1.太陽能電池板簡介


利用太陽能的能源，是一種沒有任何污染的清潔能源，利用這一能源不存在環(huán)境保護(hù)和對生態(tài)的破壞因素，是真正的綠色能源。正因如此，人類一直在致力于太陽能的開發(fā)和應(yīng)用，其中將太陽的光能轉(zhuǎn)化為電能，是太陽能利用中的一個(gè)重要方面。


 


1.1光生伏特效應(yīng)---光伏電池原理


    早在1839年，法國物理學(xué)家貝克勒爾首先發(fā)現(xiàn)“光生伏特”效應(yīng)，即光致電的現(xiàn)象，經(jīng)科技界的努力，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體PN結(jié)在太陽光照射下，能產(chǎn)生電流，且效率較高，于是誕生了所謂的太陽能光伏電池，或稱半導(dǎo)體光伏器件，并進(jìn)入了產(chǎn)業(yè)化的時(shí)代，當(dāng)前太陽能的利用已進(jìn)入商品化的階段。


半導(dǎo)體光伏器件是基于當(dāng)太陽光的光子進(jìn)入半導(dǎo)體P型區(qū)時(shí)，其中能量大于禁帶寬度的光子被半導(dǎo)體材料吸收,激發(fā)出光生截流子，P區(qū)的電子向PN結(jié)擴(kuò)散，并被內(nèi)建電場拉向N區(qū)，同樣在N區(qū)產(chǎn)生的光生空穴被拉向P區(qū)，使PN結(jié)N區(qū)與P區(qū)兩邊積累大量的光生電子與光生空穴，形成光生電動(dòng)勢（即開路電壓），當(dāng)P、N極兩端有回路時(shí)，便會產(chǎn)生光生電流，這就是光伏電池的基本工作原理。光生電動(dòng)勢的開路電壓可表為：


                  Vo=β*K*T/[e*InIe/(Io+1)]…………………………………(1)


e為電子電荷量，而式中Io為PN結(jié)反向飽和電流，Ie則是光伏電池的電流，當(dāng)PN結(jié)兩端短路時(shí)，Ie=Ise即為短路電流。


 


1.2太陽能電池板電壓電流的構(gòu)成


目前商用太陽能電池分單晶硅和多晶硅兩種,光---電轉(zhuǎn)換效率在12％---15％之間,而太陽輻射到地球的光能,在峰值日照時(shí),平均約1kw/m2,若要產(chǎn)生1kw電能,需太陽能電池板的面積約為1m2/0.12=8.3m2。


    太陽能電池的基本組件是電為0.5V的電池單元,一個(gè)18V電池板可由18V/0.5V=36片電池單元串接構(gòu)成。輸出電流則可用電池單元阻件并接來實(shí)現(xiàn)要求的數(shù)值。


 


2.太陽能路燈設(shè)計(jì)規(guī)則


2.1太陽能路燈照明系統(tǒng)的構(gòu)成


    這里所指的太陽能供電的照明系統(tǒng),是指用LED作光源的非電網(wǎng)供電的離網(wǎng)照明燈具。即白天光生電,夜晚電生光的自循環(huán)照明系統(tǒng)。它由：


    (1)太陽能電池板---用于將太陽能轉(zhuǎn)成電能；


    (2)蓄電池---用于儲存所轉(zhuǎn)換的電能；


    (3)充放電管理器---控制對蓄電池充電和放電；


    (4)燈具(光源) ---晚間照明的光源；


    (5)燈桿及支架---用于合適的道路。


    五個(gè)部分構(gòu)成。






圖1 離網(wǎng)式太陽能燈具構(gòu)成框圖






圖2 太陽能路燈系統(tǒng)組件






2.2主要部件的設(shè)計(jì)依據(jù)


離網(wǎng)太陽能路燈照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì),是建立在下述幾方面要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行的：


    (1)燈具的功率(光源功率+供電損耗功率) ；


    (2)燈具連續(xù)工作時(shí)間(每天/小時(shí)) ；


    (3)連續(xù)無光照的時(shí)間(陰雨天數(shù)) ；


    (4)蓄電池浮充、放電特性(或容量百分率) ；


(5)燈具使用地區(qū)平均峰值日照時(shí)間(小時(shí)) 。


注：燈具的功率確定由《道路照明設(shè)計(jì)國家標(biāo)準(zhǔn)》確定。


 


2.2.1燈具光源功率的確定


    以道路照明燈具為例,光源功率是按照射光場面積S(m2),平均照度E(或平均亮度L),功率密度LPD等的要求,通過計(jì)算光通量  Φ,再選用光效lm/w符合要求的LED來構(gòu)成光源,確定光源功率Pd。


