1 緒 論
1.1太陽(yáng)能照明的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)
無(wú)論是現(xiàn)在還是將來(lái)，太陽(yáng)能都擁有廣闊的市場(chǎng)前景。潛力無(wú)限的太陽(yáng)能是一種清潔、高效而且可持續(xù)的可再生能源。同時(shí)，使用太陽(yáng)能也是一個(gè)明智的財(cái)務(wù)選擇。如果使用太陽(yáng)能電池板為您的住宅供電，在收到每個(gè)月的電費(fèi)單時(shí)，您就能體會(huì)到這一點(diǎn)。另外，太陽(yáng)能是環(huán)保的選擇——如果您知道使用太陽(yáng)能將為您的孩子留下一個(gè)更環(huán)保的美好世界，您一定會(huì)感到自豪。
如今，全球的光伏 (Photovoltaic, PV) 太陽(yáng)能供不應(yīng)求，是增長(zhǎng)最快的可再生能源之一。隨著制造工藝的高效化，光伏系統(tǒng)的成本將繼續(xù)下降。如今，光伏系統(tǒng)的價(jià)格已經(jīng)是 20 年前的 1/25。即使是商業(yè)電力公司，也正在尋求通過(guò)利用太陽(yáng)能來(lái)構(gòu)建更為穩(wěn)定的成本結(jié)構(gòu)。研究結(jié)果顯示，太陽(yáng)能在北方的氣候條件下更為有效。在加利福尼亞州，電費(fèi)每年上漲 6.7%。太陽(yáng)能則可以用來(lái)預(yù)防未來(lái)電費(fèi)的居高不下。在許多國(guó)家，您可以將富余電力賣給電力公司，沖抵您的電費(fèi)。與高成本的化石燃料污染和全球溫室效應(yīng)相比，太陽(yáng)能不僅使用范圍廣，而且更經(jīng)濟(jì)。在近期的民意調(diào)查中，當(dāng)受訪對(duì)象被問(wèn)及哪類能源最適合子孫后代時(shí)，太陽(yáng)能的得分高出所有其它能源。光伏系統(tǒng)在提供電力的同時(shí)，不會(huì)排放二氧化碳 (CO2)。一塊光伏組件在 25 年的有效使用期內(nèi)，可減少約 7.5 噸的碳排放量。
隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，我國(guó)的照明用電將大幅度提高，綠色節(jié)能照明的研究應(yīng)用，將越來(lái)越受到重視。太陽(yáng)能LED照明燈具作為冷光源產(chǎn)品，具有性價(jià)比較高、綠色環(huán)保、安全可靠、質(zhì)量穩(wěn)定、使用壽命長(zhǎng)、安裝維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于綠地照明、公路照明、廣告燈箱照明、城市造型景觀照明及家居照明系統(tǒng)，但太陽(yáng)能LED照明燈具一次性投入較高是其發(fā)展的瓶頸。
目前，照明消耗約占整個(gè)電力消耗的20%左右，降低照明用電是節(jié)省能源的重要途徑。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，業(yè)界已研究開發(fā)出多種節(jié)能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還較遠(yuǎn)，開發(fā)和應(yīng)用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢(shì)在必行。
到2006年底，我國(guó)可再生能源利用量總計(jì)為2億噸標(biāo)準(zhǔn)煤(不包括傳統(tǒng)方式利用生物質(zhì)能)，約占0.5個(gè)百分點(diǎn)，為2010年實(shí)現(xiàn)可再生能源占全國(guó)一次能源消費(fèi)總量10%2 的目標(biāo)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。目前，我國(guó)正在從以下幾個(gè)方面來(lái)推動(dòng)光伏發(fā)電的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)發(fā)展：一、啟動(dòng)送電到村工程;二、在特殊工程上運(yùn)用光伏發(fā)電，如世博會(huì)、奧運(yùn)會(huì)等;三、在沙漠地區(qū)建光伏電站;四、動(dòng)員一些城市啟動(dòng)屋頂計(jì)劃;五、研究制定提高光伏發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)力的電價(jià)政策(光伏產(chǎn)品90%的出口以及國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的缺失，都可能限制中國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。一旦國(guó)外光伏產(chǎn)業(yè)政策有變或者為保護(hù)本國(guó)產(chǎn)業(yè)采取限制進(jìn)口的措施，中國(guó)近年來(lái)大量上馬的光伏項(xiàng)目將面臨困境)。
1.2太陽(yáng)能照明是發(fā)展的趨勢(shì)
太陽(yáng)的能源非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽(yáng)光所產(chǎn)生的能量相當(dāng)于全球人類一年消耗的能量�？梢哉f(shuō)太陽(yáng)能是真正取之不盡、用之不竭的能源。目前，全球能源危機(jī)日益加劇，各國(guó)都在尋找新的能源，以取代即將枯竭的煤、石油、天然氣等地球上所剩無(wú)幾的不可再生能源。作為新型照明方式之一，太陽(yáng)能照明能否挑起重?fù)?dān)，在未來(lái)的照明行業(yè)中起主導(dǎo)作用？這不僅僅是照明行業(yè)所關(guān)注的焦點(diǎn)，也是整個(gè)社會(huì)思考和關(guān)注的焦點(diǎn)。
利用太陽(yáng)能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性在很多情況下要優(yōu)于常規(guī)的供電方式。太陽(yáng)能電源系統(tǒng)運(yùn)行成本低，幾乎不需要維護(hù)，不需要備件，不需要增添燃料。太陽(yáng)能系統(tǒng)設(shè)備可自動(dòng)運(yùn)行，適于在無(wú)人職守站使用。不包含任何運(yùn)轉(zhuǎn)部件，系統(tǒng)可連續(xù)工作、使用壽命超過(guò)數(shù)十年。、太陽(yáng)能電源系統(tǒng)的直流輸出電壓十分穩(wěn)定。無(wú)需為引接入電網(wǎng)而修路，在沒(méi)有電網(wǎng)的地方，太陽(yáng)能為靈活選取站址提供可能。除了直接的經(jīng)濟(jì)效益以外，太陽(yáng)能發(fā)電還有很多間接優(yōu)點(diǎn)。在其它一些供電系統(tǒng)，往往由于斷電而立即造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。太陽(yáng)能系統(tǒng)仍能保證穩(wěn)定可靠地工作。
太陽(yáng)能照明本質(zhì)上是一個(gè)光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，專業(yè)領(lǐng)域稱為“硅晶片地面光伏組件”。其工作原理是通過(guò)硅晶片接收太陽(yáng)光線后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，然后�?chǔ)存在蓄電池中，再由光感開關(guān)進(jìn)行控制，當(dāng)天黑時(shí)能夠自動(dòng)點(diǎn)亮，天亮?xí)r又自動(dòng)熄滅。太陽(yáng)能燈是光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的一種應(yīng)用產(chǎn)品，憑借其節(jié)能、環(huán)保、無(wú)需布線、自動(dòng)控制、隨時(shí)變換位置等優(yōu)點(diǎn)，在照明行業(yè)中樹立起神圣的地位。 因?yàn)楣杈瑑r(jià)格昂貴，最初的太陽(yáng)能僅應(yīng)用在航天事業(yè)上。在技術(shù)上稍有突破后，被美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家率先嘗試運(yùn)用在高科技領(lǐng)域。隨著太陽(yáng)能光伏技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，在民用方面首先應(yīng)用在照明燈具上。近幾年來(lái)，太陽(yáng)能燈具產(chǎn)品由于環(huán)保節(jié)能的雙重優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能庭院燈、太陽(yáng)能草坪燈和太陽(yáng)能裝飾燈等應(yīng)用逐漸形成規(guī)模。 