一種簡易光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

國外最早采用石蠟和乙炔燈采集昆蟲開創(chuàng)了應(yīng)用昆蟲趨光性捕蟲的先河。我國從1958年開始使用黑光燈誘殺棉鈴蟲及其他棉蟲，后來發(fā)展出一系列的殺蟲燈如頻振殺蟲燈、雙光燈等，但是以上的殺蟲燈大多數(shù)都要使用交流電，樹立電線桿多，架設(shè)時拉線過長，需要投入大量的人力財(cái)力去建設(shè)維護(hù)。為了響應(yīng)政府能源政策的號召，這幾年殺蟲燈正在從使用交流電轉(zhuǎn)向太陽能，這對于太陽能殺蟲燈的研究設(shè)計(jì)無疑是一個契機(jī)。

1  太陽能殺蟲燈的原理和基本結(jié)構(gòu)

太陽能殺蟲燈包括太陽能電池組件、蓄電池、智能控制器、LED誘蟲燈、

圖1  太陽能殺蟲燈基本結(jié)構(gòu)

高壓觸網(wǎng)、集蟲袋、支架和燈桿。如圖1所示。太陽能光伏殺蟲燈分為兩大模塊，一個模塊為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，另一個模塊為殺蟲燈模塊，其中殺蟲燈模塊包括誘蟲燈頭和高壓電網(wǎng)兩大主要部分。太陽能光伏發(fā)電原理是利用半導(dǎo)體的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)太陽光照射在太陽能電池板上時，太陽能電池板產(chǎn)生定向電流，通過導(dǎo)線以及控制器將電流輸入蓄電池。白天太陽能電池板給蓄電池充電，晚上蓄電池給殺蟲燈供電，一路輸出給誘蟲燈頭，一路輸出給高壓電網(wǎng)。誘蟲燈利用害蟲的趨光性，將害蟲引誘至高壓觸網(wǎng)殺死。

針對病害蟲對靜態(tài)的光源“興趣”低的特點(diǎn)，我們使用矩形波電流給LED燈源供電，使燈源燈光具有一定頻率的閃爍，電壓頻率控制在100hz到300hz。高壓觸網(wǎng)的作用是為了將被誘蟲燈吸引過來的害蟲殺死，高壓電網(wǎng)的電壓設(shè)計(jì)在6500V以上，且保證對人體絕對的安全。

2  光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用半導(dǎo)體材料的光生伏特效應(yīng)發(fā)電，是一種能直接將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它主要由太陽能電池組件（方陣）、蓄電池（組）、太陽能光伏控制器、DC/AC變換器（需要輸出交流電的情況下使用）、用電負(fù)載和一些安全裝置（存在安全隱患的條件下使用）組成。

2.1  負(fù)載的計(jì)算

LED誘蟲燈的功率為10w，高壓網(wǎng)的功率為1w，日工作時長均為10h，故負(fù)載每日耗電量=10×10+1×10=110wh（誘蟲燈和高壓觸網(wǎng)均使用直流電）。

2.2  蓄電池的選擇

蓄電池的作用是將太陽能電池板通過光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的電能存儲起來，在夜幕降臨的時候釋放，因此蓄電池的性能顯得尤為重要。但是好的蓄電池意味著投入成本高，所以如何選擇蓄電池的種類及容量需要通過計(jì)算才能得出最合理的結(jié)果。

蓄電池所能提供的能量除了受到本身容量的影響還受到環(huán)境溫度的影響，為了與太陽能電池匹配，要求蓄電池工作壽命長切后期保養(yǎng)維護(hù)費(fèi)用低方便。目前廣泛采用VRLA蓄電池、普通鉛酸蓄電池和堿性鎳鉻蓄電池三種電池。國內(nèi)目前主要使用VRLA蓄電池，因?yàn)槠涔逃械拿饩S護(hù)特性及對環(huán)境污染較少的特點(diǎn)很適合中國的國情，很適合于要求性能可靠的太陽能光發(fā)電系統(tǒng)，特別是無人看守的情況。普通鉛蓄電池雖然前期投入成本低廉，但是其需要經(jīng)常維護(hù)且對環(huán)境污染大，主要用于有人力維護(hù)且低檔場合使用。堿性鎳鉻蓄電池雖然有較好的低溫、過充、過放性能，但是其價格較高，所以其一般是用在特殊場合。綜上所述，考慮成本因素，我們選擇鉛酸蓄電池作為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池。

