1、有關(guān)太陽(yáng)能照明的分析與應(yīng)用專業(yè)班級(jí)：油氣儲(chǔ)運(yùn)1203 姓 名： 于昕冉二零一四年四月題目：有關(guān)太陽(yáng)能照明的分析與應(yīng)用作者：于昕冉班級(jí)：油氣儲(chǔ)運(yùn)1203學(xué)號(hào)：12062325摘要：主要闡述了太陽(yáng)能光伏照明的系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)及作用，以及在實(shí)際生活中的應(yīng)用實(shí)例，以便更深入的理解太陽(yáng)能的應(yīng)用。關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能 光伏 照明 組件 控制器 蓄電池引言：全球性的能源短缺、環(huán)境污染、氣候變暖等問題正日益困擾著人類社會(huì)，“尋求綠色替代能源，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展”已成為世界各國(guó)面臨的共同課題。太陽(yáng)能光伏發(fā)電不排放CO2和SO2，也沒有常規(guī)發(fā)電的噪音、固體廢物和其他污染，是當(dāng)前最重要的可再生能源技術(shù)之一。隨著太陽(yáng)能發(fā)電技

2、術(shù)的不斷發(fā)展，太陽(yáng)能路燈以環(huán)保、節(jié)能、安全等優(yōu)勢(shì)成為城市道路照明行業(yè)的新寵，市場(chǎng)潛力巨大。近年來，我國(guó)光電產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，已形成專業(yè)化、規(guī)模化的光電產(chǎn)業(yè)鏈條。1、 太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)1.1歷史：1839年，光生伏打效應(yīng)第一次由法國(guó)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)1946年Russell Ohl申請(qǐng)了現(xiàn)代太陽(yáng)電池的專利。1950年代，隨著半導(dǎo)體物理性質(zhì)的逐漸了解，以及加工技術(shù)的進(jìn)步，在1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員發(fā)現(xiàn)，于硅中摻入一定量的雜質(zhì)，會(huì)使其對(duì)光更加敏感，并制作出了第一個(gè)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的太陽(yáng)能電池.1.2原理與結(jié)構(gòu) 太陽(yáng)電池的基本構(gòu)造是運(yùn)用P型與N型半導(dǎo)體接合而成的，這種結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)PN結(jié)

3、。當(dāng)太陽(yáng)光照射到一般的半導(dǎo)體（例如硅）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子與電洞對(duì)，但它們很快的便會(huì)結(jié)合，并且將能量轉(zhuǎn)換成光子photon或聲子phonon（熱），光子和能量相關(guān)，聲子則和動(dòng)量相關(guān)。因此電子與電洞的生命期甚短；在P型中，由于具有較高的電洞密度，光產(chǎn)生的電洞具有較長(zhǎng)的生命期，同理，在N型半導(dǎo)體中，電子有較長(zhǎng)的生命期。在P-N半導(dǎo)體接合處，由于有效載子濃度不同而造成的擴(kuò)散，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)由N指向P的內(nèi)建電場(chǎng)，因此當(dāng)光子被接合處的半導(dǎo)體吸收時(shí)，所產(chǎn)生的電子將會(huì)受電場(chǎng)作用而移動(dòng)至N型半導(dǎo)體處，電洞則移動(dòng)至P型半導(dǎo)體處，因此便能在兩側(cè)累積電荷，若以導(dǎo)線連接，則可產(chǎn)生電流，而太陽(yáng)能電池的挑戰(zhàn)就在于如何將產(chǎn)生的電子

4、電洞對(duì)在復(fù)合之前將其搜集起來。從太陽(yáng)來的光線，能量大部份落于 1 3 eV之間，因此就單一個(gè)PN結(jié)而言，若經(jīng)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)，使吸收光能的高峰落于約1.5 eV，則能有最好的效率。2、太陽(yáng)能光伏照明2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)大體上可以分為兩類，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)通過光伏數(shù)組將接收來的太陽(yáng)輻射能量經(jīng)過高頻直流轉(zhuǎn)換后變成高壓直流電，經(jīng)過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

5、能量經(jīng)過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。2.1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。2.1.1太陽(yáng)能晶體硅電池板 太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能路燈中的核心部分，也是太陽(yáng)能路燈中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)的輻射能力轉(zhuǎn)換為電能，或送至蓄電池中存儲(chǔ)起來。太陽(yáng)能電池主要使用單晶硅為材料。用單晶硅做成類似二極管中的P-N結(jié)。工作原理和二極管類似。只不過在二極管中，推動(dòng)P-N結(jié)空

