1 緒 論
1.1太陽能照明的節能優點
無論是現在還是將來，太陽能都擁有廣闊的市場前景。潛力無限的太陽能是一種清潔、高效而且可持續的可再生能源。同時，使用太陽能也是一個明智的財務選擇。如果使用太陽能電池板為您的住宅供電，在收到每個月的電費單時，您就能體會到這一點。另外，太陽能是環保的選擇——如果您知道使用太陽能將為您的孩子留下一個更環保的美好世界，您一定會感到自豪。
如今，全球的光伏 (Photovoltaic, PV) 太陽能供不應求，是增長最快的可再生能源之一。隨著制造工藝的高效化，光伏系統的成本將繼續下降。如今，光伏系統的價格已經是 20 年前的 1/25。即使是商業電力公司，也正在尋求通過利用太陽能來構建更為穩定的成本結構。研究結果顯示，太陽能在北方的氣候條件下更為有效。在加利福尼亞州，電費每年上漲 6.7%。太陽能則可以用來預防未來電費的居高不下。在許多國家，您可以將富余電力賣給電力公司，沖抵您的電費。與高成本的化石燃料污染和全球溫室效應相比，太陽能不僅使用范圍廣，而且更經濟。在近期的民意調查中，當受訪對象被問及哪類能源最適合子孫后代時，太陽能的得分高出所有其它能源。光伏系統在提供電力的同時，不會排放二氧化碳 (CO2)。一塊光伏組件在 25 年的有效使用期內，可減少約 7.5 噸的碳排放量。
隨著經濟發展，我國的照明用電將大幅度提高，綠色節能照明的研究應用，將越來越受到重視。太陽能LED照明燈具作為冷光源產品，具有性價比較高、綠色環保、安全可靠、質量穩定、使用壽命長、安裝維護簡便等特點，可廣泛應用于綠地照明、公路照明、廣告燈箱照明、城市造型景觀照明及家居照明系統，但太陽能LED照明燈具一次性投入較高是其發展的瓶頸。
目前，照明消耗約占整個電力消耗的20%左右，降低照明用電是節省能源的重要途徑。為實現這一目標，業界已研究開發出多種節能照明器具，并取得了一定的成效。但是，距離“綠色照明”的要求還較遠，開發和應用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源勢在必行。
到2006年底，我國可再生能源利用量總計為2億噸標準煤(不包括傳統方式利用生物質能)，約占0.5個百分點，為2010年實現可再生能源占全國一次能源消費總量10%2 的目標邁出了堅實的一步。目前，我國正在從以下幾個方面來推動光伏發電的國內市場發展：一、啟動送電到村工程;二、在特殊工程上運用光伏發電，如世博會、奧運會等;三、在沙漠地區建光伏電站;四、動員一些城市啟動屋頂計劃;五、研究制定提高光伏發電競爭力的電價政策(光伏產品90%的出口以及國內市場的缺失，都可能限制中國光伏產業的長遠發展。一旦國外光伏產業政策有變或者為保護本國產業采取限制進口的措施，中國近年來大量上馬的光伏項目將面臨困境)。
1.2太陽能照明是發展的趨勢
太陽的能源非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽光所產生的能量相當于全球人類一年消耗的能量。可以說太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。目前，全球能源危機日益加劇，各國都在尋找新的能源，以取代即將枯竭的煤、石油、天然氣等地球上所剩無幾的不可再生能源。作為新型照明方式之一，太陽能照明能否挑起重擔，在未來的照明行業中起主導作用？這不僅僅是照明行業所關注的焦點，也是整個社會思考和關注的焦點。
利用太陽能發電的經濟性在很多情況下要優于常規的供電方式。太陽能電源系統運行成本低，幾乎不需要維護，不需要備件，不需要增添燃料。太陽能系統設備可自動運行，適于在無人職守站使用。不包含任何運轉部件，系統可連續工作、使用壽命超過數十年。、太陽能電源系統的直流輸出電壓十分穩定。無需為引接入電網而修路，在沒有電網的地方，太陽能為靈活選取站址提供可能。除了直接的經濟效益以外，太陽能發電還有很多間接優點。在其它一些供電系統，往往由于斷電而立即造成巨大的經濟損失。太陽能系統仍能保證穩定可靠地工作。
太陽能照明本質上是一個光電轉換系統，專業領域稱為“硅晶片地面光伏組件”。其工作原理是通過硅晶片接收太陽光線后轉變為電能，然后儲存在蓄電池中，再由光感開關進行控制，當天黑時能夠自動點亮，天亮時又自動熄滅。太陽能燈是光電轉換技術的一種應用產品，憑借其節能、環保、無需布線、自動控制、隨時變換位置等優點，在照明行業中樹立起神圣的地位。 因為硅晶片價格昂貴，最初的太陽能僅應用在航天事業上。在技術上稍有突破后，被美國、日本、德國等發達國家率先嘗試運用在高科技領域。隨著太陽能光伏技術的發展和進步，在民用方面首先應用在照明燈具上。近幾年來，太陽能燈具產品由于環保節能的雙重優勢，太陽能庭院燈、太陽能草坪燈和太陽能裝飾燈等應用逐漸形成規模。 3 大量試驗表明，太陽能燈具和普通燈具對比分析后得出：在滿足同樣照明要求的條件下，兩種不同的供電方式，太陽能燈成本比普通燈具要高；如果將投入工程的施工費用計入整個工程，則兩種燈具在初始投資時造價相當。工程越大，普通燈具的工程施工費用越高，其初始投入大于太陽能燈具。使用時間越長，越能彰顯太陽能燈具的實惠。如果把人力、物力計算在內，普通燈具的輔助費用與維護費用都將比預算的高。在后續的使用費用上（電費、維護費用等），太陽能燈具的優勢更明顯。“如果在全國推廣使用3億只太陽能燈，其節能效果相當于新建一個三峽工程”，中山市百特照明科技有限公司朱建平經理介紹。 據了解，太陽能的優點已被越來越多的人所接受。作為太陽能應用的系列產品之一，太陽能燈具一直是各方研究和關注的焦點。在已有技術基礎上，技術人員與廠商集思廣益，在諸多方面取得了突破性進展，為太陽能燈最終走向千家萬戶打下了堅實基礎。專家預測，太陽能照明在未來十年后將會普及，成為未來照明行業發展趨勢。
