太陽能電池培訓(xùn)手冊(中)

太陽能電池培訓(xùn)手冊（中）

獨立光伏系統(tǒng)的構(gòu)成要緊包含：光伏組件（陣列）、蓄電池、

逆變器、操縱器。見下圖。下而我們分別加以討論。

圖光伏系統(tǒng)方框圖

1.2光伏組件（陣列）

一個光伏陣列包含兩個或者兩個以上的光伏組件，具體需要多少個組

件及如何連接組件與所需電壓（電流）及各個組件的參數(shù)有關(guān)。

光伏組件是由太陽能電池片群密封而成，是陣列的最小可換單

元。目前大多數(shù)太陽能電池片是單晶或者多晶硅電池。這些電池正面

用退水玻璃背面用軟的東西封裝。它就是光伏系統(tǒng)中把輻射能轉(zhuǎn)換成

電能的部件。

按照太陽電池的用途，目的、規(guī)模、太陽能電池的種類等有

各類形狀的太陽能電池組件，下面就幾種典型的例子進行介紹。

（一）用于電子產(chǎn)品的組件

為驅(qū)動計算器手表，收音機、電視、充電器等電子產(chǎn)品，通

常需1.5V至數(shù)十伏的電壓。而單個太陽電池產(chǎn)生的電壓小于IV,因

此要驅(qū)動這些電子產(chǎn)品，務(wù)必使多個太陽電池元件串聯(lián)連接才能達到

要求電壓。

下圖示出了民用晶體太陽組件的結(jié)構(gòu)，是把太陽電池元件排

荏蹄、

幺陽電，沌/

列好，串聯(lián)連接做成組件?？梢?，為驅(qū)動電子裝置，需要一定的高壓,

而該組裝方法存在問題是成本高，接線點太多；從可靠性的觀點來看

接線點太多是不利的。

電極

圖民用晶體硅太陽電池組件的結(jié)構(gòu)

另一種是非晶硅太陽電池。由于非晶硅是靠氣體反應(yīng)形成的，

很容易形成薄膜，在一塊襯底上便于使多個單元電池串聯(lián)連接而獲

得；較高的電壓輸出。

（二）用于電力的組件

電力用的太陽電池通常均安裝在調(diào)用外，因此除太陽電池本身

以外，還務(wù)必使用能經(jīng)受雨、風、砂塵與溫度變化甚至冰雹襲擊等的

框架、支撐板與密封樹脂等進行完好的保護，現(xiàn)正研究各類電力用的

太陽電池組件的結(jié)構(gòu)。

如圖8.6中（a）所示的是襯片式結(jié)構(gòu)，是在太陽電池的背后放一塊

襯片作為組件的支撐板，其上用透明樹脂將整個太陽電池封住。支撐

板使用纖維鋼化塑料（FRP）等。

玻羯板

㈤襯片式（切超光面式

M玻璃對靶式

圖各類結(jié)構(gòu)晶硅太陽電池電力用組件的結(jié)構(gòu)

目前最常用的是上圖所示的超光面式結(jié)構(gòu)，在太陽電池的受光

面放一塊透明基板作組件的支撐板，其下用填充材料與背面被覆蓋材

料將太陽電池密封。上面的透明板用玻璃，最好使用透明度與耐沖擊

強度均好的鋼化白玻璃。填充材料要緊使用在紫外光照射時透過率衰

減較小的聚乙烯醇縮丁醛（PVB）與耐濕性良好的乙烯乙酸乙烯（EVA）。

反面涂層多使用金屬鋁同聚氟乙烯（PVF）夾心狀結(jié)構(gòu)，使其具有耐

濕性與高絕緣性。

此外，對可靠性要求特別高的應(yīng)用，開發(fā)了一種新的封裝方式,

如下圖（C）,即在兩塊玻璃板之間用樹脂把太陽電池封入。

隨著非晶硅太陽電池的進展，也在研究使用同晶體硅太陽電池

一樣的超光面封裝方式，如下圖所示，把集成型太陽電池襯底玻璃直

接用作受光面的保護板，各單元電池的連

透明電極a-Si玻璃襯底透明電極玻璃襯底組合板

/|\樹脂

金屬連線

a-Si背面電極

（b）

接也不用導(dǎo)線，因此能使組件的組裝工藝變得特別簡單。此外，圖（b）

所示的組件類型也在研究之中。今后如更大面積太陽電池的研制取得

進展的話，通常估計圖（c）所示的單塊襯底型組件是更適合的，這

樣能夠進一步使組件成本降低。

圖使用非晶硅太陽電池的各類電力用組件的結(jié)構(gòu)

下圖分別給出一單晶硅太陽電池組件與非晶硅太陽電池組件

與溫度的關(guān)系與與光強的關(guān)系。與單個電池的溫度系數(shù)不一致，這是

由于組件中包含了接線部分的因素。

<a)單晶硅太陽電池組件的非晶催太陽電池組件的

?一之特性與溫度關(guān)系的實例，一h特性與溫0E關(guān)系的實例

120

100

60

20

中晶硅太陽電池組件的mm晶硅太CH電i也組件白勺

開路電壓之。八短路電流7…開路電壓短路電流7"、

屐大輸出功率尸與溫度最大檢出功率PEM與淑醉

關(guān)系的實例關(guān)系的實例

圖太陽電池組件數(shù)輸出特性與溫度關(guān)系的實例

(單晶硅電池組件的大?。?0.2cm*121.7cm

非單晶硅電池組件的大小：37.8cm*71.1cm)

