太陽能電池作為一種新能源，在民用方面首先應用在照明燈具上。目前，在西部光明工程，非主干道太陽能路燈，太陽能庭院燈和太陽能草坪燈，太陽能裝飾燈等方面的應用已經逐漸形成規模。在太陽能照明燈具的設計中，涉及光源、太陽能電池系統、蓄電池充放電控制許多因素，其中任何一個環節出現問題都會造成產品缺陷。本文就太陽能電池的外特性、蓄電池充放電控制、太陽能照明燈具經常使led與三基色高效節能燈進行比較，分析各自優點與缺點以及使用場合。同時針對目前市場上太陽能燈電路設計中存在的問題提出改進方法。由于太陽能燈其有獨特的優點，近年來得到迅速的發展。草坪燈功率小，主要以裝飾為目的，對可移動性要求高，另外，電路鋪設困難，防水要求高，上述要求使得由太陽能電池能供電的草坪燈顯示出許多前所未有的優勢。

尤其是國外市場對太陽能草坪燈比其它產品需求十分巨大。2002年，僅廣東和深圳用于制造出口太陽能草坪燈消耗的太陽能電池就達到2MW，相當于當年國內太陽能電池產量的1/3，今年仍然保持強勁的發展勢頭，這是人們沒有預料到的。太陽能庭院燈在公園，生活小區以及非主要交通道路上得到廣泛應用。同時，由于發展太快，有些產品技術上不夠成熟，在光源的選擇以及電路設計中存在許多缺陷，降低了產品的經濟性和可靠性，浪費了許多資源。本文針對上述存在的問題，提出自己的看法，供生產太陽能燈具的工廠參考。

1 太陽能電池的外特性

從應用的角度論述，大家主要關心的是太陽能電池的外特性。首先，對于單片太陽能電池來說，它是一個PN結，除了當太陽光照射在上面時，它能夠產生電能外，它還具有PN結的一切特性。在標準光照條件下，它的額定輸出電壓為0.48V。在太陽能照明燈具使用中的太陽能電池組件都是由多片太陽能電池連接構成的。它具有負的溫度系數，溫度每上升一度，繆瓜陸?mV，對于多片太陽能電池組成的太陽能電池組件，這是一個不可忽視的問題。它的輸出特性曲線如圖1。 圖1中，Isc是短路電流，Im是峰值電流，Voc是開路電壓。Vm是峰值電壓，Pm是峰值功率。

在使用中，太陽能電池開路或者短路都不會造成損壞，實際上我們也正是利用它的這個特性對系統蓄電池充放電進行控制的。

2 太陽能電池在使用中必須注意的問題

2.1 太陽能電池功率的選擇

我們所說的太陽能電池輸出功率Wp是標準太陽光照條件下，即：歐洲委員會定義的101標準，輻射強度1000W/m2，大氣質量AM1.5，電池溫度25℃條件下，太陽能電池的輸出功率。這個條件大約和平時晴天中午前后的太陽光照條件差不多，（在長江下游地區只能接近這個數值）這并不象有些人想象的那樣，只要有陽光就會有額定輸出功率，甚至認為太陽能電池在夜晚日光燈下也可以正常使用。這就是說，太陽能電池的輸出功率是隨機的，在不同的時間，不同的地點，同樣一塊太陽能電池的輸出功率是不同的。

表1是我國不同地區太陽光照條件。

為了更加直觀地了解各地每天太陽能輻射的平均分布，表2給出年總輻射量與日平均峰值日照時數（太陽能電池每天可以接受到1000W/m2輻照度的等效時間）對應關系。

表2年總輻射量與日平均峰值日照時數對應表 通過上面資料可以看出，太陽能燈具的設計和燈具的使用地區有關。太陽能電池組件額定輸出功率和燈具輸入功率之間關系在華東地區大約是2~4:1，具體比例要根據燈具每天工作時間以及對連續陰雨天照明要求決定。另外太陽能電池的輸出功率大約120W/m2。

2.2 蓄電池容量的選擇

由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定,所以一般需要配置蓄電池系統才能工作，太陽能燈具也不例外，必須配置蓄電池才能工作。一般有鉛酸蓄電池、Ni-Cd蓄電池、Ni-H蓄電池，它們的容量選擇直接影響系統的可靠性以及系統價格。蓄電池容量的選擇一般要遵循以下原則：首先在能夠滿足夜晚照明的前提下,把白天太陽能電池組件的能量盡量存儲下來，同時還要能夠存儲滿足連續陰雨天夜晚照明需要的電能。蓄電池容量過小不能夠滿足夜晚照明的需要，蓄電池容量過大，一方面蓄電池始終處在虧電狀態，影響蓄電池壽命，同時造成浪費。