3 大量試驗(yàn)表明，太陽(yáng)能燈具和普通燈具對(duì)比分析后得出：在滿足同樣照明要求的條件下，兩種不同的供電方式，太陽(yáng)能燈成本比普通燈具要高；如果將投入工程的施工費(fèi)用計(jì)入整個(gè)工程，則兩種燈具在初始投資時(shí)造價(jià)相當(dāng)。工程越大，普通燈具的工程施工費(fèi)用越高，其初始投入大于太陽(yáng)能燈具。使用時(shí)間越長(zhǎng)，越能彰顯太陽(yáng)能燈具的實(shí)惠。如果把人力、物力計(jì)算在內(nèi)，普通燈具的輔助費(fèi)用與維護(hù)費(fèi)用都將比預(yù)算的高。在后續(xù)的使用費(fèi)用上（電費(fèi)、維護(hù)費(fèi)用等），太陽(yáng)能燈具的優(yōu)勢(shì)更明顯�！叭绻谌珖�(guó)推廣使用3億只太陽(yáng)能燈，其節(jié)能效果相當(dāng)于新建一個(gè)三峽工程”，中山市百特照明科技有限公司朱建平經(jīng)理介紹。 據(jù)了解，太陽(yáng)能的優(yōu)點(diǎn)已被越來(lái)越多的人所接受。作為太陽(yáng)能應(yīng)用的系列產(chǎn)品之一，太陽(yáng)能燈具一直是各方研究和關(guān)注的焦點(diǎn)。在已有技術(shù)基礎(chǔ)上，技術(shù)人員與廠商集思廣益，在諸多方面取得了突破性進(jìn)展，為太陽(yáng)能燈最終走向千家萬(wàn)戶打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。專家預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能照明在未來(lái)十年后將會(huì)普及，成為未來(lái)照明行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。
1.3太陽(yáng)能路燈與普通路燈相比較
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，太陽(yáng)能逐漸被開發(fā)利用，并已成為最有發(fā)展前景的環(huán)保能源之一，太陽(yáng)能照明就是利用太陽(yáng)能最重要的途徑。太陽(yáng)能照明路燈采用高效單晶硅太陽(yáng)能電池供電,采用免維護(hù)密封型蓄電池貯存電能,用高效節(jié)能燈照明,并采用先進(jìn)的充放電和照明控制電路,具有性質(zhì)可靠、發(fā)光效率高、亮度大、安裝方便、無(wú)需鋪設(shè)電纜電線，無(wú)需交流電能和電費(fèi)，采用直流供電，光敏控制、安全可靠、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，實(shí)用)壽命長(zhǎng),是未來(lái)戶外照明的發(fā)展方向和照明燈具中的一枝新秀。
市電照明燈具安裝復(fù)雜：在市電照明燈具工程中有復(fù)雜的作業(yè)程序，首先要鋪設(shè)電纜，這里就要進(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(zhǎng)時(shí)間的安裝調(diào)試，如任何一條線路有問(wèn)題，則要大面積返工。而且地勢(shì)和線路要求復(fù)雜、人工和輔助材料成本高昂。對(duì)比而言，太陽(yáng)能照明綠色環(huán)保，能為高尚生態(tài)小區(qū)的開發(fā)和推廣增加新的賣點(diǎn)；可持續(xù)降低物業(yè)管理成本，減少業(yè)主公共分?jǐn)偛糠值馁M(fèi)用。綜上對(duì)比所述，太陽(yáng)能照明之安全無(wú)隱患、節(jié)能無(wú)消耗、綠色環(huán)保、安裝簡(jiǎn)便、自動(dòng)控制免維護(hù)等固有的特性將為樓盤的銷售、市政工程的建設(shè)直接帶來(lái)明顯可利用的優(yōu)勢(shì)。太陽(yáng)能照明燈具有體積小,重量輕,低能耗,高光強(qiáng),防雷擊,無(wú)須其它電源,安全可靠,安裝、維護(hù)方便等特點(diǎn)。太陽(yáng)能照明燈可廣泛應(yīng)用于：家庭別墅、單位花園、公園綠地、環(huán)保小區(qū)、房前路邊等戶外場(chǎng)所的照明。 4
一盞普通的路燈以400W光源、日工作10小時(shí)計(jì)，1年平均耗電量是1460度電，還需要專人維護(hù)、更換燈泡；而太陽(yáng)能路燈一般采用壽命長(zhǎng)達(dá)50000小時(shí)以上的LED燈作為光源，日常無(wú)需增加消耗電量的費(fèi)用開支。換個(gè)角度說(shuō)，每裝一盞太陽(yáng)能路燈，每年就可節(jié)省1460度電，十年可節(jié)省14600度。
1.大陽(yáng)能路燈的造價(jià)其實(shí)不高，因其使用壽命長(zhǎng)，比普通路燈更劃算
太陽(yáng)能路燈其實(shí)并不貴。在很多人眼里，路燈的成本不過(guò)是一根桿，一只燈泡。但是，事實(shí)上根本不是這樣子，一盞普通路燈除了這些成本，還有預(yù)埋地下的電纜申請(qǐng)和施工過(guò)程的費(fèi)用，還可能影響、破壞周圍植被和景觀，日常需要專人定時(shí)維護(hù)、更換燈泡，同時(shí)每隔大約1Km要建一個(gè)升壓站（防止輸電線路過(guò)長(zhǎng)，電壓降低過(guò)大，影響燈光亮度），分?jǐn)傁聛?lái)的成本每盞大約在3萬(wàn)元左右，目前市政道路路燈的招標(biāo)價(jià)格每盞一般也在2～3.5萬(wàn)元之間。
而太陽(yáng)能路燈的最大成本就是太陽(yáng)能電池板，無(wú)需預(yù)埋輸電電纜及相關(guān)工程費(fèi)用，一盞8～12米的太陽(yáng)能路燈的造價(jià)一般在1.8～3.5萬(wàn)元之間。這些太陽(yáng)能路燈一般使用的光源是長(zhǎng)壽命的LED燈或低壓鈉燈，使用的電壓都是絕對(duì)安全的直流低電壓，采用光控、時(shí)控、全自動(dòng)、無(wú)觸點(diǎn)電子開關(guān)，故障率極低，整體路燈使用壽命要長(zhǎng)達(dá)15年。此外，路燈與路燈之間彼此獨(dú)立工作、互不干擾，可根據(jù)實(shí)際情況將某段時(shí)間設(shè)計(jì)成節(jié)能照明狀態(tài)，從而有效降低造價(jià)。只要設(shè)計(jì)合理，實(shí)際比普通路燈更劃算。
2.偷盜難，也不劃算，太陽(yáng)能路燈燈桿一般都在8米高以上，偷盜電線不合算
近年來(lái)，由于銅以及其他金屬價(jià)格的上漲，偷盜路燈電纜成為一大治安問(wèn)題。很多人擔(dān)心太陽(yáng)能路燈采用的都是高新技術(shù)的材料，一旦被盜的損失會(huì)更高，持這種觀點(diǎn)的人不少，不僅僅有一些政府官員，連一些能源研究專家也認(rèn)為這確實(shí)是一個(gè)問(wèn)題。
小偷偷電線一般用剪或用絞輪拉，目的是為了獲得金屬銅謀取利益，而太陽(yáng)能路燈的內(nèi)部電線絕大部分都在燈桿里面且短而小，含銅量不如傳統(tǒng)路燈，加上燈桿較高，一般都在8米以上，要開著吊車才能將太陽(yáng)能電池板和電纜快速盜走，被盜可能性比傳統(tǒng)路燈要低得多。如果小偷真的開著吊車來(lái)偷路燈了，那不知是什么天下了，應(yīng)該不是偷了而是搶了！那我們國(guó)家能有這么亂嗎？因此，偷盜太陽(yáng)能路燈內(nèi)部電線是不合算的。
3.大陽(yáng)能路燈的造價(jià)其實(shí)不高，因其使用壽命長(zhǎng)，比普通路燈更劃算
(1)不受地理位置限制、無(wú)需消耗燃料，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件，建設(shè)周期短，規(guī)模大小隨意； (2)安全可靠、無(wú)污染、無(wú)噪聲、環(huán)保美觀、故障率極低、壽命長(zhǎng)；
(3)拆裝簡(jiǎn)易、移動(dòng)方便、工程安裝成本低，無(wú)需預(yù)埋架高輸電線路，可免去遠(yuǎn)距離敷設(shè)電纜時(shí)對(duì)植被和環(huán)境的破壞及其所需的工程費(fèi)用；
(4)廣泛應(yīng)用于道路照明上，非常適用于鄉(xiāng)村、農(nóng)場(chǎng)、山頭、海島、高速公路等輸電不便的偏僻地方。
2 設(shè)計(jì)思路
太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理相同，因而太陽(yáng)能路燈的設(shè)計(jì)思路也可依據(jù)一般的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，先確定太陽(yáng)電池組件的功率，然后計(jì)算蓄電池的容量。但太陽(yáng)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(jì)時(shí)需要特別注意。