(a)隼晶硅太陽電池組件的(b)非晶建太陽電池組件的

特性與光強關(guān)系的實例1-V特性與光強關(guān)系的實例

12Vn

1G10o

108

o(8o

§次

6

一

o當6o

33解4

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-蕓

衣o4o

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契2

VO2O

0

0204060801002040CO8Q1QC

光強（mW/dJ

光強（mW/B〕

(c)單?晶硅太陽電池組件的9)非晶硅太陽電池組件的

開路電壓九八短路電流％、開路電壓乙，、短路電流q、

轉(zhuǎn)換效率〃與光強關(guān)系的實例轉(zhuǎn)換效率與光強關(guān)系的實例

（c）單晶si太陽電池（ANCO

太陽公司提供）組件

圖太陽電池組件輸出特性與光強關(guān)系的實例

（組件大小同圖）

非晶硅太陽電池組件與單晶硅太陽組件相比，其輸出對溫度的關(guān)

系較小，轉(zhuǎn)換效率隨著光強的減小，在直線范圍內(nèi)比單晶硅的小。

（三）聚光式組件

聚光式太陽電池發(fā)電系統(tǒng)是在聚焦的太陽光下工作的，有關(guān)

這方面的研究工作最近在美國取得了較大的進展。它分為透鏡式與反

光鏡式兩種。

（1）透鏡式

聚光所務(wù)必的大面積凸透鏡使用透鏡，它是把分割的凸透鏡

曲面連接在一起。菲涅耳透鏡的形狀有圓型與線型之分。如圖8.11

(a)示出了線型菲涅耳透鏡的實例，太陽光聚焦于配置為點狀或者

線狀的太陽電池上。

圖8.11.兩種聚光方式

太陽電池除了使用單晶硅太陽電池以外，常使用轉(zhuǎn)換效率較高的

神化線太陽電池。在圓型菲涅耳透鏡、聚光比為5001000倍的點聚

焦情況下，單晶硅太陽電池的轉(zhuǎn)換效率達15—17%而神化像太陽電池

的達到18—20%o

(2)反光鏡式

反光鏡式又有兩種形式，一種是使用拋物面鏡，太陽電池則放

在其焦點上，另一種是底面放置太陽電池，側(cè)面配置反光鏡，如圖

8.11(b)所示的槽形拋物面鏡的形式較為常用。

此外還有其它方式，如圖8.12(a)所示為熒光聚光板型太陽

電池，是把所汲取的太陽電池光通過熒光板變?yōu)闊晒猓瑹晒庠跓晒獍?/p>

A.

人

內(nèi)傳播，最后被聚集于放置著太陽電池的端部?，F(xiàn)在這種熒光聚光

板型太陽電池已能做到面積為的效率為1%；面積為1600^2的，

效率為2.5虬另外在該方式中，正在研究如圖8.12（b）所示的波長

為分割型的熒光聚光板型太陽電池，其關(guān)鍵問題是要降低熒光板的價

格，提高發(fā)光效率，與提高可靠性等。

圖8.12熒光聚光板型太陽電池

（四）混合型組件

光熱混合型組件是為更有效地利用太陽能，讓太陽光發(fā)電又發(fā)

熱的器件。這種混合型組件有聚光型光熱混合型組件與聚熱器型光熱

混合型組件。

聚光型光熱混合組件如圖8.13所示，聚光型太陽電池背面通

過導(dǎo)熱媒介物進行聚熱。新能源綜合開發(fā)機構(gòu)（NED0）委托研究做系

統(tǒng)能得到5KW的電輸出，25能的熱輸出。

圖8.13聚光型光熱混合型組件

聚熱型光熱混合型組件是將太陽電池連接到聚熱板上而發(fā)電

村底上的a-Si太陽電池

的。圖8.14所示為在真空玻璃管型聚熱板上形成非晶硅太陽電池的

混合型組件。

圖8.14使用非晶硅太陽電池的光熱混合型組件

非晶硅太陽電池由于在可見光范圍汲取系數(shù)很大，而在紅外

線范圍反射系數(shù)大，因此也起著良好的選擇汲取膜的作用，如圖8.15

所示。

6

，.

