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太阳能在城市道路照明中的应用,毕业设计论文
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太阳能在城市 道路 照明中的应用 学生姓名： XXX 学生学号： XXXXXXXXXXX 院（系）： 电气信息工程学院 年级专业： XXXXXXXXX 指导教师： XXXX 副 教授 二 六 年 六月nts 摘 要 摘 要 随着世界能源危机的加剧，各国都在寻求解决能源危机的办法，一条道路是寻求新能源和可再生能源的利用；另一条是寻求新的节能技术，降低能源的消耗，提高能源的利用效率。 太阳能是地球上最直接 最普遍也是最清洁的能源，太阳能作为一种巨量可再生能源，每天达到地球表面的辐射能大约等于 2.5 亿万桶石油，可以说是取之不尽、用之不竭。 LED 的光谱几乎全部集中于可见光频段，所以发光效率高，一般人都认为，节能灯可节能 4/5是伟大的创举，但 LED比节能灯还要节能 1/4，这是固体光源更伟大的改革 ， 太阳能 LED照明集成了太阳能与 LED的优点。 本文对太阳能 LED路灯 系统的应用 做了较深入探讨与介绍。 关键词 太阳能 电 池 ， LED， 铅酸 蓄 电池 ， 充放电 控制器 nts ABSTRACT ABSTRACT Turn worse along with the energy crisis of world, all countries are all at look for the way of solve the energy crisis, a road is look for the new energy and can renewable energy of exploitation;Another is to look for the new economy energy technique, lowering the depletion of the energy, raising the exploitation efficiency of the energy. The solar energy is the most directly the most widespread is also the most detergent energy on the earth, the solar energy be a kind of huge quantity can renewable energy, attain the radiation of the Earth surface and can be equal to 2.5 a petroleum of hundred millions about everyday, can say is take it not exhausted, use it not over .The LED spectrum is almost all concentrated in it is thus clear that the light segment, so give out light the efficiency high, the ordinary people all think, economy energy the light can economize on energy 4/5 is a great unprecedented undertaking, but the LED compare to economize on energy the light to still need to economize on energy 1/4, this is the greater reform of the solid light source.The solar energy LED illuminates to gather solar energy and LED advantage. The application of this text to the solar energy LED street lamp system did the more thorough study and introductions. Keywords solar battery， LED， plumbum and vitriol storage battery， Charge and discharge Controller nts 目录 1 目 录 摘 要 . ABSTRACT . 目 录 . 1 1 绪 论 . 1 1 1课题背景 . 1 1.2太阳能的利用可行性分析 . 2 1.3太阳能能源的现状及前景 . 4 2 太阳能路灯系统结构 . 