【正文】 1 系統(tǒng)組成 太陽能壁燈系統(tǒng)設(shè)計總體分析 太陽能壁燈以控制、工作方式的不同 ,可分為兩種系統(tǒng) : 光控開 光控關(guān) 原理 :白天 ,太陽光照射到太陽電池組件表面時 ,光伏效應(yīng)產(chǎn)生電能 ,并通過控制器對蓄電池進行充電 。光線逐漸增強 ,電池組件產(chǎn)生的電壓增大并達到控制器設(shè)定關(guān)斷電壓值時 ,控制器切斷負(fù)載。隨著光線逐漸減弱 ,太陽電池組件產(chǎn)生的電壓不斷下降 ,當(dāng)電壓值低于控制器設(shè)置的啟動電壓值時 ,控制器啟動負(fù)載工作。 由于單片機程序設(shè)計十分靈活 ,所以可由軟件設(shè)計選擇控制方式。 太陽能光伏發(fā)電的理論 為什么半導(dǎo)體 PN 結(jié)經(jīng)由太陽光一照就有電呢 ? 科學(xué)家們將這種光照生電的現(xiàn)象叫做“光生伏打效應(yīng)” ,簡稱“光伏效應(yīng)”?？昭ù碇姾?,正電荷的移動就形成了電流 ,這個電流就叫“光生電流” ,它與光電池板的面積、光照度、光電池板表面溫度等因素有關(guān)。電池的驅(qū)動能力的大小也即電動勢的大小與電流是直接相關(guān)的 ,雖然電動勢是以“伏特”為單位來表示的 ,但其“實力”是由內(nèi)部電流的強弱決定的 ,實踐中我們經(jīng)常能遇到這樣的情況 ,一節(jié) (塊 )電池的電壓還很高 ,但是電流特別小 ,電壓再高也是虛的?；芈分须娏鞯姆较蛴肋h與電子流動的方向相反。 光生電流決定了 太陽能電池的發(fā)電效率 ,因此光電產(chǎn)品和光伏發(fā)電工程特別要注意光電池組件板的安裝角度。 光生電流的產(chǎn)生 ,表面上看是“空穴導(dǎo)電”形成的 ,但實質(zhì)上還是電子的“定向填充空穴”形成的。 單晶硅內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)是四價電子結(jié)晶形態(tài)。原子間的空格也叫晶格 ,是自由電子活動的空間。這就是 P 型半導(dǎo)體的特性。與 P 型半導(dǎo)體相類似 ,單晶硅在高溫高壓下形成結(jié)晶態(tài)之前 ,在純硅當(dāng)中摻雜了五價的磷原子 ,結(jié)晶形成后 ,某一個磷原子 占據(jù)了硅原子的位置混在晶格中 ,結(jié)果 必定有一價電子找不到配對、無家可歸因而成為不安定因素。 ?現(xiàn)在要做一件好事 ,就是把 P 型半導(dǎo)體與 N 型半導(dǎo)體貼合在一起。 PN結(jié)是半導(dǎo)體器件技術(shù)和電子科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。這意味著超大規(guī)模集成電路的開發(fā)應(yīng)用會來一次歷史性的飛躍 ,帶給我們的好處是最高檔的 PC 機可以制作得很輕、很薄、很小巧。在太陽光子的激發(fā)下 ,N 區(qū)的自由電子異?；钴S ,終于沖破 PN 結(jié)的阻擋 ,逐次開始填充 P 區(qū)中的空穴。這就是“空穴的移動” ,這個移動是虛擬移動 ,晶格中的每個原子都在各自的位置上紋絲不動 ,動的只是與正電荷相配對的電子而已。但是 ,空穴的虛擬移動和電子的實際定向移動還都只是帶有電荷的載流子向電池上下兩面的聚集 ,只能形成電動勢 ,還不能形成電流。 控制器設(shè)計的理論基礎(chǔ) 太陽能壁燈控制器是太陽能壁燈系統(tǒng)中最為重要的部件 ,也是各種壁燈系統(tǒng)最大的區(qū)別所在。其設(shè)計的好壞 ,決定了一個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行情況的優(yōu)劣。 太陽能燈具中 ,一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。在溫差較大的地 方 ,合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償功能。 控制模塊的基本思想是檢測太陽能電池板電壓 ,若白天到 ,封鎖控制電路 ,LED 燈關(guān)閉 。同時檢測蓄電池端電壓 ,判斷其充電方式、以及對負(fù)載 LED 的供電方式。 太陽能控制器功能 : 。 。 。 蓄電池的充放電原理 以鉛酸電池為例。 鉛酸蓄電池充電后 ,正極板二氧化鉛 (),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 (),氫氧根離子在溶液中 ,鉛離子 ()留在正極板上 ,故正極板上缺少電子?？梢?,在未接通外電路時 (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 ,如圖 32 所示 ,兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差 ,這就是電池的電動勢。經(jīng)由放電 ,硫酸成分從電解液中釋出 ,放電愈久 ,硫酸濃度愈稀薄。 2. 充電中的化學(xué)變化 由于放電時在陽極板 ,陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會在充電時被分解還 原成硫酸 ,鉛及過氧化鉛 ,因此電池內(nèi)電解液的濃度逐漸增加 , 亦即電解液之比重上升 ,并逐漸回復(fù)到放電前的濃度 ,這種變化顯示出蓄電池中的活性物質(zhì)已還原到可以再度供電的狀態(tài) ,當(dāng)兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質(zhì)時 ,即等于充電結(jié)束 ,而陰極板 就產(chǎn)生氫 ,陽極板則產(chǎn)生氧 ,充電到最后階段時 ,電流幾乎都用在水的電解 ,因而電解液會減少 ,此時應(yīng)以純水補充。