10a.馳

隹

藪

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籌

—4

反a

'2

oJ

20

圖8.15非晶硅太陽電池作為選擇汲取膜的特性

非晶硅太陽電池被密封真空玻璃管內(nèi)，因此不要包封，太陽能

的總轉(zhuǎn)換直力效率達58%其中電能轉(zhuǎn)換5%,熱能轉(zhuǎn)換53%。這對降低

成本很有好處。

目前，上海交通大學(xué)，就用物理系，太陽能研究所使用結(jié)晶

硅太陽電池電力用組件的封裝方式，整個組件效率達15%,達到全國

先進水平。

有四個因素決定了光伏組件的輸出功率：負載電阻、太陽輻

照度，電池溫度與光伏電池的效率。關(guān)于給定的組件的輸出可由其電

流電壓(I-V)曲線來估算。如圖8.16所示，在某一溫度(T)下太

陽的照度也為一定的情況下，通過測定得了的數(shù)據(jù)繪出了些圖，從圖

8.15中可知有開路電壓(Voc),短路電流(Isc),最大功率點m處的

電流(Imp)與電壓(Vmp)可得組件的功率WFLMP。

圖8.16光伏組件的「V特性圖

關(guān)于一個給定的電池面積，電流與太陽輻照度成正比且?guī)缀?/p>

與溫度無關(guān)，而電壓(功率)隨溫度升高而下降。通常來說，晶體硅

電池的電壓降為0.5%/℃o由此能夠看到組件的溫度對其功率的輸出

影響較大，因此陣列要安裝在通風的地方，以保持涼爽；不能在一個

屋頂或者同一個支撐結(jié)構(gòu)上安裝過多的組件。

光伏陣列的任何部分不能被遮蔭，它不像太陽能集熱器，假如

遮住了光伏組件務(wù)必有相同的電流。假如有幾個電池被遮蔭，則它們

便不可能產(chǎn)生電流且會成為反向偏壓，這就意味著被遮電池消耗功率

發(fā)熱，久而久之，形成故障。但是有些偶然的遮擋是不可避免的，因

此需要用旁路二極管來起保護作用。假如所有的組件是并聯(lián)的，就不

需要旁路二極管，即假如要求陣列輸出電壓為12V,而每個組件的輸

出恰為12V,則不需要對每個組件加旁路二極管，假如要求24V陣列

（或者者更高），那么務(wù)必有2個（或者者更多的）組件串聯(lián)，這時

就需要加上旁路二極管，如圖8.17所示，

圖8,17帶旁路二極管的串聯(lián)電池

堵塞二極管

圖8.18關(guān)于24V陣列堵塞二極管的接法

堵塞二極管是用來操縱光伏系統(tǒng)中電流的。任何一個獨立光伏系統(tǒng)都

務(wù)必有防止從蓄電池流向陣列的反向電流的方法或者有保護或者失

效的單元的方法。假如操縱器沒有這項功能的話，就要用到堵塞二極

管，如圖8.18堵塞二極管既可在每一并聯(lián)支路，又可在陣列與操縱

器之間的干路上，但是當多條支路并聯(lián)接成一個大系統(tǒng)，則應(yīng)在每條

支路上用堵塞二極管（如圖8.18）以防止由于支路故障或者遮蔽引

起的電流由強電流支路流向弱電流支路的現(xiàn)象。在小系統(tǒng)中，在干路

上用一個堵塞二極管就夠了，不要兩種都用，由于每個二極管會降壓

0.4~0.7V是一個12V系統(tǒng)的6%,這也是不小的一個比例。

蓄電池

蓄電池是用來將光伏陣列產(chǎn)生的電能（直流）存儲起來供后

級負載（逆變器與交流負載）使用的部件，在獨立光伏系統(tǒng)中，通常

都需要操縱器來操縱其充電狀態(tài)與放電深度，以保護蓄電池延長其使

用壽命。

深度循環(huán)電池是用較大的電極板制成，可承受標定的充放電次數(shù)。循

環(huán)次數(shù)取決于放電深度，放電速度，充電前的時間，充電速率等等。

淺循環(huán)電池使用較輕的電極板。淺循環(huán)電池不能象深度循環(huán)電池那樣

多次地循環(huán)使用。完全放電一兩次常常就會損壞，因此它們不能在某

些光伏系統(tǒng)中。有些蓄電池電解質(zhì)是膠體，這種膠體電解質(zhì)電池易于

保護，由于它通常是密封的，當電池翻轉(zhuǎn)也不可能泄露。大多數(shù)密封

電池有放氣口可放出氫氣，但是卻不同意添加電解液，它們可能被標

定為深度循環(huán)電池，但它們通常比工業(yè)級濕性蓄電池的循環(huán)次數(shù)要

少。有電解液的電池可能是密封的，或者者有一個小帽，這樣就能夠

向其中添加蒸饋水了。通常當電池容易大于lOOAh時，電池是開放的,

關(guān)于濕性蓄電池應(yīng)按時添加電解液（蒸儲水）。

銀鎘電池在有些國家使用，它們通常比鉛酸電池貴，但銀鎘

電池壽命長，維修率低，耐用，可承受極熱極冷的溫度，而且能夠完

全放電。由于能夠完全放電，在某些系統(tǒng)中操縱器就能夠省下來不用