6 2.1太阳能路灯的构造 . 6 2.2太阳能路灯的工作原理 . 7 2.3太阳能路灯的优点 . 7 3 太阳能路灯零部件选用 . 10 3.1太阳能电池 . 10 3.1.1太阳电池概念 . 10 3.1.2太阳能电池原理与特性 . 10 3.1.3太阳电池的选择 . 14 3.2铅酸蓄电池 . 14 3.2.1铅酸蓄电池的工作原理 . 15 3.2.2铅酸蓄电池的使用寿命及影响因素 . 17 3.2.3蓄电池的选择 . 18 3.3控制器的选择 . 18 3.3.1蓄电池充电控制基本原理 . 18 3.3.2蓄电池放电控制基本原理 . 21 3.4太阳能路灯系统开关 的选择 . 23 3.5光源的选择 . 233 3.6表面处理 . 24 nts 目录 2 4 太阳能路灯制作 . 25 4.1设计制作 . 25 4.2防雷与接地 . 28 4.3太阳能电池组件支架 . 28 4.3.1倾角设计 . 28 4.3.2 抗风设计 . 28 4.4注意事项 . 30 5 太阳能路灯管理与维护 . 32 5.1铅酸蓄电池故障及解决方法 . 32 5.2LED 发光模块故障及解决方法 . 33 结 论 . 35 附录 A . 36 参 考 文 献 . 37 致 谢 . 38 nts 1 绪论 1 1 绪论 1 1 课题背景 当代已被人类广泛利用，在生产和生活中起着重要作用的能源，主要有五类，即煤炭、石油、天然气、水和核裂变能等。目前世界能源消耗几乎全靠这五大能源来供应 ， 电力只是上述这些能源转化生出来的“二次能源”。 随着现代工业、农业和国家科技事业的快速发展，各国对能源的消耗量显著增加，年增长率达 5 6。就是说 10多年就要翻一番。近 100年内，世界动力消耗的燃料增加了 20 倍，尤其近 30 年来，消耗指数直线上升。 60 年代初，全球能源消耗量每年平均约为 40亿吨煤当量； 70 年代初已达 80亿吨。进入 80年代后，消耗量增长更为迅速， 1980 年至 1989 年间增长了 17.8，达到 103.3 亿吨煤当量。预计到 21世纪初世界能源需求量将达 200 亿吨。那时，全世界的能源消耗量将比现在增长 2 3 倍。加之世界的能源资源分布极不平衡，必然导致能源危机的不断发生。 世界能源的消耗结构在近 20年中发生了很大变化。虽然，目前各种新型能源在不断开发利用，但在五大能源中，主要依靠石油、天然气和煤三大能源，其他能源消耗比重 还很低，不足以根本改变原有的以石油、天然气消耗为主体的结构类型。据统计，从第二次世界大战结束以来的 50余年中，引起国际石油市扬重大变动的事件就近 10 次，平均每 5 6年发生一次。从 1973年发生第一次石油价格危机到 1989 年间，煤炭消耗量由 28.3上升到 31.1；天然气由 18.1上升到23.1；水力由 5.4上升到 6.4；而核能由 0.6上升到 2.3；唯有石油有所下降，由 47.4降至 37。由此可见，石油、天然气占世界能源消耗总量的 60左右，煤占 30左右，其他约占 10左右。 据国际 能源资料统计和专家们预言，在五大能源中，适合于经济开采的石油和天然气资源只能再开采 30 年，最多 50 年内将耗尽。另据一些地质学的推测，全球石油资源总数的一半蕴藏在海底及地壳之下尚未发现。近年来专家估计海底石油储量约在 2500 亿吨以上，但按目前的消耗量计算，即使都开采出来，也仅够人类使用 270 年。煤炭是两千多年来的传统能源，它是由陆上森林掩埋在地下经长期变化而成的。因此，它的储量基本上不会增加，只会减少，煤炭同石油、天然气相比，虽储量大，消耗少，但总储量也仅够开采 300 年。铀矿资源已探明量和附加储量将在 2030 年以前开采完，即使包括推测储量在内，在大力发展核能的情况下，到 2060年前全部铀矿资源也将用完。水力是较为理想的自然资源，但是，在工业国家，通过传统工艺发掘的水资源已开发了 3/4 左右，而利用水力发电建nts 1 绪论 2 站投资大、周期长，且受地理条件限制。因此，能源危机即在眼前了。 正当人类加速扩大能源需求的同时，能源的可供应量和持续时间即日显危机，一场全面的能源危机摆在了人们面前。能源，已成为制约一个国家经济、科技、军事发展的制约产业，往往严重阻滞其他行业的发展，它迫使人们必须尽早采取紧急措施，在节约能源消耗的同时，积极开发 新能源，以使人类渡过目前面临的能源危机。 太阳能行业是世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔，在可再生能源行业中，太阳能没有污染、市场空间非常大，太阳能现已经在民用领域内广泛应用于诸如照明、空调、电话、汽车、发电等方面，太阳能应用的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。 太阳能灯作为一种新型节能灯具，它与传统灯具相比有节能、环保、安全、方便、寿命长、品位高等许多优点。