太陽能電池作為一種新能源，在民用方面首先應(yīng)用在照明燈具上。目前，在西部光明工程，非主干道太陽能路燈，太陽能庭院燈和太陽能草坪燈，太陽能裝飾燈等方面的應(yīng)用已經(jīng)逐漸形成規(guī)模。在太陽能照明燈具的設(shè)計(jì)中，涉及光源、太陽能電池系統(tǒng)、蓄電池充放電控制許多因素，其中任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會造成產(chǎn)品缺陷。本文就太陽能電池的外特性、蓄電池充放電控制、太陽能照明燈具經(jīng)常使LED與三基色高效節(jié)能燈進(jìn)行比較，分析各自優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)以及使用場合。同時(shí)針對目前市場上太陽能燈電路設(shè)計(jì)中存在的問題提出改進(jìn)方法。由于太陽能燈其有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，近年來得到迅速的發(fā)展。草坪燈功率小，主要以裝飾為目的，對可移動性要求高，另外，電路鋪設(shè)困難，防水要求高，上述要求使得由太陽能電池能供電的草坪燈顯示出許多前所未有的優(yōu)勢。
尤其是國外市場對太陽能草坪燈比其它產(chǎn)品需求十分巨大。2002年，僅廣東和深圳用于制造出口太陽能草坪燈消耗的太陽能電池就達(dá)到2MW，相當(dāng)于當(dāng)年國內(nèi)太陽能電池產(chǎn)量的1/3，今年仍然保持強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭，這是人們沒有預(yù)料到的。太陽能庭院燈在公園，生活小區(qū)以及非主要交通道路上得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)，由于發(fā)展太快，有些產(chǎn)品技術(shù)上不夠成熟，在光源的選擇以及電路設(shè)計(jì)中存在許多缺陷，降低了產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性和可*性，浪費(fèi)了許多資源。本文針對上述存在的問題，提出自己的看法，供生產(chǎn)太陽能燈具的工廠參考。
1 太陽能電池的外特性
從應(yīng)用的角度論述，大家主要關(guān)心的是太陽能電池的外特性。首先，對于單片太陽能電池來說，它是一個(gè)PN結(jié)，除了當(dāng)太陽光照射在上面時(shí)，它能夠產(chǎn)生電能外，它還具有PN結(jié)的一切特性。在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，它的額定輸出電壓為0.48V。在太陽能照明燈具使用中的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池連接構(gòu)成的。它具有負(fù)的溫度系數(shù)，溫度每上升一度，繆瓜陸?mV，對于多片太陽能電池組成的太陽能電池組件，這是一個(gè)不可忽視的問題。它的輸出特性曲線如圖1。 圖1中，Isc是短路電流，Im是峰值電流，Voc是開路電壓。Vm是峰值電壓，Pm是峰值功率。
在使用中，太陽能電池開路或者短路都不會造成損壞，實(shí)際上我們也正是利用它的這個(gè)特性對系統(tǒng)蓄電池充放電進(jìn)行控制的。
2 太陽能電池在使用中必須注意的問題
2.1 太陽能電池功率的選擇
我們所說的太陽能電池輸出功率Wp是標(biāo)準(zhǔn)太陽光照條件下，即：歐洲委員會定義的101標(biāo)準(zhǔn)，輻射強(qiáng)度1000W/m2，大氣質(zhì)量AM1.5，電池溫度25℃條件下，太陽能電池的輸出功率。這個(gè)條件大約和平時(shí)晴天中午前后的太陽光照條件差不多，（在長江下游地區(qū)只能接近這個(gè)數(shù)值）這并不象有些人想象的那樣，只要有陽光就會有額定輸出功率，甚至認(rèn)為太陽能電池在夜晚日光燈下也可以正常使用。這就是說，太陽能電池的輸出功率是隨機(jī)的，在不同的時(shí)間，不同的地點(diǎn)，同樣一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。
表1是我國不同地區(qū)太陽光照條件。
為了更加直觀地了解各地每天太陽能輻射的平均分布，表2給出年總輻射量與日平均峰值日照時(shí)數(shù)（太陽能電池每天可以接受到1000W/m2輻照度的等效時(shí)間）對應(yīng)關(guān)系。