了。請注意：假如要為銀鎘電池配置操縱器，則務(wù)必提出要求，由供

應(yīng)商提供，而不能用通常的操縱器，由于通常提供的操縱器是為鉛酸

電池設(shè)計的，其所控的充電程度不一致于鎘電池。由此可知，操縱器

并不能通用。

用在獨立光伏系統(tǒng)的電池應(yīng)是深度循環(huán)大負載類型的。由于極

板材料鉛較軟，因此要加一些如睇或者鈣之類的元素以加強鉛板的硬

度，這樣可改善電池的性能。鉛一鎮(zhèn)電池可承受深度放電，但由于水

耗散大，需要定期保護。鉛-鈣電池能夠有幾次深度級放電，它們首

期投入成本低，但壽命卻低于鉛一酸電池。

大多數(shù)電池有酸性或者腐蝕性物質(zhì)，假如操作不當就比較危險甚

至危及生命。關(guān)于開放式電池在充電時會產(chǎn)生具有爆炸性的氫氣。這

些電池需擺放在通風良好的地方。系統(tǒng)電器元件不能安裝在電池鄰

近，由于其所產(chǎn)生的火花可能會點燃氫氣。同時鉛酸電池的酸性氣體

會腐蝕與損壞電子元件?？捎脧?fù)合劑或者催化劑的電池蓋以用氧將氫

氣化合成液態(tài)水流回電解液。這些蓋子有3?5年壽命，但還要定期檢

查與清洗以保證其動行良好。任何電池關(guān)于人類特別是兒童，還有動

物都是具有危險性的，因此應(yīng)有經(jīng)驗的人操作，同時，要保持輸出端

有蓋子，由于一個典型的光伏系統(tǒng)在輸出端短路時能產(chǎn)生6000A的電

流，盡管這個電流僅持續(xù)幾毫秒，但是以將工具弧焊在輸出端上，而

且電壓越高，危害越大。當電壓高于24V時電擊能夠引起生命危險；

在12V電壓下，假如電池偶然短路，大電流能引起火災(zāi)。因此在電池

周圍工作時應(yīng)使用防護工具如手套，膠鞋，護目鏡。電池通常很重，

因此在搬動時須注意，不要閃了腰。

下面介紹一下蓄電池的特性，熟悉這些特性能夠使我們更好地

使用它們。

一、放電深度，它以電池容量的百分數(shù)表示，標定容量能夠從

電池外殼上或者說明書上獲得。電池所能承受的放電容量與

其結(jié)構(gòu)有關(guān)。絕大多數(shù)普通電池有電活性的鉛合金板，浸沒

于稀的電解液中，板可分為普蘭特式（純鉛），涂漿極板式

與管式。電極可用不一致的厚度，不一致的合金（如鉛鈣，

鉛鋅合金）以用于不一致類型的電池。通常來說，電極板越

大則蓄電池所能承受的充放電程度等的性能就越好。電池工

作有淺循環(huán)與深循環(huán)之分。淺循環(huán)電池較輕，較便宜，但是

假如經(jīng)常過規(guī)定的放電的深度則壽命會大大降低。許多密封

式電池（即所謂的免保護電池）就是淺循環(huán)電池，通常的淺

循環(huán)電池的放電量不應(yīng)超過電池容量的25%o深度循環(huán)電池

中獨立光伏系統(tǒng)中經(jīng)常使用的電池，其極板厚度大，可承受

的放電量為其容量的80%,絕大多數(shù)此類電池是濕性電池，

其極板是由電解液浸泡的。電解液的液面需要經(jīng)常檢查，并

定期加入蒸儲水以保證電極是被淹沒的。

關(guān)于銀鎘電池，我們前面已經(jīng)提到過了。我們明白盡管其價

格昂貴但能在惡劣的環(huán)

境下工作，且可完全放電而不可能損壞，電解液不可能凍住，也能夠

省去系統(tǒng)中的操縱器這一部分八

二、溫度校正：電池對溫度較為敏感，一個溫度較低的電池比

一個溫度較高的電池提供的電能要少。如圖8.19所示，一

個處于25℃的電池假如以C/20的放電流進行放電（C為電

池標定容量）則能夠提供100%的能量（電池的標定能量）。

而在-20℃時凡例C/20速率放電只能提供75%的能量，假如

放電速率升高到如圖所示的C/5,則其只能輸出50%的能量。

從圖中還可看到在同一溫度下，放電速率升高則輸出能量降

低。盡管如圖所示，溫度高就能夠得到甚至高于額定容量的

能量，但是發(fā)熱溫度會減少電池的壽命，因此還是應(yīng)該避免

的，應(yīng)使蓄電池的工作溫度處于室溫鄰近。

圖8.19鉛酸電池容量與溫度的關(guān)系圖

三、電池額定容量：即電池在某一特定溫度與放電速率下所能

產(chǎn)生的最大能量。當電池用于光伏系統(tǒng)中，您不可能反復(fù)用到額定容

量，然而額定容量設(shè)置了一個基線用以比較電池的性能。須注意的是,

假如比較不一致電池的額定容量時一,須在同一溫度下使用相同的放電

速度。

四、充電狀態(tài)(SOC)：為某一時刻電池所剩容量的百分數(shù)。它

等于用1減去放電深度的百分數(shù)。

五、電池壽命：電池壽命由許多因素決定如放電速率，放電深

度，循環(huán)次數(shù)與工作溫度等，因此電池壽命很難預(yù)測。關(guān)于光伏系統(tǒng)