太陽(yáng)能路燈是一種利用太陽(yáng)能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規(guī)電能，只要陽(yáng)光充足就可以就地安裝等特點(diǎn)，因此受到人們的廣泛關(guān)注，又因其不污染環(huán)境，而被稱為綠色環(huán)保產(chǎn)品。太陽(yáng)能路燈即可用于城鎮(zhèn)公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)、缺乏常規(guī)燃料，難以用常規(guī)能源發(fā)電，但太陽(yáng)能資源豐富的地區(qū)，以解決這些地區(qū)人們的家用照明問(wèn)題。
現(xiàn)本人想設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能路燈的電路.白天充電靠太陽(yáng)能電池吸收光能產(chǎn)生電能.而LED照明熄滅.夜晚LED點(diǎn)亮進(jìn)行照明.并有電路保護(hù)電池不會(huì)過(guò)充過(guò)放。
3 太陽(yáng)能路燈的組成原理框圖及其工作原理
3.1太陽(yáng)能路燈的組成
太陽(yáng)能路燈由太陽(yáng)能電池組件、蓄電池、電源控制器、光源等組成。如圖3.1
圖3.1 太陽(yáng)能原理方框
太陽(yáng)能路燈技術(shù)特點(diǎn)是：①具有特大功率，光亮度相當(dāng)于白熾燈150W-250W時(shí)，每天8小時(shí)照明，可在連續(xù)陰雨9天內(nèi)正常工作；②應(yīng)用了具有充放電保護(hù)功能、光敏自控裝置和時(shí)控裝置的光電智能控制器，使產(chǎn)品可有效地節(jié)約能源，增加有效照明時(shí)間，降低生產(chǎn)成本；③中央控制器單元采用單片機(jī)控制，并在智能控制器中建立了全球不同緯度的全年日照時(shí)間數(shù)據(jù)。使用時(shí)在控制器中輸入所在地區(qū)緯度，調(diào)整好年、月、日和開/關(guān)機(jī)的時(shí)間，就能夠長(zhǎng)年自動(dòng)跟蹤環(huán)境光線；④在大面積使用后，啟動(dòng)和關(guān)閉的時(shí)差很小，從而比較好的克服了傳統(tǒng)太陽(yáng)能燈因啟動(dòng)時(shí)差過(guò)大而產(chǎn)生的種種弊端。
3.2太陽(yáng)能路燈的工作原理
太陽(yáng)能光伏發(fā)電是依靠太陽(yáng)能電池組件，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性，當(dāng)太陽(yáng)光照射在半導(dǎo)體PN結(jié)上，由于P-N結(jié)勢(shì)壘區(qū)產(chǎn)生了較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴或產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各自向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使P區(qū)電勢(shì)升高，N區(qū)電勢(shì)降低，從而在外電路中產(chǎn)生電壓和電流，將光能轉(zhuǎn)化成電能。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大8
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(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口相連接，像一個(gè)小型的發(fā)電廠;另一類是獨(dú)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(guò)光伏數(shù)組將接收來(lái)的太陽(yáng)輻射能量經(jīng)過(guò)高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過(guò)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(dú)立式發(fā)電系統(tǒng)光伏數(shù)組首先會(huì)將接收來(lái)的太陽(yáng)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(guò)充電控制器后以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在蓄電池中。白天的時(shí)候，太陽(yáng)能電池吸收太陽(yáng)光子能產(chǎn)生電能，通過(guò)控制器吧電能儲(chǔ)存在蓄電池里，當(dāng)夜幕降臨或者燈具周圍的廣度較低時(shí)，蓄電池通過(guò)控制器向光源供電設(shè)定的時(shí)間后切斷，這樣就可以照明了。 9
4 各部件的組成及工作原理
4.1太陽(yáng)能電池組件的組成及其工作原理
4.1.1太陽(yáng)能電池的分類
太陽(yáng)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(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。 太陽(yáng)能電池根據(jù)所用材料的不同，太陽(yáng)能電池還可分為：硅太陽(yáng)能電池、多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池、聚合物多層修飾電極型太陽(yáng)能電池、納米晶太陽(yáng)能電池四大類，其中硅太陽(yáng)能電池是目前發(fā)展最成熟的，在應(yīng)用中居主導(dǎo)地位。
1. 硅太陽(yáng)能電池
硅太陽(yáng)能電池分為單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅薄膜太陽(yáng)能電池和非晶硅薄膜太陽(yáng)能電池三種。 單晶硅太陽(yáng)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23%,規(guī)模生產(chǎn)時(shí)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(jià)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(yáng)能電池的替代產(chǎn)品。 多晶硅薄膜太陽(yáng)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(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%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會(huì)在太陽(yáng)能電地市場(chǎng)上占據(jù)主導(dǎo)地位。 非晶硅薄膜太陽(yáng)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(shí)際應(yīng)用。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題，那么，非晶硅大陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。下面對(duì)硅太陽(yáng)能電池進(jìn)行詳細(xì)介紹。 2. 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池 多元化合物薄膜太陽(yáng)能電池材料為無(wú)機(jī)鹽，其主要包括砷化鎵III-V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(yáng)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(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，因此， 并不是晶體硅太陽(yáng)能電池最理想的替代產(chǎn)品。 砷化鎵（GaAs）III-V 化合物電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)28%，GaAs 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(duì)熱不敏感，適合于制造高效單結(jié)電池。但是GaAs 材料的價(jià)格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs 電池的普及。 銅銦硒薄膜電池（簡(jiǎn)稱CIS）適合光電轉(zhuǎn)換，不存在光致衰退問(wèn)題，轉(zhuǎn)換效率和多晶硅一樣。具有價(jià)格低廉、性能良好和工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，將成為今后發(fā)展太陽(yáng)能電池的一個(gè)重要方向。唯一的問(wèn)題是材料的來(lái)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(yáng)能電池
