太陽能光伏照明系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)論文

1、 摘 要本文介紹一種基于光伏發(fā)電的太陽能照明系統(tǒng)的設(shè)計。這個設(shè)計闡述了太陽能路燈與普通路燈的區(qū)別，從中了解到太陽能照明的優(yōu)勢。太陽能是一種潛力無限的清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源，是全人類節(jié)能環(huán)保的首選。本文還對太陽能路燈照明的太陽能電池，蓄電池，支架等各方面作了一個詳細的分析，比較，再根據(jù)光伏發(fā)電的原理特性，系統(tǒng)采用了智能化控制器，對智能控制器編程序，使得程序可以滿足太陽能LED路燈的自動蓄電，自動照明，自動熄滅等一系列工作過程，使太陽能照明更加智能化。最后，本文還舉出例子，對現(xiàn)在正使用的太陽能路燈進行了分析，研究，明確太陽能發(fā)展的趨勢及前景。關(guān)鍵字：光伏發(fā)電；太陽能；節(jié)能環(huán)保；智能控制目

2、 錄1 緒 論41.1太陽能照明的節(jié)能優(yōu)點41.2太陽能照明是發(fā)展的趨勢51.3太陽能路燈與普通路燈相比較62 太陽能路燈設(shè)計思路93 太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理103.1太陽能路燈的組成103.2太陽能路燈的工作原理104 各部件的組成及工作原理124.1太陽能電池組件的組成及其工作原理124.2蓄電池的組成及工作原理144.3電源控制器的組成及工作原理164.4光源的選擇194.5各數(shù)據(jù)計算205 太陽能路燈的實際應(yīng)用22結(jié) 論23參 考 文 獻24致 謝251 緒 論1.1太陽能照明的節(jié)能優(yōu)點無論是現(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

3、持續(xù)的可再生能源。同時，使用太陽能也是一個明智的財務(wù)選擇。如果使用太陽能電池板為您的住宅供電，在收到每個月的電費單時，您就能體會到這一點。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，電費每年上漲 6.7%。太陽

4、能則可以用來預(yù)防未來電費的居高不下。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。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。在近期的民意調(diào)查中，當受訪對象被問及哪類能源最適合子孫后代時，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，不會排放二氧化碳 。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、安裝維護簡便等特點，可廣泛應(yīng)用于綠地照明、公

5、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。為實現(xiàn)這一目標，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，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為2億噸標準煤(不包括傳統(tǒng)方式利用生物質(zhì)能)，約占0.5個百分點，為2010年實現(xiàn)可再生能源占全國一次能源消費總量10%的目標邁出了堅實的一步。目前，我國正在從以下幾個方面來推動光伏發(fā)電的國內(nèi)市場發(fā)展：一、啟動送電

6、到村工程;二、在特殊工程上運用光伏發(fā)電，如世博會、奧運會等;三、在沙漠地區(qū)建光伏電站;四、動員一些城市啟動屋頂計劃;五、研究制定提高光伏發(fā)電競爭力的電價政策(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)的長遠發(fā)展。一旦國外光伏產(chǎn)業(yè)政策有變或者為保護本國產(chǎn)業(yè)采取限制進口的措施，中國近年來大量上馬的光伏項目將面臨困境。1.2太陽能照明是發(fā)展的趨勢近幾年來，全球太陽能電池產(chǎn)量增加了400%以上，中國更是猛增了近80倍，成為全球第一太陽能能電池生產(chǎn)大國。結(jié)合我國照明技術(shù)和優(yōu)勢，形成一個全新的技術(shù)領(lǐng)域-太陽能光伏照明，是我國科技進步和社會發(fā)展的必然。我國太陽能光伏照明行業(yè)已形成了研發(fā)單