來說很少有鉛酸電池的壽命超過15年的，通常是5~10年。銀鎘電池

在相同的條件下可工作更長時間，在最優(yōu)化條件下，可穩(wěn)固地工作

15年以上。

最后我們再講點電池的保護與在嚴寒的環(huán)境中使用的一些問

題。在較冷的環(huán)境中，鉛酸電池的電解液可能會凍住。結(jié)冰溫度是電

池充電狀態(tài)的函數(shù)。當電池完全放電時,在零下幾度電解液就凍住了，

而當電池充滿電時(如今重量大約為標稱重量的1.24倍)電解液能

耐住零下50℃的低溫。在嚴寒的天氣中，通常是將電池置于電池盒

中，并將電池盒埋入地下以保持恒定的溫度。銀鎘電池在嚴寒的天氣

中不可能損壞。我們明白任何電池均需要定期保護，即使是密封的“免

保護”的電池我們也應(yīng)定期檢查其接頭是否牢固，清潔與無損傷。關(guān)

于電解液電池電解液應(yīng)始終保持守全浸沒極板的狀態(tài)，同時電壓與標

定重量也需要合乎要求。

逆變器

逆變器是一種功率調(diào)查裝置，關(guān)于使用交流負載的獨立光伏系

統(tǒng)來說，逆變器是必要的。逆變器的選擇的一個重要因素就是您所設(shè)

定的直流電壓的大小。逆變器的輸出可分為直流輸出與交流輸出兩

類。關(guān)于直流輸出我們稱之為變換器，是直流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換,

這樣能夠提供不一致的電壓的直流負載工作所需的電壓。對交流輸

出，我們需要考慮的除了輸出功率與電壓外，還應(yīng)考慮其波形與頻率。

在輸入端須注意逆變器所要求的直流電壓與所能承受的浪涌能力的

電壓的變化。

逆變器的選擇會影響到光伏系統(tǒng)的性能可靠性與成本。通常除

了陣列與蓄電池，逆變器是最貴的了。所下列面介紹一下逆變器有關(guān)

特性。

總的說來其特性參數(shù)有：輸出波形，功率轉(zhuǎn)換效率，標稱功率,

輸入電壓，電壓調(diào)整，電壓保護，頻率，調(diào)制性功率因子，無功電流,

大小及重量，音頻與RF噪音，表頭與開關(guān)，有些逆變器還具有電池

充電遙控操作，負載轉(zhuǎn)換開關(guān)，并聯(lián)運行的功能。

獨立逆變器通常在直流12V,24V,48V或者120V電壓輸入時

可產(chǎn)生120V或者240V頻率為50Hz或者60Hz的交流電。選擇逆變器

輸入電壓非常重要，這在后面的設(shè)計中介紹。

輸出波形是一個重要參數(shù)，逆變器通常根據(jù)其輸出波形來分

類：1）方波2）類正弦波3）正弦波。方形波逆變器相對較便宜，效

率可達90%以上，高諧波，小的輸出電壓調(diào)整，它們的適用于阻抗型

負載與白熾燈。類正弦波逆變器在輸出可用脈寬提高電壓調(diào)整，效率

可90%,它們可用來帶動燈，電子設(shè)備與大多數(shù)電機等各類負載。然

而它們在帶動電機時由于諧波能量缺失而比正弦波逆變器帶動效率

低。正弦波逆變器產(chǎn)生的交流波形與大我數(shù)電子設(shè)備產(chǎn)生的波形一樣

好。它們能夠驅(qū)動任何交流負載（在功率范圍內(nèi)）。通常，逆變器的

規(guī)格可在計算值的基礎(chǔ)上增加25%,這一裕度能夠增加該部件工作的

可靠性，也能夠滿足負載的適量增加。關(guān)于小負載需求，所有逆變器

的效率都是比較低的；當負載需求超過標稱負載的50%以上，逆變器

的效率即可達標稱效率（大約90%左右）。

下面是對有些參數(shù)的說明：（1）功率轉(zhuǎn)換效率：其值等于逆變

器輸出功率除以輸入功率，逆變器的效率會因負載的不一致而有很大

變化。（2）輸入電壓：由交（直）流負載所需的功率與電壓決定。通

常負載越大，所需的逆變器的輸入電壓就越高。（3）抗浪涌能力：大

多數(shù)逆變器可超過它的額定功率有限的時間（幾秒鐘），有些變壓器

與交流電機需要比正常工作高幾倍的起動電流（通常也僅持續(xù)幾秒

鐘）對這些特殊負載的浪涌要求應(yīng)測量出來。

（4）靜態(tài)電流：這是在逆變器不帶負載（無功耗）時，其本身所用

的電流（功率），這個參數(shù)關(guān)于長期帶小負載的情況下是很重要的，

當負載不大時，逆變器的效率是極低的。（5）電壓調(diào)整：這意味著輸

出電壓的多樣性。較多的系統(tǒng)在一個大的負載范圍內(nèi)，均方根輸出電

壓接近常數(shù)。（6）電壓保護：逆變器在直流電壓過高時就會損壞。而

逆變器的前級一蓄電池在過充電時逆變器的直流輸入電壓就會超過

標稱值，如，一個12V的蓄電池在過充電以后可能會達到16V或者者

更高，這時就有可能破壞后級所連的逆變器。因此作操縱器來操縱蓄

電池的充電狀態(tài)是十分必要的。在無操縱器時逆變器須有檢查測試保

護電路，當電池電壓高于設(shè)定值時，保護電路會將逆變器斷開。（7）

頻率：我國的交流負載是在50Hz的頻率下進行工作的。而高質(zhì)量的

設(shè)備需要精確的頻率調(diào)整，由于頻率偏差會引起表與電子計時器性能

的下降。（8）調(diào)制性：在有些系統(tǒng)中用多個逆變器非常有利，這些逆

變器可并聯(lián)起來帶動不一致的負載。有的時候為了防止出現(xiàn)故障，用

手動負載開關(guān)使一個逆變器可滿足電路的特定負載要求。增加此開關(guān)