2.3 太陽能電池封裝形式的選擇

目前太陽能電池的封裝形式主要有2種，層壓和滴膠，層壓工藝可以保證太陽能電池工作壽命25年以上，滴膠雖然當時美觀，但是太陽能電池工作壽命僅僅1~2年。因此，1W以下的小功率太陽能草坪燈,在沒有過高壽命要求的情況下，可以使用滴膠封裝形式，對于使用年限有規定的太陽能燈，建議使用層壓的封裝形式。另外，有一種硅凝膠用于滴膠封裝太陽能電池，據說工作壽命可以達到10年。

2.4 太陽能電池安裝傾斜角度的選擇和裝飾性外罩

為了美觀，許多的太陽能燈具的工廠將太陽能電池水平放置，在這種情況下，太陽能電池的輸出功率將減少15%~20%，如果再在太陽能電池上面增加一個裝飾性外罩，太陽能電池的輸出功率又將減少5%左右，太陽能電池價格昂貴，我們收集了許多國外太陽能燈資料，在美觀和節能兩者之間，大多數都選擇節能。在長江下游太陽能電池的最理想傾斜角度是40度左右，方向為正南方。

2.5 熱島效應

單片太陽能電池一般是不能使用的，實際應用的是太陽能電池組件。太陽能電池組件是由多片太陽能電池組合而成，用以達到期望的電壓值。太陽能電池組件在使用過程中，如果有一片太陽能電池單獨被遮擋，例如樹葉鳥糞等，單獨被遮擋的太陽能電池在強烈陽光照射下就會發熱損壞，于是整個太陽能電池組件損壞。這就是所謂熱島效應。為了防止熱島效應，一般是將太陽能電池傾斜放置，使樹葉等不能附著，同時在太陽能電池組件上安裝防鳥針。

3 太陽能燈具中蓄電池的充放電控制

無論太陽能燈具大小，一個性能良好的充放電控制電路是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命，必須對它的充放電條件加以限制，防止蓄電池過充電及深度放電，.另外，由于太陽能光伏發電系統的輸入能量極不穩定，光伏發電系統中對蓄電池充電的控制要比普通蓄電池充電的控制要復雜些。對于太陽能燈具的設計來說，成功與失敗往往就取決于充放電控制電路的成功與失敗。.沒有一個性能良好的充放電控制電路，就不可能有一個性能良好的太陽能燈具。

3.1 防反充電控制

防止反充電功能，一般來說，就是在太陽能電池回路中串聯一個二極管，二極管防止反充電，這個二極管應該是肖特基二極管，肖特基二極管的壓降比普通二極管低。另外，還可以用場效應晶體管控制防止反充電功能，它的管壓降比肖特基二極管更低，只是控制電路要比前面復雜一些。

3.2 防過充電控制

防止過充電功能，可以在輸入回路中串聯或者并聯一個泄放晶體管，電壓鑒別電路控制晶體管的開關，將多余的太陽能電池能量通過晶體管泄放，保證沒有過高的電壓給蓄電池充電。關鍵是防止過充電壓的選擇，單節鉛酸蓄電池為2.2V。

3.3 防過放電控制

除了Ni-Cd電池外，其它蓄電池一般都要具有防止蓄電池過放電功能，因為會造成蓄電池過放電永久性損壞。需要注意的是，太陽能電池系統一般相對蓄電池是小倍率放電，所以放電截止電壓不宜過低。

3.4 溫度補償

溫度補償，蓄電池電壓控制點是隨著環境溫度而變化的，所以太陽能燈系統應該有一個受溫度控制的基準電壓。對于單節鉛酸蓄電池是-3~-7mV/℃，我們通常選用-4mV/℃。

