【正文】 項功能需要的基礎(chǔ)上，提高道路照明系統(tǒng)的能效，降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約能源，減少污染，以達到節(jié)能和 環(huán)保 的目的。 設(shè)計要求 （ 1）電池板功率的計算和選用； （ 2）蓄電池容量、充放電控制和充放電狀態(tài)顯示； （ 3）連續(xù)陰雨天三天路燈仍能照明； (4）光線暗時路燈自動點亮，為節(jié)省電能晚上 24 點熄滅，早上 5點路燈點亮，早上光線強時路燈自動熄滅（開關(guān)燈時間點可調(diào)）； （ 5）系統(tǒng)斷電時可以保存用戶所設(shè)定的各種參數(shù)。 控制箱箱體以不銹鋼為材質(zhì)，美觀耐用；控制箱內(nèi)放置免維護鉛酸蓄電池和充放電控制器。 太陽能路燈照明系統(tǒng)工作原理介紹 系統(tǒng)工作原理如圖 31 所示，利用光生伏打效應(yīng)原理制成的太陽能電池白天太陽能電池板接收太陽輻射能并轉(zhuǎn)化為電能輸出，經(jīng)過充放電控制器儲存在蓄電池中，夜晚當(dāng)照度逐漸降低至 10lux 左右、太陽能電池板開路電壓 左右，充放電控制器偵測到這一電壓值后動作，蓄電池對燈頭放電。充放電控制器的主要作用是天黑時自動開燈；天亮?xí)r自動關(guān)燈；在蓄電池電量不足時，自動斷開負載，防止蓄電池過放電；并有短路保護、反接保護等。 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 (aSi:H,aSi:H:F,aSixGelx:H 等 )、Ⅲ V 族 (GaAs,InP 等 )、ⅡⅥ族 (Cds 系 )和磷化鋅 (Zn3P2 )等。 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 41。當(dāng)含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 42 所示。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。實心的為磷原子核，小的為多余的電子，如圖 所示。如圖 44 所示。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。達到平衡后，就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是 PN 結(jié)。然后在 PN結(jié)形成電勢差，這就形成了電源 ，如圖 45 所示。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)，如圖 45 所示，以增加入射光的面積。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。 太陽能電池組件 一個太陽能電池只能產(chǎn)生大約 電壓，遠低于實際應(yīng)用所需要的電壓。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導(dǎo)線連接。 10cm），這意味著一個太陽能電池組件大約能產(chǎn)生 17V 的電壓，正好能為一個額定電壓為 12V 的蓄電池進行有效充電。 組件的電氣特性 : 主要是指電流－電壓特性，也稱為Ⅰ－Ⅴ曲線，如圖 46 所示。 其中 Isc: 短路電流 Im: 最大工作電流 V: 電壓 Voc: 開路電壓 Vm: 最大工作電壓 圖 46 太陽能電池的電流－電壓特性曲線 太陽能電池組件的測量在標(biāo)準(zhǔn)條件下（ STC）進行，測量條件被歐洲委員會定義為 101 號標(biāo)準(zhǔn)，其條件是： 光譜輻照度 1000W/㎡； 光譜 ； 電池溫度 25℃。在一定的條件下，一個串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽能電池組件將被當(dāng)作負載消耗其它被光照的太陽能電池組件所產(chǎn)生的能量。這種效應(yīng)能很嚴(yán)重地破壞太陽能電池。為了防止太陽能電池由于熱斑效應(yīng)而被破壞，需要在太陽能電池組件的正負極間并聯(lián)一個旁路二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。 太陽能電池在使用時要注意極性，旁路二極管的正極與太陽能電池組件的負極相連，旁路二極管的正極與太陽能電池組件的負極相連。連接盒包含一個接 線盒和 1 只或 2 只旁路二極管。由于大多數(shù)二極管安裝在接線盒內(nèi)，盒內(nèi)受有限的散熱空間及接線盒結(jié)構(gòu)和材料的限制，要求二極管的熱性能一定要好，熱斑發(fā)生時，組件電流基本上都流經(jīng)旁路二極管，有電流流過就會有熱產(chǎn)生，同時，由于接線盒內(nèi)的二極管發(fā)熱也對接線盒提出了要求：接線盒要具備好的耐熱和好的散熱特性。 