提高了系統(tǒng)的可靠性。（9）功率因子：逆變器產(chǎn)生的電流與電壓間的

相位差的余弦值即為功率因子，關(guān)于阻抗型負載，功率因子為1,但

對感抗型負載（戶用系統(tǒng)中常用負載）功率因子會下降，有的時候可

能低于0.5。功率因子由負載確定而不是由逆變器確定。

下面介紹幾種典型的、常用的逆變器的原理圖及原理介紹。

按振蕩方式可分為他激式與自激式兩大類。

（一）他激式逆變器

他激逆變器電路工作框圖如下：

直流源―*振蕩源~信號放大卜~>|輸出變壓器

圖&20他激式逆變器電路框圖

圖8.21他激式逆變器電路原理圖

如圖8.21所示,我們能夠用NE555集成電路作為振蕩源,NE555

提供穩(wěn)固的方波，經(jīng)晶體管Tl、T2放大后經(jīng)變壓器輸出，以驅(qū)動負

載，T3管可改善啟動特性與提高效率。他激式電路的優(yōu)點是頻率穩(wěn)固，

抗干擾能力強；缺點是逆變器效率不高，工作點調(diào)整困難。

（二）自激式逆變器

自激工逆變器電路工作框圖如下:

圖8.22自激工逆變器電路工作框圖

圖8.23自激式逆變器電路原理圖

自激式逆變器電路如圖8.23所示，圖中左半部分是蓄電池過

充、放電保護電路，右半部是最簡單的單管自激式逆變器電路。L、

L2是輸出變壓器，L：，是反饋線圈。電源接通時，面過R使「導(dǎo)通，使

L增加，則IlfIlfIt正反饋使「進入飽與。電容G電位不斷

降低。當L達到飽與值時，電感電流「管的Vbe被鉗位到某一

負電位，晶體管［迅速截止，電源又通過R給G充電，當電容

端電壓達到一定值時「管重新導(dǎo)通，這樣「管周期性地從飽與區(qū)進

入截止區(qū)，在線圈L?上產(chǎn)生了交流電輸出。

（二）單相逆變器

如圖8.24所示，在50或者60Hz頻率下同步交替地接通T/T4

或者T2/T3,因負載可能為電抗性的，負載電流與電壓也可能反相，

因此電路中務(wù)必要有二極管。當V。為正時（T?L導(dǎo)通），i?？赡転樨?/p>

（電流通過與T,與，平行的兩個二極管）。

圖8.24單向逆變器

盡管180。脈沖波形比較容易得到，但它卻包含大量的三次諧

波與五次諧波。120。脈沖波形包含含較少的諧波，特別是它不含三次

諧波。脈沖寬度調(diào)制技術(shù)進一步減少低次諧波。如圖8.25所示。

Vo

180°脈沖

120°脈沖

脈沖寬度調(diào)制

圖&25輸出波形

假如用上晶體管的第三條腿與二極管，這個電路還能產(chǎn)生三

相交流電。這種單相逆變器是商業(yè)上不間斷電源（UPS）的基礎(chǔ)，它

能作為計算機等電器設(shè)備提供應(yīng)急的交流電。

操縱器

在大多數(shù)光伏系統(tǒng)中都用到了操縱器以保護蓄電池免于過充或

者過放。過充可能使電池中的電解液汽化，造成故障，而電池過放會

引起電池過早失效。過充過放均有可能損害負載。因此操縱器是您光

伏系統(tǒng)中重要的部件，假如它不能正常工作，那么造成的后果就是您

可能一下缺失幾萬元。操縱器效率為用1減去操縱器在系統(tǒng)中引起損

耗的百分數(shù)。

操縱器的功能是依靠電池的充電狀態(tài)（SOC）來操縱系統(tǒng)。當電

池快要充滿時操縱器就會斷開部分或者全部的陣列電流；當電池放電

低于預(yù)設(shè)水平常，全部或者部分負載就會被斷開（如今操縱器包含有

低壓斷路功能）。大多數(shù)操縱器測量電池電壓以估計充電狀態(tài)，然而

這并不準確，如圖8.26可知，在接近過充時電壓變化不大。

V(v))

