10倍，而且?guī)缀趺吭露家鼡Q，在器件更換和人工方面的花費(fèi)很大。因此選用使用壽命長的LED光源從長遠(yuǎn)看非常經(jīng)濟(jì)
圖4.10 LED高效節(jié)能燈結(jié)構(gòu)
根據(jù)使用場所的要求，設(shè)計(jì)出120°、90°、70°多種角度的發(fā)光板，放置在高透光率的塑料燈罩內(nèi)，如圖4.10所示，以改善lED的方向性過強(qiáng)而形成的光斑，同時(shí)在燈罩內(nèi)表面設(shè)計(jì)有網(wǎng)格型的折射面，使LED發(fā)出的光線經(jīng)多次反射與折射，最終達(dá)到LED高效節(jié)能燈泡各方向光均勻，并形成特殊的光學(xué)效果。
4.5各數(shù)據(jù)計(jì)算
4.5.1太陽能電池組件計(jì)算
設(shè)計(jì)要求：廣州地區(qū)，負(fù)載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時(shí)數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)7天。
（1）廣州地區(qū)近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經(jīng)簡單計(jì)算廣州地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)約為3.424h；
（2）負(fù)載日耗電量=12.2AH
（3）所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A
在這里，兩個(gè)連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計(jì)最短天數(shù)為20天，1.05為太陽能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，0.85為蓄電池充電效率。
（4）太陽能組件的最少總功率數(shù)= 17.2×5.9 = 102W
選用峰值輸出功率110Wp、兩塊55Wp的標(biāo)準(zhǔn)電池組件，應(yīng)該可以保證路燈系統(tǒng)在一年大多數(shù)情況下的正常運(yùn)行。
4.5.2蓄電池計(jì)算
蓄電池設(shè)計(jì)容量計(jì)算相比于太陽能組件的峰瓦數(shù)要簡單。
根據(jù)上面的計(jì)算知道，負(fù)載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續(xù)工作7個(gè)陰雨天，再加上第一個(gè)晚上的工作，蓄電池容量：
12.2×（7+1）= 97.6（AH），選用2臺12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。
4.5.3太陽能電池組件支架
1.傾角設(shè)計(jì)
為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個(gè)最佳傾角。關(guān)于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。本次路燈使用地區(qū)為廣州地區(qū)，選定太陽能電池組件支架傾角為16o。
2.抗風(fēng)設(shè)計(jì)
在太陽能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個(gè)需要非常重視的問題就是抗風(fēng)設(shè)計(jì)。抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，二為燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。下面按以上兩塊分別做分析。
（1）太陽能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)
依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強(qiáng)為2700Pa。若抗風(fēng)系數(shù)選定為27m/s（相當(dāng)于十級臺風(fēng)），根據(jù)非粘性流體力學(xué)，電池組件承受的風(fēng)壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風(fēng)速而不至于損壞的。所以，設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。
（2）路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)路燈的參數(shù)如下：
電池板傾角A = 16o 燈桿高度= 5m
設(shè)計(jì)選取燈桿底部焊縫寬度δ = 4mm燈桿底部外徑= 168mm
焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W的計(jì)算點(diǎn)P到燈桿受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風(fēng)荷載在燈桿破壞面上的作用矩M = F×1.545。根據(jù)27m/s的設(shè)計(jì)最大允許風(fēng)速，2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N�？紤]1.3的安全系數(shù)，F(xiàn) = 1.3×730 = 949N。
所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，圓環(huán)形破壞面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
上式中，r是圓環(huán)內(nèi)徑，δ是圓環(huán)寬度。
破壞面抵抗矩 W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）
=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）
= 88768mm3
=88.768×10-6 m3
風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力= M/W= 1466/（88.768×10-6）=16.5×10-6pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa，其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強(qiáng)度。