太陽能電池組件結(jié)構(gòu) （ 1）鋼化玻璃 低鐵鋼化玻璃（又稱白玻璃），厚度 毫米，在太陽電池光譜響應(yīng)的波長范圍內(nèi)（ 3201100NM）透光率達 90%以上，對于大于 1200NM 的紅外光有較高的反射率。 鋼化性能符合國標(biāo) GB996388 或者封裝后的組件抗沖擊性能達到國標(biāo)GB953588 地面用硅太陽能電池環(huán)境試驗方法中 規(guī)定的性能指標(biāo)。常溫下無黏性且具有抗黏性，經(jīng)過一定調(diào)價熱壓便發(fā)生熔融粘接與交聯(lián)固化，并且變的完全透明。另一方面，它和玻璃粘和后能提高玻璃的透光率，起著增透的作用，并對太陽能電池板的輸出有增益作用。 （ 3）太陽能電池片 太陽能電池片是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為 125*125 或 19 156*156。將太陽能電池片進行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池板，其功率一般為幾瓦到幾十瓦，一百瓦到兩百瓦以上，可以單獨作為電源使用。 絲網(wǎng)印刷工序： 背面銀電極印刷 (背銀 )：在電池片的正極面 (P 區(qū) )用銀、鋁漿料印刷兩條電極導(dǎo)線 (寬約 34mm)作為電池片的電極。這些保護材料具有良好的抗 環(huán)境侵蝕能力，絕緣能力并且可以和 EVA良好粘接。當(dāng)然，氟塑料膜具有太陽電池封裝所要求的耐老化、耐腐蝕、不透氣等基本要求。 PVF：聚氟乙烯，商品名為 Tedlar， Tedlar 是美國 DuPont 公司專利技術(shù)，按其生產(chǎn)工藝可分為 Tedlar OR 膜和 Tedlar SP 膜。 LE/LEFILM: 與 EVA 相似的熱熔膠黏劑。接線柱由外鍍鎳層的高導(dǎo)電解銅制成，可以確保電氣導(dǎo)通及電氣連接的可靠。 （ 6）鋁合金邊框 邊框采用硬制鋁合金制成，表面氧化層厚度大于 10 微米，可以保證在室外環(huán)境長達 25 年以上的使用，不會被腐蝕，牢固耐用。蓄電池也是整個太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部位，它是整個太陽能系統(tǒng)的儲備能源設(shè)備，白天時太陽電池給蓄電池充電，晚上，系統(tǒng)和負載所用電全部由蓄電池來提供，其次，陰雨天的供電也要靠蓄電池來完成。由于需求 21 的能量不能總是與它的產(chǎn)量相符，所以在多數(shù)獨立 PV 系統(tǒng)中需要蓄電池。 (2) 電壓和電流穩(wěn)定性。 鉛酸蓄電池的結(jié)構(gòu)及工作原理 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。在本設(shè)計中對此不做詳細講解。太陽能電池的伏安特性具有很強的非線性，即當(dāng)日照強度改變時，其開路電壓不會有太大的改變，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會隨時改變。因此，必須研究和設(shè)計性能優(yōu)良的光伏控制器，才能更有效的利用太陽能。充放電控制器的功能主要有兩個，一是對蓄電池的充放電保護，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)則是儲能，以便在夜間或陰雨天供給負載用電；二是提供穩(wěn)定的直流電壓源供給逆變器或直流負載使用。 蓄電池充電 當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線充足時，控制器就會進入充電模式。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)品手冊上查到。具體充電模式見表 1 所示。這種方法是通過增大或者減少充電電路開關(guān)信號 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。 蓄電池給 LED 供電 當(dāng)系統(tǒng)檢測到環(huán)境太陽光線不足時，就會進入蓄電池給 LED 供電模式。為了達到節(jié)能的目的， LED 的恒定電流值會根據(jù)系統(tǒng)檢測的環(huán)境光強度來調(diào)整。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 燈的開啟時間，系統(tǒng)會根據(jù) DIP1～ DIP4 的設(shè) 定組合來控制 LED路燈工作在 5min～ 12h 的時間范圍內(nèi)。 在太陽能 LED 路燈控制器硬件設(shè)計中應(yīng)注意以下事項： （ 1）感應(yīng)雷保護電路應(yīng)設(shè)計在太陽能電池引線入口保護電路周圍4mm 不要布置其他器件。 （ 3）充電、負載放電電路的 PCB 線路的寬度至少為 4～ 5mm，線路上用 搪錫處理以增加導(dǎo)通電流能力。