以有機(jī)聚合物代替無(wú)機(jī)材料是剛剛開始的一個(gè)太陽(yáng)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(lái)源廣泛，成本底等優(yōu)勢(shì)，從而對(duì)大規(guī)模利用太陽(yáng)能， 提供廉價(jià)電能具有重要意義。但以有機(jī)材料制備太陽(yáng)能電池的研究?jī)H僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無(wú)機(jī)材料特別是硅電池相比。能否發(fā)展成為具有實(shí)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(yáng)能電池 納米TiO2 晶體化學(xué)能太陽(yáng)能電池是新近發(fā)展的，優(yōu)點(diǎn)在于它廉價(jià)的成本和簡(jiǎn)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(yáng)電池的1/5～ 1/10．壽命能達(dá)到2O 年以上。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來(lái)會(huì)逐步走上市場(chǎng)。
4.1.2 硅太陽(yáng)能電池工作原理與結(jié)構(gòu)
太陽(yáng)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4.1。
圖4.1 中，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(gè)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(shí)，硅晶體中就會(huì)存在著一個(gè)空穴，它的形成可以參照?qǐng)D4.2 所示。
圖4.2
圖4.2 中，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(gè)電子。而實(shí)心的表示摻入的硼原子，因?yàn)榕鹪又車挥? 個(gè)電子，所以就會(huì)產(chǎn)生入圖所示的空心的空穴，這個(gè)空穴因?yàn)闆](méi)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?yàn)榱自佑形鍌�(gè)電子，所以就會(huì)有一個(gè)電子變得非�；钴S，形成N（negative）型半導(dǎo)體。實(shí)心的為磷原子核，小的為多余的電子，如圖4.3 所示。
圖4.3
圖4.4
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(shí)，就會(huì)在接觸面形成電勢(shì)差，這就是PN 結(jié)。如圖4.4 所示。
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)晶片受光后，PN 結(jié)中，N 型半導(dǎo)體的空穴往P 型區(qū)移動(dòng)，而P 型區(qū)中的電子往N 型區(qū)移動(dòng)，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(shì)差，這就形成了電源 ，如圖4.5 所示。
圖4.5
由于半導(dǎo)體不是電的良導(dǎo)體，電子在通過(guò)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(yáng)光就不能通過(guò)，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4.5，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(yáng)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4.5 所示，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（通常是36 個(gè)）并聯(lián)或串聯(lián)起來(lái)使用，形成太陽(yáng)能光電板。
4.2 蓄電池的組成及工作原理
太陽(yáng)能照明必須配備蓄電池才能工作，這是因?yàn)椋海?）.太陽(yáng)能電池只能在白天進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲(chǔ)備在蓄電池內(nèi)，儲(chǔ)備的容量要足夠當(dāng)?shù)剡B續(xù)幾個(gè)陰天的照明需要。
（2）.太陽(yáng)能電池板的輸出能量極不穩(wěn)定，配備蓄電池后，太陽(yáng)能燈等負(fù)荷才能正常工作。
4.2.1蓄電池的種類和應(yīng)用
化學(xué)電源是人類目前可以利用的高效能源之一。蓄電池也稱作二次電源，它是一種把化學(xué)反應(yīng)所釋放出來(lái)的能量直接轉(zhuǎn)變成直流電能的裝置。蓄電池按照其電解液的不同，通常分為酸性電池和堿性電池。近幾十年來(lái)，由于交通。通訊。計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，其產(chǎn)品系列。產(chǎn)品種類。產(chǎn)品性能發(fā)生了巨大變化，以此滿足不同用途的需要。目前，蓄電池主要應(yīng)用于各種車輛。船舶。飛機(jī)等內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)以及照明。蓄能。不間斷電源。移動(dòng)通訊。便攜式電動(dòng)五金|工具。電動(dòng)玩具當(dāng)中。
總之，蓄電池在國(guó)防。工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。交通運(yùn)輸。電力。電子。通訊。教學(xué)�？蒲小ａt(yī)療衛(wèi)生以及人們?nèi)粘Ｉ钪斜粡V泛應(yīng)用。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池。鎘鎳蓄電池。鐵鎳蓄電池。金屬氧化物蓄電池。鋅銀蓄電池。鋅鎳蓄電池。氫鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等。
常用蓄電池介紹：
1．鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池負(fù)極為鉛，正極為二氧化鉛，電解液為稀硫酸，主要有起動(dòng)型。固定型。牽引型。動(dòng)力型和便攜型，常為開口或防酸式(GF),少量為膠體電解液蓄電池(GEL)。近年來(lái)，，特別是VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄電池的出現(xiàn)，在某些領(lǐng)域已經(jīng)能夠取代堿性蓄電池和干電池，使鉛酸蓄電池發(fā)揮更大的作用。由于鉛酸蓄電池價(jià)格低廉，適于低溫高倍率放電，因此應(yīng)用廣泛，是我國(guó)的電信行業(yè)中后備電源的主要產(chǎn)品。但同時(shí)由于鉛酸蓄電池比能量偏低，生產(chǎn)過(guò)程有毒。污染環(huán)境等不利因素，一定程度上影響了其使用范圍。
2．鎘鎳蓄電池
鎘鎳蓄電池負(fù)極為鎘，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液。常見外形是方形�？凼胶蛨A柱形，其有開口。密封和全密封三種結(jié)構(gòu)。按極板制造方式又分有極板盒式。燒結(jié)式。壓成式和拉漿式。鎘鎳蓄電池具有放電倍率高。低溫性能好，循環(huán)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。
3．金屬氫化物鎳蓄電池
金屬氫化物鎳蓄電池是新開發(fā)出來(lái)的新產(chǎn)品，負(fù)極為吸氫稀土合金，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀。氫氧化鋰水溶液，比能量是鎘鎳蓄電池1.5-2倍，具有可快速充電。優(yōu)良的高倍率放電性能和低溫放電性能，價(jià)格便宜，無(wú)污染，被稱為綠色環(huán)保電池。
4．鐵鎳蓄電池
鐵鎳蓄電池負(fù)極為鐵粉，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液。具有結(jié)構(gòu)堅(jiān)固。耐用。壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，比能量較低，多用于礦井運(yùn)輸車動(dòng)力電源。