发展可持续能源和绿色能源从道路照明这种小方面入手，可节约更多的电能，技术条件和市场环境成熟后可在该领域和其他领域进行广泛推广。 1.2 太阳能 的 利用 可行性分析 太阳是一个炽热的气体球，内部不停地进行着由氢聚变成氦的热核反应，不停地向宇宙空间释放出巨大的能量，这就是太阳能。地球上除了地热能和核能以外，所有能源都来源于太阳能，因此可以说太阳能是人类的“能源之母”。没有太阳能，就不会有人类的一切。 太阳能，因为它是一种辐射能，不带任何化学物质，是最洁净，最可靠的巨大能源宝库。经测算表明，太阳能释放出相当于 10万亿千瓦的能量，而辐射到地球表面的能量，虽然只有它 22亿分之一，但也相当于全世界目前发电总量的八万倍。 自古以来，人们就注意利用太阳能。早在几千 年前，我们的祖先就曾用“阳燧” 这种简单的器具向太阳“取火”，开辟了人类利用太阳能的新时代。据说古希腊著名物理学家阿基米德曾用巨大的镜子聚集太阳光，一举烧毁了敌人的帆船队。然而，人们对太阳能的深刻认识和开发利用，直到最近的二、三十年内才真正开始。 为了更加直观地了解各地每天太阳能辐射的平均分布。 nts 1 绪论 3 图 1.1 我 国不同地区太阳光照条件 表 1.1 给出年总辐射量与日平均峰值日照时数（太阳能电池每天可以接受到1000W/ m2辐照度的等效时间）对应关系。年总辐射量与日平均峰值日照时数对应表通过上面资料可以看出， 太阳能灯具的设计和灯具的使用地区有关。太阳能电池组件额定输出功率和灯具输入功率之间关系在西南地区大约是 24:1，具体比例要根据灯具每天工作时间以及对连续阴雨天照明要求决定。另外太阳能电池的输出功率大约 120W/m2。 表 1.1 总辐射量与日平均峰值日照时数对应表 总辐射量与日平均峰值日照时数间的对应关系 年总辐射量 千焦 /厘米 2年 420 460 500 540 580 620 660 700 740 日平均峰值 日照时数 h 3.19 3.50 3.82 4.14 4.46 4.78 5.10 5.42 5.75 nts 1 绪论 4 表 1.2 全国各地区太阳能资源的分布情况 区域划分 丰富区 较丰富区 可利用区 贫乏区 年总辐射量 千焦 /厘米 2年 580 500-580 420-500 420 全年日照时数 3000H 2400-3000H 1600-2400H 1600 地域 内蒙西部、新疆南部 甘肃西部、青藏高原 新疆北部、东北、内蒙东部、华北、陕北、宁夏、甘肃部分、青藏高原东侧 、四川攀西地区 、海南、台湾 东北北端、内蒙呼盟、长江下游、两广、福建、贵州部分、云南、河南、陕西 重庆 、川、贵、桂、赣部分地区 特征 日照时数 3300小时 年日照百分率0.75 日照时数2600-3300小时 年日照百分率0.6 -0.75 太阳能丰富区到贫乏区的过度带 日照时数 1800 小时年日照百分率0.4 建议不使用太阳能的地区 连续阴雨天 2 3 7 5 从 图 1.1 和 表 1.2 可以看出 在本地（攀枝花地区）的太阳能资源是相当丰富的，极具可开发价值。 本文见将介绍太阳能 在道路照明系统中的 应用 ，从应用角度出发，分析再生能源使用的优势。 1.3 太阳能能源的现状及前景 太阳能作为一种巨量的可再生能源 ，已被广泛应用在各个领域，是当前能源利用的补充能源，并被认为是未来人类生活的可替代能源。每天到达地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产成或产生很少污染，太阳能既是近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础。不论是从经济社会走可持续发展之路，还是保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能都具有重大的战略意义。 这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用 之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达 80万千瓦，中人把地球表面 0.1%的太阳能nts 1 绪论 5 转为电能，转变率 5%，每年发电量可达 5.6 1012 千瓦小时，相当于目前世界上能耗的 40倍。 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。截至 2002 年底，太阳能光伏发电制造能力已达 56 万 KW，实际装机容量近 400 万KW，组件 成本下降到 3.5 美元 /WP。预计， 2020 年光伏组件的价格将下降到 1美元/WP以下 ， 目前世界最大的光伏工厂年产 36MW，价格为 3 4美元 /WP。 我国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年亿吨标准煤。