表2年總輻射量與日平均峰值日照時(shí)數(shù)對應(yīng)表 通過上面資料可以看出，太陽能燈具的設(shè)計(jì)和燈具的使用地區(qū)有關(guān)。太陽能電池組件額定輸出功率和燈具輸入功率之間關(guān)系在華東地區(qū)大約是2~4:1，具體比例要根據(jù)燈具每天工作時(shí)間以及對連續(xù)陰雨天照明要求決定。另外太陽能電池的輸出功率大約120W/m2。
2.2 蓄電池容量的選擇
由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定,所以一般需要配置蓄電池系統(tǒng)才能工作，太陽能燈具也不例外，必須配置蓄電池才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池，它們的容量選擇直接影響系統(tǒng)的可*性以及系統(tǒng)價(jià)格。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下,把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時(shí)還要能夠存儲滿足連續(xù)陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態(tài)，影響蓄電池壽命，同時(shí)造成浪費(fèi)。
2.3 太陽能電池封裝形式的選擇
目前太陽能電池的封裝形式主要有2種，層壓和滴膠，層壓工藝可以保證太陽能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當(dāng)時(shí)美觀，但是太陽能電池工作壽命僅僅1~2年。因此，1W以下的小功率太陽能草坪燈,在沒有過高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對于使用年限有規(guī)定的太陽能燈，建議使用層壓的封裝形式。另外，有一種硅凝膠用于滴膠封裝太陽能電池，據(jù)說工作壽命可以達(dá)到10年。
2.4 太陽能電池安裝傾斜角度的選擇和裝飾性外罩
為了美觀，許多的太陽能燈具的工廠將太陽能電池水平放置，在這種情況下，太陽能電池的輸出功率將減少15%~20%，如果再在太陽能電池上面增加一個(gè)裝飾性外罩，太陽能電池的輸出功率又將減少5%左右，太陽能電池價(jià)格昂貴，我們收集了許多國外太陽能燈資料，在美觀和節(jié)能兩者之間，大多數(shù)都選擇節(jié)能。在長江下游太陽能電池的最理想傾斜角度是40度左右，方向?yàn)檎戏健?nbsp;
2.5 熱島效應(yīng)
單片太陽能電池一般是不能使用的，實(shí)際應(yīng)用的是太陽能電池組件。太陽能電池組件是由多片太陽能電池組合而成，用以達(dá)到期望的電壓值。太陽能電池組件在使用過程中，如果有一片太陽能電池單獨(dú)被遮擋，例如樹葉鳥糞等，單獨(dú)被遮擋的太陽能電池在強(qiáng)烈陽光照射下就會發(fā)熱損壞，于是整個(gè)太陽能電池組件損壞。這就是所謂熱島效應(yīng)。為了防止熱島效應(yīng)，一般是將太陽能電池傾斜放置，使樹葉等不能附著，同時(shí)在太陽能電池組件上安裝防鳥針。
3 太陽能燈具中蓄電池的充放電控制
無論太陽能燈具大小，一個(gè)性能良好的充放電控制電路是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電，.另外，由于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸入能量極不穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)中對蓄電池充電的控制要比普通蓄電池充電的控制要復(fù)雜些。對于太陽能燈具的設(shè)計(jì)來說，成功與失敗往往就取決于充放電控制電路的成功與失敗。.沒有一個(gè)性能良好的充放電控制電路，就不可能有一個(gè)性能良好的太陽能燈具。
3.1 防反充電控制
防止反充電功能，一般來說，就是在太陽能電池回路中串聯(lián)一個(gè)二極管，二極管防止反充電，這個(gè)二極管應(yīng)該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低。另外，還可以用場效應(yīng)晶體管控制防止反充電功能，它的管壓降比肖特基二極管更低，只是控制電路要比前面復(fù)雜一些。
3.2 防過充電控制
