太阳能独立发电应用系统－草坪灯装置设计实例

太阳能独立式发电应用系统，指的是与交流市电电网无任何关联的、完全由用电系统自身携带的太阳能电池组件板供电工作的各种工作电器。如各种太阳能草坪灯、庭院灯、景观灯，独立的太阳能用户电源供电系统，道路交通用的红、蓝双色爆闪灯、黄闪灯，以及航道用的导航信号灯、移动通讯基站等。

　　一、太阳能独立式发电应用系统其系统成见图 1 所示。

　　二、设计实例——太阳能草坪灯太阳能草坪灯电路如图 2 所示，实物如图 3 所示。

　　1 ．电路原理太阳能电池板输出的光伏电压 PV_out 经插座 J1 、 J2 接至电路板，该电压分成两路：一路经二极管 D1 与蓄电池相连，给蓄电池充电，同时向 U1 、 U2 提供工作电压；另一路经 R1 及 C2 、 DW1 、 R11 并联分压后加至运放 U2(LM358) 的反向输入端②脚，作为天是否"黑了"的检测电压，运放同相输入端③脚则接于 R4 与 (R5+VR1) 串联电路的分压点上。其中。 VR1 是草坪灯点亮调节微调电阻，调节 VR1 改变 U2 同相输入端的比较电压值，即可改变草坪灯的开灯设置点。

　　U1 为 LM317 三端稳压芯片，调节微调电阻 VR2 可以改变加至草坪灯 LED 发光二极管的工作电压．即在 Q1 导通的情况下，调节 VR2 使各 LED 串联支路的工作电流为 20mA 。

　　电路工作过程如下：在白天，由于太阳能电池板的工作电压较高，运放 U2 ②脚的电压高于③脚。①脚输出低电平， Q1 截止， LED 发光二极管不亮。随着夜幕的降临，太阳能电池板输出电压逐渐降低． U2 ⑦脚电压也伺时降低，当②脚电压低于③脚时．运放 1 脚输出高电平， Q1 导通，四条 LED 发光二极管支路与"地"连通， LED 点亮，当天色转明时，太阳能电池板电压再次升高，运放再次截止……，最终导致草坪灯熄灭。草坪灯便如此日复一日，周而复始地工作。

　　考虑到生产成本，电路中未设计蓄电池过充电控制电路。而蓄电池过放电控制原理则是充分利用了 LED 发光二极管的导通"势垒"来实现的，虽未加蓄电池过放控制电路 , 同样也能实现蓄电池的过放电保护功能。

　　2 ．负栽电路工作情况及工作要求电路中用了 12 只φ 5mm 的白色 LED 超高亮度发光二极管作为发光体，构成四个工作支路，每个支路由三只 LED 发光二极管串联组成。白色发光二极管的工作电压为 3V 左右，工作电流为 20mA 。由三端稳压器 U1 向发光二极管提供稳定的工作电压，在这一电压下要求保证发光管的工作电流为 20mA 。蓄电池能点亮二极管的最低电压为： 3V × 3+(10mA × 10R)+Vce+1 ． 25V=10 ． 55V 。式中： 3Vx3 为三只串联发光二极管的导通电压， 10mAxl0R 为各支路限流电阻上的电压降， 10mA 为发光二极管最低点亮工作电流。 Vce 为 Ql 导通时的饱和管压降，约 O ． 2V ， 1 ． 25V 为 LM317 最小工作电压。即当蓄电池电压低于 10 ． 55V 时，蓄电池停止放电， LED 不再发光，从而达到了蓄电池过放电控制保护的目的。其工作要求为：草坪灯在天黑时自动点亮，天明时自动熄灭，同时要求草坪灯在连续三天阴雨天时能正常点亮。

　　3 ．系统配置计算太阳能光伏发电系统配置的计算原则是能量守恒，计算的原理是供需平衡，最终实施的方法是：充分考虑不利因素，在保证草坪灯正常工作的情况下尽量压缩设计成本。

　　(1) 用电功率的计算草坪灯的功率为 12Vx20mAx4=960mW 。考虑到冬季昼短夜长，要求每天能工作 10 小时以上．则每天太阳能草坪灯消耗的电功率为 960mW × 10 小时： 9 ． 6Wh 。

　　(2) 蓄电池容量计算选用 12V 电压的蓄电池作为工作电源。设其容量为 P 安·时，放电深度为 80 ％。根据能量守恒定律有： P × 12Vx80 ％ =9 ． 6Whx3 天，解得 P=3Ah 。考虑到电路自身还要耗电，最终选用 12V ／ 4Ah 标准系列的免维护铅酸蓄电池作为工作电源。

　　4 ．太阳能电池组件功率的计算太阳能电池组件的功率 = 太阳能电池组件的输出电压×太阳能电池组件的输出电流。

　　太阳能电池组件的输出电压取决于太阳能电池片串连数量的多少 ( 一片太阳能电池片的输出电压为 O ． 5V 左右 ) ；太阳能电池组件的输出电流取决于太阳能电池片面积的大小。知道了上述关系，即可按照要求设计太阳能组件了。

