【文章內(nèi)容簡介】 電和光生物發(fā)電。目前應(yīng)用的光伏發(fā)電，是將 9 照射到太陽能電池上的光，產(chǎn)生光伏效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成直流電能輸出，一般由太陽能電池方陣及支架、蓄電池、控制器、逆變器等部分組成。其缺點(diǎn)：間歇性。受氣候條件影響；能量密度低；初始投資高。迄今已有 100 多個國家參與太陽能光電池的開發(fā)應(yīng)用。近年來，產(chǎn)量迅速增加．生產(chǎn)成本開始下降 [7]。目前．光伏發(fā)電主要用于三大方面：為無電場合提供電源；太陽能日用電子產(chǎn)品。如各類太陽能充電器、太陽能燈具等；并網(wǎng)發(fā)電 [8]。 太陽能電池的工作原理 太陽能電池工作原理的基礎(chǔ)，是半導(dǎo)體 p— n 結(jié)的光生伏打效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)，簡單地說，就是當(dāng)物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電 動勢和電流的一種效應(yīng)。在氣體、液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)，但在固體尤其是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換為電能的效率特別高，因此半導(dǎo)體中的光電效應(yīng)引起人們的格外關(guān)注，研究 得最多，并發(fā)明制造出了半導(dǎo)體太陽能電池。 可將半導(dǎo)體太陽能電池的發(fā)電過程概括成以下四點(diǎn)： （ 1） 首先是收集太陽光和其他光使之照射到太陽能電池表面上。 （ 2） 太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發(fā)出非平衡載流子（光生載流子）— 電子－空穴對。這些電子和空穴應(yīng)有足夠的壽命，在他們被分離之前不會復(fù)合消失。 （ 3） 這些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池 pn 結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子－空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中在一邊，在 pn 結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動勢，即光生電壓。 （ 4） 在太陽能電池 pn 結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能（或其他光能）直接轉(zhuǎn)換成了電能 [9]。 太陽能電池的基本特性 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=時，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。 10 通過 Hay 模型的計算，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 [10]。 太陽能電池的 類型 太陽能電池是太陽能路燈中的重要部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。其作用是將太陽能輻射能轉(zhuǎn)換為電能，送到蓄電池中存存儲起來。 我們知道在太陽能光電池中，硅太陽能電池是目前發(fā)展最成熟，占主導(dǎo)地位的太陽能電池，它非常普遍而且實(shí)用，所以我們在大的范圍內(nèi)選 擇硅太陽能電池。而硅太陽能電池又分為單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池以及非晶硅 太陽能電池三種。這里對三種電池進(jìn)行比較： （ 1） 單晶硅太陽能電池 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 ％，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)中占據(jù)主導(dǎo)地位，但是單晶硅成本很高，大幅度降低其成本也很困難。單晶硅太陽能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定．適合在陰雨天比較多、陽光相對不是很充足的南方地區(qū)使用； （ 2） 多晶硅太陽能電池 多晶硅 太陽能電池 生產(chǎn)工藝相對簡單，價格比單晶硅低 ，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％ .適合在太陽光充足、日照好的東西部地區(qū)使用； （ 3）非晶硅太陽能電池 非晶硅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，所以也就直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。其對太陽光照條件要求比較低，適合在室外陽光不足的地區(qū)使用 [11]。 綜上所敘，本次設(shè)計我們選擇單晶硅太陽能電池。 蓄電池 蓄電池 是太陽能電池方陣的儲 能裝置，其作用是將方陣在有日照時發(fā)出的多余電能儲存起來，在晚間或陰雨天時供負(fù)載使用。蓄電池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能 在無太陽輻射的日子里，滿足用戶要求的供電時間和供電量。 蓄電池是一種化學(xué)電源，它將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲存起來。