1.3太陽能路燈與普通路燈相比較
隨著科學技術的飛速發展，太陽能逐漸被開發利用，并已成為最有發展前景的環保能源之一，太陽能照明就是利用太陽能最重要的途徑。太陽能照明路燈采用高效單晶硅太陽能電池供電,采用免維護密封型蓄電池貯存電能,用高效節能燈照明,并采用先進的充放電和照明控制電路,具有性質可靠、發光效率高、亮度大、安裝方便、無需鋪設電纜電線，無需交流電能和電費，采用直流供電，光敏控制、安全可靠、節能、經濟、環保，實用)壽命長,是未來戶外照明的發展方向和照明燈具中的一枝新秀。
市電照明燈具安裝復雜：在市電照明燈具工程中有復雜的作業程序，首先要鋪設電纜，這里就要進行電纜溝的開挖、鋪設暗管、管內穿線、回填等大量基礎工程。然后進行長時間的安裝調試，如任何一條線路有問題，則要大面積返工。而且地勢和線路要求復雜、人工和輔助材料成本高昂。對比而言，太陽能照明綠色環保，能為高尚生態小區的開發和推廣增加新的賣點；可持續降低物業管理成本，減少業主公共分攤部分的費用。綜上對比所述，太陽能照明之安全無隱患、節能無消耗、綠色環保、安裝簡便、自動控制免維護等固有的特性將為樓盤的銷售、市政工程的建設直接帶來明顯可利用的優勢。太陽能照明燈具有體積小,重量輕,低能耗,高光強,防雷擊,無須其它電源,安全可靠,安裝、維護方便等特點。太陽能照明燈可廣泛應用于：家庭別墅、單位花園、公園綠地、環保小區、房前路邊等戶外場所的照明。 4
一盞普通的路燈以400W光源、日工作10小時計，1年平均耗電量是1460度電，還需要專人維護、更換燈泡；而太陽能路燈一般采用壽命長達50000小時以上的LED燈作為光源，日常無需增加消耗電量的費用開支。換個角度說，每裝一盞太陽能路燈，每年就可節省1460度電，十年可節省14600度。
1.大陽能路燈的造價其實不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算
太陽能路燈其實并不貴。在很多人眼里，路燈的成本不過是一根桿，一只燈泡。但是，事實上根本不是這樣子，一盞普通路燈除了這些成本，還有預埋地下的電纜申請和施工過程的費用，還可能影響、破壞周圍植被和景觀，日常需要專人定時維護、更換燈泡，同時每隔大約1Km要建一個升壓站（防止輸電線路過長，電壓降低過大，影響燈光亮度），分攤下來的成本每盞大約在3萬元左右，目前市政道路路燈的招標價格每盞一般也在2～3.5萬元之間。
而太陽能路燈的最大成本就是太陽能電池板，無需預埋輸電電纜及相關工程費用，一盞8～12米的太陽能路燈的造價一般在1.8～3.5萬元之間。這些太陽能路燈一般使用的光源是長壽命的LED燈或低壓鈉燈，使用的電壓都是絕對安全的直流低電壓，采用光控、時控、全自動、無觸點電子開關，故障率極低，整體路燈使用壽命要長達15年。此外，路燈與路燈之間彼此獨立工作、互不干擾，可根據實際情況將某段時間設計成節能照明狀態，從而有效降低造價。只要設計合理，實際比普通路燈更劃算。
2.偷盜難，也不劃算，太陽能路燈燈桿一般都在8米高以上，偷盜電線不合算
近年來，由于銅以及其他金屬價格的上漲，偷盜路燈電纜成為一大治安問題。很多人擔心太陽能路燈采用的都是高新技術的材料，一旦被盜的損失會更高，持這種觀點的人不少，不僅僅有一些政府官員，連一些能源研究專家也認為這確實是一個問題。
小偷偷電線一般用剪或用絞輪拉，目的是為了獲得金屬銅謀取利益，而太陽能路燈的內部電線絕大部分都在燈桿里面且短而小，含銅量不如傳統路燈，加上燈桿較高，一般都在8米以上，要開著吊車才能將太陽能電池板和電纜快速盜走，被盜可能性比傳統路燈要低得多。如果小偷真的開著吊車來偷路燈了，那不知是什么天下了，應該不是偷了而是搶了！那我們國家能有這么亂嗎？因此，偷盜太陽能路燈內部電線是不合算的。
3.大陽能路燈的造價其實不高，因其使用壽命長，比普通路燈更劃算
(1)不受地理位置限制、無需消耗燃料，無機械轉動部件，建設周期短，規模大小隨意； (2)安全可靠、無污染、無噪聲、環保美觀、故障率極低、壽命長；
(3)拆裝簡易、移動方便、工程安裝成本低，無需預埋架高輸電線路，可免去遠距離敷設電纜時對植被和環境的破壞及其所需的工程費用；
(4)廣泛應用于道路照明上，非常適用于鄉村、農場、山頭、海島、高速公路等輸電不便的偏僻地方。
2 設計思路
太陽能光伏發電系統的基本原理相同，因而太陽能路燈的設計思路也可依據一般的太陽能發電系統，先確定太陽電池組件的功率，然后計算蓄電池的容量。但太陽能路燈又有其特殊性，需要確保系統工作的穩定與可靠，所以在設計時需要特別注意。
太陽能路燈是一種利用太陽能作為能源的路燈，因其具有不受供電影響，不用開溝埋線，不消耗常規電能，只要陽光充足就可以就地安裝等特點，因此受到人們的廣泛關注，又因其不污染環境，而被稱為綠色環保產品。太陽能路燈即可用于城鎮公園、道路、草坪的照明，又可用于人口分布密度較小，交通不便經濟不發達、缺乏常規燃料，難以用常規能源發電，但太陽能資源豐富的地區，以解決這些地區人們的家用照明問題。
現本人想設計一個太陽能路燈的電路.白天充電靠太陽能電池吸收光能產生電能.而LED照明熄滅.夜晚LED點亮進行照明.并有電路保護電池不會過充過放。