7、位和生產(chǎn)企業(yè)2000多家、從業(yè)人員近10萬的隊伍，太陽能光伏照明裝置憑借其節(jié)能、環(huán)保、無需布線、自動控制、可隨時變換位置等優(yōu)點，已建立起重要的地位，各種應(yīng)用產(chǎn)品已呈遍地開花之勢。以北京“亮起來”工程為代表的太陽能光伏照明裝置應(yīng)用工作已在全國各地鋪開，太陽能光伏照明裝置已成為我國奧運會場館、城市和新農(nóng)村的以道風(fēng)景。太陽能或風(fēng)光互補路燈、庭院燈、草坪燈和太陽能裝飾燈、標志燈、廣告燈等的應(yīng)用逐漸形成規(guī)模，太陽能航標燈、信號標志燈已大規(guī)模應(yīng)用。我國太陽能光伏照明應(yīng)用已走在了世界的全列，某些裝置如太陽能草坪燈、太陽能手電筒已占世界銷量的80%以上。開發(fā)利用太陽能光伏照明裝置，是執(zhí)行我國資源節(jié)約型社會、節(jié)

8、能減排、可持續(xù)發(fā)展、改善生存環(huán)境等重大決策的主要舉措之一。我國光伏照明裝置應(yīng)用已進入快速發(fā)展的重要時期，但是，由于太陽能光伏照明是新興行業(yè)，市場需求猛增，但技術(shù)不太成熟的照明，缺 規(guī)范、標準，特別是國家和行業(yè)標準的制定邂逅于市場發(fā)展，至使目前產(chǎn)品規(guī)格混亂，質(zhì)量參差不齊，時有用戶不良反應(yīng)，市場初現(xiàn)無序狀態(tài)，有礙行業(yè)的健康發(fā)展。由于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的獨特優(yōu)點，太陽能電池進入實用階段不久就被應(yīng)用在照明領(lǐng)域。在我國早在20世紀70年代初天陽能電池就被應(yīng)用在航標燈上，當時在天津港安裝了太陽能航標燈。緊接著，為了解決無電區(qū)的照明問題，太陽能就越來越多的出現(xiàn)。在我國南方，出現(xiàn)了太陽燈割膠燈以及其他許多太陽

9、能照明燈。近幾年來，由于太陽能電池產(chǎn)量的大幅度增加以及我國改革開放以來國民經(jīng)濟實力的提高，太陽能照明燈具開始進入我們的生活；西部光明工程、太陽能路燈、太陽能家庭院燈、太陽能草坪燈、太陽能景觀燈、太陽能工藝燈。，在美化生活的同時還給人們帶來了意外的驚喜：太陽能照明時代要到來了。大量試驗表明，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用計入整個工程，則兩種燈具在初始投資時造價相當。工程越大，普通燈具的工程施工費用越高，其初始投入大于太陽能燈具。使用時間越長，越能彰顯太陽能燈具的實惠。如果把人力、物力計算在內(nèi)

10、，普通燈具的輔助費用與維護費用都將比預(yù)算的高。在后續(xù)的使用費用上（電費、維護費用等），太陽能燈具的優(yōu)勢更明顯?！叭绻谌珖茝V使用3億只太陽能燈，其節(jié)能效果相當于新建一個三峽工程”。    據(jù)了解，太陽能的優(yōu)點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。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展，為太陽能燈最終走向千家萬戶打下了堅實基礎(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

11、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,采用免維護密封型蓄電池貯存電能,用高效節(jié)能燈照明,并采用先進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，采用直流供電，光敏控制、安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保，使用壽命長,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。然后進行長時間的安裝調(diào)試，如任何一條線路有問題，則要大面積返工。而且地勢

12、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；可持續(xù)降低物業(yè)管理成本，減少業(yè)主公共分攤部分的費用。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,防雷擊,無須其它電源,安全可靠,安裝、維護方便等特點。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。一盞普通的路燈以400W光源、日工作10小時計，1年平均耗電量是1460度電，還需要專人維

13、護、更換燈泡；而太陽能路燈一般采用壽命長達50000小時以上的LED燈作為光源，日常無需增加消耗電量的費用開支。換個角度說，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.大陽能路燈的造價其實不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算太陽能路燈其實并不貴。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用，還可能影響、破壞周圍植被和景觀，日常需要專人定時維護、更換燈泡，同時每隔大約1Km要建一個升壓站（防止輸電線路過長，電壓降低過大，影響燈光亮度），分攤下來的成本每盞大約在3萬元左右