4 太陽能燈具光源的選擇

目前多數草坪燈選用LED作為光源，LED壽命長，可以達到100000小時以上，工作電壓低，非常適合應用在太陽能草坪燈上。特別是LED技術已經實現了其關鍵性突破，并且其特性在過去5年中有很大地提高。同時性能價格比也有較大地提高。另外，LED由低壓直流供電，其光源控制成本低，調節明暗，頻繁開關都是可能的，并且不會對LED的性能產生不良影響?？刂祁伾淖児獾姆植?，產生動態幻景都是可能的，所以它特別適合在太陽能草坪燈上應用。有許多其固有的特性，使用時如果不注意就會造成不良后果。但是LED目前在市場上銷售LED的發光效率僅能達到15Lm/W，只能達到三色基色高效節能燈1/3，三色基色高效節能燈的發光效率可以達到50 Lm/W ~60Lm/W。從價格上看，目前生產每Lm的成本：三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）0.022元，2002年f5mm白光LED價格為1.9~3.0元，目前生產每Lm的成本高，價格相差懸殊。從使用壽命上看，三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）的壽命可以達到6000小時，LED可以達到100000小時以上，從表面上看，LED壽命是三色基色高效節能燈（含電子鎮流器）的幾十倍，但是事實并非如此。目前太陽能草坪燈大多數采用超高亮白光LED，它在20mA下超高亮白光LED光通維持率達到初始強度50%的時間（壽命）不到10000小時，復旦大學電光源所曾經證明了上述論點。這就是說，目前在許多情況下LED并非是最好的太陽能草坪燈光源，除非它是低檔，使用年限僅1~2年的太陽能草坪燈，或者是1w以下的太陽能草坪燈。對于1W以上的太陽能草坪燈，最好使用三色基色高效節能燈。目前有一些太陽能草坪燈用30~40只超高亮白光LED，輸入功率2W以上，在這種情況下，如果使如果用三色基色高效節能燈，價格只是LED的1/10，光通量為原來的4倍，現在已經研制成功2~10W的低壓直流三色基色高效節能燈，壽命可以達到6000小時。根據上述分析，我們認為有調節明暗、頻繁開關功能的1W以下的小功率太陽能草坪燈，一般應該使用LED作為光源。但是在使用超高亮白光LED時特別要注意光通維持率問題，否則容易引發事故。對于功率較大的太陽能草坪燈，目前使用三色基色高效節能燈比較合理。這里要強調的是，以上結論僅僅是目前地分析，當LED技術水平提高以后，價格下降，以上結論需要改變。

對于太陽能庭院燈，從可靠性、性能價格比、色溫，和發光效率幾個方面綜合考慮，我們認為理想的光源目前應該是三色基色高效節能燈。

5 LED使用注意事項

1)LED的特性接近穩二極管，工作電壓變化0.1V，工作電流可能變化20mA左右。為了安全，普通情況下使用串聯限流電阻，極大的能量損失顯然不適合太陽能草坪燈，并且LED亮度隨工作電壓變化。采用升壓電路是一個好辦法，也可以用簡單的恒流電路，總之一定要自動限流，否則將損壞LED。

2)一般LED的峰值電流50~100mA，反向電壓6V左右，注意不要超過這個極限，尤其在太陽能電池反接或者蓄電池空載，升壓電路峰值電壓過高時，很可能超過這個極限，損壞LED。

3)LED溫度特性不好，溫度上升5℃，光通量下降3%，夏季使用要注意。

4)工作電壓離散性大，同一型號，同一批次的LED工作電壓都有一定差別，不宜并聯使用。一定要并聯使用，應該考慮均流。

5)超高亮白光LED色溫為6400k~30000k。目前，低色溫的超高亮白光LED尚沒有進入市場，因此用超高亮白光LED制造的太陽能草坪燈光穿透能力比較差，所以在光學設計上要注意。

6)靜電對超高亮白光LED影響很大，在安裝時要有防靜電設施，工人要佩帶防靜電手腕。受靜電傷害的超高亮白光LED當時可能憑眼睛看不出來，但是使用壽命將變短。

6 系統組合中的幾個問題

1)光敏傳感器，太陽能燈需要光控開關，有的設計者往往會用光敏電阻來自動開關燈，實際上太陽能電池本身就是一個極好的光敏傳感器，用它做光敏開關，特性比光敏電阻好。對于太陽能庭院燈問題不大，但是對于僅僅使用一只1.2VNi-Cd電池的太陽能草坪燈來說，太陽能電池組件由4片太陽能電池串聯組成，電壓低，弱光下電壓更低，以至于天還沒有黑電壓已經低于0.7V，造成光控開關失靈。在這種情況下，只要加一只晶體管直接耦合放大，即可解決問題。

2)按蓄電池電壓高低控制負載大小，對太陽能燈在連續陰雨天時可維持的時間要求很高，這就增加系統成本。我們在連續陰雨天蓄電池電壓降低時減少LED或者減少太陽燈接入個數，或者減少太陽能燈每天的發光時間，這就降低了系統成本。

