1.太阳能电池板简介

利用太阳能的能源，是一种没有任何污染的清洁能源，利用这一能源不存在环境保护和对生态的破坏因素，是真正的绿色能源。正因如此，人类一直在致力于太阳能的开发和应用，其中将太阳的光能转化为电能，是太阳能利用中的一个重要方面。

1.1光生伏特效应---光伏电池原理

早在1839年，法国物理学家贝克勒尔首先发现“光生伏特”效应，即光致电的现象，经科技界的努力，人们发现半导体PN结在太阳光照射下，能产生电流，且效率较高，于是诞生了所谓的太阳能光伏电池，或称半导体光伏器件，并进入了产业化的时代，当前太阳能的利用已进入商品化的阶段。

半导体光伏器件是基于当太阳光的光子进入半导体P型区时，其中能量大于禁带宽度的光子被半导体材料吸收,激发出光生截流子，P区的电子向PN结扩散，并被内建电场拉向N区，同样在N区产生的光生空穴被拉向P区，使PN结N区与P区两边积累大量的光生电子与光生空穴，形成光生电动势(即开路电压)，当P、N极两端有回路时，便会产生光生电流，这就是光伏电池的基本工作原理。光生电动势的开路电压可表为：

Vo=β*K*T/[e*InIe/(Io+1)]…………………………………(1)

e为电子电荷量，而式中Io为PN结反向饱和电流，Ie则是光伏电池的电流，当PN结两端短路时，Ie=Ise即为短路电流。

1.2太阳能电池板电压电流的构成

目前商用太阳能电池分单晶硅和多晶硅两种,光---电转换效率在12%---15%之间,而太阳辐射到地球的光能,在峰值日照时,平均约1kw/m2,若要产生1kw电能,需太阳能电池板的面积约为1m2/0.12=8.3m2。

太阳能电池的基本组件是电为0.5V的电池单元,一个18V电池板可由18V/0.5V=36片电池单元串接构成。输出电流则可用电池单元阻件并接来实现要求的数值。

2.太阳能路灯设计规则

2.1太阳能路灯照明系统的构成

这里所指的太阳能供电的照明系统,是指用LED作光源的非电网供电的离网照明灯具。即白天光生电,夜晚电生光的自循环照明系统。它由：

(1)太阳能电池板---用于将太阳能转成电能;

(2)蓄电池---用于储存所转换的电能;

(3)充放电管理器---控制对蓄电池充电和放电;

(4)灯具(光源) ---晚间照明的光源;

(5)灯杆及支架---用于合适的道路。

五个部分构成。

图1 离网式太阳能灯具构成框图

图2 太阳能路灯系统组件

2.2主要部件的设计依据

离网太阳能路灯照明系统的设计,是建立在下述几方面要求的基础上进行的：

(1)灯具的功率(光源功率+供电损耗功率) ;

(2)灯具连续工作时间(每天/小时) ;

(3)连续无光照的时间(阴雨天数) ;

(4)蓄电池浮充、放电特性(或容量百分率) ;

(5)灯具使用地区平均峰值日照时间(小时) 。

注：灯具的功率确定由《道路照明设计国家标准》确定。

2.2.1灯具光源功率的确定

以道路照明灯具为例,光源功率是按照射光场面积S(m2),平均照度E(或平均亮度L),功率密度LPD等的要求,通过计算光通量 Φ,再选用光效lm/w符合要求的LED来构成光源,确定光源功率Pd。

本项目功率要求计算 ：

S=9m(道路单侧宽度)*300m(道路长度)/9(单侧安装灯具数量)

E=10lx, S=300M2, 采用ŋ=80lm/w的LED灯具,则此灯具功率可求得为：

Pd=Φ/ŋ=(E*S)/ŋ=(300m2*10lx)/(80lm/w)

Pd=37.5W

考虑灯具6年使用之后的光衰减70%-80%，则灯具功率为

PL=37.5w/0.8=46.8W

取整PL=50W

2.2.2太阳能电池组件功率P(so) 、电压Vo(so)的确定

灯具功率确定后,要查看用灯地区气象资料,获取太阳平均峰值日照时间t1,以及开灯时间t2,同时确定充电损耗系数ρ1,按下式求得太阳能电池板功率P(so) ：

P(so)=(PL*t2*ρ1)/t1

本项目设计计算：

PL=50w,t2=10h,t1=4.5,ρ=1.5-2,则可得：

P(so)=(50w*10h*1.5)/4.5h=166W

取整 P(so)=180W--200W

若蓄电池用12V,则要求太阳能电池工作电压Vo(so)为18V,此时工作电流I(so)=200w/18V=11.12A。

t1=4.5h，为长江中下游附近地区日照系数。

2.2.3蓄电池的确定

确定了灯具、太阳能电池板的设计要求后,就可对储能蓄电池的容量进行设计确定，即计算其伏安小时：

Eh(Ah)=(PL*t2*ρ2*t3)/Ve

式中：Eh---电池容量(ah),

t3---阴雨连续天数,

ρ2---放电损耗系数1.5-2,

Ve---电池电压。

本项目进行测试,可求得：

Eh(Ah)=(50w*10h*1.5*5day) /12V=312Ah

可选12V,320Ah--360Ah胶体铅酸蓄电池。

2.2.4对控制器的要求

太阳能LED路灯的电路设计中，控制器是一个关键部件，这个控制器要求能实现如下功能：

(1)开关灯控制：按太阳光对太阳能电池板的照度设定开灯与关灯的自动控制电路;

(2)亮度调节：当灯点亮起，计时5小时，使光源功率减半(且时间可调);

(3)过充保护：当蓄电池电量较足时，控制充电电流，保持维持充电电流的值，当蓄电池电量较低时，使充电电流达最大，并随电量增高而减小，并设有过充电保护。

(4)欠压保护：控制器在蓄电池放电到最低允许容量时，将关闭光源供电回路，具有过放电保护功能。

2.2.5对蓄电池保护的要求

对于大容量铅酸蓄电池,为延长其工作寿命(12年),不能采用过量充电或放电,亦即应处于浮充、放状态,即充放电量在总容量的30%---40%范围内，这就要充放电控制器来管理。

每次放电在：320Ah*0.4≤128Ah。

50w、12V的灯,每天工作10h的用电量为：

(50w/12)*10*1.5=62.5Ah

每天可充电量为：

( 180w/18V)*4.5h=45Ah

上述充放电量低于总容量的20%,处于浮充放状态,可确保电池寿命,即使5天阴雨天,此时放电为62.5*5=312.5Ah≤320Ah,但过后恢复时间要长一些,好在通常控制器会设置开灯5h后灯功率减半。

图3路灯控制器设定的功率时间曲线

3.本项目路灯太阳能路灯参数

(1)灯具功率：50W

(2)开灯时间：10h

(3)连续阴雨天亮灯天数：5天

(4)太阳能电池功率：180W--200W/18V

(5)蓄电池容量：12V，320Ah-360Ah

(6)控制器功能：根据日间亮度，定时开关灯时间7-10h可选择;实现定时灯具亮度调节。