5．鋅銀蓄電池
鋅銀蓄電池負(fù)極為鋅，正極為氧化銀，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有較高的比能量及優(yōu)良的高倍率放電性能，但價(jià)格偏高，多用于軍事工業(yè)及武器系統(tǒng)。
6．鋅鎳蓄電池
鋅鎳蓄電池負(fù)極為鋅，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有高比能量，價(jià)格較低；但壽命較短，近年來(lái)鋅鎳蓄電池的循環(huán)壽命有了較大提高，預(yù)計(jì)隨著循環(huán)壽命的提高將獲得更廣泛應(yīng)用。
7．鋰離子蓄電池
鋰離子蓄電池負(fù)極是碳(石墨),正極是氧化鈷鋰，由于采用有機(jī)電解質(zhì)液，具有電壓高。比能量高及優(yōu)良的循環(huán)壽命，安全無(wú)污染，被稱為綠色電源。常作為通訊工具和便攜器材的電源。
總之，我國(guó)的蓄電池工業(yè)隨著各行各業(yè)的發(fā)展獲得了迅速發(fā)展機(jī)會(huì)。至今目前，我國(guó)從事蓄電池生產(chǎn)的企業(yè)已達(dá)千家之多。同時(shí)，免維護(hù)。閥控密封式鉛酸蓄電池。金屬氧化物物鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等新型蓄電池也各有側(cè)重的應(yīng)用于各行各業(yè)中。
4.2.2鉛酸蓄電池的工作原理
由于太陽(yáng)能路燈采用的是鉛酸蓄電池，所以這里只對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行分析。鉛酸蓄電池充、放電化學(xué)反應(yīng)的原理方程式如下：
1.充電：
蓄電池從其他直流電源獲得電能叫做充電。充電時(shí)，在正、負(fù)極板上的硫酸鉛會(huì)被分解還原成硫酸、鉛和氧化鉛，同時(shí)在負(fù)極板上產(chǎn)生氫氣，正極板產(chǎn)生氧氣。電解液中酸的濃度逐漸增加，電池兩端的電壓上升。當(dāng)正、負(fù)極板上的硫酸鉛都被還原成原來(lái)的活性物質(zhì)時(shí)，充電就結(jié)束了。 在充電時(shí)，在正、負(fù)極板上生成的氧和氫會(huì)在電池內(nèi)部“氧合”成水回到電解液中。
化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：
（正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液） （負(fù)極）
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充電反應(yīng)）
(硫酸鉛) （水） （硫酸鉛）
2.放電
蓄電池對(duì)外電路輸出電能時(shí)叫做放電。蓄電池連接外部電路放電時(shí)， 硫酸會(huì)與正、負(fù)極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng)，生成化合物“硫酸鉛”，放電時(shí)間越長(zhǎng)，硫酸濃度越稀薄，電池里的“液體”越少，電池兩端的電壓就越低。
化學(xué)反應(yīng)過(guò)程如下：
（正極） （電解液） （負(fù)極） （正極） （電解液）（負(fù)極）
PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 （放電反應(yīng)）
(過(guò)氧化鉛) （硫酸） （海綿狀鉛）
從以上的化學(xué)反應(yīng)方程式中可以看出，鉛酸蓄電池在放電時(shí)，正極的活性物質(zhì)二氧化鉛和負(fù)極的活性物質(zhì)金屬鉛都與硫酸電解液反應(yīng)，生成硫酸鉛，在電化學(xué)上把這種反應(yīng)叫做“雙硫酸鹽化反應(yīng)”。在蓄電池剛放電結(jié)束時(shí)，正、負(fù)極活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化成的硫酸鉛是一種結(jié)構(gòu)疏松、晶體細(xì)密的結(jié)晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過(guò)程中，正、負(fù)極疏松細(xì)密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會(huì)重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池就又處于充足電的狀態(tài)。正是這種可逆轉(zhuǎn)的電化學(xué)反應(yīng)，使蓄電池實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)存電能和釋放電能的功能。
4.3電源控制器的組成及工作原理
4.3.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
太陽(yáng)能路燈智能控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，如圖4.6所示，該 以STC12C5410AD單片機(jī)為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽(yáng)能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽(yáng)能光線強(qiáng)弱的識(shí)別及蓄電池電壓的獲取。單片機(jī)的P3口的兩位作為鍵盤輸入口，用于工作模式參數(shù)的設(shè)置。
圖4.6
STC12C5410AD 是STC12 系列的單片機(jī)，采用RISC 型CPU 內(nèi)核，兼容普通8051 指令采集，片內(nèi)容含有10KBFlash 程序存儲(chǔ)器，同時(shí)內(nèi)部還有看門口（WDT）；片內(nèi)集成MAX810 專用復(fù)位電路、8 通道10 位ADC 以及4 通道PWM；具有可編程的8 級(jí)中斷源4 種優(yōu)先級(jí)，具有在系統(tǒng)片成（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP），片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD 對(duì)系統(tǒng)的工作進(jìn)行實(shí)施調(diào)度，實(shí)現(xiàn)外部輸入?yún)?shù)的設(shè)置、蓄電池及負(fù)載的管理、工作狀態(tài)的指示等。
于設(shè)置狀態(tài)的識(shí)別及參數(shù)設(shè)置;P3.5(T1)接F2 鍵,該鍵用于自檢及“加1”功能,根據(jù)程序流程,分別實(shí)現(xiàn)不同功能。電壓采集與電池管理太陽(yáng)能電池板電壓采集,用于太陽(yáng)光線強(qiáng)弱的判斷,因而可以作為白天、黃昏的識(shí)別信號(hào)。同時(shí)本系統(tǒng)支持太陽(yáng)能板反接、反充保護(hù)。 蓄電池電壓采集,用于蓄電池工作電壓的識(shí)別。利用微控制器的PWM 功能,對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。蓄電池開路保護(hù):萬(wàn)一蓄電池開路,若在太陽(yáng)能電池正常充電時(shí),控制器將關(guān)斷負(fù)載,以保證負(fù)載不被損傷,若在夜間或太陽(yáng)能電池不充電時(shí),控制器由于自身得不到電力,不會(huì)有任何動(dòng)作。
4.3.2 電壓采集與電池管理
太陽(yáng)能電池板電壓采集用于太陽(yáng)光線強(qiáng)弱的判斷，因而可以做為白天、黃昏的識(shí)別信號(hào)。同時(shí)本系統(tǒng)支持太陽(yáng)能板反接、反充保護(hù)。
蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識(shí)別。利用微控制器PWM 功能對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。若太陽(yáng)能電池正常充電時(shí)蓄電池開路，控制器將關(guān)斷負(fù)載，以保證負(fù)載不被損傷，若在夜間或太陽(yáng)能電池不充電時(shí)蓄電池開路，控制器由于自身得不到電力，不會(huì)有任何動(dòng)作。當(dāng)充電電壓高于保護(hù)電壓（15V）時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷對(duì)蓄電池的充電；此后當(dāng)電壓掉至維護(hù)電壓（13.2V）時(shí)，蓄電池進(jìn)入浮充狀態(tài)，當(dāng)?shù)陀诰S護(hù)電壓（13.2V）后浮充關(guān)不，進(jìn)入均充狀態(tài)。當(dāng)蓄電池電壓低于保護(hù)電壓（11V）時(shí)，控制器自動(dòng)關(guān)閉負(fù)17
