太阳能LED路灯控制系统设计

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(4) 被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在太阳能电池单体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能。实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并封装后形成的太阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦。太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列，以满足负载功率要求。

2.1.2 太阳能电池的分类

目前，有许多材料可以用来做太阳能光伏电池的半导体层，但是能产生高能量转换效率的光伏材料并不多。全世界应用和研究的光伏材料主要包括单晶硅、多晶硅、砷化镓晶体材料以及非晶硅、磅化锡等薄膜材料。从对太阳能光吸收效率、能量转换效率、制造技术的成熟与否以及制造成本等多个因素来看，每种光伏材料各有其优缺点。太阳能电池主要可以分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池两大类[10]。

单晶硅太阳能电池是当前开发最快的一种太阳能电池，它的结构和生产工艺已基本定型，产品已广泛用于实际中。这种太阳能电池以高纯的单晶硅为原料，纯度要求99.999%。目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为 15%左右，最高的达到 24%，这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，技术也最为成熟但制作成本很大，以致于它还不能被大量广泛和普遍地使用。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳能电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳能电池专用的单晶硅棒。单晶硅太阳能电池的单体片制成后，经过检验，就可以按所需要的规格组装成太阳能电池组件，在实际应用中通过串联和并联的方法构成一定的输出电压和电流，为负载所用，使用寿命一般可达 15 年，最高可达 25 年。

目前太阳能电池使用的多晶硅材料，大多是含有大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅材料和冶金级硅材料融合浇铸而成，然后注入石墨铸模中，即得多晶硅锭。这种硅锭铸成立方体后通过切片加工成方形太阳能电池片，提高了材料利用率和方便组装。多晶硅太阳能电池与单晶硅太阳能电池的制作工艺差不多，其光电转换率约 12%左右，稍低于单晶硅太阳能电池，但其材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

非晶硅新型薄膜式太阳能电池，它与单晶硅和多晶硅太阳能电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，工艺过程大大简化，成本低重量轻,转换效率较

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高，便于大规模生产，非常吸引人。非晶硅太阳能电池的结构各有不同，其中有一种较好的结构叫Pi-N电池，它是在衬底上先沉积一层掺磷的N型非晶硅，再沉积一层未掺杂的i层，然后再沉积一层掺硼的P型非晶硅，最后用电子束蒸发一层减反射膜，并蒸镀银电极。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳能电池很薄，可以制成叠层式或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。它的主要优点是在弱光条件也能发电，有极大的潜力。但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，且不够稳定，随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了它的实际应用。现在日本生产的非晶硅串联太阳能电池可达2.4伏，且不够稳定，如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，那么，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

2.1.3 太阳能电池的特性

太阳能电池的电气特性为研究、质量保证和生产所需。对于不同的行业来说测量精度和参数的重要性会有不同，以下是太阳能电池一些在任何测试环境都必须测量的重要参数[11]：

（1）开路电压(Voc)：没有电流时的电池电压。

（2）短路电流(Isc)：负载电阻为零时从电池流出的电流。

（3）电池最大功率输出(Pmax)：电池产生最大功率时的电压和电流点，通常把I-V 曲线上的Pmax点作为最大功率点。

（4）Pmax的电压(Vmax )：电池在Pmax的电压电平。 （5）Pmax 的电流(Imax)：电池在Pmax 的电流电平。

（6）太阳能的电池的转换效率(η)：太阳能电池接到电路时转换(从吸收光的电能) 和收集功率的百分比。是评估太阳电池好坏的重要因素。

（7）填充因子(FF)：最大功率点P max与开路电压(Voc) 及短路电流(Isc) 之比

FF?Pm??Ac?E? （2-1）

Vov?IscVoc?Isc（8）电池的二极管特性。 （9）电池的串联电阻。 （10）电池的旁路电阻。

太阳能电池板通常定义为封装和连接在一起的一个以上的电池。太阳能电池板有

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不同的电压和电流范围，但功率产生能力一般为50W至300W。

2.1.4 影响太阳能电池输出的因素

日照强度和温度是影响电池输出的重要因素，随着日照强度的增加，太阳能光伏电池的开路电压几乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加；在日照强度相同时，随着温度的升高，太阳能光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小，具有负温度系数。此外，无论在任何温度和日照强度下，太阳能电池总有一个最大功率点，温度(或日照强度)不同，最大功率点位置也不同。