　　太阳能电池是草坪灯的供给能源，它一天接收的能量除了夜晚供给草坪灯工作外，还要有一定的富裕能量储存在蓄电池内，以备阴雨天之用。

　　设太阳能电池的功率为 Pv(W) ， Pv 与接收太阳能照射的小时数的乘积，即为一天内所发出的电量 Wh( 瓦时 ) 。根据上述草坪灯一天消耗的能量可得 Pv 的发电量应大于 960mWh 。由于我国地域辽阔。加之春、夏、秋、冬四季日照的变化，所以，天日照小时数是不等的，多数地区平均有效曰照小时数为 3 ． 5 小时－ 5 小时。西藏、青海、新疆、内蒙等地区日照时数长，特别是在夏季可取有效日照小时数的上限值，甚至更高；其他地区平均有效日照时数均低于上述地区，以重庆地区为最短，平均有效日照时数不足 3 小时。因此，日平均发电量也是最少的，这一地区不适于使用太阳能光伏发电。本草坪灯以平均日照时数为 5 小时计算，并综合考虑太阳能电池向蓄电池充电效率不大于 60 ％，则 Pvx5h( 小时 )x60 ％ >9 ． 6Wh ，解得：太阳能电池 ( 组件 ) 功率 Pv>3 ． 2W 。

　　太阳能电池的电压选择原则采用行业内流行的"最大功率跟踪"充电法，在这一方法下选择太阳能电池的电压可以得到最佳的充电效果，而且此方法也得到了行业内人士的一致认可。对于用这一方法和理论充 12V 蓄电池来说：可用 36 片～ 33 片太阳能电池片串联后给蓄电池充电， 36 片太阳能电池串联后，其开路电压高达 21V ．最大工作电压为 18V 。

　　大家完全不必担心在这么高的电压下会充坏蓄电池或损坏太阳能电池，这也正是使用太阳能电池与使用普通交流市电给蓄电池充电的最大差别。

　　由于太阳能电池内阻较高。在这一电压下即使将太阳能电池的正、负极短路，其最大短路电流也不过 170mA ，并且不会损坏太阳能电池。常用的各种太阳能控制器，就是用短路太阳能电池的方法来达到控制停止充电的目的。

　　5 ．太阳能电池片尺寸计算在确定了上述草坪灯太阳能电池片的功率 >3 ． 2W 、工作电压为 18V 后，即可算得最终电池组件的电流要大于 170mA 这个值。对于 125mm 2 、转换效率为 15 ％的单晶硅太阳能电池片．功率为 2 ． 34W ，最大输出电流为 4400mA ，折合为单位面积上的输出电流为 O ． 2816mMmm2 。对于 170mA 电流的太阳能电池片的面积为： 170mA ／ 0 ． 2816mA ／ mm2 ＝ 603 ． 7mm 2 ，因此太阳能电池片切割宽度为： 603 ． 7mm 2 ／ 125mm =4 ． 83mm 。 4 ． 83mm 宽是计算值，生产上还要充分考虑电池片这样切割是否为"单材料"，是否便于操作工焊接、量产，以及是否满足蓄电池充电速率这一指标要求。在选用太阳能作为充电源时，充电率以选择在 1 ／ 10C -1 ／ 20C 范围内为宜。应在满足上述诸条件下确定最终切割尺寸。本设计选用 125mm 2 单晶硅电池片切割 21 条，每条宽度为 5 ． 95ram( 125mm ／ 21 条 ) ．最大输出电流为 125mm × 5 ． 95mm × 0 ． 2816mA ／ mm2=209 ． 5mA 。最终组件电池片的尺寸为 125mm × 5 ． 95mm ，共计 36 条 ( 片 ) 串联，最大工作电压为 18V ．最大输出电流为 209 ． 5mA ，充电率 1 ／ C=209 ． 5mA4000mAh>1 ／ 20 ，最大输出功率为 3 ． 77W 。在这一条件下，有 170mA 电流用于晚上点亮 LED ，剩余电流存入蓄电池，以备阴雨天之用。

　　6 ．太阳能电池片的封装选择小型太阳能电池组件封装有两种，一种是用透明度较高的环氧树脂封装的"滴胶板"，另一种是用"低铁"钢化玻璃封装的，称为"层压板"或组件。滴胶板具有生产尺寸灵活、成本低、生产周期短、生产速度快等优点，其最大缺点是太阳能电池光效老化、衰减快、性能稳定性差、使用寿命短，不利于长期使用。层压组件生产成本高、工艺复杂、使用寿命长，在正常使用中寿命达 25 年以上。

　　三、太阳能电池发电及蓄电池充电的特性简述 1 ．太阳能电池温度特性太阳能电池是用半导体材料硅制作的，具有普通硅半导体材料的温度特性，随着温度的上升，其输出电压是降低的，当它在温度较高的地区工作时，要充分考虑到这一点。对于太阳能组件选用 36 片还是 33 片电池串联这一问题，就要充分考虑使用地区的温度，上述 36 片、 18V 工作电压这一数据是在 25 ℃ 条件下测试的，当温度达到 50 ℃ 时，其输出电压将降低 2V ．对于 36 片串联电池组件，这时的工作电压不再是 18V ，而是 16V 。当它工作在高寒地带时，其输出电压是升高的，因此可选用 33 片电池串联为 12V 蓄电池充电。

　　2 ．蓄电池放电容量与温度有关随着温度的降低，蓄电池电解质活动能力将变得迟缓．放电容量是下降的。通常，铅酸蓄电池的容量是在 25~(2 标定的，当温度降到 0 ℃ 时，其容量下降至额定值的 90 ％左右。当温度降到一 20 ℃ 时，其容量下降为不足额定容量的 80 ％．甚至更低。