-
-
手机阅读
太阳能电池作为一种新能源，在民用方面首先应用在照明灯具上。目前，在西部光明工程，非主干道太阳能路灯，太阳能庭院灯和太阳能草坪灯，太阳能装饰灯等方面的应用已经逐渐形成规模。在太阳能照明灯具的设计中，涉及光源、太阳能电池系统、蓄电池充放电控制许多因素，其中任何一个环节出现问题都会造成产品缺陷。本文就太阳能电池的外特性、蓄电池充放电控制、太阳能照明灯具经常使LED与三基色高效节能灯进行比较，分析各自优点与缺点以及使用场合。同时针对目前市场上太阳能灯电路设计中存在的问题提出改进方法。由于太阳能灯其有独特的优点，近年来得到迅速的发展。草坪灯功率小，主要以装饰为目的，对可移动性要求高，另外，电路铺设困难，防水要求高，上述要求使得由太阳能电池能供电的草坪灯显示出许多前所未有的优势。
尤其是国外市场对太阳能草坪灯比其它产品需求十分巨大。2002年，仅广东和深圳用于制造出口太阳能草坪灯消耗的太阳能电池就达到2MW，相当于当年国内太阳能电池产量的1/3，今年仍然保持强劲的发展势头，这是人们没有预料到的。太阳能庭院灯在公园，生活小区以及非主要交通道路上得到广泛应用。同时，由于发展太快，有些产品技术上不够成熟，在光源的选择以及电路设计中存在许多缺陷，降低了产品的经济性和可*性，浪费了许多资源。本文针对上述存在的问题，提出自己的看法，供生产太阳能灯具的工厂参考。
1 太阳能电池的外特性
从应用的角度论述，大家主要关心的是太阳能电池的外特性。首先，对于单片太阳能电池来说，它是一个PN结，除了当太阳光照射在上面时，它能够产生电能外，它还具有PN结的一切特性。在标准光照条件下，它的额定输出电压为0.48V。在太阳能照明灯具使用中的太阳能电池组件都是由多片太阳能电池连接构成的。它具有负的温度系数，温度每上升一度，缪瓜陆?mV，对于多片太阳能电池组成的太阳能电池组件，这是一个不可忽视的问题。它的输出特性曲线如图1。 图1中，Isc是短路电流，Im是峰值电流，Voc是开路电压。Vm是峰值电压，Pm是峰值功率。
在使用中，太阳能电池开路或者短路都不会造成损坏，实际上我们也正是利用它的这个特性对系统蓄电池充放电进行控制的。
2 太阳能电池在使用中必须注意的问题
2.1 太阳能电池功率的选择
我们所说的太阳能电池输出功率Wp是标准太阳光照条件下，即：欧洲委员会定义的101标准，辐射强度1000W/m2，大气质量AM1.5，电池温度25℃条件下，太阳能电池的输出功率。这个条件大约和平时晴天中午前后的太阳光照条件差不多，（在长江下游地区只能接近这个数值）这并不象有些人想象的那样，只要有阳光就会有额定输出功率，甚至认为太阳能电池在夜晚日光灯下也可以正常使用。这就是说，太阳能电池的输出功率是随机的，在不同的时间，不同的地点，同样一块太阳能电池的输出功率是不同的。
表1是我国不同地区太阳光照条件。
为了更加直观地了解各地每天太阳能辐射的平均分布，表2给出年总辐射量与日平均峰值日照时数（太阳能电池每天可以接受到1000W/m2辐照度的等效时间）对应关系。
表2年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表 通过上面资料可以看出，太阳能灯具的设计和灯具的使用地区有关。太阳能电池组件额定输出功率和灯具输入功率之间关系在华东地区大约是2~4:1，具体比例要根据灯具每天工作时间以及对连续阴雨天照明要求决定。另外太阳能电池的输出功率大约120W/m2。
2.2 蓄电池容量的选择
由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定,所以一般需要配置蓄电池系统才能工作，太阳能灯具也不例外，必须配置蓄电池才能工作。一般有铅酸蓄电池、Ni-Cd蓄电池、Ni-H蓄电池，它们的容量选择直接影响系统的可*性以及系统价格。蓄电池容量的选择一般要遵循以下原则：首先在能够满足夜晚照明的前提下,把白天太阳能电池组件的能量尽量存储下来，同时还要能够存储满足连续阴雨天夜晚照明需要的电能。蓄电池容量过小不能够满足夜晚照明的需要，蓄电池容量过大，一方面蓄电池始终处在亏电状态，影响蓄电池寿命，同时造成浪费。
2.3 太阳能电池封装形式的选择
目前太阳能电池的封装形式主要有2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命25年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工作寿命仅仅1~2年。因此，1W以下的小功率太阳能草坪灯,在没有过高寿命要求的情况下，可以使用滴胶封装形式，对于使用年限有规定的太阳能灯，建议使用层压的封装形式。另外，有一种硅凝胶用于滴胶封装太阳能电池，据说工作寿命可以达到10年。
2.4 太阳能电池安装倾斜角度的选择和装饰性外罩
