非晶硅太阳能路灯系统的设计

吕欣

（沈阳拓荆科技有限公司 辽宁 沈阳 110168）

【摘要】介绍了太阳能路灯系统的组成，各部分的工作原理、工作特点，并以沈阳汉锋工厂内安装的太阳能路灯为例，来说明非晶硅太阳能路灯系统的设计方法。非晶硅太阳能电池的弱光性、低成本与高亮度、长寿命的LED光源相结合将是未来照明工程的发展趋势。

【关键词】非晶硅太阳能电池 太阳能路灯系统 LED灯 太阳能控制器 蓄电池组

一、引言

太阳能光伏发电可以直接将太阳能转化为电能，是一种清洁、低碳获取电能的新技术，也是太阳能众多利用方式中非常重要并且很有发展前景的技术。太阳能是种巨量可再生能源，可以说是取之不尽、用之不竭。同时随着太阳能光伏技术的发展和进步，离网式照明系统以其免维护、无需铺设电缆、低运营成本等特点越来越受到人们的关注。本文主要介绍离网式非晶硅太阳能LED路灯系统，并以沈阳铁西熙园公园内安装的太阳能路灯为例来说明。非晶硅太阳能电池的低成本、高发电量与高亮度LED灯相结合所带来的优点，将是目前世界上任何照明系统所不能比拟的。

二、非晶硅太阳能电池的基本原理

非晶硅太阳能电池是薄膜太阳能电池中最成熟的产品，是在晶体硅制成的前道工序中，将含有金属硅的烷气采用化学方式沉积到非硅基板（如玻璃基板）上制造而成，其加工原理为使用硅烷（SiH4）等离子体分解法，通过在硅烷掺杂乙硼烷（B2H6）和磷化氢（PH3）等气体，在基板上（玻璃、不锈钢）低温成膜。

非晶硅太阳电池的结构各有不同，其中有一种较好的结构叫PIN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。

非晶硅薄膜太阳能电池光吸收系数高，对太阳光适应范围较广，非最佳角度阳光下的工作情况好于其他太阳能电池以及易于实现集成化的特性，可以适合不同需求的多品种产品。尤其适合用于太阳能路灯，建筑光伏一体化（BIPV）以及大型太阳能并网发电系统。

三、太阳能路灯的基本结构及工作原理

（1）太阳能路灯系统的基本结构。太阳能发电系统主要由太阳能电池组件阵列、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成，如输出电源为交流220V或110V，还要配置逆变器。

（2）太阳能路灯的工作原理。太阳能路灯利用太阳电池的光生伏特效应原理，光伏效应是半导体在吸收光能后，内部带电载流子分布状态和浓度发生变化从而产生出光生电流和光生电动势的效应。利用这种特性，半导体材料的光伏阵列将太阳能转换成电能，是整个系统能量的来源。蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。系统还具有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。

（3）非晶硅太阳能电池方阵。非晶硅太阳能电池方阵能产生光伏效应，是进行光电转换的部分。光伏效应是半导体在吸收光能后，内部带电载流子分布状态和浓度发生变化从而产生出光生电流和光生电动势的效应。利用这种特性，半导体材料的光伏阵列将太阳能转换成电能，是整个光伏应用系统能量的来源。太阳能电池板是太阳能路灯中的核心部分，也是太阳能路灯中价值最高的部分。

（4）太阳能控制器。太阳能路灯系统中，性能良好的充放电控制器是必不可少的。为了延长蓄电池的使用寿命，必须对它的充放电条件加以规定和限制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，防止蓄电池过充电及深度充电，是整个系统的核心控制部分。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿功能。同时太阳能控制器除具有路灯控制功能外，还应具有光控、时控功能，并应具有夜间自动切控负载功能，便于阴雨天延长路灯工作时间。

（5）蓄电池组。将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。其中蓄电池的容量指的是在一定放电条件下蓄电池能连续提供的能量的总和，单位为安时（Ah），这个参数的选择主要与太阳能光伏系统的工作条件下的太阳辐射平均强度和需要连续供应负载电量的时间和功率有关；工作电压是蓄电池接通负载放电时在负载上所呈现出来的电压，其大小主要决定于后面负载的额定工作电压值。

（6）逆变器。在太阳能路灯系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设備，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电。

四、工程实例

以沈阳铁西熙园公园离网式非晶硅太阳能发电系统为例来说明非晶硅太阳能电池在照明系统中的应用，现将该系统配置整理成如表1所示。

五、结束语

非晶硅薄膜太阳能电池光吸收系数高，对太阳光适应范围较广，非最佳角度阳光下的工作情况好于其他太阳能电池，因此光伏组件方阵的功率要小于其他太阳能电池。随着非晶硅薄膜电池制造成本的不断降低和集成化技术的不断成熟，太阳能路灯将成为道路照明的主体，与人们的生活更加密切。

参考文献：

[1]中国太阳能利用协会.新编太阳能产品设计与太阳能利用新技术新工艺实务全书[M].北京：中国科技文化出版社， 2007.

[2]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京：化学工业出版社，2005.