6、穴和電子運(yùn)動(dòng)的是外部電場(chǎng)，而在太陽(yáng)能電池中推動(dòng)和影響P-N結(jié)空穴和電子運(yùn)動(dòng)的是太陽(yáng)光子和光輻射熱。也就是通常所說的光生伏特效應(yīng)原理。目前光電轉(zhuǎn)換的效率，大約是光伏電池效率大約是單晶硅1315，多晶硅1113。目前最新的技術(shù)還包括光伏薄膜電池。2.2.1太陽(yáng)能控制器 控制器是對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制和管理的設(shè)備 。以下為控制器在照明系統(tǒng)中的功能及作用 。定時(shí)開關(guān)。當(dāng)傍晚太陽(yáng)能電池板沒有充電電流超過5分鐘時(shí)，控制器自動(dòng)將路燈開啟，開啟后系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)，達(dá)到設(shè)定時(shí)間時(shí)自動(dòng)關(guān)閉。  運(yùn)行狀態(tài)指示。通過指示燈、顯示器等方式指示光伏系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和故障信

7、息。檢測(cè)整套系統(tǒng)各種裝置和各單元的狀態(tài)和參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行判斷、控制和保護(hù)等提供依據(jù)。  對(duì)蓄電池進(jìn)行最優(yōu)的充電控制。控制器根據(jù)當(dāng)天的太陽(yáng)能資源狀況和蓄電池的狀態(tài)，確定最佳的充電方式，以實(shí)現(xiàn)高效快速的充電，并充分充電方式對(duì)蓄電池的影響。  對(duì)蓄電池進(jìn)行放電管理。防止深放電，影響蓄電池使用壽  故障診斷定位。當(dāng)光伏系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，各指示燈可顯示故障類型、故障位置，為系統(tǒng)維護(hù)提供方便。3、蓄電池 太陽(yáng)能照明必須配備蓄電池才能工作，這是因?yàn)椋?.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)

8、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。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3.1鉛酸蓄電池 鉛酸蓄電池的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛,負(fù)極活性物質(zhì)是海綿鉛,電解液是稀硫酸溶液,其放電化學(xué)反應(yīng)為二氧化鉛、海綿鉛與電解液反應(yīng)生成硫酸鉛和水。其充電反應(yīng)為硫酸鉛和水轉(zhuǎn)化為二氧化鉛、海綿鉛與稀硫酸。鉛酸蓄電池免維護(hù)主要通過抑制充電過程中氣體的產(chǎn)生或通過電池內(nèi)的特殊材料將氣體吸收轉(zhuǎn)化成水。鉛酸蓄電池的單格額定電壓為2V，一般串聯(lián)成12V、24V使用。4、光源光源的選型對(duì)于太陽(yáng)能路燈來說是最關(guān)鍵的一步，目

9、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，大多數(shù)為L(zhǎng)ED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，光效較高隨著技術(shù)進(jìn)步，LED的性能將進(jìn)一步提高。LED作為太陽(yáng)能路燈的光源將是一種趨勢(shì)4.1太陽(yáng)能照明燈的特點(diǎn) 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；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；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

10、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；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)差過大而產(chǎn)生的種種弊端。下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的小區(qū)的太陽(yáng)能照明為例來了解一下應(yīng)用。5、小區(qū)照明系統(tǒng)方案首先要確定所安庭院燈的地理位置，全年日輻照量等因素來確定整個(gè)系統(tǒng)的配置。工程類型：居民小區(qū)太陽(yáng)能照明工程。  地理位置：北緯28.5°，東經(jīng)116.4°。  平均日照時(shí)數(shù)：3.8h  工程規(guī)模、要求：數(shù)盞庭院燈，燈高3.6米，每盞10W，光源LED。連續(xù)5天陰雨天能正常工

11、作。5.1相關(guān)組件選擇：  24VLED：選擇LED照明，LED燈使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格合理，可以在夜 間行人稀少時(shí)段實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)，有利于節(jié)電，從而可以減少電池板的配置，節(jié)約成本。每瓦65-75lm左右，光衰小于年5；  12V 蓄電池（串24V）：選擇鉛酸免維護(hù)蓄電池，價(jià)格適中，性能穩(wěn)定；  24V電池板：一個(gè)小區(qū)內(nèi)有多幢樓，道路較多，在樓前與樓后的道路旁安裝庭院燈，可以兩盞燈共用一塊電池板，選用24V，施工方便，轉(zhuǎn)換率15以上單晶正片；  24V控制器：MCT充電方式、防過充、過放，光控+時(shí)控控制