3 太陽能路燈的組成原理框圖及其工作原理
3.1太陽能路燈的組成
太陽能路燈由太陽能電池組件、蓄電池、電源控制器、光源等組成。如圖3.1
圖3.1 太陽能原理方框
太陽能路燈技術特點是：①具有特大功率，光亮度相當于白熾燈150W-250W時，每天8小時照明，可在連續陰雨9天內正常工作；②應用了具有充放電保護功能、光敏自控裝置和時控裝置的光電智能控制器，使產品可有效地節約能源，增加有效照明時間，降低生產成本；③中央控制器單元采用單片機控制，并在智能控制器中建立了全球不同緯度的全年日照時間數據。使用時在控制器中輸入所在地區緯度，調整好年、月、日和開/關機的時間，就能夠長年自動跟蹤環境光線；④在大面積使用后，啟動和關閉的時差很小，從而比較好的克服了傳統太陽能燈因啟動時差過大而產生的種種弊端。
3.2太陽能路燈的工作原理
太陽能光伏發電是依靠太陽能電池組件，利用半導體材料的電子學特性，當太陽光照射在半導體PN結上，由于P-N結勢壘區產生了較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區中的非平衡電子和空穴或產生在勢壘區外但擴散進勢壘區的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，各自向相反方向運動，離開勢壘區，結果使P區電勢升高，N區電勢降低，從而在外電路中產生電壓和電流，將光能轉化成電能。太陽能光伏發電系統大8
體上可以分為兩類，一類是并網發電系統，即和公用電網通過標準接口相連接，像一個小型的發電廠;另一類是獨立式發電系統，即在自己的閉路系統內部形成電路。并網發電系統通過光伏數組將接收來的太陽輻射能量經過高頻直流轉換后變成高壓直流電，經過逆變器逆變后向電網輸出與電網電壓同頻、同相的正弦交流電流。而獨立式發電系統光伏數組首先會將接收來的太陽輻射能量直接轉換成電能供給負載，并將多余能量經過充電控制器后以化學能的形式儲存在蓄電池中。白天的時候，太陽能電池吸收太陽光子能產生電能，通過控制器吧電能儲存在蓄電池里，當夜幕降臨或者燈具周圍的廣度較低時，蓄電池通過控制器向光源供電設定的時間后切斷，這樣就可以照明了。 9
4 各部件的組成及工作原理
4.1太陽能電池組件的組成及其工作原理
4.1.1太陽能電池的分類
太陽能電池按結晶狀態可分為結晶系薄膜式和非結晶系薄膜式(以下表示為a-)兩大類，而前者又分為單結晶形和多結晶形。 按材料可分為硅薄膜形、化合物半導體薄膜形和有機膜形，而化合物半導體薄膜形又分為非結晶形(a-Si:H,a-Si:H:F,a-SixGel-x:H等)、ⅢV族(GaAs,InP等)、ⅡⅥ族(Cds系)和磷化鋅 (Zn 3 p 2 )等。 太陽能電池根據所用材料的不同，太陽能電池還可分為：硅太陽能電池、多元化合物薄膜太陽能電池、聚合物多層修飾電極型太陽能電池、納米晶太陽能電池四大類，其中硅太陽能電池是目前發展最成熟的，在應用中居主導地位。
1. 硅太陽能電池
硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜太陽能電池三種。 單晶硅太陽能電池轉換效率最高，技術也最為成熟。在實驗室里最高的轉換效率為23%,規模生產時的效率為15%。在大規模應用和工業生產中仍占據主導地位，但由于單晶硅成本價格高，大幅度降低其成本很困難，為了節省硅材料，發展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產品。 多晶硅薄膜太陽能電池與單晶硅比較,成本低廉，而效率高于非晶硅薄膜電池，其實驗室最高轉換效率為18%,工業規模生產的轉換效率為10%。因此，多晶硅薄膜電池不久將會在太陽能電地市場上占據主導地位。 非晶硅薄膜太陽能電池成本低重量輕，轉換效率較高，便于大規模生產，有極大的潛力。但受制于其材料引發的光電效率衰退效應，穩定性不高，直接影響了它的實際應用。如果能進一步解決穩定性問題及提高轉換率問題，那么，非晶硅大陽能電池無疑是太陽能電池的主要發展產品之一。下面對硅太陽能電池進行詳細介紹。 2. 多元化合物薄膜太陽能電池 多元化合物薄膜太陽能電池材料為無機鹽，其主要包括砷化鎵III-V族化合物、硫化鎘、硫化鎘及銅錮硒薄膜電池等。 硫化鎘、碲化鎘多晶薄膜電池的效率較非晶硅薄膜太陽能電池效率高，成本較單晶硅電池低，并且也易于大規模生產，但由于鎘有劇毒，會對環境造成嚴重的污染，因此， 并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產品。 砷化鎵（GaAs）III-V 化合物電池的轉換效率可達28%，GaAs 化合物材料具有十分理想的光學帶隙以及較高的吸收效率,抗輻照能力強,對熱不敏感，適合于制造高效單結電池。但是GaAs 材料的價格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs 電池的普及。 銅銦硒薄膜電池（簡稱CIS）適合光電轉換，不存在光致衰退問題，轉換效率和多晶硅一樣。具有價格低廉、性能良好和工藝簡單等優點，將成為今后發展太陽能電池的一個重要方向。唯一的問題是材料的來源，由于銦和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發展又必然受到限制。
3. 聚合物多層修飾電極型太陽能電池