14、，目前市政道路路燈的招標價格每盞一般也在23.5萬元之間。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)工程費用，一盞812米的太陽能路燈的造價一般在1.83.5萬元之間。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、時控、全自動、無觸點電子開關(guān)，故障率極低，整體路燈使用壽命要長達15年。此外，路燈與路燈之間彼此獨立工作、互不干擾，可根據(jù)實際情況將某段時間設(shè)計成節(jié)能照明狀態(tài)，從而有效降低造價。只要設(shè)計合理，實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

15、屬價格的上漲，偷盜路燈電纜成為一大治安問題。很多人擔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為這確實是一個問題。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.大陽能路燈的造價其實不高

16、，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，可免去遠距離敷設(shè)電纜時對植被和環(huán)境的破壞及其所需的工程費用；(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 太陽能路燈設(shè)計思路太陽能光伏發(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

17、可靠，所以在設(shè)計時需要特別注意。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，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)濟不發(fā)達、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?，F(xiàn)本人想設(shè)計一個太陽能路燈的電路.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點亮進行照明.并有電路保護電池不會過充過放。3 太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理3.1太

18、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)特點是：具有特大功率，光亮度相當于白熾燈150W-250W時，每天8小時照明，可在連續(xù)陰雨9天內(nèi)正常工作；應(yīng)用了具有充放電保護功能、光敏自控裝置和時控裝置的光電智能控制器，使產(chǎn)品可有效地節(jié)約能源，增加有效照明時間，降低生產(chǎn)成本；中央控制器單元采用單片機控制，并在智能控制器中建立了全球不同緯度的全年日照時間數(shù)據(jù)。使用時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)機的時間，就能夠長年自動跟蹤環(huán)境光線；在大面積使用后，啟動和關(guān)閉的時差很小，從而比較好的克服了傳統(tǒng)太陽能燈因

19、啟動時差過大而產(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)外但擴散進勢壘區(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)通過標準接口相連接，像一個小型的發(fā)電廠;另一類是獨立式發(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

20、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，當夜幕降臨或者燈具周圍的廣度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電設(shè)定的時間后切斷，這樣就可以照明了。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

21、，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)體薄膜形和有機膜形，而化合物半導(dǎo)體薄膜形又分為非結(jié)晶形、V族、族和磷化鋅等。 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。在實驗室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23%,規(guī)模生產(chǎn)時的效率為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

22、由于單晶硅成本價格高，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，其實驗室最高轉(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，直接影響了它的實際應(yīng)用。如果能進一步解決穩(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行詳細介

23、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,對熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs材料的價格不菲,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（

24、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。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優(yōu)點，將成為今后發(fā)展太陽能電池的一個重要方向。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。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半導(dǎo)體圖4.1中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當硅晶體中摻入其他的雜質(zhì)，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而實心的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只

25、有3個電子，所以就會產(chǎn)生入圖所示的空心的空穴，這個空穴因為沒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，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導(dǎo)體。實心的為磷原子核，小的為多余的電子。當P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，在兩種半導(dǎo)體的交界面區(qū)域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P型一側(cè)帶負電，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)的電子會擴散到P區(qū)，P區(qū)的空穴會擴散到N區(qū)，一旦擴散就形成了一個由N指向P的“內(nèi)電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后，就形成了這

26、樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN結(jié)。當晶片受光后，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 。由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過pn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，電流就能產(chǎn)生，因此一般用金屬網(wǎng)格覆蓋pn結(jié)，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)非常小的保護膜，如圖4.5所示，將反射損失減小到5甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們

27、又將很多電池（通常是36個）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，這是因為：.太陽能電池只能在白天進行光電轉(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?shù)剡B續(xù)幾個陰天的照明需要。.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。計算機產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展

28、，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。飛機等內(nèi)燃機的起動以及照明。蓄能。不間斷電源。移動通訊。便攜式電動五金|工具。電動玩具當中?？傊铍姵卦趪?。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。交通運輸。電力。電子。通訊。教學(xué)?？蒲?。醫(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