防止過充電功能，可以在輸入回路中串聯(lián)或者并聯(lián)一個(gè)泄放晶體管，電壓鑒別電路控制晶體管的開關(guān)，將多余的太陽能電池能量通過晶體管泄放，保證沒有過高的電壓給蓄電池充電。關(guān)鍵是防止過充電壓的選擇，單節(jié)鉛酸蓄電池為2.2V。
3.3 防過放電控制
除了Ni-Cd電池外，其它蓄電池一般都要具有防止蓄電池過放電功能，因?yàn)闀斐尚铍姵剡^放電永久性損壞。需要注意的是，太陽能電池系統(tǒng)一般相對蓄電池是小倍率放電，所以放電截止電壓不宜過低。
3.4 溫度補(bǔ)償
溫度補(bǔ)償，蓄電池電壓控制點(diǎn)是隨著環(huán)境溫度而變化的，所以太陽能燈系統(tǒng)應(yīng)該有一個(gè)受溫度控制的基準(zhǔn)電壓。對于單節(jié)鉛酸蓄電池是-3~-7mV/℃，我們通常選用-4mV/℃。
4 太陽能燈具光源的選擇
目前多數(shù)草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達(dá)到100000小時(shí)以上，工作電壓低，非常適合應(yīng)用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了其關(guān)鍵性突破，并且其特性在過去5年中有很大地提高。同時(shí)性能價(jià)格比也有較大地提高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，調(diào)節(jié)明暗，頻繁開關(guān)都是可能的，并且不會對LED的性能產(chǎn)生不良影響?？刂祁伾?，改變光的分布，產(chǎn)生動態(tài)幻景都是可能的，所以它特別適合在太陽能草坪燈上應(yīng)用。有許多其固有的特性，使用時(shí)如果不注意就會造成不良后果。但是LED目前在市場上銷售LED的發(fā)光效率僅能達(dá)到15Lm/W，只能達(dá)到三色基色高效節(jié)能燈1/3，三色基色高效節(jié)能燈的發(fā)光效率可以達(dá)到50 Lm/W ~60Lm/W。從價(jià)格上看，目前生產(chǎn)每Lm的成本：三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）0.022元，2002年f5mm白光LED價(jià)格為1.9~3.0元，目前生產(chǎn)每Lm的成本高，價(jià)格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的壽命可以達(dá)到6000小時(shí)，LED可以達(dá)到100000小時(shí)以上，從表面上看，LED壽命是三色基色高效節(jié)能燈（含電子鎮(zhèn)流器）的幾十倍，但是事實(shí)并非如此。目前太陽能草坪燈大多數(shù)采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達(dá)到初始強(qiáng)度50%的時(shí)間（壽命）不到10000小時(shí)，復(fù)旦大學(xué)電光源所曾經(jīng)證明了上述論點(diǎn)。這就是說，目前在許多情況下LED并非是最好的太陽能草坪燈光源，除非它是低檔，使用年限僅1~2年的太陽能草坪燈，或者是1w以下的太陽能草坪燈。對于1W以上的太陽能草坪燈，最好使用三色基色高效節(jié)能燈。目前有一些太陽能草坪燈用30~40只超高亮白光LED，輸入功率2W以上，在這種情況下，如果使如果用三色基色高效節(jié)能燈，價(jià)格只是LED的1/10，光通量為原來的4倍，現(xiàn)在已經(jīng)研制成功2~10W的低壓直流三色基色高效節(jié)能燈，壽命可以達(dá)到6000小時(shí)。根據(jù)上述分析，我們認(rèn)為有調(diào)節(jié)明暗、頻繁開關(guān)功能的1W以下的小功率太陽能草坪燈，一般應(yīng)該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時(shí)特別要注意光通維持率問題，否則容易引發(fā)事故。對于功率較大的太陽能草坪燈，目前使用三色基色高效節(jié)能燈比較合理。這里要強(qiáng)調(diào)的是，以上結(jié)論僅僅是目前地分析，當(dāng)LED技術(shù)水平提高以后，價(jià)格下降，以上結(jié)論需要改變。
對于太陽能庭院燈，從可*性、性能價(jià)格比、色溫，和發(fā)光效率幾個(gè)方面綜合考慮，我們認(rèn)為理想的光源目前應(yīng)該是三色基色高效節(jié)能燈。
（轉(zhuǎn)載）