太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。我国地处北半球，南北距离和东西距离都在公里以上。在我国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米千瓦时。年日照时数大于小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。 在国 际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的光伏制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。中国作为世界能源消耗第二大的国家也不例外。与国际上蓬勃发展的光伏发电相比，我国落后于发达国家 10 15年，甚至明显落后于印度。我国光伏产业正以每年 30%的速度增长，国内光伏电池生产能力已达 100MW。在国家各部委立项支持下，目前我国实验室光伏电池的效率已达 21%，可商业化光伏组件效率达 14 15%，一般商业化电池效率 10 13%。目前太我国阳能光伏电池生产成本已大幅下降，太阳能电池的价格逐渐从 2000 年的 40 元 / 瓦降到 2003 年的33 元 /瓦， 2004 年已经降到 27 元 /瓦。这对国内太阳能市场走向壮大与成熟起到了决定作用，对实现与国际光伏市场接轨具有重要意义。 nts 2 太阳能路灯系统结构 6 2 太阳能路灯 系统 结构 太阳能作为 21 世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是新兴的朝阳行业，再加上良好的政策环境、行业本身的特性，使得太阳能产业具有较高的投资价值和发展潜力。目前，太阳能产业成长性好，是比较好的投资机会，但要注意控制客观存在的经营风险，竞争风险等以取得良好的投资收益。 节能与开源齐头并进，是解决能源问题的根 本途径，而太阳能路灯就是“节能开源”的充分展示。 2.1 太阳能路灯的构造 太阳能 LED大功率路灯 的基本构造 ，如图 2.1和图 2.2所示 。 图 2.1太阳能路灯实物图 图 2.2 太阳能路灯基本构造 系统由太阳能电池组件部分（包括支架）、 LED灯头、控制箱 （内有控制器、蓄 电池）和灯杆几部分构成；太阳能电池板光效达到 127Wp/m2，效率较高，对系统的抗风设计非常有利；灯头部分以 1W白光 LED集成于印刷电路板上排列为一定间距的点阵作为平面发光源。 控制箱箱体以不锈钢为材质，美观耐用；控制箱内放置免维护铅酸蓄电池和充放电控制器。本系统选用阀控密封式铅酸蓄电池，由于其维护很少，故又被称为“免维护电池”，有利于系统维护费用的降低；充放电控制器在设计上兼顾了功能齐备（具备光控、时控、过充保护、过放保护和反接保护等）与成本控制，实现很高的性价比。 nts 2 太阳能路灯系统结构 7 2.2 太阳能路灯的工作原理 系统工作 原理简单，利用光生伏特效应原理制成的太阳能电池白天太阳能电池板接收太阳辐射能并转化为电能输出，经过充放电控制器储存在蓄电池中，夜晚当照度逐渐降低至 10lux左右、太阳能电池板开路电压 4.5V左右，充放电控制器侦测到这一电压值后动作，蓄电池对灯头放电。蓄电池放电 8.5 小时后，充放电控制器动作，蓄电池放电结束。 图 2.3即为太阳能路灯系统的基本原理框图。 图 2.3 太阳能路灯系统基本原理图 2.3 太阳能路灯的优点 太阳能 路 灯优特点： 1、 节能：以太阳能光电转换提供电 能，取之不尽、用之不竭； 2、 环保：无污染、无噪音、无辐射； 3、 安全：绝无触电、火灾等意外事故； 4、 方便：安装简洁，不需要架线或“开膛破肚”挖地施工、也没有停电限电顾虑； 5、 寿命长：产品科技含量高，控制系统、智能化设计，质量可靠； 6、 品位高：科技产品、绿色能源，使用单位重视科技、绿色形象提高、档次提升； 7、 投资少：一次性投资与交流电等价（交流电投资从变电、进电、控制箱、电缆、工程起），一次投资、长期受用； 8、 适用广：太阳能源源于自然，所以凡是有日照的地方都可以使用，特别适合于绿地景观灯光配备，高 档次住宅及室 外照明，旅游景点海岸景观照明及点缀，工业开发区、工矿企业路灯，各大院校室外灯光照明。 与传统路灯的比较 整体设计基本上考虑到了各个环节；光伏组件的峰瓦数选型设计与蓄电池容量充放电主电路 充放电控制器 蓄电池 LED 灯 太阳电池板 nts 2 太阳能路灯系统结构 8 选型设计采用了目前最通用的设计方法，设计思想比较科学；抗风设计从电池组件支架与灯杆两块做了分析，分析比较全面；表面处理采用了目前最先进的技 术工艺；路灯整体结构简约而美观；经过实际运行证明各环节之间匹配性较好。 