12、；  3.6M燈桿：材料Q235A，桿及附件經(jīng)熱鍍鋅處理，燈桿噴塑處理。  4.2  20瓦（兩只相鄰燈共用一塊板）5.2方案配置  當(dāng)?shù)厝站行Ч庹找?h計(jì)算；  每日放電時(shí)間10小時(shí)，（以晚7點(diǎn)晨5點(diǎn) 為例）  滿足連續(xù)陰雨天5天（另加陰雨前一夜的用電，計(jì)6天）。  電流  20W÷24V 0.84 A  （1） 計(jì)算蓄電池  0.84A

13、60;× 10h ×（51）天  50.4AH  蓄電池充、放電預(yù)留20容量；路燈的實(shí)際電流損耗（加20損耗，包括恒流源、線損等）  實(shí)際蓄電池需求50.4AH 加20預(yù)留容量、再加20損耗  50.4AH ÷ 80% × 120%  76AH  實(shí)際蓄電池為24V /76AH，需要兩組12V,80AH蓄電池。  （2） 計(jì)算電

14、池板：  WP÷35.7V  （0.84A ×10h × 120）÷ 4 h  WP 90W  實(shí)際恒流源損耗、線損等綜合損耗在30左右  電池板實(shí)際需求90W × 120  120W5.3工程主要材料設(shè)備一覽表6、缺點(diǎn)與展望太陽(yáng)能電池夜間無法發(fā)電，也容易受云層移動(dòng)干擾（夜間無法發(fā)電可以預(yù)測(cè)，但云層移動(dòng)干擾不好預(yù)測(cè)）。但由于太陽(yáng)能電池的發(fā)電尖峰通常

15、接近電力使用尖峰，因此要到較高的安裝量才會(huì)造成問題，目前多采取天然氣發(fā)電來調(diào)節(jié)，因?yàn)樘烊粴獍l(fā)電的反應(yīng)速度快；而大部分的地區(qū)，太陽(yáng)能與風(fēng)能具有互補(bǔ)性，太陽(yáng)能電池與水力發(fā)電、抽蓄發(fā)電廠的互補(bǔ)性更高。未來的應(yīng)變方案為研發(fā)高效能的電池技術(shù)以儲(chǔ)存太陽(yáng)能，例如蓄電池、飛輪裝置、壓縮空氣等；若將能源儲(chǔ)存系統(tǒng)與太陽(yáng)能電池裝置在社區(qū)或家庭，則可以大幅增加供電穩(wěn)定性。利用衛(wèi)星發(fā)電亦可避免此二項(xiàng)干擾，例如美國(guó)和日本兩國(guó)提出的“衛(wèi)星太陽(yáng)能發(fā)電廠”計(jì)劃(Satellite Solar PowerStation，SSPS)9，目標(biāo)是將具有太陽(yáng)能電池或熱能發(fā)電系統(tǒng)的衛(wèi)星，發(fā)射到太空中一個(gè)能夠不斷接受太陽(yáng)光的地方，例如在赤道

16、附近上空，便可以連續(xù)不停且穩(wěn)定地接收太陽(yáng)能，在轉(zhuǎn)換為電能后，以微波的方式傳回地球。參考文獻(xiàn) 1 楊恒LED 照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)例精選M.北京：中國(guó)電力出版社，2008.2 郭廷瑋，劉鑒民.太陽(yáng)能的利用M.北京:科技文獻(xiàn)出版社,1987 3 陳維,沈輝,丁孔賢等. 太陽(yáng)能 LED 路燈照明系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)J. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2005,(S2). 4 邱望標(biāo),黃志輝,彭秀英. 基于蓄電池均充模式的太陽(yáng)能 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)J. 低壓電器, 2008,(02) 5 楊曉光,寇臣銳,汪友華. 太陽(yáng)能 LED 路燈照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J. 電氣應(yīng)用, 2009,28(03). 6 李雪梅 ,邱望標(biāo) ,李操 .太陽(yáng)能 LED 路燈照明系統(tǒng)設(shè)計(jì) J. 電工技術(shù) ,2009,(03)7 科普手冊(cè)。國(guó)家數(shù)字文化網(wǎng)。512/8 John D.