【正文】 最清潔的能源，太陽能作為一種巨量可再生能源，每天達(dá)到地球表面的輻射能大約等于 ，可以說是取之不盡、用之不竭。太陽能作為一種安全、環(huán)保新能源越來越受重視。同時，隨著太陽 能光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，太陽能燈具產(chǎn)品在環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢，太陽能路燈、庭院燈、草坪燈等方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模，太陽能發(fā)電在路燈照明領(lǐng)域發(fā)展已經(jīng)日趨完善。 太陽能路燈與普通路燈相比較 普通照明路燈安裝復(fù)雜：普通路燈工程中有復(fù)雜的作業(yè)程序，首先要鋪設(shè)電纜，這里就需要進(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。太陽能路燈安裝簡便：太陽能路燈安裝時，不用鋪設(shè)復(fù)雜的線路，只要做一 個水泥基座，然后用不銹鋼螺絲固定就可。普通路燈電費高昂：普通路燈工作中需要支付固定高昂的電費，并且需要長期不間斷對線路和其它配置進(jìn)行維護(hù)或更換，維護(hù)成本逐年遞增 ；而太陽能路燈一般采用壽命長達(dá) 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。 太陽能路燈具免電費：太陽能路燈是一次性投入，無任何維護(hù)成本，長期受益。普通路燈存在安全隱患：普通路燈在施工質(zhì)量、景觀工程的改造、材料老化、供電不正常、水電氣管道的沖突等 方面都會帶來諸多安全隱患。太陽能路燈沒有安全隱患：太陽能路燈是超低壓產(chǎn)品，運行安全可靠。太陽能路燈的其它優(yōu)勢：綠色環(huán)保。綜上對比所述，太陽能路燈具有安全無隱患、節(jié)能無消耗、綠色環(huán)保、安裝簡便、自動控制免維護(hù)等特性。 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8～ 12米的太陽能路燈的造價一般在 ～ 。這些太陽能路燈一般使用的光源江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 2 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(dá) 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。 江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 3 2 設(shè)計構(gòu)想 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)定與可靠，所以在設(shè)計時需要特別注意。 現(xiàn)本人想設(shè)計一個太陽能路燈的電路 . ：白天太陽能路燈在智能控制器的控制下，太陽能電池板經(jīng)過太陽光的照射，吸收太陽能光 并轉(zhuǎn)換成電能，白天太陽電池組件向蓄電池組充電，LED 照明熄滅 .晚上蓄電池組提供電力給 LED燈光源供電 ，實現(xiàn)照明功能。直流控制器能確保蓄電池組不因過充或過放而被損壞 。 大概思路如下圖： 江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 4 3 太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理 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 圖 太陽能原理方框 太陽能路燈利用太陽能電池板配上專用微電腦智能控制器，將光能轉(zhuǎn)換為電能，無需挖溝拉線，安裝方便，節(jié)能環(huán)保等特點。微電腦智能控制器采用專用集成電路制造，轉(zhuǎn)換 率高，具有防過充、過放、自動調(diào)整充電電源、極性反接及輸出短路保護(hù)功能，大大延長蓄電池的使用壽命，安全可靠，使用方便。高效免維護(hù)蓄電池，蓄電強(qiáng)勁，經(jīng)久耐用，防水性強(qiáng)。時間控制器為自動跟蹤式，隨著各季節(jié)不同的光照時間自動調(diào)整開燈時間，并采用節(jié)能智能控制，夜深人靜時自動關(guān)閉其中路燈，延長照明時間。 太陽能路燈 ，不受地理位置的限制，安裝簡單方便 。 ，長期對照節(jié)約 。 ，不受停電限制 。 ，促進(jìn)環(huán)保發(fā)展，無污染，符合當(dāng)今社會發(fā)展方向，走低碳生活之路 。 綠色照明的概念，給人以全身心的視覺感受 。 。 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 PN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，從而在外江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 5 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(biāo)準(zhǔn)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(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，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。 江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 6 4 各部件的組成及工作原理 太陽能電池組件的組成及其工作原理 太陽能電池的分類 太 太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲起 來。 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、 Ⅲ V族、 ⅡⅥ 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 、有機(jī)太陽能電池、五 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。 下面是對太陽能電池進(jìn)行詳細(xì)介紹。 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(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。 2. 多元化合物薄膜太陽能電池 江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 7 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 IIIV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 IIIV化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 28%，砷化鎵化合物材料具有 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。但是砷化鎵材料的價格不菲 ,因而在很大程度上限制了用砷化鎵電池的普及。 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。 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)點在于它廉價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。 5. 有 機(jī)太陽能電池 有機(jī)太陽能電池，顧名思義，就是由有機(jī)材料構(gòu)成核心部分的太陽能電池。大家對有機(jī)太陽能電池不熟悉，這是情理中的事。如今量產(chǎn)的太陽能電池里， 95％以上是硅基的，而剩下的不到 5％也是由其它無機(jī)材料制成的。 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 。 江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 8 圖 圖 ，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，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照圖 。 圖 圖 ，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電子。而 實心 的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有 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?；钴S，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 ，如圖 。 圖 江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 9 PNE空間電荷區(qū)內(nèi)電場 圖 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，就會在接觸面 形 成電勢差，這就是 PN 結(jié) 。如圖 。 當(dāng) 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(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 。 前電極（ ）后電極（ + ）n 型（ p+ ）p 型（ B ）太陽光防反光涂層電流 圖 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，因此一江蘇城市職業(yè)學(xué)院畢業(yè)論文 10 般用金屬網(wǎng)格覆蓋 p－ n結(jié) ， 如圖 ，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 ，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。 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： （ 1） .太陽能電池只能在白天進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化工作，電