以有機聚合物代替無機材料是剛剛開始的一個太陽能電池制造的研究方向。由于有機材料柔性好，制作容易，材料來源廣泛，成本底等優勢，從而對大規模利用太陽能， 提供廉價電能具有重要意義。但以有機材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機材料特別是硅電池相比。能否發展成為具有實用意義的產品，還有待于進一步研究探索。 4. 納米晶太陽能電池 納米TiO2 晶體化學能太陽能電池是新近發展的，優點在于它廉價的成本和簡單的工藝及穩定的性能。其光電效率穩定在10％以上，制作成本僅為硅太陽電池的1/5～ 1/10．壽命能達到2O 年以上。但由于此類電池的研究和開發剛剛起步，估計不久的將來會逐步走上市場。
4.1.2 硅太陽能電池工作原理與結構
太陽能電池發電的原理主要是半導體的光電效應，一般的半導體主要結構，如圖4.1。
圖4.1 中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。當硅晶體中摻入其他的雜質，如硼、磷等，當摻入硼時，硅晶體中就會存在著一個空穴，它的形成可以參照圖4.2 所示。
圖4.2
圖4.2 中，正電荷表示硅原子，負電荷表示圍繞在硅原子旁邊的四個電子。而實心的表示摻入的硼原子，因為硼原子周圍只有3 個電子，所以就會產生入圖所示的空心的空穴，這個空穴因為沒有電子而變得很不穩定，容易吸收電子而中和，形成P（positive） 型半導體。
同樣，摻入磷原子以后，因為磷原子有五個電子，所以就會有一個電子變得非常活躍，形成N（negative）型半導體。實心的為磷原子核，小的為多余的電子，如圖4.3 所示。
圖4.3
圖4.4
N 型半導體中含有較多的空穴，而P 型半導體中含有較多的電子，這樣，當P 型和N 型半導體結合在一起時，就會在接觸面形成電勢差，這就是PN 結。如圖4.4 所示。
當P 型和N 型半導體結合在一起時，在兩種半導體的交界面區域里會形成一個特殊的薄層)，界面的P 型一側帶負電，N 型一側帶正電。這是由于P 型半導體多空穴，N 型半導體多自由電子，出現了濃度差。N 區的電子會擴散到P 區，P 區的空穴會擴散到N 區，一旦擴散就形成了一個由N 指向P 的“內電場”，從而阻止擴散進行。達到平衡后， 就形成了這樣一個特殊的薄層形成電勢差，這就是PN 結。
當晶片受光后，PN 結中，N 型半導體的空穴往P 型區移動，而P 型區中的電子往N 型區移動，從而形成從N 型區到P 型區的電流。然后在PN 結中形成電
勢差，這就形成了電源 ，如圖4.5 所示。
圖4.5
由于半導體不是電的良導體，電子在通過p－n 結后如果在半導體中流動，電阻非常大，損耗也就非常大。但如果在上層全部涂上金屬，陽光就不能通過，電流就不能產生，因此一般用金屬網格覆蓋p－n 結，如圖4.5，以增加入射光的面積。
另外硅表面非常光亮，會反射掉大量的太陽光，不能被電池利用。為此，科學家們給它涂上了一層反射系數非常小的保護膜，如圖4.5 所示，將反射損失減小到5％甚至更小。一個電池所能提供的電流和電壓畢竟有限，于是人們又將很多電池（通常是36 個）并聯或串聯起來使用，形成太陽能光電板。
4.2 蓄電池的組成及工作原理
太陽能照明必須配備蓄電池才能工作，這是因為：（1）.太陽能電池只能在白天進行光電轉化工作，電能在夜晚才能用于照明，因此必須儲備在蓄電池內，儲備的容量要足夠當地連續幾個陰天的照明需要。
（2）.太陽能電池板的輸出能量極不穩定，配備蓄電池后，太陽能燈等負荷才能正常工作。
4.2.1蓄電池的種類和應用
化學電源是人類目前可以利用的高效能源之一。蓄電池也稱作二次電源，它是一種把化學反應所釋放出來的能量直接轉變成直流電能的裝置。蓄電池按照其電解液的不同，通常分為酸性電池和堿性電池。近幾十年來，由于交通。通訊。計算機產業的高速發展，其產品系列。產品種類。產品性能發生了巨大變化，以此滿足不同用途的需要。目前，蓄電池主要應用于各種車輛。船舶。飛機等內燃機的起動以及照明。蓄能。不間斷電源。移動通訊。便攜式電動五金|工具。電動玩具當中。
總之，蓄電池在國防。工農業生產。交通運輸。電力。電子。通訊。教學。科研。醫療衛生以及人們日常生活中被廣泛應用。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池。鎘鎳蓄電池。鐵鎳蓄電池。金屬氧化物蓄電池。鋅銀蓄電池。鋅鎳蓄電池。氫鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等。
常用蓄電池介紹：
1．鉛酸蓄電池
鉛酸蓄電池負極為鉛，正極為二氧化鉛，電解液為稀硫酸，主要有起動型。固定型。牽引型。動力型和便攜型，常為開口或防酸式(GF),少量為膠體電解液蓄電池(GEL)。近年來，，特別是VRLA(ValveRegulatedLeadAcidBattery)蓄電池的出現，在某些領域已經能夠取代堿性蓄電池和干電池，使鉛酸蓄電池發揮更大的作用。由于鉛酸蓄電池價格低廉，適于低溫高倍率放電，因此應用廣泛，是我國的電信行業中后備電源的主要產品。但同時由于鉛酸蓄電池比能量偏低，生產過程有毒。污染環境等不利因素，一定程度上影響了其使用范圍。
2．鎘鎳蓄電池
鎘鎳蓄電池負極為鎘，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液。常見外形是方形。扣式和圓柱形，其有開口。密封和全密封三種結構。按極板制造方式又分有極板盒式。燒結式。壓成式和拉漿式。鎘鎳蓄電池具有放電倍率高。低溫性能好，循環壽命長等特點。