根据本人调查， 太阳能灯具与普通灯具性能价格对比参考 如下 ： 以本地某个房地产开发项目 5 公里长 20 米宽主路，需安装次干道 路灯为例说明。按两灯间距 40 米，采用两侧对称排列布灯，共需路灯 250盏：普通灯具报价8000 元 /套，每个杆灯设 1 个检查井；太阳能路灯报价 19500 元 /套，按使用寿命15年进行分析对比。见下表 ： 表 2.1 太阳能灯具与普通灯具性能价格对比参考表 具类别对比项目 太阳能灯具 普通灯具 灯具价格 19500250=4875000 （ 487.5万） 8000250=2000000 （ 200万） 安装费用 400250=100000 （ 10 万） 200000010%=200000 （ 20 万） 配套费用 无 1、 地 埋电缆： 3540250=350000 （ 35万） 2、挖沟回填： 1540250=150000 （ 15万） 3、 100mm布纹管： 2540250=250000 （ 25万） 4、检查井： 300250=75000 （ 7.5万） 5、配电设备（开关、定时器、保险器、机箱、电力增容、架设电力变压器等）每盏均摊 3000元 ， 3000250=750000 （ 75 万） 总计： 157.5万元 维护费用 蓄电池更换： 1500250=375000 （ 37.5万） 灯光源为 500W钠灯，每天工作 8小时则每天耗电为 4度，按 每度电 1元计算，则 15年共耗电费为： 4250365151= 547.5 万元 维护费用：灯光源 70 元 8 次 250=14 万元 .此外还包括控制系统的部件更换，及专门的管理送电人员的工资等费用计为 10 万元 共 计 571.5万 安全性能 工作电压为直流 12V、 24V，绝对安全，性能稳定，不会发生触电事故。 工作电压为交流 220V，能较稳定，需常年维护。但存在遇洪涝灾害及阴雨天易发生漏电亡人事故。同时易受停电、限电影响。 费用合计 497.5+37.5= 535 万元 377.5+571.5= 949万 元 由上表得出如下结论： nts 2 太阳能路灯系统结构 9 1、就产品本身价格和首次投入费用而言，太阳能灯具比普通灯具造价要高。 2、若按使用寿命 15年把运行费用和路灯维护费用考虑进去的话，太阳能灯具在寿命周期内所发生的总费用要比普通灯具的总费用要低。且规模越大，普通灯具安装的相关费用越高，如把电力增容费用、架设电力变压器、光源的功率因数补偿耗能、电力电缆、远距离线路功率损耗及灯具开启控制系统和管理人员工资等相关费用考虑进去的话实际费用要远大于本表预计费用。 3、运行维护费用，普通灯具明显高于太阳能灯具，而且会随着使用时间的增长而越来越高 （电费、人工等）。 4、安全稳定性，太阳能灯具免维护，绝对安全，不会发生触电事故且可通过改变控制方式来增强其稳定性。而普通灯具相对安全，性能较稳定，需常年维护，且存在遇洪涝灾害及阴雨天易发生漏电亡人事故。同时易受停电、拉闸限电等因素影响而不能正常使用，且随着我国能源电力供应日益紧缺，这种情况今后会频繁发生且日益突出。 nts 3 太阳能路灯零部件选用 10 3 太阳能路灯零部件选用 3.1 太阳能电池 3.1.1 太阳电池概念 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这个把太阳能（或其他光能）变换成电能的能量转换器， 就叫做太阳能电池。 太阳能电池是利用硅等半导体的光伏效应通过 p-n 结构直接把太阳光转化为电能。由于太阳电池本身易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气中，光电转化效率会由于潮湿、灰尘、酸雨等影响而下降，以至损坏失效。因此，太阳电池一般都必须通过胶封、层压等方式封装成平板式构造再投入使用。其中以层压封装的方法最为普遍，即将太阳电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、粘结性好的热熔性 EVA 胶膜包封，采用透明率高、耐冲击的低铁钢化玻璃做上盖板，用耐湿抗酸的 Tedlar复合薄膜（聚氟乙烯复合膜）或玻璃等其他材料做背板，通 过真空层压工艺使 EVA 胶膜将电池片、正面盖板和背板黏合为一个整体，从而构成一个实用的太阳电池发电器件，一般称为太阳电池组件或组件，俗称太阳电池板或电池板（为分区也称单体太阳电池为太阳电池片或电池片）。 3.1.2 太阳能电池原理与特性 一、 太阳能电池的结构 。 图 3.1 太阳能电池构形图 常规硅太阳能电池 （如图 3.1）， 是一个 p型硅材料制成的 n+/p 型结构常规太阳能电池的示意图。 p层为基体，厚度为 0.20.5mm。基体材料称为基区层，简称基区。 p层上面是 n层。它又称为顶区层，有时也称为发射区层，简称 顶层。它是在同一块材料的表面层用高温掺杂扩散方法制得的，因而又称为扩散层。由于它通常是重掺杂的，故标记为 n+ 。 