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摘要：本文对光伏现象在太阳能发电系统中的应用进行了简述，并对整个太阳能通道灯系统的组成和各个部件的作用进行了说明论述。太阳能通道灯系统的工作原理进行了分析和说明。从而阐明了太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。
关键词：太阳能 光伏现象 辐射半导体材料
太阳能作为一种新型的洁净能源已经越来越多的应用在世界各个领域。当今对太阳能的直接应用有光热转换、光电转换、光化学转换三种，间接与综合利用种类更加繁多。光电转换主要有太阳能电池板和太阳能供电系统；光热转换主要有热水器、开水器、太阳灶、干燥器等；光化学转换主要是光合作用、光电化学作用的应用，现尚处在实验研究阶段。
在此我们仅对太阳能光伏发电系统这一光电转换系统进行简单阐述。
首先要先了解下什么叫做光伏。
太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通過半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。基本组成一套太阳能通道灯系统作原理见图1。主要组成部分包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池、逆变器、灯具。
太阳能电池方阵：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
太阳能电池板是太阳能光电转换的主要部件。太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。
峰值功率选择（估算公式）：
Pk=灯具功率×灯具数量×每日使用时间÷每天有效日照时间÷太阳能电池方阵实际使用功率系数÷蓄电池转换效率÷逆变器效率
Pk＝25(W)×5(套)×12(H)÷5(H)÷0.7÷0.85÷0.9＝560.22W
其中：
1）由于市电通道灯亮灯时间由经纬仪随季节变化而调节，太阳能通道灯每天亮灯时间11～14小时，取12小时。
2）太阳能电池方阵实际使用功率系数考虑了太阳能电池板的充电效率和充电过程中的损耗，取0.7。
所以，太阳能板功率选取为600W(75W×8pcs)
3）安装倾斜角度为33～35度，方向正南方，既便于充分吸收太阳能，又可利用雨水对太阳能板进行自清洗。
太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
控制器
控制器采用PWM脉宽调制控制器。具备以下功能：
1、过充保护：当电池电压超过28V时，停止充电；2、过放保护：当电池电压低于22V时，切断负载；3、蓄电池充电温度补偿；4、正极反接保护；5、短路保护；6、过载保护；7、过热保护(带散热装置)；8、雷击保护；9、小功率交流补充充电系统：当阴雨天，太阳能充电不足，电池电压低于直流22V时，在晚上通过高频整流开关将交流220V市电转换成直流24V，对蓄电池进行补充充电；10、检测市电及切换：当晚上有市电电源时，市电通道灯亮，控制器关掉太阳能通道灯；当晚上市电故障时或白天时，控制器检测到没有市电信号，开启太阳能通道灯。这样比装时控开关更能保证通道24小时亮灯。
蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
蓄电池是储存电能的装置。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。
由于在室外安装，选用阀控免维护铅酸蓄电池。因12V蓄电池较为常见，所以用两个12V电池串连成24V。
1、蓄电池容量选择
在上节控制器部分谈到，阴雨天时可以在晚上用市电对蓄电池进行补充充电；在晚上市电故障时，点亮太阳能通道灯。但最坏情况是两种情况同时出现，就要靠蓄电池单独供电。另一方面，为保证蓄电池稳定运行，要求蓄电池放电深度在40％～60％之间。当然，维护工人会及时处理市电故障，所以只需考虑市电故障和阴雨天同时出现1天的情况。
蓄电池容量为25W×5×12h×1÷24V÷0.4÷0.85÷0.9＝204.25Ah
选两个12V/200Ah蓄电池。
2、蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。
逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。
逆变器通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，将直流电能转换成交流电能。
1、逆变器3种波形的比较
方波：见图3。结构简单，造价低，转换效率＞75％，感抗负载差，适用于一般的阻抗负载如普通白炽灯等。
正弦波：见图4。转换效率高达95％，波形精确稳定，适用于电信通信设备及一切电器负载，但造价高。
修正正弦波：见图5。转换效率＞90％，性能接近正弦波，造价比较低。
因此本系统采用修正正弦波逆变器。
2、功率选择
因节能灯启动电流是额定工作电流的5-7倍，负载功率为125W，所以选定逆变器功率为800W/24V。
直流/交流负载比较与选择
如选用直流负载，可省略了逆变器这一中间环节，提高能源利用效率。但由于通道长40米，由蓄电池到末端灯具约40+15+5＝60米，24V直流电压线路损耗高达10％；此外，直流低压大电流控制损耗大，升降电压技术比较复杂，直流节能灯光效低（45Lm/W），寿命短（5000小时），采购困难等。
相比之下，虽然使用交流负载利用率稍低，但逆变器的转换效率＞90％，损耗并不是很大，而交流负载更实用、方便，所以选用交流负载。
光伏现象不仅仅只在太阳能发电系统中才有应用空间，在很多领域都有相当大的应用空间，还有待我们去探索、去发现。作为一种干净环保且方便的能源必将有更大更广的应用空间。
参考文献：
[1] 宋伯生,陈东旭.太阳池发电系统新技术.机械工业出版社
[2] 王芯.太阳能光电技术发展的现状及前景.西安电子科技大学出版社
[3] 邹金慧.光电转换电源控制系统的设计.重庆大学出版社