3)閃爍變光，漸亮漸暗是節能的好辦法，它一方面可以增加太陽能草坪燈照射效果，另一方面可以通過改變閃爍占空比控制蓄電池平均輸出電流，延長系統工作時間，或者在同等條件下，可降低成本。

4)三色基色高效節能燈的開關速度。這個問題非常重要，它甚至決定了太陽能草坪燈的使用壽命，三色基色高效節能燈啟動時有高達10~20倍的啟動電流，系統在承受這樣大的電流情況下，可能電壓有大幅度下降，太陽能草坪燈無法啟動或者反復啟動，直至損壞。

5)目前太陽能電池還不能夠使用在主干道照明上。公路主干道的照明有法定的照度要求，就目前太陽能電池的轉換效率和價格講，還不能夠滿足這個要求。但在不久的將來隨著各方面的技術水平的提高，太陽能電池一定會應用在公路主干道的照明上。

6)關于儲能電容，太陽能電池的使用壽命在25年以上，普通蓄電池的使用壽命在2~3年，所以蓄電池是太陽能電力系統中最薄弱的環節。儲能電容可以在一定程度上解決這個問題。儲能電容的使用壽命可以達到10年以上，而且控制電路簡單，但是昂貴的價格限制了它的應用，目前僅僅應用在部分交通信號燈和裝飾燈上。隨著技術水平的提高，產品價格的下降，它將是一種最有希望成為和太陽能電池配套的理想儲能元件。

7 有關太陽能電池在照明燈具上應用的技術及產品專利

7.1 用于草坪燈高效率升壓電路

小功率太陽能草坪燈一般都有升壓電路，目前各廠家采用振蕩電路，電感升壓。電感采用標準色碼電感器，標準色碼電感器中使用開放磁路，磁通損失大，所以電路效率低。如果采用閉合磁路制造電感升壓，如磁環，升壓電路效率將有很大提高。曾經用f10磁環制造電感，在同等條件下進行對比實驗，采用閉合磁路制造電感要比采用標準色碼電感器效率提高20%~40%。

7.2 厚膜太陽能燈控制電路

7.2.1 簡介

PV控制器厚膜電路是在PV控制器（太陽能充放電控制器）和厚膜混合集成電路的基礎上研制開發出來的高科技產品。它集PV控制器特點與厚膜電路優點于一身，是理想的充放電控制電路。其具體優點主要表現在以下4個方面：

7.2.1.1 小型化

厚膜混合集成電路是以陶瓷作為線路的基板，將導體網絡及電阻組件利用網版印制技術，印于基板表面；利用特定的工藝技術，把其它主（被）動器件（如集成塊，二極管，三極管，22電容等）貼裝于陶瓷基板上；再連接輸出引腳，及封裝作業，而形成一個功能完整，保密性高的應用IC。PV控制器厚膜電路就是利用厚膜混合集成電路技術，將電阻印于陶瓷基板上，并且采用貼片技術，體積大大減小，在同等功率的條件下，體積是普通PV控制器的1/3。對于小型系統直接可以放置在太陽電池的背面，使用十分方便。

7.2.1.2 模塊化設計

PV控制器厚膜電路采用?？旎O計，PV控制器厚膜電路為中心模塊，圍繞中心模塊有功率模塊、定時模塊、過載、短路保護功能模塊等?？蛻舾鶕约旱男枰?，選用不同的模塊，采用搭積木的形式組裝適合自己的充放電控制器。由于采用模塊化設計，大大縮短太陽能應用產品的開發周期，對于小功率充放電的要求，可以單獨使用本模塊，如果需要增大功率，可以通過擴展功率模塊。同時還可以擴展其它的模塊，如定時模塊、過載、短路保護功能模塊。

7.2.1.3 功能齊全

PV控制器厚膜電路具有以下功能：

1）蓄電池過放電保護；

2）自動恢復放電功能；

3）蓄電池過充電保護；

4）防反充（蓄電池向太陽電池充電）；

5）溫度補償功能；

6）自動開關燈功能（晚上負載接通，白天負載切斷）；

7）涓流充電（蓄電池達到過充保護點時，采用定電壓，小電流充電）。

當外接其它器件或功能模塊時，可以實現以下功能：

1）定時開啟和關閉負載；

2）蓄電池反接保護；

3）太陽能電池反接保護；

4）過載和短路保護；

7.2.1.4 可靠性高

厚膜混合集成電路現在已廣泛應用于航空、航天、醫療、通訊等領域，電阻精度可高達0.05%，電阻溫度系數100ppm以下，表面經過三防處理，可適用于不同地域的惡劣環境。PV控制器厚膜電路采用厚膜混合集成電路技術，工作溫度范圍寬（-55~125℃），控制精度高。PV控制器厚膜電路采用自動化焊接技術，焊接質量有保證。在焊接的美觀方面和可靠性方面，比現有的控制器手工焊接有了顯著提高。