n+层的厚度为 0.20.5 m。扩散层处于电池的正面。所谓正面，就是光照的表面，所以也称为光照面。 p层和 n层的交界面处是 p-n 结。扩散层上有与它形成欧姆接触的上电极。它由母线和若干条栅nts 3 太阳能路灯零部件选用 11 线组成。栅线的宽度一般为 0.2mm左右。栅线通过母线连接起来。母线宽度为 0.5mm左右，视电池面积大小而定。集体下面有与它形成欧姆接触的下电极。上下电极均由金属材料制作，其功能是将由电池产生的电能引出。 在 电池的光照面有一层减反射膜，其功能是减少光的反射，使电池接受更多的光。 常见的太阳能电池有：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。 1、单晶硅太阳电池 单晶硅太阳电池是当前开发得最快的一种太阳电池，它的构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。这种太阳电池以高纯的单晶硅棒为原料，纯度要求 99.999。为了降低生产成本，现在地面应用的太阳电池等采用太阳能级的单晶硅棒，材料性能指标有所放宽。有的也可使用半导体器件加工的头尾料和废次单晶硅材料，经过复拉制成太阳电池专用的单晶硅棒。 将单晶硅棒 切成片，一般片厚约 0.3毫米。硅片经过形、抛磨、清洗等工序，制成待加工的原料硅片。加工太阳电池片，首先要在硅片上掺杂和扩散，一般掺杂物为微量的硼、磷、锑等。扩散是在石英管制成的高温扩散炉中进行。这样就硅片上形成 p/n 结。然后采用丝网印刷法，精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂覆减反射源，以防大量的光子被光滑的硅片表面反射掉。因此，单晶硅太阳电池的单体片就制成了。单体片经过抽查检验，即可按所需要的规格组装成太阳电池组件（太阳电池板），用串联和并联的方法构成一定的输出电压和 电流。最后用框架和装材料进行封装。用户根据系统设计，可将太阳电池组件组成各种大小不同的太阳电池方阵，亦称太阳电池阵列。目前单晶硅太阳电池的光电转换效率为 15左右，实验室成果也有 20以上的。 2、多晶硅太阳电池 晶硅太阳电池的生产需要消耗大量的高纯硅材料，而制造这些材料工艺复杂，电耗很大，在太阳电池生产总成本中己超二分之一。加之拉制的单晶硅棒呈圆柱状，切片制作太阳电池也是圆片，组成太阳能组件平面利用率低。因此， 80 年代以来，欧美一些国家投入了多晶硅太阳电池的研制。 目前太阳电池使用的多晶硅材料，多半是含有 大量单晶颗粒的集合体，或用废次单晶硅料和冶金级硅材料熔化浇铸而成。其工艺过程是选择电阻率为 100 300欧姆厘米的多晶块料或单晶硅头尾料，经破碎，用 1： 5 的氢氟酸和硝酸混台液进行适当的腐蚀，然后用去离子水冲洗呈中性，并烘干。用石英坩埚装好多晶硅料，加人适量硼硅，放人浇铸炉，在真空状态中加热熔化。熔化后应保温约 20分钟，然后注入石墨铸模中，待慢慢凝固冷却后，即得多晶硅锭。这种硅锭可铸成nts 3 太阳能路灯零部件选用 12 立方体，以便切片加工成方形太阳电池片，可提高材制利用率和方便组装。多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，其光电转换 效率约 12左右，稍低于单晶硅太阳电池，但是材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展 。 3、非晶硅太阳电池 非晶硅太阳电池是 1976 年有出现的新型薄膜式太阳电池，它与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低，非常吸引人。 制造非晶硅太阳电池的方法有多种，最常见的是辉光放电法，还有反应溅射法、化学气相沉积法、电子束蒸发法和热分解硅烷法等。辉光放电法是将一石英容器抽成真空，充入氢气或氩气稀释的硅烷，用射频电源加热，使硅烷电离，形成等离子体。非晶硅膜就沉积在被加热的衬底 上。若硅烷中掺人适量的氢化磷或氢化硼，即可得到 N 型或 P 型的非晶硅膜。衬底材料一般用玻璃或不锈钢板。这种制备非晶硅薄膜的工艺，主要取决于严格控制气压、流速和射频功率，对衬底的温度也很重要。 非晶硅太阳电池的结构有各种不同，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。此种制作工艺，可以采用一连串沉积室，在生产中构成连续程序，以实现大批量生产。同时，非晶硅太阳电池很薄，可以制成叠层式， 或采用集成电路的方法制造，在一个平面上，用适当的掩模工艺，一次制作多个串联电池，以获得较高的电压。因为普通晶体硅太阳电池单个只有 0.5 伏左右的电压，现在日本生产的非晶硅串联太阳电池可达 2.4 伏。