第一篇：手動角度可調式太陽能LED照明系統的試驗研究

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科技信息

○機械與電子○

SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 2009 年

第9期

手動角度可調式太陽能 LED 照明系統的試驗研究

何 偉 周梓榮（東莞理工學院城市學院機電工程系 廣東 東莞 523106）

【摘 要】太陽能是一種永不枯竭和清潔可再生的綠色能源 , 而半導體發光二極管(LED)也是一種環保、節能和高效的固態電光源。本文分 析了兩者技術特點和東莞地區日照條件，對適合用于東莞地區的角度手動可調式太陽能 LED 照明系統進行了試驗研究 , 結果表明該系統的可 行性和高效性。【關鍵詞】角度可調；光伏發電；LED 照明系統

The Pilot Study Based On Manually Adjustable Angle Solar Power Semiconductor LED Lighting System HE Wei ZHOU Zi-rong(Department of Mechanical And Electrical Engineering,City College of Dong guan University of technology,Dong guan,Guangdong,523106)【Abstract 】Solar energy is an inexhaustible and clean green renewable energy, The semiconductor light-emitting diode(LED)is also a kind of environmental protection, energy saving and efficient electric solid-state light source, in which the article analyzes the technology character of them and daylight conditions of Dong guan district, and conducted a pilot study by angle adjustable solar power semiconductor LED lighting system of applying to the Dong guan district, the results show that the system's feasibility and efficiency.【Key words 】Adjustable angle;Photovoltaic power generation;The semiconductor light-emitting diode lighting system 0． 引言

在全球經濟飛 速 發 展，能 源 日 趨 緊 張 的 今 天，能 源 已 經 成 為 世 界 最受關注問題。根據世界能源權威機構分析，世界已探明的主要礦物 燃料儲量和開采量不容世人樂觀。石油剩余可采年限僅有 41 年；天然 氣剩余可采年限 61.9 年；煤炭剩余可采年限 230 年。傳統能源的迅速 減少以及嚴重的污染問 題，已 經 危 害 到 了 全 球 的 經 濟 和 環 境，提 倡 環 保、節能已是各行各業發展的趨勢所在。太陽能作為地球上的清潔能 源將是 21 世紀最理想的新能源，而利用光伏發電技術將太陽能轉化 為 電 能 是 太 陽 能 利 用 的 有 效 途 徑 ；LED(light emitting diode)是 一 種 能 將電能轉化為可見光的半導體器件，憑其節能無污染的特點現已廣泛 運用于照明領域中，因此作為集成了太陽能光伏發電和 LED 固態照 明優點的太陽能 LED 照明系統，是新一代能源和新一代光源的完美 結合 [1]。

1． 太陽能光伏發電技術 1．1 太陽能光伏發電的技術特點 [1] 太 陽 能 光 伏 發 電 是 依 靠 太 陽 能 電 池 組 件(Solar cells)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 壘區產生一個較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區中的非平衡電子 和空穴，或者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，實現將光 能轉化成電能。1．2 太陽能光伏發電系統的組成 太陽能光伏發電系統主要包括 ：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，其 中，太 陽 能 電 池 組 件 和 蓄 電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。1．2．1 太陽能電源系統 1)電池板： 太陽能電池板是太陽能發電系統中的核心部分，也是太陽能發電 系統中價值最高的部分，其作用是將太陽的輻射能力轉換為電能，或 送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。2)電能儲存單元 [2]： 太陽能電池產生的直流電先進入蓄電池儲存，蓄電池的特性影響 著系統的工作效率和特性。蓄電池技術是十分成熟的，但其容量要受 到末端需電量，日照時間(發電時間)的影響。因此蓄電池瓦時容量和安 時容量由預定的連續無日照時間決定。1．2．2 控制器 控制器的 主 要 功 能 是 使 太 陽 能 發 電 系 統 始 終 處 于 發 電 的 最 大 功 率點附近，以獲得最高效率，其功能分為充電控制和發電控制。1．2．3 蓄電池 蓄電池一般為鉛酸電池，小微型系統中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電 池或鋰電池池。其作用是在有光照時將太陽能電池板所發出的電能儲 存起來，到需要的時候再釋放出來。1．2．4 逆變器 逆變器按激勵方式，可分為自激式振蕩逆變和他激式振蕩逆變。