3．金屬氫化物鎳蓄電池
金屬氫化物鎳蓄電池是新開發出來的新產品，負極為吸氫稀土合金，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀。氫氧化鋰水溶液，比能量是鎘鎳蓄電池1.5-2倍，具有可快速充電。優良的高倍率放電性能和低溫放電性能，價格便宜，無污染，被稱為綠色環保電池。
4．鐵鎳蓄電池
鐵鎳蓄電池負極為鐵粉，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液。具有結構堅固。耐用。壽命長等特點，比能量較低，多用于礦井運輸車動力電源。
5．鋅銀蓄電池
鋅銀蓄電池負極為鋅，正極為氧化銀，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有較高的比能量及優良的高倍率放電性能，但價格偏高，多用于軍事工業及武器系統。
6．鋅鎳蓄電池
鋅鎳蓄電池負極為鋅，正極為氧化鎳，電解液為氫氧化鉀水溶液，具有高比能量，價格較低；但壽命較短，近年來鋅鎳蓄電池的循環壽命有了較大提高，預計隨著循環壽命的提高將獲得更廣泛應用。
7．鋰離子蓄電池
鋰離子蓄電池負極是碳(石墨),正極是氧化鈷鋰，由于采用有機電解質液，具有電壓高。比能量高及優良的循環壽命，安全無污染，被稱為綠色電源。常作為通訊工具和便攜器材的電源。
總之，我國的蓄電池工業隨著各行各業的發展獲得了迅速發展機會。至今目前，我國從事蓄電池生產的企業已達千家之多。同時，免維護。閥控密封式鉛酸蓄電池。金屬氧化物物鎳蓄電池。鋰離子蓄電池等新型蓄電池也各有側重的應用于各行各業中。
4.2.2鉛酸蓄電池的工作原理
由于太陽能路燈采用的是鉛酸蓄電池，所以這里只對鉛酸蓄電池進行分析。鉛酸蓄電池充、放電化學反應的原理方程式如下：
1.充電：
蓄電池從其他直流電源獲得電能叫做充電。充電時，在正、負極板上的硫酸鉛會被分解還原成硫酸、鉛和氧化鉛，同時在負極板上產生氫氣，正極板產生氧氣。電解液中酸的濃度逐漸增加，電池兩端的電壓上升。當正、負極板上的硫酸鉛都被還原成原來的活性物質時，充電就結束了。 在充電時，在正、負極板上生成的氧和氫會在電池內部“氧合”成水回到電解液中。
化學反應過程如下：
（正極） （電解液） （負極） （正極） （電解液） （負極）
PbSO4 + 2H2O + PbSO4 → PbO2 + 2H2SO4 + Pb （充電反應）
(硫酸鉛) （水） （硫酸鉛）
2.放電
蓄電池對外電路輸出電能時叫做放電。蓄電池連接外部電路放電時， 硫酸會與正、負極板上的活性物質產生反應，生成化合物“硫酸鉛”，放電時間越長，硫酸濃度越稀薄，電池里的“液體”越少，電池兩端的電壓就越低。
化學反應過程如下：
（正極） （電解液） （負極） （正極） （電解液）（負極）
PbO2 + 2H2SO4 + Pb → PbSO4 + 2H2O + PbSO4 （放電反應）
(過氧化鉛) （硫酸） （海綿狀鉛）
從以上的化學反應方程式中可以看出，鉛酸蓄電池在放電時，正極的活性物質二氧化鉛和負極的活性物質金屬鉛都與硫酸電解液反應，生成硫酸鉛，在電化學上把這種反應叫做“雙硫酸鹽化反應”。在蓄電池剛放電結束時，正、負極活性物質轉化成的硫酸鉛是一種結構疏松、晶體細密的結晶物，活性程度非常高。在蓄電池充電過程中，正、負極疏松細密的硫酸鉛，在外界充電電流的作用下會重新還原成二氧化鉛和金屬鉛，蓄電池就又處于充足電的狀態。正是這種可逆轉的電化學反應，使蓄電池實現了儲存電能和釋放電能的功能。
4.3電源控制器的組成及工作原理
4.3.1系統硬件結構
太陽能路燈智能控制系統硬件結構，如圖4.6所示，該 以STC12C5410AD單片機為核心，外圍電路主要由電壓采集電路、負載輸出控制與檢測電路、LED顯示電路及鍵盤電路等部分組成。電壓采集電路包括太陽能電池板和蓄電池電壓采集，用于太陽能光線強弱的識別及蓄電池電壓的獲取。單片機的P3口的兩位作為鍵盤輸入口，用于工作模式參數的設置。
圖4.6
STC12C5410AD 是STC12 系列的單片機，采用RISC 型CPU 內核，兼容普通8051 指令采集，片內容含有10KBFlash 程序存儲器，同時內部還有看門口（WDT）；片內集成MAX810 專用復位電路、8 通道10 位ADC 以及4 通道PWM；具有可編程的8 級中斷源4 種優先級，具有在系統片成（ISP）和在應用編程（IAP），片內資源豐富、集成度高、使用方便。STC12C5410AD 對系統的工作進行實施調度，實現外部輸入參數的設置、蓄電池及負載的管理、工作狀態的指示等。
于設置狀態的識別及參數設置;P3.5(T1)接F2 鍵,該鍵用于自檢及“加1”功能,根據程序流程,分別實現不同功能。電壓采集與電池管理太陽能電池板電壓采集,用于太陽光線強弱的判斷,因而可以作為白天、黃昏的識別信號。同時本系統支持太陽能板反接、反充保護。 蓄電池電壓采集,用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器的PWM 功能,對蓄電池進行充電管理。蓄電池開路保護:萬一蓄電池開路,若在太陽能電池正常充電時,控制器將關斷負載,以保證負載不被損傷,若在夜間或太陽能電池不充電時,控制器由于自身得不到電力,不會有任何動作。
4.3.2 電壓采集與電池管理
