【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是PN結(jié)。 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(huì)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(huì)擴(kuò)散到P 區(qū)，P 區(qū)的空穴會(huì)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(chǎng)”，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(shì)差，這就是PN結(jié)。當(dāng)晶片受到光后，PN結(jié)中，N型半導(dǎo)體的空穴往P 區(qū)移動(dòng)，而P區(qū)中的電子往N 區(qū)移動(dòng)，從而形成從N 區(qū)到P 區(qū)的電流。然后在PN結(jié)中形成電勢(shì)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P－N結(jié)后如果在半導(dǎo)體中流動(dòng)，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)，以增加入射光的面積。另外硅表面非常光亮，會(huì)反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為了使太陽能電池板最大限度地減少光反射,將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?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，使太陽能電池板的表面呈紫色，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并聯(lián)或串聯(lián)起來使用，形成太陽能光電板。太陽能電池組件由進(jìn)口（或國產(chǎn)）單晶（或多晶）硅太陽能電池片串并聯(lián)，用鋼化玻璃、EVA及TPT熱壓密封而成，周邊加裝鋁合金邊框，具有抗風(fēng)、抗冰雹能力強(qiáng)、安裝方便等特性。廣泛應(yīng)用于太陽能照明、燈具、戶用供電、公路交通、建筑及光伏電站等領(lǐng)域 太陽能電池組件 太陽能電池陣列的伏安特性具有強(qiáng)烈的非線性。太陽能電池陣列的額定功率是在以下條件下定義的：當(dāng)日射S=l000W／m2；太陽能電池溫度T=25℃；大氣質(zhì)量AM=，太陽能電池陣列輸出的最大功率便定義為它的額定功率。太陽能電池陣列額定功率的單位為“峰瓦”，記以“Wp”。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，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。通過PVsyst軟件計(jì)算結(jié)果，可以得到的不同傾角平面的月平均太陽輻照量變化。在不同角度傾斜面上，太陽輻照量差別較大，要為電池板選擇合適的傾角使其能獲得最大的太陽輻照量[9]。太陽能電池板分為單晶硅和多晶硅兩種，多晶面積較大，發(fā)電效率沒有單晶高，因此根據(jù)需要本設(shè)計(jì)采用75W單晶硅太陽能電池組件。 太陽能電池板組件構(gòu)成(1)鋼化玻璃 （2）EVA （3）太陽能電池片（4）背板 （5）接線盒 （6）鋁合金邊框 影響太陽能電池輸出的因素 日照強(qiáng)度和溫度是影響電池輸出的重要因素，如圖2．圖210所示。 一定溫度不同日照 由以上兩圖可知，溫度相同時(shí)，隨著日照強(qiáng)度的增加，太陽能光伏電池的開路電壓幾乎不變，短路電流有所增加，最大輸出功率增加；在日照強(qiáng)度相同時(shí)，隨著溫度的升高，太陽能光伏電池的開路電壓下降，短路電流有所增加，最大輸出功率減小，具有負(fù)溫度系數(shù)。此外，無論在任何溫度和日照強(qiáng)度下，太陽能電池總有一個(gè)最大功率點(diǎn)，溫度(或日照強(qiáng)度)不同，最大功率點(diǎn)位置也不同。 蓄電池太陽能供電系統(tǒng)中，蓄電池的性能好壞直接影響系統(tǒng)的綜合成本及運(yùn)行好壞和使用壽命。蓄電池可分為：酸性蓄電池和堿性蓄電池。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，目前最受歡迎的是免維護(hù)鉛酸蓄電池，正規(guī)名稱叫閥控式密封鉛酸蓄電池。免維護(hù)蓄電池由于自身結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢(shì)，電解液的消耗量非常小，在使用壽命內(nèi)基本不需要補(bǔ)充蒸餾水。它還具有耐震、耐高溫、體積小、自放電小的特點(diǎn)。使用壽命一般為普通蓄電池的兩倍。鉛酸蓄電池的電極主要由金屬鉛制成，電解液是硫酸溶液的一種蓄電池。一般由正極板、負(fù)極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成。 鉛酸蓄電池的示意圖 鉛酸蓄電池的工作原理鉛酸蓄電池是一種利用化學(xué)反應(yīng)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娔艿碾娀瘜W(xué)電源設(shè)備。