太陽能獨立發(fā)電應用系統(tǒng)－草坪燈裝置設計實例

　　電路工作過程如下：在白天，由于太陽能電池板的工作電壓較高，運放 U2 ②腳的電壓高于③腳。①腳輸出低電平， Q1 截止， LED 發(fā)光二極管不亮。隨著夜幕的降臨，太陽能電池板輸出電壓逐漸降低． U2 ⑦腳電壓也伺時降低，當②腳電壓低于③腳時．運放 1 腳輸出高電平， Q1 導通，四條 LED 發(fā)光二極管支路與“地”連通， LED 點亮，當天色轉明時，太陽能電池板電壓再次升高，運放再次截止……，最終導致草坪燈熄滅。草坪燈便如此日復一日，周而復始地工作。

　　考慮到生產(chǎn)成本，電路中未設計蓄電池過充電控制電路。而蓄電池過放電控制原理則是充分利用了 LED 發(fā)光二極管的導通“勢壘”來實現(xiàn)的，雖未加蓄電池過放控制電路 , 同樣也能實現(xiàn)蓄電池的過放電保護功能。

　　2 ．負栽電路工作情況及工作要求電路中用了 12 只φ 5mm 的白色 LED 超高亮度發(fā)光二極管作為發(fā)光體，構成四個工作支路，每個支路由三只 LED 發(fā)光二極管串聯(lián)組成。白色發(fā)光二極管的工作電壓為 3V 左右，工作電流為 20mA 。由三端穩(wěn)壓器 U1 向發(fā)光二極管提供穩(wěn)定的工作電壓，在這一電壓下要求保證發(fā)光管的工作電流為 20mA 。蓄電池能點亮二極管的最低電壓為： 3V × 3+(10mA × 10R)+Vce+1 ． 25V=10 ． 55V 。式中： 3Vx3 為三只串聯(lián)發(fā)光二極管的導通電壓， 10mAxl0R 為各支路限流電阻上的電壓降， 10mA 為發(fā)光二極管最低點亮工作電流。 Vce 為 Ql 導通時的飽和管壓降，約 O ． 2V ， 1 ． 25V 為 LM317 最小工作電壓。即當蓄電池電壓低于 10 ． 55V 時，蓄電池停止放電， LED 不再發(fā)光，從而達到了蓄電池過放電控制保護的目的。其工作要求為：草坪燈在天黑時自動點亮，天明時自動熄滅，同時要求草坪燈在連續(xù)三天陰雨天時能正常點亮。

　　3 ．系統(tǒng)配置計算太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)配置的計算原則是能量守恒，計算的原理是供需平衡，最終實施的方法是：充分考慮不利因素，在保證草坪燈正常工作的情況下盡量壓縮設計成本。

　　(1) 用電功率的計算草坪燈的功率為 12Vx20mAx4=960mW ?？紤]到冬季晝短夜長，要求每天能工作 10 小時以上．則每天太陽能草坪燈消耗的電功率為 960mW × 10 小時： 9 ． 6Wh 。

　　(2) 蓄電池容量計算選用 12V 電壓的蓄電池作為工作電源。設其容量為 P 安·時，放電深度為 80 ％。根據(jù)能量守恒定律有： P × 12Vx80 ％ =9 ． 6Whx3 天，解得 P=3Ah 。考慮到電路自身還要耗電，最終選用 12V ／ 4Ah 標準系列的免維護鉛酸蓄電池作為工作電源。

　　4 ．太陽能電池組件功率的計算太陽能電池組件的功率 = 太陽能電池組件的輸出電壓×太陽能電池組件的輸出電流。

　　太陽能電池組件的輸出電壓取決于太陽能電池片串連數(shù)量的多少 ( 一片太陽能電池片的輸出電壓為 O ． 5V 左右 ) ；太陽能電池組件的輸出電流取決于太陽能電池片面積的大小。知道了上述關系，即可按照要求設計太陽能組件了。

　　太陽能電池是草坪燈的供給能源，它一天接收的能量除了夜晚供給草坪燈工作外，還要有一定的富裕能量儲存在蓄電池內(nèi)，以備陰雨天之用。

　　設太陽能電池的功率為 Pv(W) ， Pv 與接收太陽能照射的小時數(shù)的乘積，即為一天內(nèi)所發(fā)出的電量 Wh( 瓦時 ) 。根據(jù)上述草坪燈一天消耗的能量可得 Pv 的發(fā)電量應大于 960mWh 。由于我國地域遼闊。加之春、夏、秋、冬四季日照的變化，所以，天日照小時數(shù)是不等的，多數(shù)地區(qū)平均有效曰照小時數(shù)為 3 ． 5 小時－ 5 小時。西藏、青海、新疆、內(nèi)蒙等地區(qū)日照時數(shù)長，特別是在夏季可取有效日照小時數(shù)的上限值，甚至更高；其他地區(qū)平均有效日照時數(shù)均低于上述地區(qū)，以重慶地區(qū)為最短，平均有效日照時數(shù)不足 3 小時。因此，日平均發(fā)電量也是最少的，這一地區(qū)不適于使用太陽能光伏發(fā)電。本草坪燈以平均日照時數(shù)為 5 小時計算，并綜合考慮太陽能電池向蓄電池充電效率不大于 60 ％，則 Pvx5h( 小時 )x60 ％ >9 ． 6Wh ，解得：太陽能電池 ( 組件 ) 功率 Pv>3 ． 2W 。