为了美观，许多的太阳能灯具的工厂将太阳能电池水平放置，在这种情况下，太阳能电池的输出功率将减少15%~20%，如果再在太阳能电池上面增加一个装饰性外罩，太阳能电池的输出功率又将减少5%左右，太阳能电池价格昂贵，我们收集了许多国外太阳能灯资料，在美观和节能两者之间，大多数都选择节能。在长江下游太阳能电池的最理想倾斜角度是40度左右，方向为正南方。
2.5 热岛效应
单片太阳能电池一般是不能使用的，实际应用的是太阳能电池组件。太阳能电池组件是由多片太阳能电池组合而成，用以达到期望的电压值。太阳能电池组件在使用过程中，如果有一片太阳能电池单独被遮挡，例如树叶鸟粪等，单独被遮挡的太阳能电池在强烈阳光照射下就会发热损坏，于是整个太阳能电池组件损坏。这就是所谓热岛效应。为了防止热岛效应，一般是将太阳能电池倾斜放置，使树叶等不能附着，同时在太阳能电池组件上安装防鸟针。
3 太阳能灯具中蓄电池的充放电控制
无论太阳能灯具大小，一个性能良好的充放电控制电路是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以限制，防止蓄电池过充电及深度放电，.另外，由于太阳能光伏发电系统的输入能量极不稳定，光伏发电系统中对蓄电池充电的控制要比普通蓄电池充电的控制要复杂些。对于太阳能灯具的设计来说，成功与失败往往就取决于充放电控制电路的成功与失败。.没有一个性能良好的充放电控制电路，就不可能有一个性能良好的太阳能灯具。
3.1 防反充电控制
防止反充电功能，一般来说，就是在太阳能电池回路中串联一个二极管，二极管防止反充电，这个二极管应该是肖特基二极管，肖特基二极管的压降比普通二极管低。另外，还可以用场效应晶体管控制防止反充电功能，它的管压降比肖特基二极管更低，只是控制电路要比前面复杂一些。
3.2 防过充电控制
防止过充电功能，可以在输入回路中串联或者并联一个泄放晶体管，电压鉴别电路控制晶体管的开关，将多余的太阳能电池能量通过晶体管泄放，保证没有过高的电压给蓄电池充电。关键是防止过充电压的选择，单节铅酸蓄电池为2.2V。
3.3 防过放电控制
除了Ni-Cd电池外，其它蓄电池一般都要具有防止蓄电池过放电功能，因为会造成蓄电池过放电永久性损坏。需要注意的是，太阳能电池系统一般相对蓄电池是小倍率放电，所以放电截止电压不宜过低。
3.4 温度补偿
温度补偿，蓄电池电压控制点是随着环境温度而变化的，所以太阳能灯系统应该有一个受温度控制的基准电压。对于单节铅酸蓄电池是-3~-7mV/℃，我们通常选用-4mV/℃。
4 太阳能灯具光源的选择
目前多数草坪灯选用LED作为光源，LED寿命长，可以达到100000小时以上，工作电压低，非常适合应用在太阳能草坪灯上。特别是LED技术已经实现了其关键性突破，并且其特性在过去5年中有很大地提高。同时性能价格比也有较大地提高。另外，LED由低压直流供电，其光源控制成本低，调节明暗，频繁开关都是可能的，并且不会对LED的性能产生不良影响。控制颜色，改变光的分布，产生动态幻景都是可能的，所以它特别适合在太阳能草坪灯上应用。有许多其固有的特性，使用时如果不注意就会造成不良后果。但是LED目前在市场上销售LED的发光效率仅能达到15Lm/W，只能达到三色基色高效节能灯1/3，三色基色高效节能灯的发光效率可以达到50 Lm/W ~60Lm/W。从价格上看，目前生产每Lm的成本：三色基色高效节能灯（含电子镇流器）0.022元，2002年f5mm白光LED价格为1.9~3.0元，目前生产每Lm的成本高，价格相差悬殊。从使用寿命上看，三色基色高效节能灯（含电子镇流器）的寿命可以达到6000小时，LED可以达到100000小时以上，从表面上看，LED寿命是三色基色高效节能灯（含电子镇流器）的几十倍，但是事实并非如此。目前太阳能草坪灯大多数采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通维持率达到初始强度50%的时间（寿命）不到10000小时，复旦大学电光源所曾经证明了上述论点。这就是说，目前在许多情况下LED并非是最好的太阳能草坪灯光源，除非它是低档，使用年限仅1~2年的太阳能草坪灯，或者是1w以下的太阳能草坪灯。对于1W以上的太阳能草坪灯，最好使用三色基色高效节能灯。目前有一些太阳能草坪灯用30~40只超高亮白光LED，输入功率2W以上，在这种情况下，如果使如果用三色基色高效节能灯，价格只是LED的1/10，光通量为原来的4倍，现在已经研制成功2~10W的低压直流三色基色高效节能灯，寿命可以达到6000小时。根据上述分析，我们认为有调节明暗、频繁开关功能的1W以下的小功率太阳能草坪灯，一般应该使用LED作为光源。但是在使用超高亮白光LED时特别要注意光通维持率问题，否则容易引发事故。对于功率较大的太阳能草坪灯，目前使用三色基色高效节能灯比较合理。这里要强调的是，以上结论仅仅是目前地分析，当LED技术水平提高以后，价格下降，以上结论需要改变。
对于太阳能庭院灯，从可性能价格比、色温，和发光效率几个方面综合考虑，我们认为理想的光源目前应该是三色基色高效节能灯。