2.2 蓄电池

蓄电池是光伏系统的储能装置，太阳能电池产生的电能先以化学能的形式储存在电池中，在负载需要供电时，蓄电池将化学能转换为电能供应给负载。蓄电池可以反复使用，符合经济实用原则，这是最大优点，蓄电池具有电压稳定、供电可靠、移动方便等优点，广泛用于各个部门和场所。蓄电池的特性直接影响光伏系统的工作效率、可靠性和价格。

2.2.1 常见的蓄电池

对于蓄电池的种类，就市场上主流产品而言，主要有四类：铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锂离子蓄电池。

铅酸蓄电池历史最悠久，至今已有 150 年的历史，其工艺、结构、生产、性能和应用都在不断发展，科学技术的发展给古老的铅酸蓄电池带来蓬勃生机。铅酸蓄电池放电工作电压较平稳，既可小电流放电，也可很大电流放电，工作温度范围宽，可在-40℃～65℃范围中工作，铅酸蓄电池技术成熟、成本低廉，跟随负荷输出特性好，至今仍是蓄电池中重要产品，但铅酸蓄电池重量大，质量与能量比低，理论上，铅酸蓄电池的质量与能量比为 240Wh/kg，实际只有 10～50Wh/kg[12]。并且，铅酸蓄电池需要维护，充电时间慢。普通铅酸蓄电池由于使用寿命短，效率低、维护复杂、所产生的酸雾污染环境等问题，其使用范围很有限，目前已逐渐被淘汰。20 世纪70年代，发展了阀控密封式铅酸（VRLA）蓄电池，VRLA蓄电池采用密封结构，不存在普通铅酸蓄电池的气胀、电解液渗漏等现象，使用安全可靠、寿命长，正常运行时毋需对电解液进行检测和调酸加水，又称为“免维护”蓄电池。

镉镍电池采用金属镉作负极活性物质，氢氧化镍作正极活性物质的碱性蓄电池。用聚酰胺非织布等材料作隔离层；用氢氧化钾水溶液作电解质溶液；电极经卷绕或叠

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合组装在塑料或镀镍钢壳内。镉镍电池标称电压为 1.2V，具有使用温度范围宽、循环和贮存寿命长、能以较大电流放电等特点，但存在“记忆”效应，常因规律性的不正确使用造成电性能下降。大型袋式和开口式镉镍电池主要用于铁路机车、矿山、装甲车辆、飞机发动机等作起动或应急电源。圆柱密封式镉镍电池主要用于电动工具、剃须器等便携式电器。小型扣式镉镍电池主要用于小电流、低倍率放电的无绳电话、电动玩具等。由于废弃镉镍电池对环境的污染，该系列的电池将逐渐被性能更好的金属氢化物镍电池所取代。

氢镍电池使用氢氧化镍为正极活性物质，贮氢合金作负极活性物质，氢氧化钾水溶液作电解液，为绿色环保型电池。高容量型氢镍电池的比能量为 60～100Wh/Kg，高功率型氢镍电池的比能量为 40～50Wh/Kg。氢镍电池采取恒电流充电方式充电，根据电池对电流的接受能力可采用不同的电流对电池充电，充电过程中无需对电池单体的电压进行限制，同时，可以实现快速充电。氢镍电池由于采用高导电性电解液，电池内阻较小，可以适应大电流放电，因此它可分为低倍率、中倍率、高倍率电池。对于需要较大功率输出要求的场合比较适用。电池在高温时主要是充电方面的困难较大，氢镍电池在较高温时，副反应氧析出反应会加速，如果有较好的负极性能，在正极上析出的氧气可以在负极上还原，从而使电池内压得以消除。通过调整配方工艺，可以有效地提高电池在高温时的充电效率并可实现高温的快速充电。氢镍电池在-20℃时可以用比较大的电流放电，足以满足动力输出的需要。目前，电动车上动力电池主要是采用氢镍电池。

锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，好的电池，每月在 2%以下（可恢复）。没有记忆效应。工作温度范围宽为-20℃～60℃。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达 100%，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，但它较为“娇气”，在使用中不可过充、过放(会损坏电池或使之报废)。因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。

除以上四种常见蓄电池外，还出现了钒蓄电池和镁蓄电池。

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