圖8.26典型的電池充電狀態(tài)曲線

電池的溫度，使用年限、類型與充/放電速率也影響這個曲線。

測量電池溫度可提高SOC狀態(tài)的估計，許多操縱器就帶有測溫探頭。

假如電池與環(huán)境溫度相差±5久時-，就應(yīng)該使用帶溫度補償?shù)牟倏v器。

操縱器有兩個動作設(shè)定點，使操縱器動作以保護電池。每個操

縱點有一個動作補償設(shè)置點。如，一個12V的電池，操縱器的陣列斷

路電壓通常設(shè)定在14V,這樣當電池電壓達到這個值時，操縱器就會

把陣列斷開，通常如今電池電壓會迅速降到13V；操縱器的陣列再接

通電壓通常設(shè)在12.8V,這樣當電池電壓降到12.8V時，操縱器動作,

把陣列接到電池上繼續(xù)對電池充電。同樣地，當電壓達到IL5V時一，

負載被斷開，直到電壓達到12.4V以后才能再接通。有些操縱器的這

些接通/斷電壓在一定范圍內(nèi)是可調(diào)的，這一性能非常有用，可監(jiān)控

電池的使用。

在使用時操縱器電壓務(wù)必與系統(tǒng)的標稱電壓相一致，且務(wù)必能

操縱光伏陣列產(chǎn)生的最大電流，用1.25V乘以陣列的短路電流

這樣的操縱器可承受由于云聚焦而產(chǎn)生的短暫的大電流。（根據(jù)《獨

立光伏系統(tǒng)與國家電氣標準》提供的這個因子較為保守為L56）這

個最大電流與系統(tǒng)電壓是購買操縱器所必要考慮的兩個參數(shù)，而操縱

器的其它特性參數(shù)有：效率，溫度補償，反向電流保護，顯示表或者

狀態(tài)燈，可調(diào)設(shè)置點（高壓斷路，高壓接通，低壓斷路，低壓按通）,

低壓報警，最大功率跟蹤等。其中，反向電流保護是防止電流在夜間

由電池倒流回光伏陣列。大多數(shù)操縱器用堵塞二極管來阻止這個電

流，如圖&18。大部分小的操縱器包含有低壓斷路（LVD）功能能夠

切斷負載。用促發(fā)燈，蜂鳴器能夠警示用戶采取措施或者者打開另一

電力供應(yīng)裝置。

我們明白，隨著所需電流的增加，操縱器的成本迅速增加。關(guān)

于用在12V(24V)電流達到30A的系統(tǒng)中的操縱器價格還能夠同意,

而當所需電流達到100A時操縱器的價格就要貴5倍左右。開關(guān)100A

以上電流的操縱器就需要定做了。為此，一種用以操縱超過100A的

方法是把操縱器并聯(lián)起來，用5個20A的操縱器，比用一個100A的

操縱器要便宜得多。只是陣列務(wù)必分開與各個操縱器連接，每一個操

縱器分別接線，在接電池前再合并。各個操縱器的促動水平會有所差

異，但影響不大。所有的陣列電流都用來給電池充電直到達到了最低

的促動電壓，這時一個操縱器將會把相應(yīng)的陣列切斷，而其它的操縱

器仍繼續(xù)同意電流流過，直到電壓達到了它們各自的值。

在光伏系統(tǒng)中有兩種基本的操縱器類型：一是分路操縱器，用

以更換或者分路電池充電電流。這些操縱器帶有一個大的散熱器以散

發(fā)由多余電流產(chǎn)生的熱量。大多數(shù)的分路操縱器是為30A下列電流的

系統(tǒng)設(shè)計的。另一類是串聯(lián)操縱器，通過斷開光伏陣列來斷開充電電

流。分路操縱器與串聯(lián)操縱器也可分許多類，但總的說來這兩類操縱

器都可設(shè)計成單階段或者多階段工作方式。單階段操縱器是在電壓達

到最高水平常才斷開陣列；而多階段操縱器在電池接近滿充電時同意

以不一致的電流充電，這是一種有效的充電方法。當電池接近滿充電

狀態(tài)時，其內(nèi)阻增加，用小電流充電，這樣減少了能量缺失。

第三部分獨立光伏電站（集中供電）及用戶光伏系統(tǒng)（分散供電）

的設(shè)計，安裝及維修。

獨立光伏電站是獨立光伏系統(tǒng)中規(guī)模較大的應(yīng)用。它的要緊特

點就是集中供電，如在一個十幾戶的村莊就可建立光伏電站來利用太

陽能，當然這是在該村莊地理位置較偏遠，無法直接利用電力公司電

能的情況下，所能用到的方法。用這種方式供電便于統(tǒng)一管理與保護。

而戶用系統(tǒng)是使用分散供電的方式提供電能，假如要在該村莊安裝戶

用光伏系統(tǒng)，這樣每一戶都得需這么一套光伏系統(tǒng)，它比起獨立光伏

電站來，所需的元器件規(guī)格要小，操縱器、逆變器與蓄電池及負載都

比較小，但是獨立光伏電站與戶用光伏系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)是完全一致的，

我們將它們統(tǒng)稱之獨立光伏系統(tǒng)，下面我們就介紹這種獨立光伏系統(tǒng)

的設(shè)計，安裝與維修。

獨立光伏系統(tǒng)的設(shè)計

如圖8.27,所示，系統(tǒng)設(shè)計工作從收集太陽能數(shù)據(jù)與計算負載

大小開始，然后確定系統(tǒng)各部分規(guī)格，（蓄電池、操縱器、逆變器），

然后選擇適當?shù)膶?dǎo)線進行安裝，這才是整個的設(shè)計過程，當然一個完

整的系統(tǒng)設(shè)計還應(yīng)包含操作與維修的計劃。

操作與維修

圖8.27系統(tǒng)設(shè)計框圖

在系統(tǒng)設(shè)計正式開始之前，設(shè)計者應(yīng)盡量做到：（1）設(shè)計盡量

簡單化，這樣能夠提高系統(tǒng)的可靠性。（2）熟悉系統(tǒng)的效率，適當設(shè)