29、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。扣式和圓柱形，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，

30、循環(huán)壽命長等特點。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)堅固。耐用。壽命長等特點，比能量較低，多用于礦井運輸車動力電源。5鋅銀蓄電池鋅銀蓄電池負極為鋅，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極為鋅

31、，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有高比能量，價格較低；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極是碳(石墨),正極是氧化鈷鋰，由于采用有機電解質(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)展機會。至今目前，我國從事蓄電池生產(chǎn)的企業(yè)已達千家之多。同時，免維護。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

32、采用的是鉛酸蓄電池，所以這里只對鉛酸蓄電池進行分析。鉛酸蓄電池充、放電化學(xué)反應(yīng)的原理如下： 1.充電：蓄電池從其他直流電源獲得電能叫做充電。充電時，在正、負極板上的硫酸鉛會被分解還原成硫酸、鉛和氧化鉛，同時在負極板上產(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。當正、負極板上的硫酸鉛都被還原成原來的活性物質(zhì)時，充電就結(jié)束了。 在充電時，在正、負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。2.放電蓄電池對外電路輸出電能時叫做放電。蓄電池連接外部電路放電時， 硫酸會與正、負極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，生成化合物“硫酸鉛”，放電時間越長，硫酸濃度越稀薄，電池里的“

33、液體”越少，電池兩端的電壓就越低。鉛酸蓄電池在放電時，正極的活性物質(zhì)二氧化鉛和負極的活性物質(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，正、負極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的硫酸鉛是一種結(jié)構(gòu)疏松、晶體細密的結(jié)晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過程中，正、負極疏松細密的硫酸鉛，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4.2所示，該 以STC12C5410A

34、D單片機為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負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，用于太陽能光線強弱的識別及蓄電池電壓的獲取。單片機的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4.2太陽能路燈智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) STC12C5410AD是STC12系列的單片機，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)

35、用編程（IAP），片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD對系統(tǒng)的工作進行實施調(diào)度，實現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、蓄電池及負載的管理、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,用于太陽光線強弱的判斷,因而可以作為白天、黃昏的識別信號。同時本系統(tǒng)支持太陽能板反接、反充保護。 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,對蓄電池進行充電管理。蓄電池開路保護:萬一蓄電池開路,若在太陽能電池正常充電時,控制器將關(guān)斷負載,以保證負載不被損傷

36、,若在夜間或太陽能電池不充電時,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弱的判斷，因而可以做為白天、黃昏的識別信號。同時本系統(tǒng)支持太陽能板反接、反充保護。 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功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路，控制器將關(guān)斷負載，以保證負載不被損傷，若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路，控制器由于自身得不到電力，不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓（15V）時，自動關(guān)斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓（13.2V）時，蓄電池進入浮充狀態(tài)，當?shù)陀诰S護電壓（13

37、.2V）后浮充關(guān)不，進入均充狀態(tài)。當蓄電池電壓低于保護電壓（11V）時，控制器自動關(guān)閉負載開關(guān)以保護蓄電池不受損壞。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負載輸出控制與檢測電路本系統(tǒng)設(shè)計了兩路負載輸出，每路輸出均有獨立的控制于檢測，具有完善的過流、短路保護措施，電路原理如圖4.3所示。 圖4.3 負載輸出控制與檢測電路注：P1.6為單片機18引腳；P1.7為單片機19引腳；P3.2為單片機6引腳負載過流及短路保護:設(shè)計了兩級保護。第一級采用了R7(0.01康銅絲)以及運放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短

38、路檢測電路配合單片機的A/D轉(zhuǎn)換及外部中斷響應(yīng)來實現(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,當電流超過額定電流20%并維持30s以上時,確認為過流;短路電流整定為10A,響應(yīng)時間為毫秒數(shù)量級。第二級采用了電子保險絲保護,當流經(jīng)電子保險絲的電流驟然增加時,溫度隨之上升,其電阻大大增加,工作電流大幅降低,達到保護電路目的,響應(yīng)時間為秒數(shù)量級,過流撤消或短路恢復(fù)后電子保險絲恢復(fù)成低阻抗導(dǎo)體,無須任何人為更換或維修。系統(tǒng)采用了兩級保護措施后,在長達數(shù)小時時間負載短路實驗后,控制器仍沒出現(xiàn)電路燒毀現(xiàn)象。解決了用傳統(tǒng)保險絲只能對電路進行一次性保護,一旦燒