電阻增大則電路效率下降，若選用電阻為 Ω選用過電流能力在 10A 以上的康銅絲作為電流取樣電阻，來產(chǎn)生取樣電壓，取樣電壓不超過 ，故采用運放 LM358 對它進行放大。超高亮度 LED 的研制成功大大的降低了太陽能 LED 照明燈具的使用成本，使之達到或接近工頻交流電照明系統(tǒng)的初裝成本 ，并且具有保護環(huán)境、安裝簡單。 采用平頭 LED 的柱式和炬式組合光源結(jié)構(gòu)，通過合理控制平頭 LED安裝傾斜角度，可使 LED 組合光源所發(fā)出的均勻度及照度得到大幅提升。通過對傳統(tǒng) LED 照明燈具的結(jié)構(gòu)、智能控制器、光源結(jié)構(gòu)的更新及技術(shù)改革，進行最佳傾斜角設(shè)計，使平頭和圓頭 LED 的優(yōu)勢互補，從而使其發(fā)光更均勻，整體亮度更高，成本更低 ，更有利于應(yīng)用推廣。目前太陽能組件、控制器、蓄電池和 LED 光源是太陽能 LED 照明燈具產(chǎn)品的 4個主要部件，它們各自的使用壽命參考值見表 42。河南理工大學(xué)位于焦作，平均實際日照時數(shù) 10 小時，平均峰值日照時數(shù)（組件表面上）為 小時；最小的日峰值日照時數(shù)為 小時 .。 根據(jù)以上資料，計算出焦作地區(qū)的太陽能電池組件最佳傾角為 51176。 (1) 負載日耗電量 QF = P179。 7/12 = 20(A178。 (2) 滿足負載 日用電的太陽能電池組件的充電電流 I1=Q179。 (3) 蓄電池容量的確定。 (d+1)/179。 8/0 .75179。 h) 513 式 式中， 為蓄電池放電深度； 為蓄電池安全系數(shù)。 h，則選用 2 節(jié) 12V、 120A178。 (4) 連續(xù)陰雨天過后需要恢復(fù)蓄電池容量的太陽能電池組件充電電流 I2 = C179。 式中， 為蓄電池放電深度。 18 = (+) 179。在太陽能 LED 路燈系統(tǒng)中，線損，控制器的損耗及恒流源的功耗各不相同，實際應(yīng)用中可能為 5％～10％。 表 51 太陽能 LED 路燈的配置方案 選取 2 塊峰值功率為 80W 的太陽能電池組件構(gòu)成太陽能電池陣列 。 表 52 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)參數(shù) 燈管高度 6m 組件支架 優(yōu)質(zhì)鋼材 光源度 6m 表面處理 熱鍍鋅 設(shè)計燈管間距 20m 燈管預(yù)埋件 優(yōu)質(zhì)圓鋼 序號 配件名稱 規(guī)格 單位 數(shù)量 備注 1 太陽能電池組件 80W 塊 2 單晶硅或多晶硅 2 蓄電池 12V/120Ah 塊 2 鉛酸蓄電池 3 光源 30W LED 只 1 暖白色 4 充放電控制器 12V/10A 臺 1 過充電、過放電保護 5 燈桿 6m 根 1 熱鍍鋅、噴塑 27 設(shè)計安裝數(shù)量（套） 200 燈桿基礎(chǔ) C25混凝土澆筑 太陽能路燈系統(tǒng)設(shè)計所在地位置 焦作地處中國內(nèi)陸，中緯度地帶，氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候。我市年平均氣溫為 ℃ ,冬季寒冷 ,平均氣溫 ℃。冬季極端最低氣溫為 ℃ (出現(xiàn)在 55 年 1 月 2 日 )，夏季平均氣溫 。年降水量平均為 毫米 ,全市降水主要集中在夏季。年日照時數(shù)約為 2516 小時。其中春季 天占全年的 %。其中春季 天。 52 河南理工大學(xué)所在地 (焦作 )的 (19611990)年平均基本氣候資料 月 水平 輻射 mWh/cm178。 太陽能電池組件的選擇 由設(shè)計要求知：太陽能電池組件的功率為 （ I1+I2）179。 18 = 160(W) 選取 2 塊峰值功率為 80W的單晶硅組件太陽能電池組件構(gòu)成太陽能電池陣列。組件出廠均進行嚴(yán)格的檢測，保證電性能參數(shù)盡可能一致，其中最大輸出功率 Pm、最大工作電流 Im 及工作電壓Wm 的離散性均小于177。 太陽電池組件的基本要求 (1)防水、防冰雹、防風(fēng)。安裝時用金屬支架固定，能抵御 10 級以上大風(fēng)。 (3)絕緣電壓：≥ 600V。 (5)迎 風(fēng)壓強 :2700Pa 。 (7)短路電壓溫度系數(shù)： + ℃。 (9)工作溫度： 40℃ ~+85℃。 圖 51 單晶硅太陽能電池組件的實物外形 30 圖 52 單晶硅太陽能電池組件的結(jié)構(gòu) 圖 53 光伏組件的 IV 輸出曲線 （ 2）單晶硅太陽能電池組件的技術(shù)參數(shù)見表 53。兩塊電池片的類型 單晶 /多晶 最大工作功率（ W） 80 最大功率電壓（ V） 最大功率電流（ A） 短路電流（ A） 開路電壓（ V） 最大系統(tǒng)電壓（ V） 700 工作溫度 (℃ ) 40℃ ~+85℃ 電池片數(shù)量（ PCS） 60 尺寸（ mm） 1195179。 30 短路電流隨溫度變化系數(shù) (%/℃ )