蓄電池的容量計(jì)算方式為：

蓄電池容量=負(fù)載日均用電量′最長連續(xù)陰雨天數(shù)¸放電系數(shù)

放電系數(shù)在0.5到0.75左右。連續(xù)陰雨天數(shù)與地區(qū)有關(guān)，而雨天太陽能電池板依然可以為蓄電池充電，只是效率不如艷陽天。因此我們不妨設(shè)定最長連續(xù)陰雨天數(shù)為2。在安裝蓄電池時要注意保溫，將蓄電池埋入地里時也要注意防水。蓄電池電壓為12V。

因此蓄電池容量=負(fù)載日均用電量×最大連續(xù)陰雨天數(shù)÷放電系數(shù)=110wh×2÷0.75÷12=24.44Ah，由于蓄電池容量只可以大，故取24.45Ah。我們需要購買一個電壓為12V，容量為25Ah的鉛酸蓄電池一個即可。

2.3  太陽能電池板的設(shè)計(jì)

太陽能電池利用光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射的光轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體中電。根據(jù)半導(dǎo)體的類型，我們將太陽能電池分為硅系、化合物、有機(jī)物幾大類。其中硅系分為晶硅系和非晶硅系，包括單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池。單晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率在普通太陽能電池里最高，達(dá)到了22.7%，它的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)化效率高，可靠性較高，使用實(shí)績（實(shí)例）多，缺點(diǎn)是價格高，主要用在各種屋外用途及宇宙太陽能光伏系統(tǒng)。多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率低于單晶硅電池，在17%左右，其具有可靠性高，價格低，轉(zhuǎn)化效率稍低，適合大批量生產(chǎn)的特點(diǎn)，主要用在地面上的太陽能光伏系統(tǒng)、電子計(jì)算器、鐘表等民用。目前非晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率約為10.4%，屬于薄膜型的電池，適合大面積、大量生產(chǎn)，與熒光燈的波長相應(yīng)，主要用于建材一體型、地上的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以及民用?；衔镫姵乩锇珻IS和CdTe兩種，其中CIS組件轉(zhuǎn)化率在13.6%左右，CdTe組件轉(zhuǎn)化率在10.9%左右，它們共同的特點(diǎn)是制作過程簡單，可與高轉(zhuǎn)化率材料組合使用，屬于一種薄膜材料，轉(zhuǎn)化效率較高，主要用于宇宙太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以及民生。有機(jī)材料的太陽能電池分為染料敏化及有機(jī)薄膜兩種，其中有機(jī)薄膜電池轉(zhuǎn)化率在3.5%左右，轉(zhuǎn)換效率較低，價格低，質(zhì)量輕，柔軟，應(yīng)用范圍廣，可使用印刷的方法制造，同樣適合大規(guī)模大批量生產(chǎn)，主要用在民生。染料敏化電池轉(zhuǎn)化率較低，價格便宜，柔軟，顏色和形狀可以自主選擇，主要用在民生。綜合考慮，太陽能電池板選擇多晶材料的較為合適，多晶硅太陽能電池轉(zhuǎn)化效率高，價格低，穩(wěn)定性高，壽命長。

在設(shè)計(jì)太陽能電池板的同時還要注意太陽電池傾斜角的選擇。傾斜角的設(shè)置需要根據(jù)緯度來確定，這與太陽高度角有關(guān)，以武漢為例，太陽能電池板的傾斜角應(yīng)該在37度左右。日照有效時長在6.5h，在已知蓄電池容量的情況下，太陽能電池板功率=蓄電池容量÷有效日照時間=25Ah÷6.5h=3.85A，太陽能電池板功率=12V×3.85A=46.2W。故我們需要購入總功率為50W的太陽能電池板。

3  結(jié)語

本文利用光伏發(fā)電原理和昆蟲的趨光性設(shè)計(jì)了一個簡易的太陽能光伏滅蟲燈。通過對負(fù)載的計(jì)算，估算了所需蓄電池容量和太陽能電池板的功率，在考慮到經(jīng)濟(jì)因素，對蓄電池和太陽能電池板的種類進(jìn)行了適當(dāng)?shù)倪x擇。該光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案簡單易行，成本低廉，可操作性強(qiáng)。另外，由于害蟲種類繁多，對光源的敏感頻率不同，因此還可對本滅蟲燈加裝時控和光控電路，對LED燈的發(fā)光頻率和時間進(jìn)行調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)分時段、分波段殺蟲的效果。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.k2057.cn/w/qk/21223.html