目前非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换效率偏低，国际先进水平为 10左右，且不够稳定，常有转换效率衰降的现象，所以尚未大量用于作大型太阳能电源，而多半用于弱光电源，如袖珍式电子计算器、电子钟表及复印机等方面。估计效率衰降问题克服后，非晶硅太阳电池将促进太阳能利用的大发展，因为它成本低，重量轻，应用更为方便，它可以与房 屋的屋面结合构成住户的独立电源。 二、太阳能电池的基本工作原理 太阳能电池工作原理的基础 ， 是 半导体 p-n结的光发生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当 物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在固体尤其是半导体中，光能转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。 可将半导体太阳能电池的发电过程概括成以下四点： nts 3 太阳能路灯零部件选用 13 1、首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上 。 2、太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡 载流子（光生载流子） 电子空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在他们被分离之前不会复合消失。 3、这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池 p-n 结 内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在一边，在 p-n 结 两边产生异性电荷的积累，从而产生光生 电动势，即光生电压。 4、在太阳能电池 p-n 结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能（或其他光能）直接转换成了电能。 下面以单晶硅 太阳 能电池为例，对太阳能电池的基本工作原理进行具体阐述。 图 3.2 光生伏打效应原理图 总所周知，物质的的原子是由原子核和电子组成 的。原子核带正电，电子带正电。电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道绕着原子核旋转。单晶硅的原子是按照一定的规律排列的。硅原子的外层中有四个电子。每个原子的外壳 电子都有固定的位置，并接受原子核的约束。 他们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束缚而成为自由电子，并同时在原来的地方留出一个空位，即空穴。由于电子带 负 电，空穴就表现为带正电。电子和空穴就是电 晶硅中可以运动的电荷。在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，它就成了空穴型半导体，简称 p 型半导体。如果在硅晶体半导体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，它就成了电子型半导体，简称 n 型半导体。若把这两种半导 体结合在一起，由于电子和空穴的扩散，在交界面处便会形成 p-n 结，并在结的两nts 3 太阳能路灯零部件选用 14 边形成内建电场，又称势垒电场。由于此处的电场特别高，所以也称为阻挡层 。当太阳光照射 p-n 结时， 在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子空穴 对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向 p 型区，从而使 n区有过剩的电子， p 区有过剩的空穴；于是就在 p-n结的附近形成了于势垒电场相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使 p型区带正电、 n型区带负电；于是就使得 n区与 p区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接通外电路时，便有电能输出。这就是 p-n 结接触型硅太阳能电池发电的基本原理（如图 3.2） 。若把数个太阳能单体串联或并联起来封装成为太阳能电池组件，在太阳光的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。 3.1.3 太阳电池的选择 太阳能电池封装形 式的选择。 目前太阳能电池的封装形式主要有 2种，层压和滴胶，层压工艺可以保证太阳能电池工作寿命 25 年以上，滴胶虽然当时美观，但是太阳能电池工
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