39、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,簡化了維護,提高了系統(tǒng)的安全性能。4.3.4硬件設(shè)計中的注意點（1）感應(yīng)雷保護電路應(yīng)設(shè)計在太陽能電池板引線入口處,保護電路周圍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、負載放電電路的印刷線路寬度至少要45mm,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,要放置35個過孔。 （4）過流、短路保護電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個因素。電阻

40、增大則電路效率下降,本系統(tǒng)選用電阻為0.01,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,故采用運放LM358對它進行放大。 （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。4.4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20

41、00小時，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200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價格貴，整個系統(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，壽命可以達到5萬小時，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（因為太陽能燈具都是方波逆變器，太陽能電源220V輸出頻率、項位、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1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高。4.5各數(shù)據(jù)計算4.5.1太陽能電池組件計算設(shè)計要求：廣州地區(qū)，負載輸入電

42、壓24V功耗34.5W，每天工作時數(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)簡單計算廣州地區(qū)峰值日照時數(shù)約為3.424h；（2）負載日耗電量=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，兩個連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計最短天數(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的標準電池組件，應(yīng)該可以保

43、證路燈系統(tǒng)在一年大多數(shù)情況下的正常運行。4.5.2蓄電池容量計算蓄電池容量=負載功率*工作日時間*（儲存天數(shù)+1）/放電深度/系統(tǒng)電壓若蓄電池的最低工作溫度低于-20攝氏度，應(yīng)對蓄電池放電深度加以修正。4.5.3太陽能電池組件支架1.傾角設(shè)計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)計在太陽能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個需要非常重視的問題就是抗風(fēng)設(shè)計?？癸L(fēng)設(shè)計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計

44、，二為燈桿的抗風(fēng)設(shè)計。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)壓強為2700Pa。若抗風(fēng)系數(shù)選定為27m/s（相當于十級臺風(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）路燈燈桿的設(shè)計太陽能路燈常用的是鋼制錐形燈桿，奇特點是美觀，堅固，耐用，且便于做成各種造型，加工工藝簡單，機械強度高。由于太陽能路燈的工作環(huán)境是室外，為了防止燈桿生銹腐蝕而降低結(jié)構(gòu)強度，必須對燈桿進行防腐蝕處理，其主要方

45、法是針對銹蝕原因采取預(yù)防措施。防腐蝕要避免或減緩潮濕，高溫，氧化，氯化物等因素的影響，常用熱鍍鋅和噴塑處理。此外，由于太陽能燈桿內(nèi)安裝有控制器等電氣件，設(shè)計太陽能燈桿除了要滿足強度和造型方面的要求外，還必須注意燈桿防水防盜性能防止雨水進入燈桿內(nèi)造成電氣故障；維護門避免采用常規(guī)的工具就能打開，防止人為進行破壞和偷盜；在風(fēng)力較大的地區(qū)還必須要對燈桿進行抗風(fēng)設(shè)計。5 太陽能路燈的實際應(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燈地方標準，已經(jīng)于09年7月1日起實施?！耙郧皼]有行業(yè)標準，生產(chǎn)什么、怎么生產(chǎn)、產(chǎn)品達到什么技術(shù)要求沒有明確規(guī)定。標準出臺后，行業(yè)門坎提高了，肯定要淘汰一批不符合標準的企業(yè)，企業(yè)要做好準備。”國家照明電器標準化技術(shù)委員會負責(zé)人表示，標準的出臺將使太陽能LED產(chǎn)業(yè)提前進入規(guī)范化調(diào)試期，引導(dǎo)行業(yè)由無序、無標準狀態(tài)，向有序、有標準狀態(tài)轉(zhuǎn)變，“山寨燈”橫行的局面將得以改變。廣東省實施的廣東省太陽能LED燈地方標準