所以，設(shè)計(jì)選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質(zhì)量能保證，燈桿的抗風(fēng)是沒有問題的。
5 太陽能路燈的實(shí)際應(yīng)用
日前，廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局審核通過了由東莞勤上光電股份有限公司提出并組織起草的《廣東省太陽能LED燈地方標(biāo)準(zhǔn)》，將于09年7月1日起實(shí)施。“以前沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)什么、怎么生產(chǎn)、產(chǎn)品達(dá)到什么技術(shù)要求沒有明確規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)出臺后，行業(yè)門坎提高了，肯定要淘汰一批不符合標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)，企業(yè)要做好準(zhǔn)備�！眹艺彰麟娖鳂�(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會負(fù)責(zé)人表示，標(biāo)準(zhǔn)的出臺將使太陽能LED產(chǎn)業(yè)提前進(jìn)入規(guī)范化調(diào)試期，引導(dǎo)行業(yè)由無序、無標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，向有序、有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，“山寨燈”橫行的局面將得以改變。
即將實(shí)施的《廣東省太陽能LED燈地方標(biāo)準(zhǔn)》是中國大陸地區(qū)LED行業(yè)首個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)，適用于250V以下直流電源或1000V以下交流供電的道路、街路、隧道照明和其它室外公共場所照明用太陽能LED燈。對于照明領(lǐng)域來說，這是一次不小的革命。
本次設(shè)計(jì)的太陽能路燈的總電路圖如圖5.1所示，其工作原理：太陽照射在硅光板上，太陽能電池開始工作，使二極管D1跟三極管Q1工作，蓄電池開始蓄電，待蓄電池蓄電完畢后，根據(jù)程序的設(shè)定，Q1反作用，停止蓄電；到晚上天色昏暗時(shí)，設(shè)定的程序啟動，使蓄電池開始放電，二極管D2，D3， D4，D5，導(dǎo)通，三極管Q2，Q3工作，使LED燈照明，直到第二天早上，預(yù)先設(shè)定的程序又作用，使LED燈熄滅；當(dāng)有太陽照射硅光板的時(shí)候，蓄電池又開始蓄電，這樣，無限的循環(huán)，就可以使路燈自動蓄電，自動照明，自動熄滅，大大減少了人力物力，而且這樣的設(shè)計(jì)，能節(jié)約更多的電能。
圖5.1 太陽能路燈的總電路圖
如圖5.2所示，下面是本次設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用例子。
圖 5.2
頭頂太陽能板，曬一天太陽能照明6天的新式太陽能路燈，近期出現(xiàn)在了肇慶園區(qū)星港街上。從園區(qū)城管部門了解到，今年園區(qū)將改造多處路燈，推廣綠色照明。
在基本完成改造的星港街上可以看到一批造型簡潔的新式太陽能路燈已經(jīng)豎立了起來。據(jù)路燈施工方相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，這批路燈頭頂有一塊太陽能板，將光能轉(zhuǎn)換為電能后自動存儲在路燈的蓄電池中。太陽能板曬一天太陽后，可以在蓄電池內(nèi)儲存供路燈正常工作6天所需的電量，即使接下來6天都是陰雨天，路燈照樣還能亮起來。
為了保證路燈的照度，這批太陽能路燈還安裝了一個(gè)特殊的控制轉(zhuǎn)換器，當(dāng)太陽能發(fā)電不能滿足路燈照明需要時(shí)就會自動切換到普通電源。有了太陽能板、蓄電池和控制轉(zhuǎn)換器的路燈，在造價(jià)上自然比普通路燈要貴一些。據(jù)該負(fù)責(zé)人介紹，星港街沿線共要安裝1500套太陽能路燈，部分景觀帶上的照明燈也將使用太陽能燈。
從園區(qū)城管部門了解到，今年園區(qū)將著手改造部分道路照明，全部使用節(jié)能燈具和綠色能源。首期老路燈改造，要把園區(qū)8到10條主要道路的老式路燈燈頭更換為LED路燈燈頭，預(yù)計(jì)可節(jié)電三分之二。另外，中新科技城今年也將改造安裝太陽能LED路燈3500套。園區(qū)在亮化工程建設(shè)中，將盡可能地采用以LED為主的節(jié)能型光源和燈具，可比傳統(tǒng)光源節(jié)能約30%。
據(jù)了解到，在廈門，北京，甘肅，上海，廣東等城市也開始著手安裝新式的太陽能LED燈，這對我國推行節(jié)能照明邁出了一大步。
結(jié) 論
整體設(shè)計(jì)基本上考慮到了各個(gè)環(huán)節(jié)；光伏組件的峰瓦數(shù)選型設(shè)計(jì)與蓄電池容量選型設(shè)計(jì)采用了目前最通用的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)思想比較科學(xué)；抗風(fēng)設(shè)計(jì)從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面；路燈整體結(jié)構(gòu)簡約而美觀；經(jīng)過實(shí)際運(yùn)行證明各環(huán)節(jié)之間匹配性較好。 目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個(gè)主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價(jià)格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價(jià)格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環(huán)保節(jié)能相比，常規(guī)化石能源日趨緊張，并且使用后對環(huán)境會造成了日益嚴(yán)重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現(xiàn)給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。
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