太陽能電池板電壓采集用于太陽光線強弱的判斷，因而可以做為白天、黃昏的識別信號。同時本系統支持太陽能板反接、反充保護。
蓄電池電壓采集用于蓄電池工作電壓的識別。利用微控制器PWM 功能對蓄電池進行充電管理。若太陽能電池正常充電時蓄電池開路，控制器將關斷負載，以保證負載不被損傷，若在夜間或太陽能電池不充電時蓄電池開路，控制器由于自身得不到電力，不會有任何動作。當充電電壓高于保護電壓（15V）時，自動關斷對蓄電池的充電；此后當電壓掉至維護電壓（13.2V）時，蓄電池進入浮充狀態，當低于維護電壓（13.2V）后浮充關不，進入均充狀態。當蓄電池電壓低于保護電壓（11V）時，控制器自動關閉負17
載開關以保護蓄電池不受損壞。通過PWM充電電路，可使太陽能電池板發揮最大功效，提高系統充電效率。本系統支持蓄電池的反接、過充、過放。
4.3.3負載輸出控制與檢測電路
本系統設計了兩路負載輸出，每路輸出均有獨立的控制于檢測，具有完善的過流、短路保護措施，電路原理如圖4.7所示。
圖4.7
注：P1.6為單片機18引腳；P1.7為單片機19引腳；
P3.2為單片機6引腳
負載過流及短路保護:設計了兩級保護。第一級采用了R7(0.01Ω康銅絲)以及運放LM358、比較器LM393等器件組成的過流、短路檢測電路配合單片機的A/D轉換及外部中斷響應來實現,這里使用了硬件+軟件的方式,LM358的輸出送P1.7(A/D轉換)口,用作過流信號識別,當電流超過額定電流20%并維持30s以上時,確認為過流;短路電流整定為10A,響應時間為毫秒數量級。第二級采用了電子保險絲保護,當流經電子保險絲的電流驟然增加時,溫度隨之上升,其電阻大大增加,工作電流大幅降低,達到保護電路目的,響應時間為秒數量級,過流撤消或短路恢復后電子保險絲恢復成低阻抗導體,無須任何人為更換或維修。系統采用了兩級保護措施后,在長達數小時時間負載短路實驗后,控制器仍沒出現電路燒毀現象。解決了用傳統保險絲只能對電路進行一次性保護,一旦燒毀必須人為更換的問題,同短路后需手動復位或斷電后重新開啟的系統相比,也具有明顯的優點,簡化了維護,提高了系統的安全性能。
4.3.4硬件設計中的注意點
（1）感應雷保護電路應設計在太陽能電池板引線入口處,保護電路周圍4mm內不要布置其他器件。 （2）防止太陽能電池板反接用的二極管必須采用快恢復二極管,這種管子導通內阻小,充電時發熱量小,不用散熱器也可以連續充電,充電效果好。 （3）充電、負載放電電路的印刷線路寬度至少要4～5mm,線路上用搪錫處理以增加過電流能力,大電流導線在一層過渡到另一層時,要放置3～5個過孔。 （4）過流、短路保護電路選用的電流取樣電阻要綜合考慮電流、功率及熱穩定性三個因素。電阻增大則電路效率下降,本系統選用電阻為0.01Ω,過電流能力在10A以上的康銅絲作為電流取樣電阻,來產生取樣電壓,取樣電壓最多不超過0.2V,故采用運放LM358對它進行放大。 （5）器件的布局和PCB圖的布線采用模塊化,大電流信號與小電流信號要分離,對放大電路的線路猶其要精心布置。數字地和模擬地分開,注意電源線和地線的布局。
4.3.5系統軟件設計
1.軟件編程要點
（1）本系統采用較少的按鍵實現了諸多功能，如負載工作模式的設計、雙燈同時工作還是分時工作、負載工作時間的設定、自檢功能等，為防止誤操作采取了一些措施。這種方法實際上是一鍵多用的一種嘗試，還可以推廣到更復雜的人際對話設計。
（2）鍵盤在定時終端服務程序中讀取，用終端間隔時間實現鍵盤的去抖，不必編寫另外的延時程序，提高了CPU的利用率。鍵盤值輸入存入數據緩沖區，在主程序中讀數據緩沖區的內容，執行鍵盤功能散轉子程序。
（3）環境光線（閃電、禮花燃放）對太陽能電池板的采樣電壓有明顯的影像，在白天、黃昏、的識別時，要進行軟件延遲，一般控制在2~3min。
（4）外部中斷為高優先級中斷，編制子程序實現負載過流、短路保護時，要充分考慮負載啟動瞬間會產生數倍于額定電流的沖擊電流，沖擊電流維持在3ms~5ms，應在軟件上采取措施，避免短路與負載開啟的誤判。確定負載過流、短路后，切斷負載輸出。負載切斷后，每隔一段時間，如20ms，應試接通負載開關，當發現過流、短路信號已消除，則恢復負載的輸出，否則負載開關仍然保持斷開。
（5）為保護負載（燈具），蓄電池過放保護恢復時，應用軟件設置一個回差電壓，這樣負載開關不會出現顫抖現象，有利于延長燈具的使用壽命。
（6）根據STC12C5410AD的Data Flash的特點，數據寫入時必須啟動ISP/IAP命令，CPU 等待IAP 動作定時后，才繼續執行程序，要先關斷中斷（EA）。還應注意數據寫入Data Flash 存儲器，不能跨越扇區。
2.單片機軟件編程
本設計方案的硬件電路對應的軟件程序包括:主程序、定時中斷程序、A/D 轉換子程序、外部中斷子程序及鍵盤處理子程序、充電管理子程序、負載管理子程序。單片機的軟件編程上,以KeilC 編譯器的Windows 集成開發環境μ vision2 作為軟件開發平臺,采用C51 高級語言編寫。按鍵處理流程如圖4.8 所示,電壓檢測子程序如圖4.9 所示。
圖4.8 按鍵程序流程圖
圖4.9 電壓檢測子程序流程圖
1. ADS 子程序
INT8U ADC(INT8U number)using 2
{number=number&0x0.7;//通道號不超過7
ADS_CONTR= ADS_CONTR e0; //清ADC_FLAG、AD 不啟動