需要時再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?。能量轉(zhuǎn)換過程是可逆的，前者稱為蓄電池充電，后者稱為蓄電池放電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池對系統(tǒng)產(chǎn)生的電能起著儲存和調(diào)節(jié)作用。由于 11 光伏系統(tǒng)的功率輸出每天都在變化，在日照不足發(fā)電很少或需要維修光伏系統(tǒng)時。蓄電池也能夠提供相對穩(wěn)定的電能 [12]。 蓄電池的使用及對其 壽命 的影響 蓄電池的循環(huán)壽命主要由電池工藝結(jié)構(gòu)與制造質(zhì)量所決定。但是使用過程和維護(hù)工作對蓄電池壽命也有很大影響，有時是重大影響。首先，放電深度對蓄電池的循環(huán)壽命影響很大，蓄電池經(jīng)常深度放電，循環(huán)壽命將縮短。其次，同一額定容量的蓄電池經(jīng)常采用大電流充電和放電，對蓄電池壽命都產(chǎn)生影響。大電流充電，特別是過充時極板活性物質(zhì)容易脫落，嚴(yán)重時使正負(fù)極板短路；大電流放電時，產(chǎn)生的硫酸鹽顆粒大，極板活性物質(zhì)不能被充分利用，長此下去電池的實(shí)際容量將逐漸減小，這樣使用壽命也會受到影響。 蓄電池類型選擇 蓄電池有種類 很多，我們針對市面上常見的三種蓄電池進(jìn)行比較 ： （ 1）鉛酸 (CS)蓄電池：適于低溫高倍率放電，比能量偏低，目前大部分太陽能路燈采用。密封免維護(hù)，價格低。注意防止鉛酸污染，應(yīng)逐步淘汰。 （ 2）鎳鎘 (NiCd)蓄電池：放電倍率高、低溫性能好，循環(huán)壽命長，小型系統(tǒng)采用。注意防止鎘污染。 （ 3）鎳氫 (NiH)蓄電池：高倍率放電，低溫性能 好，價格便宜，無污染，為綠色環(huán)保電池。小型系統(tǒng)采用。要大力提倡 [13]。 本電路采用鉛酸免維護(hù)蓄電池， 不需專門的維護(hù)；即便傾倒電解液也不會溢出 ，不向空氣中排放氫氣和酸霧；安全性能更好。 鉛酸蓄電池充電特性 鉛酸蓄電池充電特性見圖 3。由充電曲線可以看出，蓄電池充電過程有三個階段，初期（ OA）電壓快速上升，中期（ ABC）電壓緩慢上升，延續(xù)較長時間， C 點(diǎn)開始為充電末期，電化學(xué)反應(yīng)接近結(jié)束，電壓開始迅速上升，接近 D 點(diǎn)時，負(fù)極析出氫氣，正極析出氧氣，水分被分解。上述所有跡象表明， D 點(diǎn)電壓標(biāo) 志著蓄電池已充滿電，應(yīng)立即停止充電，否則將給鉛酸蓄電池帶來損壞 通過對蓄電池充電特性（圖 2）的分析可知，在蓄電池充電過程中當(dāng)充電到 D 點(diǎn)的電壓出現(xiàn)時就標(biāo)志著該電 池已充滿。依據(jù)這一原理，在控制器 的軟件 中設(shè)置電壓 值 ，通過檢測出 D 點(diǎn)電壓值，即可判斷蓄電池是否應(yīng)該結(jié)束充電。對于開口式固定型鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（ 25， 充電率）下的充電終了（ D 點(diǎn)）電壓約 ～ 。對于閥控密封式鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的充電終了（ D 點(diǎn)）電壓約 ～ 。在控制 12 器里比較設(shè)置的 D 點(diǎn)電壓稱為 “ 門限電壓 ” 或 “ 電壓閾值 ” [14]。 圖 2 鉛酸蓄電池充電特性 Fig 2 Leadacid battery characteristics 鉛酸蓄電池放電特性 鉛酸蓄電池放電特性見圖 3。由放電曲線可以看出，蓄電池放電過程有三個階段，開始（ OE）階段電壓下降較快，中期（ EFG）電壓緩慢下降，延續(xù)時間較長， G 點(diǎn)后放電電壓急劇下降。其原因首先是酸濃度降低，引起電動勢基地；其次是活性物質(zhì)的不斷消耗，反應(yīng)面積減小，使極化不斷增加。此外由于硫酸鉛的不斷生成，使電池內(nèi)阻不斷增加。上述使放電電壓急劇下降的所有跡象表明， G 點(diǎn)電壓標(biāo)志著蓄電池已經(jīng)接近放電終了，應(yīng)立即停止放電，否則將給鉛酸蓄電池帶來不可逆轉(zhuǎn)的損壞。 圖 3鉛酸蓄電池放電特性 Fig 3 Leadacid battery discharge properties 通過上述對蓄電池放電特性（圖 3）的分析可知，在蓄電池放電過程中當(dāng)放電到相當(dāng)于 G 點(diǎn)的電壓出現(xiàn)時就標(biāo)志著該電池已放電終了。依據(jù)這一原理，在控制器中設(shè)置電壓測量和電壓比較電路，通過監(jiān)測出 G 點(diǎn)電壓值，即可判斷蓄電池是否應(yīng)結(jié)束放電。對于開口式固定型鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀太（ 25， 放電率）下的放電終了（ G 點(diǎn)）電壓約 ～ 。對于閥控密封式鉛酸蓄電池，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（ 25， 放電率）下的放電終了 (G 點(diǎn) )電壓約 ～ 。在控制器里比較器設(shè)置 的 G 點(diǎn)電壓稱為 “ 門限電壓 ” 或 “ 電壓閥值 ” [15]。 13 照明負(fù)載 太陽能燈具 的選擇 此處已刪除 14 圖 7 驅(qū)動電路 Fig 7 Driving circuit 燈桿和燈具外殼 燈桿的高度應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距，道路的照度標(biāo)準(zhǔn)來確定。燈具外殼根據(jù)我們收集了許多國外太陽能資料，在美觀和節(jié)能之間，大多