它具有能釋放能量又有能儲(chǔ)存能量，它能把其它能量轉(zhuǎn)換為電能儲(chǔ)存起來。鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生，： 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（PbO2），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質(zhì)氫氧化鉛（Pb(OH)4），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（Pb4+）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負(fù)極板是鉛（Pb），與電解液中的硫酸（H2SO4）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（Pb2+），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（2e）。可見，在未接通外電路時(shí)（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。其原理可通過下面的反應(yīng)方程式來表示：負(fù)極： Pb + H2SO4 → PbSO4 + 2H+ +2e 正極： PbO2 + H2SO4 + 2H+ +2e →PbSO4 + 2H2O 總反應(yīng)：Pb + PbO2 + 2H2SO4→ 2PbSO4 + 2H2O此反應(yīng)產(chǎn)生的電壓：E = E0 +（2RT/nF） 10Ln（aH SO4 /aH 2O）= + l0 Ln（aH SO4 /aH2O） 從此可以看出，當(dāng)aH SO4 /aH 2O=1 時(shí)，此反應(yīng)產(chǎn)生的電壓E = E0 =，這被稱為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下鉛酸電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢(shì)。人們有時(shí)為了方便，稱鉛酸電池的額定電壓是2V，就是緣于此。需要指出的是，2V 指的是單格電壓，如果串聯(lián)了3個(gè)單格，則電壓為6V，串聯(lián)了6個(gè)單格，電壓為12V； 反之，一個(gè)額定電壓為12V 的鉛酸電池必定串聯(lián)了6個(gè)單格，額定電壓為8V 的電池串聯(lián)了4個(gè)單格。放電時(shí)負(fù)極的活性物質(zhì)—海綿狀的鉛與電解液硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛，并釋放出電子，而正極的活性物質(zhì)—二氧化鉛接收負(fù)極釋放的電子并與電解液硫酸反應(yīng)生成硫酸鉛和水太陽能控制器應(yīng)用于太陽能光伏系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)太陽能電池板、蓄電池、負(fù)載的工作，是光伏系統(tǒng)中非常重要的組件。使整個(gè)太陽能光伏系統(tǒng)高效，安全的運(yùn)作。 控制器的基本工作原理。太陽能電池的伏安特性具有很強(qiáng)的非線性，即當(dāng)日照強(qiáng)度改變時(shí)，其開路電壓不會(huì)有太大的改變，但所產(chǎn)生的最大電流有相當(dāng)大的變化，所以其輸出功率與最大功率點(diǎn)會(huì)隨時(shí)改變。然而當(dāng)光強(qiáng)度一定時(shí)，太陽能電池輸出的電流一定，可認(rèn)為是恒流源。因此，必須研究和設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的光伏控制器，才能更有效的利用太陽能。0輸出電壓（歸一化單位）100mV/cm, 25℃PmaxIP 太陽能電池的輸出特性曲線太陽能電池將吸收的光能轉(zhuǎn)換成電能而通過充放電控制器對(duì)蓄電池充電。充放電控制器的功能主要有兩個(gè)，一是對(duì)蓄電池的充放電保護(hù)，以避免蓄電池有過充或過放的情形發(fā)生，而蓄電池的任務(wù)則是儲(chǔ)能，以便在夜間或陰雨天供給負(fù)載用電；二是提供穩(wěn)定的直流電壓源供給逆變器或直流負(fù)載使用。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)未用到逆變器。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境太陽光線充足時(shí)，控制器就會(huì)進(jìn)入充電模式。蓄電池充電主要有兩個(gè)比較重要的電壓值：深度放電電壓和浮充電電壓。前者代表蓄電池充電的最高電壓，這些參數(shù)可從蓄電池產(chǎn)品手冊(cè)上查到。在電路設(shè)計(jì)中針對(duì)12V蓄電池。具體充電模式見表1所示。表1 蓄電池充電模式蓄電池電壓VBAT控制器工作模式欠壓保護(hù)值VBAT11V　涓流充電模式，采用MPPT算法優(yōu)化太陽能電池輸出功率，11VVBAT　恒流充電模式，采用MPPT算法優(yōu)化太陽能電池輸出功率，充電電流最大限制值取決于太陽能電池最大輸出功率VBAT　恒流充電模式，從表1可以看出恒流充電模式會(huì)用到MPPT算法，MPPT算法有很多種方式可以實(shí)現(xiàn)，總的來說各有優(yōu)劣，設(shè)計(jì)中采用相對(duì)簡(jiǎn)單的擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)。