While（（ADS_CONTR&0x10）=0x10）； 等待A/D 轉換結束
return（ADC_DATA）;//結束返回
}
2. 外部0 中斷響應子程序
void servise_TNTO0 interrupt 0 using 1
{if（P3_2） //高電平，認為是干擾信號觸發中斷
return
delay 1（5000）； //10ms 延時
if（P3_2=0）
{load_switch_1=LSTOP;//負載開關1 關
LOOP1_DL=1; 置負載短路標志
}
} 這個太陽能路燈控制器可適用12V或24V工作光伏系統，可以直接驅動只留節能燈或通過逆變器驅動無極燈等作為照明光源，也可以驅動一些直流低壓負載用于城市亮化。控制器的兩路負載輸出可以用于電動車道和人行道的照明，照明時間和工作模式可以靈活設置。著重解決了如何對蓄電池及負載進行有效管理問題，提高了太陽能電池板的使用效率，延長了蓄電池的使用壽命，防止因線路問題而造成的意外事件的發生。
4.4光源的選擇
4.4.1各種光源的特性比較
光源的選型對于太陽能路燈來說是最關鍵的一步，目前針對太陽能路燈專用的光源較少，為減少有限能量的損失，光源盡量選直流光源。目前常見的光源有直流節能燈、高頻無極燈、低壓鈉燈和LED光源。
（1）低壓節能燈：功率小，光效較高，但使用壽命2000小時，電壓低燈管發黑，一般適合太陽能草坪燈、庭院燈。 （2）低壓鈉燈：低壓鈉燈光效高（可達200Lm/w），但需逆變器，低壓鈉燈價格貴，整個系統造高，采用較少。 （3）無極燈：功率小，光效較高。該燈在220V（純正弦波，頻率50赫茲）普通市電條件下使用，壽命可以達到5萬小時，在太陽能燈具上使用壽命大大減少和普通節能燈差不多（因為太陽能燈具都是方波逆變器，太陽能電源220V輸出頻率、項位、電壓都是不能和普通市電相比的）。 （4） LED：LED燈光源，壽命長，可達1000000小時，工作電壓低，不需要逆變器，光效較高。
4.4.2 LED燈的特點
LED 作為半導體光源，其發展勢頭強勁，是太陽能路燈最為理想的光源，LED路燈光源是一款多功能、環保節能型路燈光源，適合在各種場合的照明使用。有以下特點： （1）高光效 LED光效達50～200流明/瓦，光譜窄，單色性好，幾乎所有發出的光都可利用，且無需過濾直接發出色光。 （2）高節能 具有電壓低、電流小、亮度高的特性。一個10～12瓦的LED光源發出的光能與一個35～150瓦的白熾燈發出的光能相當。同樣照明效果LED比傳統光源節能80%～90%。 （3）光色多 可以選擇白色或彩色光，紅色、黃色、藍色、綠色、黃綠色、橙紅色等。 （4）安全性高 LED光源使用低電壓驅動, 發光穩定，無污染，沒有50HZ頻閃，沒有紫外線B波段，白色色溫5000K，最接近太陽色溫5500K。 （5）快速響應 LED發光管響應時間很短。采用專用電源給LED光源供電時，達到最大照度的時間小于10ms。 （6） 運行成本低 其他光源不僅耗電是LED光源的2-10倍，而且幾乎每月都要更換，在器件更換和人工方面的花費很大。因此選用使用壽命長的LED光源從長遠看非常經濟
圖4.10 LED高效節能燈結構
根據使用場所的要求，設計出120°、90°、70°多種角度的發光板，放置在高透光率的塑料燈罩內，如圖4.10所示，以改善lED的方向性過強而形成的光斑，同時在燈罩內表面設計有網格型的折射面，使LED發出的光線經多次反射與折射，最終達到LED高效節能燈泡各方向光均勻，并形成特殊的光學效果。
4.5各數據計算
4.5.1太陽能電池組件計算
設計要求：廣州地區，負載輸入電壓24V功耗34.5W，每天工作時數8.5h，保證連續陰雨天數7天。
（1）廣州地區近二十年年均輻射量107.7Kcal/cm2，經簡單計算廣州地區峰值日照時數約為3.424h；
（2）負載日耗電量=12.2AH
（3）所需太陽能組件的總充電電流= 1.05×12.2×÷（3.424×0.85）=5.9A
在這里，兩個連續陰雨天數之間的設計最短天數為20天，1.05為太陽能電池組件系統綜合損失系數，0.85為蓄電池充電效率。
（4）太陽能組件的最少總功率數= 17.2×5.9 = 102W
選用峰值輸出功率110Wp、兩塊55Wp的標準電池組件，應該可以保證路燈系統在一年大多數情況下的正常運行。
4.5.2蓄電池計算
蓄電池設計容量計算相比于太陽能組件的峰瓦數要簡單。
根據上面的計算知道，負載日耗電量12.2AH。在蓄電池充滿情況下，可以連續工作7個陰雨天，再加上第一個晚上的工作，蓄電池容量：
12.2×（7+1）= 97.6（AH），選用2臺12V100AH的蓄電池就可以滿足要求了。
4.5.3太陽能電池組件支架
1.傾角設計
為了讓太陽能電池組件在一年中接收到的太陽輻射能盡可能的多，我們要為太陽能電池組件選擇一個最佳傾角。關于太陽能電池組件最佳傾角問題的探討，近年來在一些學術刊物上出現得不少。本次路燈使用地區為廣州地區，選定太陽能電池組件支架傾角為16o。
2.抗風設計
在太陽能路燈系統中，結構上一個需要非常重視的問題就是抗風設計。抗風設計主要分為兩大塊，一為電池組件支架的抗風設計，二為燈桿的抗風設計。下面按以上兩塊分別做分析。
（1）太陽能電池組件支架的抗風設計
依據電池組件廠家的技術參數資料，太陽能電池組件可以承受的迎風壓強為2700Pa。若抗風系數選定為27m/s（相當于十級臺風），根據非粘性流體力學，電池組件承受的風壓只有365Pa。所以，組件本身是完全可以承受27m/s的風速而不至于損壞的。所以，設計中關鍵要考慮的是電池組件支架與燈桿的連接。
