非晶硅太陽能路燈系統的設計

呂欣

（沈陽拓荊科技有限公司 遼寧 沈陽 110168）

【摘要】介紹了太陽能路燈系統的組成，各部分的工作原理、工作特點，并以沈陽漢鋒工廠內安裝的太陽能路燈為例，來說明非晶硅太陽能路燈系統的設計方法。非晶硅太陽能電池的弱光性、低成本與高亮度、長壽命的LED光源相結合將是未來照明工程的發展趨勢。

【關鍵詞】非晶硅太陽能電池 太陽能路燈系統 LED燈 太陽能控制器 蓄電池組

一、引言

太陽能光伏發電可以直接將太陽能轉化為電能，是一種清潔、低碳獲取電能的新技術，也是太陽能眾多利用方式中非常重要并且很有發展前景的技術。太陽能是種巨量可再生能源，可以說是取之不盡、用之不竭。同時隨著太陽能光伏技術的發展和進步，離網式照明系統以其免維護、無需鋪設電纜、低運營成本等特點越來越受到人們的關注。本文主要介紹離網式非晶硅太陽能LED路燈系統，并以沈陽鐵西熙園公園內安裝的太陽能路燈為例來說明。非晶硅太陽能電池的低成本、高發電量與高亮度LED燈相結合所帶來的優點，將是目前世界上任何照明系統所不能比擬的。

二、非晶硅太陽能電池的基本原理

非晶硅太陽能電池是薄膜太陽能電池中最成熟的產品，是在晶體硅制成的前道工序中，將含有金屬硅的烷氣采用化學方式沉積到非硅基板（如玻璃基板）上制造而成，其加工原理為使用硅烷（SiH4）等離子體分解法，通過在硅烷摻雜乙硼烷（B2H6）和磷化氫（PH3）等氣體，在基板上（玻璃、不銹鋼）低溫成膜。

非晶硅太陽電池的結構各有不同，其中有一種較好的結構叫PIN電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的N型非晶硅，再沉積一層未摻雜的I層，然后再沉積一層摻硼的P型非晶硅，最后用電子束蒸發一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。

非晶硅薄膜太陽能電池光吸收系數高，對太陽光適應范圍較廣，非最佳角度陽光下的工作情況好于其他太陽能電池以及易于實現集成化的特性，可以適合不同需求的多品種產品。尤其適合用于太陽能路燈，建筑光伏一體化（BIPV）以及大型太陽能并網發電系統。

三、太陽能路燈的基本結構及工作原理

（1）太陽能路燈系統的基本結構。太陽能發電系統主要由太陽能電池組件陣列、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成，如輸出電源為交流220V或110V，還要配置逆變器。

（2）太陽能路燈的工作原理。太陽能路燈利用太陽電池的光生伏特效應原理，光伏效應是半導體在吸收光能后，內部帶電載流子分布狀態和濃度發生變化從而產生出光生電流和光生電動勢的效應。利用這種特性，半導體材料的光伏陣列將太陽能轉換成電能，是整個系統能量的來源。蓄電池組的放電情況由控制器進行控制，保證蓄電池的正常使用。系統還具有限荷保護和防雷裝置，以保護系統設備的過負載運行及免遭雷擊，維護系統設備的安全使用。

（3）非晶硅太陽能電池方陣。非晶硅太陽能電池方陣能產生光伏效應，是進行光電轉換的部分。光伏效應是半導體在吸收光能后，內部帶電載流子分布狀態和濃度發生變化從而產生出光生電流和光生電動勢的效應。利用這種特性，半導體材料的光伏陣列將太陽能轉換成電能，是整個光伏應用系統能量的來源。太陽能電池板是太陽能路燈中的核心部分，也是太陽能路燈中價值最高的部分。

（4）太陽能控制器。太陽能路燈系統中，性能良好的充放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以規定和限制，并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出，防止蓄電池過充電及深度充電，是整個系統的核心控制部分。在溫差較大的地方，合格的控制器還應具備溫度補償功能。同時太陽能控制器除具有路燈控制功能外，還應具有光控、時控功能，并應具有夜間自動切控負載功能，便于陰雨天延長路燈工作時間。

（5）蓄電池組。將太陽電池組件產生的電能儲存起來，當光照不足或晚上、或者負載需求大于太陽電池組件所發的電量時，將儲存的電能釋放以滿足負載的能量需求，它是太陽能光伏系統的儲能部件。其中蓄電池的容量指的是在一定放電條件下蓄電池能連續提供的能量的總和，單位為安時（Ah），這個參數的選擇主要與太陽能光伏系統的工作條件下的太陽輻射平均強度和需要連續供應負載電量的時間和功率有關；工作電壓是蓄電池接通負載放電時在負載上所呈現出來的電壓，其大小主要決定于后面負載的額定工作電壓值。

（6）逆變器。在太陽能路燈系統中，如果含有交流負載，那么就要使用逆變器設備，將太陽電池組件產生的直流電或者蓄電池釋放的直流電轉化為負載需要的交流電。

四、工程實例

以沈陽鐵西熙園公園離網式非晶硅太陽能發電系統為例來說明非晶硅太陽能電池在照明系統中的應用，現將該系統配置整理成如表1所示。

五、結束語

非晶硅薄膜太陽能電池光吸收系數高，對太陽光適應范圍較廣，非最佳角度陽光下的工作情況好于其他太陽能電池，因此光伏組件方陣的功率要小于其他太陽能電池。隨著非晶硅薄膜電池制造成本的不斷降低和集成化技術的不斷成熟，太陽能路燈將成為道路照明的主體，與人們的生活更加密切。

參考文獻：

[1]中國太陽能利用協會.新編太陽能產品設計與太陽能利用新技術新工藝實務全書[M].北京：中國科技文化出版社， 2007.

[2]王長貴，王斯成.太陽能光伏發電實用技術[M].北京：化學工業出版社，2005.