這種方法是通過增大或者減少充電電路開關(guān)信號(hào)PWM占空比，然后觀察輸出功率是變大還是變小，由此來決定下一步是增大還是減小占空比。由于太陽能電池的輸出變化相對(duì)比較緩慢，而且是單級(jí)點(diǎn)，所以采用這種方式可收到比較好的效果。 蓄電池給LED供電當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境太陽光線不足時(shí)，就會(huì)進(jìn)入蓄電池給LED供電模式。LED電流通過高位電流檢測(cè)芯片（TSC101AILT）采樣送回MCU，有MCU通過調(diào)整開關(guān)信號(hào)PWM的占空比來獲得恒定輸出電流。為了達(dá)到節(jié)能的目的，LED的恒定電流值會(huì)根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)的環(huán)境光強(qiáng)度來調(diào)整。當(dāng)環(huán)境光由暗變亮?xí)r，系統(tǒng)的輸出電流也會(huì)相應(yīng)從小變大；當(dāng)環(huán)境光照完全暗下來時(shí)，系統(tǒng)的輸出電流也達(dá)到預(yù)設(shè)的最大值。除了由環(huán)境光照控制LED的光輸出，用戶還可以通過設(shè)定開光DIP1～DIP4的狀態(tài)來設(shè)置LED燈的開啟時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)DIP1～DIP4的設(shè)定組合來控制LED路燈工作在5min～12h的時(shí)間范圍內(nèi)。此外，為了提高系統(tǒng)的可靠性，在電路設(shè)計(jì)中設(shè)置了針對(duì)太陽能電池組件，蓄電池和LED等一系列軟硬件的保護(hù)功能。第三章 50W LED太陽能路燈系統(tǒng)的計(jì)算光伏發(fā)電系統(tǒng)容量的設(shè)計(jì)的主要目的就是計(jì)算出來系統(tǒng)在全年內(nèi)能夠可靠工作所需要的太陽能電池組件和和蓄電池的數(shù)量，同時(shí)要注意協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的最大可靠性的基礎(chǔ)上盡量減少成本。光伏發(fā)電系統(tǒng)的容量設(shè)計(jì)漢族要包括負(fù)載用電量的估算，太陽電池組件數(shù)量和蓄電池容量的計(jì)算以及太陽電池組件安裝最佳傾角的計(jì)算。其設(shè)計(jì)步驟按圖所示進(jìn)行確定負(fù)載功率確定蓄電池容量計(jì)算日輻照量決定方陣傾角角角估算方陣電流確定方陣功率決定方陣電壓確定最佳電流列出基本數(shù)據(jù)圖 光伏系統(tǒng)發(fā)電量的設(shè)計(jì)步驟 負(fù)載的計(jì)算負(fù)載數(shù)量功率(W)工作時(shí)間(h/day.)LED燈源1509 每天負(fù)載用電量=50=450 蓄電池容量的計(jì)算設(shè)計(jì)一個(gè)完善的光伏發(fā)電系統(tǒng)需要考慮很多因素，進(jìn)行多種計(jì)算。然而，對(duì)地面應(yīng)用的獨(dú)立光伏系統(tǒng)而言，最重要的是根據(jù)使用要求，確定合理的太陽電池方陣和蓄電池容量。在地面獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池是僅次于光伏組件的最重要部件，而且隨著光伏組件價(jià)格的不斷降低，蓄電池在總投資中的比例正在逐漸增加。所以，合理配置蓄電池容量十分重要：容量過大，不僅增加投資，而且會(huì)造成蓄電池充電不足，長期處于虧電狀態(tài)，加上自放電等原因，蓄電池容易損壞；容量太小，容易造成過放電，不能滿足負(fù)載用電需要。、負(fù)載用電量L測(cè)算 負(fù)載用電量的測(cè)算是光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)和造價(jià)的關(guān)鍵因素之一。負(fù)載用電量的測(cè)算公式：日負(fù)載L(Ah)=負(fù)載(W)日工作時(shí)數(shù)(h)系統(tǒng)工作電壓(V)L= 509247。24= 參考RAPS Design Manual和Applied Photovoltaics兩個(gè)文獻(xiàn)，結(jié)合參數(shù)分析法，蓄電池容量的計(jì)算可以根據(jù)用電負(fù)荷和連續(xù)陰雨天數(shù)來確定，實(shí)際計(jì)算可按下式： 式中，C－蓄電池容量, S－蓄電池供電支持的天數(shù)（本次設(shè)計(jì)要求5天）, L－負(fù)載平均每天用電量, DOD－蓄電池放電深度（）, ηout 從蓄電池到負(fù)荷的效率:ηout = FoFi, Fo－交流配電電路效率（） Fi－逆變器效率（）, K－蓄電池放電容量修正系數(shù)（）等于蓄電池Amphour 效率的倒數(shù)。 由于所設(shè)計(jì)的太陽能路燈系統(tǒng)為獨(dú)立光伏直流系統(tǒng)不存在