　　太陽能電池的電壓選擇原則采用行業(yè)內(nèi)流行的“最大功率跟蹤”充電法，在這一方法下選擇太陽能電池的電壓可以得到最佳的充電效果，而且此方法也得到了行業(yè)內(nèi)人士的一致認可。對于用這一方法和理論充 12V 蓄電池來說：可用 36 片～ 33 片太陽能電池片串聯(lián)后給蓄電池充電， 36 片太陽能電池串聯(lián)后，其開路電壓高達 21V ．最大工作電壓為 18V 。

　　大家完全不必擔心在這么高的電壓下會充壞蓄電池或損壞太陽能電池，這也正是使用太陽能電池與使用普通交流市電給蓄電池充電的最大差別。

　　由于太陽能電池內(nèi)阻較高。在這一電壓下即使將太陽能電池的正、負極短路，其最大短路電流也不過 170mA ，并且不會損壞太陽能電池。常用的各種太陽能控制器，就是用短路太陽能電池的方法來達到控制停止充電的目的。

　　5 ．太陽能電池片尺寸計算在確定了上述草坪燈太陽能電池片的功率 >3 ． 2W 、工作電壓為 18V 后，即可算得最終電池組件的電流要大于 170mA 這個值。對于 125mm 2 、轉換效率為 15 ％的單晶硅太陽能電池片．功率為 2 ． 34W ，最大輸出電流為 4400mA ，折合為單位面積上的輸出電流為 O ． 2816mMmm2 。對于 170mA 電流的太陽能電池片的面積為： 170mA ／ 0 ． 2816mA ／ mm2 ＝ 603 ． 7mm 2 ，因此太陽能電池片切割寬度為： 603 ． 7mm 2 ／ 125mm =4 ． 83mm 。 4 ． 83mm 寬是計算值，生產(chǎn)上還要充分考慮電池片這樣切割是否為“單材料”，是否便于操作工焊接、量產(chǎn)，以及是否滿足蓄電池充電速率這一指標要求。在選用太陽能作為充電源時，充電率以選擇在 1 ／ 10C -1 ／ 20C 范圍內(nèi)為宜。應在滿足上述諸條件下確定最終切割尺寸。本設計選用 125mm 2 單晶硅電池片切割 21 條，每條寬度為 5 ． 95ram( 125mm ／ 21 條 ) ．最大輸出電流為 125mm × 5 ． 95mm × 0 ． 2816mA ／ mm2=209 ． 5mA 。最終組件電池片的尺寸為 125mm × 5 ． 95mm ，共計 36 條 ( 片 ) 串聯(lián)，最大工作電壓為 18V ．最大輸出電流為 209 ． 5mA ，充電率 1 ／ C=209 ． 5mA4000mAh>1 ／ 20 ，最大輸出功率為 3 ． 77W 。在這一條件下，有 170mA 電流用于晚上點亮 LED ，剩余電流存入蓄電池，以備陰雨天之用。

　　6 ．太陽能電池片的封裝選擇小型太陽能電池組件封裝有兩種，一種是用透明度較高的環(huán)氧樹脂封裝的“滴膠板”，另一種是用“低鐵”鋼化玻璃封裝的，稱為“層壓板”或組件。滴膠板具有生產(chǎn)尺寸靈活、成本低、生產(chǎn)周期短、生產(chǎn)速度快等優(yōu)點，其最大缺點是太陽能電池光效老化、衰減快、性能穩(wěn)定性差、使用壽命短，不利于長期使用。層壓組件生產(chǎn)成本高、工藝復雜、使用壽命長，在正常使用中壽命達 25 年以上。

　　三、太陽能電池發(fā)電及蓄電池充電的特性簡述 1 ．太陽能電池溫度特性太陽能電池是用半導體材料硅制作的，具有普通硅半導體材料的溫度特性，隨著溫度的上升，其輸出電壓是降低的，當它在溫度較高的地區(qū)工作時，要充分考慮到這一點。對于太陽能組件選用 36 片還是 33 片電池串聯(lián)這一問題，就要充分考慮使用地區(qū)的溫度，上述 36 片、 18V 工作電壓這一數(shù)據(jù)是在 25 ℃ 條件下測試的，當溫度達到 50 ℃ 時，其輸出電壓將降低 2V ．對于 36 片串聯(lián)電池組件，這時的工作電壓不再是 18V ，而是 16V 。當它工作在高寒地帶時，其輸出電壓是升高的，因此可選用 33 片電池串聯(lián)為 12V 蓄電池充電。

　　2 ．蓄電池放電容量與溫度有關隨著溫度的降低，蓄電池電解質(zhì)活動能力將變得遲緩．放電容量是下降的。通常，鉛酸蓄電池的容量是在 25~(2 標定的，當溫度降到 0 ℃ 時，其容量下降至額定值的 90 ％左右。當溫度降到一 20 ℃ 時，其容量下降為不足額定容量的 80 ％．甚至更低。