載開關(guān)以保護(hù)蓄電池不受損壞。通過(guò)PWM充電電路，可使太陽(yáng)能電池板發(fā)揮最大功效，提高系統(tǒng)充電效率。本系統(tǒng)支持蓄電池的反接、過(guò)充、過(guò)放。
4.3.3負(fù)載輸出控制與檢測(cè)電路
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩路負(fù)載輸出，每路輸出均有獨(dú)立的控制于檢測(cè)，具有完善的過(guò)流、短路保護(hù)措施，電路原理如圖4.7所示。
圖4.7
注：P1.6為單片機(jī)18引腳；P1.7為單片機(jī)19引腳；
P3.2為單片機(jī)6引腳
負(fù)載過(guò)流及短路保護(hù):設(shè)計(jì)了兩級(jí)保護(hù)。第一級(jí)采用了R7(0.01Ω康銅絲)以及運(yùn)放LM358、比較器LM393等器件組成的過(guò)流、短路檢測(cè)電路配合單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換及外部中斷響應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn),這里使用了硬件+軟件的方式,LM358的輸出送P1.7(A/D轉(zhuǎn)換)口,用作過(guò)流信號(hào)識(shí)別,當(dāng)電流超過(guò)額定電流20%并維持30s以上時(shí),確認(rèn)為過(guò)流;短路電流整定為10A,響應(yīng)時(shí)間為毫秒數(shù)量級(jí)。第二級(jí)采用了電子保險(xiǎn)絲保護(hù),當(dāng)流經(jīng)電子保險(xiǎn)絲的電流驟然增加時(shí),溫度隨之上升,其電阻大大增加,工作電流大幅降低,達(dá)到保護(hù)電路目的,響應(yīng)時(shí)間為秒數(shù)量級(jí),過(guò)流撤消或短路恢復(fù)后電子保險(xiǎn)絲恢復(fù)成低阻抗導(dǎo)體,無(wú)須任何人為更換或維修。系統(tǒng)采用了兩級(jí)保護(hù)措施后,在長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)時(shí)間負(fù)載短路實(shí)驗(yàn)后,控制器仍沒(méi)出現(xiàn)電路燒毀現(xiàn)象。解決了用傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲只能對(duì)電路進(jìn)行一次性保護(hù),一旦燒毀必須人為更換的問(wèn)題,同短路后需手動(dòng)復(fù)位或斷電后重新開啟的系統(tǒng)相比,也具有明顯的優(yōu)點(diǎn),簡(jiǎn)化了維護(hù),提高了系統(tǒng)的安全性能。
4.3.4硬件設(shè)計(jì)中的注意點(diǎn)
（1）感應(yīng)雷保護(hù)電路應(yīng)設(shè)計(jì)在太陽(yáng)能電池板引線入口處,保護(hù)電路周圍4mm內(nèi)不要布置其他器件。 （2）防止太陽(yáng)能電池板反接用的二極管必須采用快恢復(fù)二極管,這種管子導(dǎo)通內(nèi)阻小,充電時(shí)發(fā)熱量小,不用散熱器也可以連續(xù)充電,充電效果好。 （3）充電、負(fù)載放電電路的印刷線路寬度至少要4～5mm,線路上用搪錫處理以增加過(guò)電流能力,大電流導(dǎo)線在一層過(guò)渡到另一層時(shí),要放置3～5個(gè)過(guò)孔。 （4）過(guò)流、短路保護(hù)電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩(wěn)定性三個(gè)因素。電阻增大則電路效率下降,本系統(tǒng)選用電阻為0.01Ω,過(guò)電流能力在10A以上的康銅絲作為電流取樣電阻,來(lái)產(chǎn)生取樣電壓,取樣電壓最多不超過(guò)0.2V,故采用運(yùn)放LM358對(duì)它進(jìn)行放大。 （5）器件的布局和PCB圖的布線采用模塊化,大電流信號(hào)與小電流信號(hào)要分離,對(duì)放大電路的線路猶其要精心布置。數(shù)字地和模擬地分開,注意電源線和地線的布局。
4.3.5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
1.軟件編程要點(diǎn)
（1）本系統(tǒng)采用較少的按鍵實(shí)現(xiàn)了諸多功能，如負(fù)載工作模式的設(shè)計(jì)、雙燈同時(shí)工作還是分時(shí)工作、負(fù)載工作時(shí)間的設(shè)定、自檢功能等，為防止誤操作采取了一些措施。這種方法實(shí)際上是一鍵多用的一種嘗試，還可以推廣到更復(fù)雜的人際對(duì)話設(shè)計(jì)。
（2）鍵盤在定時(shí)終端服務(wù)程序中讀取，用終端間隔時(shí)間實(shí)現(xiàn)鍵盤的去抖，不必編寫另外的延時(shí)程序，提高了CPU的利用率。鍵盤值輸入存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，在主程序中讀數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的內(nèi)容，執(zhí)行鍵盤功能散轉(zhuǎn)子程序。
（3）環(huán)境光線（閃電、禮花燃放）對(duì)太陽(yáng)能電池板的采樣電壓有明顯的影像，在白天、黃昏、的識(shí)別時(shí)，要進(jìn)行軟件延遲，一般控制在2~3min。
（4）外部中斷為高優(yōu)先級(jí)中斷，編制子程序?qū)崿F(xiàn)負(fù)載過(guò)流、短路保護(hù)時(shí)，要充分考慮負(fù)載啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生數(shù)倍于額定電流的沖擊電流，沖擊電流維持在3ms~5ms，應(yīng)在軟件上采取措施，避免短路與負(fù)載開啟的誤判。確定負(fù)載過(guò)流、短路后，切斷負(fù)載輸出。負(fù)載切斷后，每隔一段時(shí)間，如20ms，應(yīng)試接通負(fù)載開關(guān)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)過(guò)流、短路信號(hào)已消除，則恢復(fù)負(fù)載的輸出，否則負(fù)載開關(guān)仍然保持?jǐn)嚅_。
（5）為保護(hù)負(fù)載（燈具），蓄電池過(guò)放保護(hù)恢復(fù)時(shí)，應(yīng)用軟件設(shè)置一個(gè)回差電壓，這樣負(fù)載開關(guān)不會(huì)出現(xiàn)顫抖現(xiàn)象，有利于延長(zhǎng)燈具的使用壽命。
（6）根據(jù)STC12C5410AD的Data Flash的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)寫入時(shí)必須啟動(dòng)ISP/IAP命令，CPU 等待IAP 動(dòng)作定時(shí)后，才繼續(xù)執(zhí)行程序，要先關(guān)斷中斷（EA）。還應(yīng)注意數(shù)據(jù)寫入Data Flash 存儲(chǔ)器，不能跨越扇區(qū)。
2.單片機(jī)軟件編程
本設(shè)計(jì)方案的硬件電路對(duì)應(yīng)的軟件程序包括:主程序、定時(shí)中斷程序、A/D 轉(zhuǎn)換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負(fù)載管理子程序。單片機(jī)的軟件編程上,以KeilC 編譯器的Windows 集成開發(fā)環(huán)境μ vision2 作為軟件開發(fā)平臺(tái),采用C51 高級(jí)語(yǔ)言編寫。按鍵處理流程如圖4.8 所示,電壓檢測(cè)子程序如圖4.9 所示。
圖4.8 按鍵程序流程圖
圖4.9 電壓檢測(cè)子程序流程圖
1. ADS 子程序
INT8U ADC(INT8U number)using 2
{number=number&0x0.7;//通道號(hào)不超過(guò)7
ADS_CONTR= ADS_CONTR e0; //清ADC_FLAG、AD 不啟動(dòng)
While（（ADS_CONTR&0x10）=0x10）； 等待A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)束
return（ADC_DATA）;//結(jié)束返回
}
2. 外部0 中斷響應(yīng)子程序
void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1
{if（P3_2） //高電平，認(rèn)為是干擾信號(hào)觸發(fā)中斷
return