    本項(xiàng)目功率要求計(jì)算 ：


       S=9m(道路單側(cè)寬度)*300m(道路長度)/9(單側(cè)安裝燈具數(shù)量)


       E=10lx,   S=300M2, 采用?=80lm/w的LED燈具,則此燈具功率可求得為：


           Pd=Φ/?=(E*S)/?=(300m2*10lx)/(80lm/w)


                Pd=37.5W


   考慮燈具6年使用之后的光衰減70%-80%，則燈具功率為


               PL=37.5w/0.8=46.8W


   取整PL=50W


 


2.2.2太陽能電池組件功率P(so) 、電壓Vo(so)的確定


    燈具功率確定后,要查看用燈地區(qū)氣象資料,獲取太陽平均峰值日照時(shí)間t1,以及開燈時(shí)間t2,同時(shí)確定充電損耗系數(shù)ρ1,按下式求得太陽能電池板功率P(so) ：


              P(so)=(PL*t2*ρ1)/t1


    本項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算：


        PL=50w,t2=10h,t1=4.5,ρ=1.5-2,則可得：


            P(so)=(50w*10h*1.5)/4.5h=166W


    取整   P(so)=180W--200W


    若蓄電池用12V,則要求太陽能電池工作電壓Vo(so)為18V,此時(shí)工作電流I(so)=200w/18V=11.12A。


t1=4.5h，為長江中下游附近地區(qū)日照系數(shù)。


 


2.2.3蓄電池的確定


確定了燈具、太陽能電池板的設(shè)計(jì)要求后,就可對儲能蓄電池的容量進(jìn)行設(shè)計(jì)確定，即計(jì)算其伏安小時(shí)：


         Eh(Ah)=(PL*t2*ρ2*t3)/Ve


    式中：Eh---電池容量(ah),


                     t3---陰雨連續(xù)天數(shù),


                     ρ2---放電損耗系數(shù)1.5-2,


                     Ve---電池電壓。


    本項(xiàng)目進(jìn)行測試,可求得：


          Eh(Ah)=(50w*10h*1.5*5day) /12V=312Ah


可選12V,320Ah--360Ah膠體鉛酸蓄電池。


 


2.2.4對控制器的要求


太陽能LED路燈的電路設(shè)計(jì)中，控制器是一個(gè)關(guān)鍵部件，這個(gè)控制器要求能實(shí)現(xiàn)如下功能：


(1)開關(guān)燈控制：按太陽光對太陽能電池板的照度設(shè)定開燈與關(guān)燈的自動(dòng)控制電路；


(2)亮度調(diào)節(jié)：當(dāng)燈點(diǎn)亮起，計(jì)時(shí)5小時(shí)，使光源功率減半（且時(shí)間可調(diào)）；


    (3)過充保護(hù)：當(dāng)蓄電池電量較足時(shí)，控制充電電流，保持維持充電電流的值，當(dāng)蓄電池電量較低時(shí)，使充電電流達(dá)最大，并隨電量增高而減小，并設(shè)有過充電保護(hù)。


    (4)欠壓保護(hù)：控制器在蓄電池放電到最低允許容量時(shí)，將關(guān)閉光源供電回路，具有過放電保護(hù)功能。


 


2.2.5對蓄電池保護(hù)的要求


對于大容量鉛酸蓄電池,為延長其工作壽命(12年),不能采用過量充電或放電,亦即應(yīng)處于浮充、放狀態(tài),即充放電量在總?cè)萘康?0％---40％范圍內(nèi)，這就要充放電控制器來管理。


    每次放電在：320Ah*0.4≤128Ah。


    50w、12V的燈,每天工作10h的用電量為：


             (50w/12)*10*1.5=62.5Ah


    每天可充電量為：


             ( 180w/18V)*4.5h=45Ah


上述充放電量低于總?cè)萘康?0％,處于浮充放狀態(tài),可確保電池壽命,即使5天陰雨天,此時(shí)放電為62.5*5=312.5Ah≤320Ah,但過后恢復(fù)時(shí)間要長一些,好在通?？刂破鲿O(shè)置開燈5h后燈功率減半。






圖3路燈控制器設(shè)定的功率時(shí)間曲線






3.本項(xiàng)目路燈太陽能路燈參數(shù)


(1)燈具功率：50W


(2)開燈時(shí)間：10h


(3)連續(xù)陰雨天亮燈天數(shù)：5天


(4)太陽能電池功率：180W--200W/18V


(5)蓄電池容量：12V，320Ah-360Ah


(6)控制器功能：根據(jù)日間亮度，定時(shí)開關(guān)燈時(shí)間7-10h可選擇；實(shí)現(xiàn)定時(shí)燈具亮度調(diào)節(jié)。