（重庆机械电子技师学院重庆400037）
关键词：太阳能 光伏现象 辐射半导体材料
太阳能作为一种新型的洁净能源已经越来越多的应用在世界各个领域。当今对太阳能的直接应用有光热转换、光电转换、光化学转换三种，间接与综合利用种类更加繁多。光电转换主要有太阳能电池板和太阳能供电系统；光热转换主要有热水器、开水器、太阳灶、干燥器等；光化学转换主要是光合作用、光电化学作用的应用，现尚处在实验研究阶段。
在此我们仅对太阳能光伏发电系统这一光电转换系统进行简单阐述。
首先要先了解下什么叫做光伏。
太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通過半导体物质转变为电能的过程，通常叫做“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。
太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。独立运行的光伏发电系统需要有蓄电池作为储能装置，主要用于无电网的边远地区和人口分散地区，整个系统造价很高；在有公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，省去蓄电池，不仅可以大幅度降低造价，而且具有更高的发电效率和更好的环保性能。基本组成一套太阳能通道灯系统作原理见图1。主要组成部分包括太阳能电池方阵、控制器、蓄电池、逆变器、灯具。
太阳能电池方阵：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
太阳能电池板是太阳能光电转换的主要部件。太阳能电池组件的峰值功率Pk，由当地的太阳平均辐射强度与末端的用电负荷(需电量)决定。
峰值功率选择（估算公式）：
Pk=灯具功率×灯具数量×每日使用时间÷每天有效日照时间÷太阳能电池方阵实际使用功率系数÷蓄电池转换效率÷逆变器效率
Pk＝25(W)×5(套)×12(H)÷5(H)÷0.7÷0.85÷0.9＝560.22W
其中：
1）由于市电通道灯亮灯时间由经纬仪随季节变化而调节，太阳能通道灯每天亮灯时间11～14小时，取12小时。
2）太阳能电池方阵实际使用功率系数考虑了太阳能电池板的充电效率和充电过程中的损耗，取0.7。
所以，太阳能板功率选取为600W(75W×8pcs)
3）安装倾斜角度为33～35度，方向正南方，既便于充分吸收太阳能，又可利用雨水对太阳能板进行自清洗。
太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
控制器
控制器采用PWM脉宽调制控制器。具备以下功能：
1、过充保护：当电池电压超过28V时，停止充电；2、过放保护：当电池电压低于22V时，切断负载；3、蓄电池充电温度补偿；4、正极反接保护；5、短路保护；6、过载保护；7、过热保护(带散热装置)；8、雷击保护；9、小功率交流补充充电系统：当阴雨天，太阳能充电不足，电池电压低于直流22V时，在晚上通过高频整流开关将交流220V市电转换成直流24V，对蓄电池进行补充充电；10、检测市电及切换：当晚上有市电电源时，市电通道灯亮，控制器关掉太阳能通道灯；当晚上市电故障时或白天时，控制器检测到没有市电信号，开启太阳能通道灯。这样比装时控开关更能保证通道24小时亮灯。
蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
蓄电池是储存电能的装置。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。
由于在室外安装，选用阀控免维护铅酸蓄电池。因12V蓄电池较为常见，所以用两个12V电池串连成24V。
1、蓄电池容量选择
在上节控制器部分谈到，阴雨天时可以在晚上用市电对蓄电池进行补充充电；在晚上市电故障时，点亮太阳能通道灯。但最坏情况是两种情况同时出现，就要靠蓄电池单独供电。另一方面，为保证蓄电池稳定运行，要求蓄电池放电深度在40％～60％之间。当然，维护工人会及时处理市电故障，所以只需考虑市电故障和阴雨天同时出现1天的情况。
蓄电池容量为25W×5×12h×1÷24V÷0.4÷0.85÷0.9＝204.25Ah
选两个12V/200Ah蓄电池。
2、蓄电池在第一次使用时，要先充电到额定容量，不可过充或过放。
逆变器：在很多场合，都需要提供220VAC、110VAC的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。
逆变器通过功率半导体开关器件的开通和关断作用，将直流电能转换成交流电能。
1、逆变器3种波形的比较
方波：见图3。结构简单，造价低，转换效率＞75％，感抗负载差，适用于一般的阻抗负载如普通白炽灯等。
正弦波：见图4。转换效率高达95％，波形精确稳定，适用于电信通信设备及一切电器负载，但造价高。
修正正弦波：见图5。转换效率＞90％，性能接近正弦波，造价比较低。
因此本系统采用修正正弦波逆变器。
2、功率选择
因节能灯启动电流是额定工作电流的5-7倍，负载功率为125W，所以选定逆变器功率为800W/24V。
直流/交流负载比较与选择
如选用直流负载，可省略了逆变器这一中间环节，提高能源利用效率。但由于通道长40米，由蓄电池到末端灯具约40+15+5＝60米，24V直流电压线路损耗高达10％；此外，直流低压大电流控制损耗大，升降电压技术比较复杂，直流节能灯光效低（45Lm/W），寿命短（5000小时），采购困难等。
相比之下，虽然使用交流负载利用率稍低，但逆变器的转换效率＞90％，损耗并不是很大，而交流负载更实用、方便，所以选用交流负载。
光伏现象不仅仅只在太阳能发电系统中才有应用空间，在很多领域都有相当大的应用空间，还有待我们去探索、去发现。作为一种干净环保且方便的能源必将有更大更广的应用空间。
参考文献：
[1] 宋伯生,陈东旭.太阳池发电系统新技术.机械工业出版社
[2] 王芯.太阳能光电技术发展的现状及前景.西安电子科技大学出版社
[3] 邹金慧.光电转换电源控制系统的设计.重庆大学出版社
（重庆机械电子技师学院重庆400037）