delay 1（5000）； //10ms 延時(shí)
if（P3_2=0）
{load_switch_1=LSTOP;//負(fù)載開關(guān)1 關(guān)
LOOP1_DL=1; 置負(fù)載短路標(biāo)志
}
} 這個(gè)太陽(yáng)能路燈控制器可適用12V或24V工作光伏系統(tǒng)，可以直接驅(qū)動(dòng)只留節(jié)能燈或通過(guò)逆變器驅(qū)動(dòng)無(wú)極燈等作為照明光源，也可以驅(qū)動(dòng)一些直流低壓負(fù)載用于城市亮化�？刂破鞯膬陕坟�(fù)載輸出可以用于電動(dòng)車道和人行道的照明，照明時(shí)間和工作模式可以靈活設(shè)置。著重解決了如何對(duì)蓄電池及負(fù)載進(jìn)行有效管理問(wèn)題，提高了太陽(yáng)能電池板的使用效率，延長(zhǎng)了蓄電池的使用壽命，防止因線路問(wèn)題而造成的意外事件的發(fā)生。
4.4光源的選擇
4.4.1各種光源的特性比較
光源的選型對(duì)于太陽(yáng)能路燈來(lái)說(shuō)是最關(guān)鍵的一步，目前針對(duì)太陽(yáng)能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節(jié)能燈、高頻無(wú)極燈、低壓鈉燈和LED光源。
（1）低壓節(jié)能燈：功率小，光效較高，但使用壽命2000小時(shí)，電壓低燈管發(fā)黑，一般適合太陽(yáng)能草坪燈、庭院燈。 （2）低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達(dá)200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價(jià)格貴，整個(gè)系統(tǒng)造高，采用較少。 （3）無(wú)極燈：功率小，光效較高。該燈在220V（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達(dá)到5萬(wàn)小時(shí)，在太陽(yáng)能燈具上使用壽命大大減少和普通節(jié)能燈差不多（因?yàn)樘?yáng)能燈具都是方波逆變器，太陽(yáng)能電源220V輸出頻率、項(xiàng)位、電壓都是不能和普通市電相比的）。 （4） LED：LED燈光源，壽命長(zhǎng)，可達(dá)1000000小時(shí)，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高。
4.4.2 LED燈的特點(diǎn)
LED 作為半導(dǎo)體光源，其發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，是太陽(yáng)能路燈最為理想的光源，LED路燈光源是一款多功能、環(huán)保節(jié)能型路燈光源，適合在各種場(chǎng)合的照明使用。有以下特點(diǎn)： （1）高光效 LED光效達(dá)50～200流明/瓦，光譜窄，單色性好，幾乎所有發(fā)出的光都可利用，且無(wú)需過(guò)濾直接發(fā)出色光。 （2）高節(jié)能 具有電壓低、電流小、亮度高的特性。一個(gè)10～12瓦的LED光源發(fā)出的光能與一個(gè)35～150瓦的白熾燈發(fā)出的光能相當(dāng)。同樣照明效果LED比傳統(tǒng)光源節(jié)能80%～90%。 （3）光色多 可以選擇白色或彩色光，紅色、黃色、藍(lán)色、綠色、黃綠色、橙紅色等。 （4）安全性高 LED光源使用低電壓驅(qū)動(dòng), 發(fā)光穩(wěn)定，無(wú)污染，沒(méi)有50HZ頻閃，沒(méi)有紫外線B波段，白色色溫5000K，最接近太陽(yáng)色溫5500K。 （5）快速響應(yīng) LED發(fā)光管響應(yīng)時(shí)間很短。采用專用電源給LED光源供電時(shí)，達(dá)到最大照度的時(shí)間小于10ms。 （6） 運(yùn)行成本低 其他光源不僅耗電是LED光源的2-10倍，而且?guī)缀趺吭露家鼡Q，在器件更換和人工方面的花費(fèi)很大。因此選用使用壽命長(zhǎng)的LED光源從長(zhǎng)遠(yuǎn)看非常經(jīng)濟(jì)
圖4.10 LED高效節(jié)能燈結(jié)構(gòu)
根據(jù)使用場(chǎng)所的要求，設(shè)計(jì)出120°、90°、70°多種角度的發(fā)光板，放置在高透光率的塑料燈罩內(nèi)，如圖4.10所示，以改善lED的方向性過(guò)強(qiáng)而形成的光斑，同時(shí)在燈罩內(nèi)表面設(shè)計(jì)有網(wǎng)格型的折射面，使LED發(fā)出的光線經(jīng)多次反射與折射，最終達(dá)到LED高效節(jié)能燈泡各方向光均勻，并形成特殊的光學(xué)效果。
4.5各數(shù)據(jù)計(jì)算
4.5.1太陽(yáng)能電池組件計(jì)算
設(shè)計(jì)要求：廣州地區(qū)，負(fù)載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時(shí)數(shù)8.5h，保證連續(xù)陰雨天數(shù)7天。
（1）廣州地區(qū)近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經(jīng)簡(jiǎn)單計(jì)算廣州地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)約為3.424h；
（2）負(fù)載日耗電量=12.2AH
（3）所需太陽(yáng)能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A
在這里，兩個(gè)連續(xù)陰雨天數(shù)之間的設(shè)計(jì)最短天數(shù)為20天，1.05為太陽(yáng)能電池組件系統(tǒng)綜合損失系數(shù)，0.85為蓄電池充電效率。
（4）太陽(yáng)能組件的最少總功率數(shù)= 17.2×5.9 = 102W
選用峰值輸出功率110Wp、兩塊55Wp的標(biāo)準(zhǔn)電池組件，應(yīng)該可以保證路燈系統(tǒng)在一年大多數(shù)情況下的正常運(yùn)行。
4.5.2蓄電池計(jì)算
蓄電池設(shè)計(jì)容量計(jì)算相比于太陽(yáng)能組件的峰瓦數(shù)要簡(jiǎn)單。
根據(jù)上面的計(jì)算知道，負(fù)載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續(xù)工作7個(gè)陰雨天，再加上第一個(gè)晚上的工作，蓄電池容量：
12.2×（7+1）= 97.6（AH），選用2臺(tái)12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。
4.5.3太陽(yáng)能電池組件支架
1.傾角設(shè)計(jì)
為了讓太陽(yáng)能電池組件在一年中接收到的太陽(yáng)輻射能盡可能的多，我們要為太陽(yáng)能電池組件選擇一個(gè)最佳傾角。關(guān)于太陽(yáng)能電池組件最佳傾角問(wèn)題的探討，近年來(lái)在一些學(xué)術(shù)刊物上出現(xiàn)得不少。本次路燈使用地區(qū)為廣州地區(qū)，選定太陽(yáng)能電池組件支架傾角為16o。
2.抗風(fēng)設(shè)計(jì)
在太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)上一個(gè)需要非常重視的問(wèn)題就是抗風(fēng)設(shè)計(jì)�？癸L(fēng)設(shè)計(jì)主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)，二為燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。下面按以上兩塊分別做分析。
（1）太陽(yáng)能電池組件支架的抗風(fēng)設(shè)計(jì)
依據(jù)電池組件廠家的技術(shù)參數(shù)資料，太陽(yáng)能電池組件可以承受的迎風(fēng)壓強(qiáng)為2700Pa。若抗風(fēng)系數(shù)選定為27m/s（相當(dāng)于十級(jí)臺(tái)風(fēng)），根據(jù)非粘性流體力學(xué)，電池組件承受的風(fēng)壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風(fēng)速而不至于損壞的。所以，設(shè)計(jì)中關(guān)鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。
（2）路燈燈桿的抗風(fēng)設(shè)計(jì)路燈的參數(shù)如下：
電池板傾角A = 16o 燈桿高度= 5m
設(shè)計(jì)選取燈桿底部焊縫寬度δ = 4mm燈桿底部外徑= 168mm
焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W的計(jì)算點(diǎn)P到燈桿受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風(fēng)荷載在燈桿破壞面上的作用矩M = F×1.545。根據(jù)27m/s的設(shè)計(jì)最大允許風(fēng)速，2×30W的雙燈頭太陽(yáng)能路燈電池板的基本荷載為730N�？紤]1.3的安全系數(shù)，F(xiàn) = 1.3×730 = 949N。
所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，圓環(huán)形破壞面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
上式中，r是圓環(huán)內(nèi)徑，δ是圓環(huán)寬度。
破壞面抵抗矩 W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）
=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）
= 88768mm3
=88.768×10-6 m3
風(fēng)荷載在破壞面上作用矩引起的應(yīng)力= M/W= 1466/（88.768×10-6）=16.5×10-6pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa，其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強(qiáng)度。
所以，設(shè)計(jì)選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質(zhì)量能保證，燈桿的抗風(fēng)是沒(méi)有問(wèn)題的。
5 太陽(yáng)能路燈的實(shí)際應(yīng)用
日前，廣東省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局審核通過(guò)了由東莞勤上光電股份有限公司提出并組織起草的《廣東省太陽(yáng)能LED燈地方標(biāo)準(zhǔn)》，將于09年7月1日起實(shí)施。“以前沒(méi)有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)什么、怎么生產(chǎn)、產(chǎn)品達(dá)到什么技術(shù)要求沒(méi)有明確規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后，行業(yè)門坎提高了，肯定要淘汰一批不符合標(biāo)準(zhǔn)的企業(yè)，企業(yè)要做好準(zhǔn)備�！眹�(guó)家照明電器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)負(fù)責(zé)人表示，標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)將使太陽(yáng)能LED產(chǎn)業(yè)提前進(jìn)入規(guī)范化調(diào)試期，引導(dǎo)行業(yè)由無(wú)序、無(wú)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，向有序、有標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)轉(zhuǎn)變，“山寨燈”橫行的局面將得以改變。
即將實(shí)施的《廣東省太陽(yáng)能LED燈地方標(biāo)準(zhǔn)》是中國(guó)大陸地區(qū)LED行業(yè)首個(gè)地方標(biāo)準(zhǔn)，適用于250V以下直流電源或1000V以下交流供電的道路、街路、隧道照明和其它室外公共場(chǎng)所照明用太陽(yáng)能LED燈。對(duì)于照明領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，這是一次不小的革命。
本次設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能路燈的總電路圖如圖5.1所示，其工作原理：太陽(yáng)照射在硅光板上，太陽(yáng)能電池開始工作，使二極管D1跟三極管Q1工作，蓄電池開始蓄電，待蓄電池蓄電完畢后，根據(jù)程序的設(shè)定，Q1反作用，停止蓄電；到晚上天色昏暗時(shí)，設(shè)定的程序啟動(dòng)，使蓄電池開始放電，二極管D2，D3， D4，D5，導(dǎo)通，三極管Q2，Q3工作，使LED燈照明，直到第二天早上，預(yù)先設(shè)定的程序又作用，使LED燈熄滅；當(dāng)有太陽(yáng)照射硅光板的時(shí)候，蓄電池又開始蓄電，這樣，無(wú)限的循環(huán)，就可以使路燈自動(dòng)蓄電，自動(dòng)照明，自動(dòng)熄滅，大大減少了人力物力，而且這樣的設(shè)計(jì)，能節(jié)約更多的電能。
圖5.1 太陽(yáng)能路燈的總電路圖
如圖5.2所示，下面是本次設(shè)計(jì)的實(shí)際應(yīng)用例子。
圖 5.2
頭頂太陽(yáng)能板，曬一天太陽(yáng)能照明6天的新式太陽(yáng)能路燈，近期出現(xiàn)在了肇慶園區(qū)星港街上。從園區(qū)城管部門了解到，今年園區(qū)將改造多處路燈，推廣綠色照明。
在基本完成改造的星港街上可以看到一批造型簡(jiǎn)潔的新式太陽(yáng)能路燈已經(jīng)豎立了起來(lái)。據(jù)路燈施工方相關(guān)負(fù)責(zé)人介紹，這批路燈頭頂有一塊太陽(yáng)能板，將光能轉(zhuǎn)換為電能后自動(dòng)存儲(chǔ)在路燈的蓄電池中。太陽(yáng)能板曬一天太陽(yáng)后，可以在蓄電池內(nèi)儲(chǔ)存供路燈正常工作6天所需的電量，即使接下來(lái)6天都是陰雨天，路燈照樣還能亮起來(lái)。
為了保證路燈的照度，這批太陽(yáng)能路燈還安裝了一個(gè)特殊的控制轉(zhuǎn)換器，當(dāng)太陽(yáng)能發(fā)電不能滿足路燈照明需要時(shí)就會(huì)自動(dòng)切換到普通電源。有了太陽(yáng)能板、蓄電池和控制轉(zhuǎn)換器的路燈，在造價(jià)上自然比普通路燈要貴一些。據(jù)該負(fù)責(zé)人介紹，星港街沿線共要安裝1500套太陽(yáng)能路燈，部分景觀帶上的照明燈也將使用太陽(yáng)能燈。
從園區(qū)城管部門了解到，今年園區(qū)將著手改造部分道路照明，全部使用節(jié)能燈具和綠色能源。首期老路燈改造，要把園區(qū)8到10條主要道路的老式路燈燈頭更換為L(zhǎng)ED路燈燈頭，預(yù)計(jì)可節(jié)電三分之二。另外，中新科技城今年也將改造安裝太陽(yáng)能LED路燈3500套。園區(qū)在亮化工程建設(shè)中，將盡可能地采用以LED為主的節(jié)能型光源和燈具，可比傳統(tǒng)光源節(jié)能約30%。
據(jù)了解到，在廈門，北京，甘肅，上海，廣東等城市也開始著手安裝新式的太陽(yáng)能LED燈，這對(duì)我國(guó)推行節(jié)能照明邁出了一大步。
結(jié) 論
整體設(shè)計(jì)基本上考慮到了各個(gè)環(huán)節(jié)；光伏組件的峰瓦數(shù)選型設(shè)計(jì)與蓄電池容量選型設(shè)計(jì)采用了目前最通用的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)思想比較科學(xué)；抗風(fēng)設(shè)計(jì)從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面；路燈整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約而美觀；經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行證明各環(huán)節(jié)之間匹配性較好。 目前，太陽(yáng)能LED照明的初投資問(wèn)題仍然是困擾我們的一個(gè)主要問(wèn)題。但是，太陽(yáng)能電池光效在逐漸提高，而價(jià)格會(huì)逐漸降低，同樣地市場(chǎng)上LED光效在快速地提高，而價(jià)格卻在降低。與太陽(yáng)能的可再生、清潔無(wú)污染以及LED的環(huán)保節(jié)能相比，常規(guī)化石能源日趨緊張，并且使用后對(duì)環(huán)境會(huì)造成了日益嚴(yán)重的污染。所以，太陽(yáng)能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現(xiàn)給我們的將是無(wú)窮的生命力和廣闊的前景。
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