主要功能是將蓄電池的直流電逆變成交流電。1．3 基于太陽能光伏發電與 LED 照明系統的結合 LED 是一種在 P-N 結上施加正向電流時能發出紫外光、可見光、紅外光的半導體固體發光器件。其發光機理的核心在于 P-N 結，當外 加正向電壓時，P-N 結平衡 被 打 破，P 區 空 穴 進 入 P-N 結 中 和 原 來 的 一部分負離子，N 區電子進入 P-N 結中和原來 的 一 部 分 正 離 子，這 樣 就使 P-N 結變窄，由于外加電場使 P-N 結電場降低，引起電子勢能的 減少，減少的勢能則轉化為電磁能，會以光子的形式釋放出來。電子減 少的能量越多，釋放的光子的能量也就越高。LED 半導體照明光源具有廣泛的優越性，包括：使用壽命長、發光 效率高、體積小重量輕、環保安全可靠等優點以外，還有一個顯著優點 就 是 太 陽 能 光 伏 發 電 技 術 與 LED 照 明 完 美 結 合 在 于 兩 者 同 為 直 流 電、電壓低并能互相匹配。兩者的結合不需要變頻器將太陽能電池產 生的直流電轉化為交流電，因此大大提高了整個照明系統的效率。

2． 角度手動可調式太陽能半導體照明系統設計方案

按全國太陽 能 資 源 等 級 劃 分，廣 東 地 區 屬 于 第 三 級，年 總 輻 射 量 4200-5400 兆 焦 耳 /平方 米·年，東 莞 地 區 年 總 輻 射 量 達 到 5000 兆 焦 耳 /平方米·年 [3]。東莞地區有較好的太陽能資源，充分利用太陽能是節

約能源的有效手段。太陽光照射太陽能電池板的角度影響太陽能利用 的程度，提高太陽能轉換為電能的效率是太陽能技術的重點和難點，調整太陽能電池板的被照射角度可以提高利用率。通過實驗研究角度 手動可調式太陽能半導體照明系統的可行性和高效性。2．1 太陽能電池角度的計算 2．1．1 方位角 太陽電池板的方位角是電池板的垂直面與正南方向的夾角（向東 偏設定為負角度，向西偏設定為正角度）。一般情況下，方陣朝向正南（即方陣垂直面與正南的夾角為 0°）時，太陽電池發電量是最大的。在 偏 離 正 南（北 半 球）30° 度 時，方 陣 的 發 電 量 將 減 少 約 10％～15％ ；在 偏 離正南（北半球）60° 時，方陣的發電量將減少約 20％～30％。負荷的峰 值時刻與發電峰值時 刻 一 致 時，其 發 電 利 用 效 率 最 高，此 時 方 位 角 計 算公式如下： 方位角 ＝{[ 一天中負荷的峰 值 時 刻（24 小 時 制）— 12]×15＋（經 度 － 116）} 2．1．2 傾斜角 傾斜角是太陽電池方陣平面與水平地面的夾角，并希望此夾角是 方陣一年中發電量為最大時的最佳傾斜角度。一年中的最佳傾斜角與 當地的地理緯度有關，當緯度較高時，相應的傾斜角也大。此外，還要 進一步考慮其它因素。對于正南（方位角為 0° 度），傾 斜 角 從 水平（傾 斜角為 0° 度）開始逐漸向最佳的傾斜角過渡時，其 日 射 量 不 斷 增 加 直 到最大值，然后再增加傾斜角其日射量不斷減少。特別是在傾斜角大 于 50°～60° 以后，日射量急劇下降，直 至 到 最 后 的 垂 直 放 置 時，發 電 量 下降到最小。對于方位角不為 0° 度的情 況，斜 面 日 射 量 的 值 普 遍 偏 低，最大日射量的值是在與水平面接近的傾斜角度附近。2．1．3 實際值計算 東 莞 市 城 區 緯 度 為 22.8 度，經 度 為 113.6 度，一 天 中 負 荷 的 峰 值 462 科技信息

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第9期

時刻 12.5，按照方位角計算公式： 方位角 =（12.5-12）×15＋（113.6－116）=7.5-2.4=5.1° 傾斜角 = 當地緯度 =22.8° 2．2 角度手動可調太陽能電池板設計方案 東莞某高校為教學樓樓梯間安裝太陽能 LED 照明路燈系統，圖 1 為角度手動可調式太陽能電池板試驗裝置。

表3 讀數 日期 蓄電 池最 高電 壓V 2008 年方位角 0°，傾斜角 5° 時蓄電池最高電壓值 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-1 12.5 12.2 12 11．5 12.3 12.5 12.6 12.1 11.8 12 12 讀數 日期 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 2-22 蓄電 池最 高電 壓V 12.3 12.5 12.5 12.7 12.8 13 13 13.1 13.2 13.2 13 讀數 均值 日期 2-23 2-24 2-25 2-26 2-27 2-28 2-29 蓄電 池最 高電 壓V 12.5 12.2 12 12 12.5 12.8 13.1 12.47 圖1 角度手動可調式太陽能電池板試驗裝置 表4 讀數 日期 蓄電 池最 高電 壓V 太陽能 LED 照明路燈系統所需組件如表 1 ： 表 1 太陽能照明系統組件

序號 名稱

太陽能 電池 板

2009 年方位角 0°，傾斜角 65° 時蓄電池最高電壓值 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 2-1 規格