一般來說 ,當(dāng)有日照時 ,蓄電池與光伏陣列發(fā)電裝置并聯(lián)運行 ,此時蓄電池自放電或瞬間放電所損失的容量由浮充電流補足 。當(dāng)蓄電池組電量未飽和時 ,系統(tǒng)通過輸入變換單元對蓄電池組進行補充充電。在浮 充方式運行下的蓄電池 ,其充放電循環(huán)次數(shù)較少 ,自放電和瞬間放電后的電量能夠很快恢復(fù) ,因此蓄電池的使用壽命可以得到延長。這種方法特別適合于有多個蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進行充電 ,能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復(fù) ,最好用于小電流長時間的充電 模式。為避免充電后期電流過大的缺點 ,一種改進型的恒流方法得到應(yīng)用 ,它就是分段恒流充電 ,這種方法在充電后期把電流減小。充電過程中電壓、電流變化關(guān)系如圖 33 所示。因此在充電初期由于蓄電池電壓較低 ,充電電流很大 ,但隨著蓄電池電壓的漸漸升高 ,電流逐漸減小。 相對恒流充電來說 ,此法的充電電流自動減小 ,所以充電過程中析氣量小 ,充電時間短 ,能耗低 ,充電效率可達 80%,如充電電壓選擇適當(dāng) ,可在 8小時內(nèi)完成充電。 ② 如果蓄電池電壓過低 ,后期充電電流又過小 ,充電時間過長 ,不適合串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電。 這種充電方式 ,在光伏小系統(tǒng)中常采用 ,由于其充電電源來自太陽能陣列 ,其功率不足以使蓄電池產(chǎn)生很大的電流 ,所以在這樣的系統(tǒng)中蓄電池組串聯(lián)不多。它是在充電電源與蓄電池之間串聯(lián)一限流電阻 ,當(dāng)電流大時 ,其上的電壓降就大 ,從而減小了充電電壓 。 這種采用串電阻限流的方式對于光伏系統(tǒng)來說 ,肯定是不實用的 ,因為串聯(lián)電阻將消耗掉有限的電能。 兩階段、三階段充電 這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點而結(jié)合的一 種充電策略。這樣蓄電池在初期充電不會出現(xiàn)很大的電流 ,在后期也不會出現(xiàn)高電壓 ,使蓄電池產(chǎn)生析氣。 在兩階段充電完畢 ,即蓄電池容量到達其額定容量當(dāng)時環(huán)境條件下時 ,許多充電控制器允許對蓄電池繼續(xù)以小電流進行充電 ,以彌補蓄電池的自放電 ,這種以小電流充電的方式也稱為浮充。如圖 35 的虛線段。在某些場合需要縮短充電時間 ,但采用電流過大時蓄電池的溫度會升高過快 ,對蓄電池有損害 ,且電流利用率也下降。這種方式解決不產(chǎn)生大量析氣和不使溫度升高過大的方法是采 用不斷地脈沖充電和反向電流短時間放電相結(jié)合方法。這樣就可以大大地提高充電速度 ,縮短充電時間。 智能充電 智能充電是以美國人 //0.(馬斯 )研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎(chǔ)。 1967 年美國學(xué)者麥斯 J. A. Mas 經(jīng)過大量試驗提出了電池充電可接受電流定律 ,如式 34 所示 34 上式中 : ??電池可接受的充電電流 。 a??充電可接受電流衰減常數(shù)接收率 ,與電池的結(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān) ,aI /C,其中 I 為任意充電狀態(tài)下蓄電池可接受的充電電流 ,C 表示蓄電池的容量。 電池在充電過程中其充電可接受電流按圖 36 所示 ,具有指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性。當(dāng)充電電流在可接受電流曲線以下時 ,即處在 2 區(qū)域時 ,不產(chǎn)生析氣 ,此時充入的電量幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵氐幕瘜W(xué)能量。 圖 36 充電可接受電流曲線圖 雖說按照圖 36 所示的特性曲線進行充電 ,可以使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近 ,從而使蓄電池能得到快速充電 ,且對蓄電池影響較小。 LED 的發(fā)光及驅(qū)動原理 發(fā)光原理 發(fā)光二極體是一種將電流順向通到半導(dǎo)體 PN 結(jié)處而發(fā)光的器件 ,通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)。 PN 結(jié)結(jié)電壓構(gòu)成一定的勢壘 。由于電子遷移率μ比空穴遷移率大得多 ,出現(xiàn)大量電子向 P 區(qū)擴散 ,構(gòu)成對 P 區(qū)少數(shù)載流子的注入。 圖 37 PN 結(jié)發(fā)光的原理圖 為了提高載流子注入效率 ,可以采用異質(zhì)結(jié) (兩種不同材料的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域 )。右圖表示加正向偏置后 ,這兩個勢壘均減小。這樣 n 區(qū)的電子就越遷到價帶與注入的空穴復(fù)合 ,而發(fā)射出由 n 型半導(dǎo)體能隙 所決定的輻射。發(fā)光二極管與半導(dǎo)體二極管同樣加正向電壓 ,但效果不同。一般半導(dǎo)體二極管注入的載流子構(gòu)成正向電流。 圖 38 異質(zhì)結(jié)發(fā)光原理圖 LED 有三種激勵方式 : 1 用藍色 LED 激勵發(fā)黃光的熒光