表3是傳統PCB和厚膜混合集成電路的比較（1代表最差，5代表最佳）。 表3可以看出，厚膜電路的可靠性是普通PCB板電路的四倍，是貼片PCB板電路的兩倍。

7.2.2 外形尺寸及引腳功能 注: ①1RT為負溫度系數熱敏電阻，RT=10KΩ(在溫度為25℃)；

②Ⅰ型為單片使用型（充放電電流小于3A）；

③Ⅱ型為功能擴展型（需外擴功率器件）。

本PV控制器厚膜電路共16只引腳，各引腳功能如下：

1腳（SOL+/BAT+/LOAD+）：接太陽能電池組件、蓄電池、負載的正極（＋）和1N5408/1N4007（防反接二極管）的陰極；

2腳（LOAD-/d1）：單片使用（12V/10W、I≤1A），接負載的負極（－）；

作為部件使用（1A＜I≤8A＝，接負載的負極（－）和Q1管的漏極（d極）。

3腳（BAT-／d2/s1）：(8腳,13腳同3腳功能一樣)，單片使用（12V/10W、I≤1A），接蓄電池的負極（－）和1N5408（D5）的陽極；

作為部件使用（1A＜I≤8A＝，接蓄電池的負極（－）和Q1的源極（s極）Q2管的漏極（d極）。

4腳（g1）：單片使用（12V/10W、I≤1A），不接；

作為部件使用（1A＜I≤8A＝，接Q1管的柵極（g極）。

12腳（g2）：單片使用（12V/10W、I≤1A），不接；

作為部件用﹙1A＜I≤8A＝，接Q2的柵極（g極）。

14腳（s2/s3）: 單片使用（12V/10W、I≤1A），不接；

作為部件使用（1A＜I≤8A＝，接Q2、Q3的源極（s極）。

15腳（g3）：單片使用（12V/10W、I≤1A），不接；

作為部件使用﹙1A＜I≤8A＝，接Q3的柵極（g極）。

16腳（d3/SOL-）：單片使用（12V/10W、I≤1A），接太陽能電池組件的負極（－）；

作為部件使用﹙1A＜I≤8A＝，接Q3的漏極（d極）和太陽能的負極（－）。

6、7、9、10、11腳不接（作為電路功能擴展使用）；

4、5腳：短接時，具有光控自動開燈、關燈功能，不接時，不具有光控自動開燈、關燈功能。

7.2.3 技術參數 7.3 分時/分壓太陽能燈控智能制器

太陽能燈作為一種新型節能燈具，它與傳統燈具相比有許多優點，但是它的價格昂貴又是推廣應用的瓶頸，因此，如何降低太陽能燈的成本是一個重要的課題。分時，分壓控制太陽能燈技術就是解決這個問題的好辦法。

分時、分壓控制太陽能燈技術的核心就是根據夜晚不同時間段，人們對照度不同要求，控制太陽能燈的輸入功率，以及根據太陽能電池白天吸收能量的大小，控制太陽能燈的輸入功率，達到用最小成本設計出能夠滿足最惡劣氣象條件下人們對太陽能燈的最基本要求。 圖中太陽能電池電壓在夜晚低于2V時，晶體管截止，集電極輸出高電平，作為開燈信號。天亮以后，太陽能電池電壓高于2V時，集電極輸出低電平，作為關燈信號。運算放大器正端連接一個基準電壓，該電壓與蓄電池電壓進行比較，當蓄電池電壓低于一定值時，運算放大器輸出端輸出高電平作為控制信號。上面的信號作為單片計算機輸入信號在軟件支持下完成前面的功能。

展望——從PN結到PN結的綠色照明

太陽能電池正在以出乎人們預料的驚人速度發展。根據科學家的保守估計，在未來的10年里，太陽能電池的平均轉換效率要達到20%以上，而價格要下降一半，這就是說，10年以后的今天，我們用于照明電力的一半可能于太陽能，達到從PN結到PN結真正的綠色照明。大家知道，太陽能電池是一個巨大的PN結，它把太陽能轉換為電能。LED是另一個可以將電能轉換為光線的PN結，它的轉換效率一天一天地在提高，據說不久的將來就可以達到節能燈的水平，而使用壽命可以達到10萬小時以上，這是真正意義上的綠色照明。