單位 塊 個 個 個 套 個

數量

75Wp 12V100AH 12V15A 12V7W 2 1 1 6 1 1 200 6 11 11.8 12.2 12.2 12 12.3 11.5 11.5 11.7 11.7 11.7 蓄電池 控制器 直流節能燈

角度可 調支 架

讀數 日期 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 2-22 蓄電 池最 高電 壓V 11.8 11.8 11.8 12 12.2 12.2 12.2 12.3 11.9 11.9 11.9 電控箱 電線 開關 4mm2 米 個

讀數 均值 日期 2-23 2-24 2-25 2-26 2-27 2-28 蓄電 池最 高電 壓V 角度可調裝 置 原 理 ：太 陽 能 電 池 安 裝 在 電 池 板 架 上，板 架 圍 繞 支 撐橫桿轉動，調 節 角 度 范 圍 在 0 度 到 180 度 之 間，實 現 太 陽 能 電 池 板 與太陽光線夾角的連續調節，調節后通過緊定螺釘固定。板架側壁裝 有刻度盤，以便讀出 電 池 板 相 對 于 安 裝平面 的 角 度，實 現 傾 斜 角 角 度 調節。支撐架可繞底座作圓周運動，并配有刻度盤，可直接讀取數據，同時可通過緊定螺釘固定方位實現方位角角度調節，底座通過地腳螺 栓實現與地面牢固連接。此裝置能夠實現傾斜角與方位角角度的調節 和讀數，對室外環境適應性好，使用年限長。11.2 11.5 12 12 12 11.9 11.86 3． 試驗數據及分析

根 據 東 莞 地 區 經 緯 度，方 位 角 選 取 正 南 方 向（角 度 為 0°），夏 季 6 至 8 月份方位角可以稍偏向西 5°，是能保證 最 大 照 射 量 的 方 位 角 度 ； 傾斜角理論計算值在 20°-25° 之間，為驗證傾斜角理論值是否最適合 本地區，我們選取了小于理論值、介于理論值和大于理論值的 5°、23°、65° 進行試驗。表 2 至表 4 為 2007 年、2008 年、2009 年 2 月份太陽能 裝置充電試驗數據： 表 2 2007 年方位角 0°，傾斜角 23° 時蓄電池最高電壓值

讀數 日期 蓄電 池最 高電 壓V 本系統空載時蓄電池理論最高充電電壓 15V，試驗數據表明當傾 斜角 23° 略等于當地緯度時 2 月份蓄電池的平均最高電 壓 13.85V，達 到 92.3% ； 傾 斜 角 5° 時 2 月 份 蓄 電 池 的平均 最 高 電 壓 12.47V，達 到 83.1% ； 傾 斜 角 65° 時 2 月 份 蓄 電 池 的平均 最 高 電 壓 11.86V，達 到 79.1%。說明調整接受太陽光照射的太陽能電池板的角度可以提高太 陽能的利用率。4． 結束語

文章通過設計角度可調式太陽能 LED 照明系統、調整太陽能 電 池板角度進行試驗，結果表明太陽能、LED 照明系統、角度可調裝置的 結合是提高太陽能利用率的有效手段。目前太陽能利用技術和半導體 照明產業已經 由 技 術 開 拓 時 期 開 始 步 入 商 業 化 階 段，太 陽 能 電 池 板 “自動追光”是家用太陽能發展的一個趨勢，通過對系統技術特點和可 行性分析的基礎上，我們完全能相信集合了新一代能源和新一代光源 優點的太陽能半導體照明系統定會以前所未有的速度發展，引領我們 進入一個綠色節能新時代。科 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 2-7 2-8 2-9 2-10 2-11 ●

14 14 14.1 14.3 12.5 13.3 13.7 13.7 13.5 13.8 【參考文獻】

讀數 日期 2-12 2-13 2-14 2-15 2-16 2-17 2-18 2-19 2-20 2-21 2-22 蓄電 池最 高電 壓V ［1 ］高逸峰.太陽能 LED 照明 [J].照明工程學報 , 2007,(01):60-62.［2 ］王建華.太陽能發電技術與綠色照明 [J].農村電氣化 , 2003,(10): 12-13.［3 ］沈輝.太陽能光伏發電技術 [M].北京 :化學工業出版社 ,200509.23． 作者簡介：何偉（1981 —），男，漢族，重慶人，東莞理工學院城市學院機電工 程系教師、東莞市機電工程學會副秘書長，主要從事機械制造、太陽能利用技術 的研究。13.8 13.8 13.9 13.9 13.9 14 14 14.1 13.8 13.7 13.7 讀數 均值 日期 2-23 2-24 2-25 2-26 2-27 2-28 蓄電 池最 高電 壓V ［責任編輯：張艷芳］ 13.9 14 14.1 14.2 14 14 13.85 463 1