（2）路燈燈桿的抗風設計路燈的參數如下：
電池板傾角A = 16o 燈桿高度= 5m
設計選取燈桿底部焊縫寬度δ = 4mm燈桿底部外徑= 168mm
焊縫所在面即燈桿破壞面。燈桿破壞面抵抗矩W的計算點P到燈桿受到的電池板作用荷載F作用線的距離為PQ = [5000+（168+6）/tan16o]× Sin16o = 1545mm =1.545m。所以，風荷載在燈桿破壞面上的作用矩M = F×1.545。根據27m/s的設計最大允許風速，2×30W的雙燈頭太陽能路燈電池板的基本荷載為730N。考慮1.3的安全系數，F = 1.3×730 = 949N。
所以，M = F×1.545 = 949×1.545 = 1466N.m。
根據數學推導，圓環形破壞面的抵抗矩W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）。
上式中，r是圓環內徑，δ是圓環寬度。
破壞面抵抗矩 W = π×（3r2δ＋3rδ2＋δ3）
=π×（3×842×4＋3×84×42＋43）
= 88768mm3
=88.768×10-6 m3
風荷載在破壞面上作用矩引起的應力= M/W= 1466/（88.768×10-6）=16.5×10-6pa =16.5 Mpa＜＜215Mpa，其中，215 Mpa是Q235鋼的抗彎強度。
所以，設計選取的焊縫寬度滿足要求，只要焊接質量能保證，燈桿的抗風是沒有問題的。
5 太陽能路燈的實際應用
日前，廣東省質量技術監督局審核通過了由東莞勤上光電股份有限公司提出并組織起草的《廣東省太陽能LED燈地方標準》，將于09年7月1日起實施。“以前沒有行業標準，生產什么、怎么生產、產品達到什么技術要求沒有明確規定。標準出臺后，行業門坎提高了，肯定要淘汰一批不符合標準的企業，企業要做好準備。”國家照明電器標準化技術委員會負責人表示，標準的出臺將使太陽能LED產業提前進入規范化調試期，引導行業由無序、無標準狀態，向有序、有標準狀態轉變，“山寨燈”橫行的局面將得以改變。
即將實施的《廣東省太陽能LED燈地方標準》是中國大陸地區LED行業首個地方標準，適用于250V以下直流電源或1000V以下交流供電的道路、街路、隧道照明和其它室外公共場所照明用太陽能LED燈。對于照明領域來說，這是一次不小的革命。
本次設計的太陽能路燈的總電路圖如圖5.1所示，其工作原理：太陽照射在硅光板上，太陽能電池開始工作，使二極管D1跟三極管Q1工作，蓄電池開始蓄電，待蓄電池蓄電完畢后，根據程序的設定，Q1反作用，停止蓄電；到晚上天色昏暗時，設定的程序啟動，使蓄電池開始放電，二極管D2，D3， D4，D5，導通，三極管Q2，Q3工作，使LED燈照明，直到第二天早上，預先設定的程序又作用，使LED燈熄滅；當有太陽照射硅光板的時候，蓄電池又開始蓄電，這樣，無限的循環，就可以使路燈自動蓄電，自動照明，自動熄滅，大大減少了人力物力，而且這樣的設計，能節約更多的電能。
圖5.1 太陽能路燈的總電路圖
如圖5.2所示，下面是本次設計的實際應用例子。
圖 5.2
頭頂太陽能板，曬一天太陽能照明6天的新式太陽能路燈，近期出現在了肇慶園區星港街上。從園區城管部門了解到，今年園區將改造多處路燈，推廣綠色照明。
在基本完成改造的星港街上可以看到一批造型簡潔的新式太陽能路燈已經豎立了起來。據路燈施工方相關負責人介紹，這批路燈頭頂有一塊太陽能板，將光能轉換為電能后自動存儲在路燈的蓄電池中。太陽能板曬一天太陽后，可以在蓄電池內儲存供路燈正常工作6天所需的電量，即使接下來6天都是陰雨天，路燈照樣還能亮起來。
為了保證路燈的照度，這批太陽能路燈還安裝了一個特殊的控制轉換器，當太陽能發電不能滿足路燈照明需要時就會自動切換到普通電源。有了太陽能板、蓄電池和控制轉換器的路燈，在造價上自然比普通路燈要貴一些。據該負責人介紹，星港街沿線共要安裝1500套太陽能路燈，部分景觀帶上的照明燈也將使用太陽能燈。
從園區城管部門了解到，今年園區將著手改造部分道路照明，全部使用節能燈具和綠色能源。首期老路燈改造，要把園區8到10條主要道路的老式路燈燈頭更換為LED路燈燈頭，預計可節電三分之二。另外，中新科技城今年也將改造安裝太陽能LED路燈3500套。園區在亮化工程建設中，將盡可能地采用以LED為主的節能型光源和燈具，可比傳統光源節能約30%。
據了解到，在廈門，北京，甘肅，上海，廣東等城市也開始著手安裝新式的太陽能LED燈，這對我國推行節能照明邁出了一大步。
結 論
整體設計基本上考慮到了各個環節；光伏組件的峰瓦數選型設計與蓄電池容量選型設計采用了目前最通用的設計方法，設計思想比較科學；抗風設計從電池組件支架與燈桿兩塊做了分析，分析比較全面；路燈整體結構簡約而美觀；經過實際運行證明各環節之間匹配性較好。 目前，太陽能LED照明的初投資問題仍然是困擾我們的一個主要問題。但是，太陽能電池光效在逐漸提高，而價格會逐漸降低，同樣地市場上LED光效在快速地提高，而價格卻在降低。與太陽能的可再生、清潔無污染以及LED的環保節能相比，常規化石能源日趨緊張，并且使用后對環境會造成了日益嚴重的污染。所以，太陽能LED照明作為一種方興未艾的戶外照明，展現給我們的將是無窮的生命力和廣闊的前景。
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