計系統(tǒng)效率，若不合實際地把效率定在99%以上，其成本是昂貴的。

（3）在估算負載時要考慮周到，并要有一定的裕度。（4）反復(fù)計算

核查當?shù)氐奶鞖赓Y源，獲得該地區(qū)的太陽輻射能資源，對太陽輻射的

錯誤估計將會大大影響系統(tǒng)的作用。（5）在設(shè)計系統(tǒng)前熟悉安裝地

點，去當?shù)乜疾煲幌?，這樣對設(shè)備安置走線，保護與地帶特性都有所

熟悉。此外還要做到：認真安裝系統(tǒng)，安全第一，定期維修。

系統(tǒng)設(shè)計者明白在設(shè)計光伏系統(tǒng)中，每一個決定都將影響到它

的成本。假如由于不現(xiàn)實的要求而使系統(tǒng)過大，將使系統(tǒng)首期成本有

不必要的增長。若使用不耐用的部分，則維修與替換成本將增加。假

如在系統(tǒng)設(shè)計過程中選擇不正確則很容易使整個系統(tǒng)壽命周期成本

翻一番。在設(shè)計您的光伏系統(tǒng)時要符合實際、靈活的原則。

對太陽輻照前面已經(jīng)講過這里就不再重復(fù)了。

任何一個光伏系統(tǒng)設(shè)計者的第一項工作是確定系統(tǒng)的負載。這

些負載估算是設(shè)計及獨立光伏系統(tǒng)成本的重要因素之一。一個電器所

需的功率能夠測量出來或者由制造商提供。然后把電器每日，每周，

每月所用的時間估算出來。對戶用系統(tǒng)（與其它許多系統(tǒng)）負載所用

的時間是能夠操縱的。實際上，每個電器所估算使用時間須再加裕量

（如10%等），只是這將增加光伏系統(tǒng)的規(guī)格與成本。關(guān)于經(jīng)常使用

的物品的替代（或者考慮大的或者可變負載決定他們是否可省去由其

它來源的能量供電），如用熒光燈替代白熾燈，它們在提供同樣的光

強時熒光燈與白熾燈相比耗電很少。由于使用了逆變器，增加了系統(tǒng)

復(fù)雜性，在直流變交流過程中產(chǎn)生1015%的缺失，這樣在估算負載

時需考慮這一項。假如使用直流負載如直流節(jié)能燈等，就能夠避免直

流變交流的這部分缺失，直流燈與電器通常較貴，但效率高，使用壽

命長，而交流電器種類繁多，但效率通常較低。

對獨立光做系統(tǒng)的工作電壓的選擇決定于負載所需的電壓與

總的電流。

假如系統(tǒng)電壓設(shè)置成為與最大負載電壓相等，則這些負載可

直接到系統(tǒng)的輸出端。然而，關(guān)于限制電流為100A的系統(tǒng)的任何部

分，在任何電源電路中電流應(yīng)在20A下列，使電流低于推薦值就可使

用標準的、普通的電氣設(shè)備與導(dǎo)線。當負載需要交流電源時，直流系

統(tǒng)電壓應(yīng)根據(jù)逆變器的特性而定。

一些基本的規(guī)則有：

(1)直流負載電壓通常是12V或者12V的倍數(shù)，如24V、36V,48V

等，對直流系統(tǒng)，系統(tǒng)電壓應(yīng)為最大負載所需的電壓。大多數(shù)直流光

伏系統(tǒng)在12V下小于1千瓦。如今最大電流應(yīng)為1000/12=83。3A。、

(2)假如負載需不一致的直流電壓，選擇具有最大電流的電壓作為

系統(tǒng)電壓，關(guān)于負載所需電壓與系統(tǒng)電壓不一致時可用直流一直流轉(zhuǎn)

換器來提供所需的電壓。

(3)獨立光伏系統(tǒng)的絕大多數(shù)交流負載在120V下工作。研究逆變器

的有關(guān)說明，會得到關(guān)于總的或者瞬時所需交流功率的說明。選擇一

個能滿足負載與保持直流電流小于100A的逆變器。在忽略功率因子

與損耗的情況下，下列等式成立：

交流功率=(交流電壓)x(交流電流)

直流功率=（直流電壓）X（直流電流）

比如：假如交流負載是2400瓦，交流電壓是120V,則交流電

流需20A。（不包含逆變器損耗）直流功率也為2400瓦，假如是12V

逆變器則應(yīng)為200A,這是不可行的。用24V或者48V逆變器使電流

輸入為100A或者50Ao切記，當電流值升高時，導(dǎo)線與開關(guān)的成本

亦會升高。

選擇逆變器是相當重要的，它影響系統(tǒng)的特性與成本。通常,

效率與功率調(diào)整能力在較高直流電壓下更好，如一個48V的系統(tǒng)通常

比一個12V的系統(tǒng)更有效。在確定系統(tǒng)電壓時，應(yīng)從各方面收集關(guān)于

逆變器，可用性，成本與容量信息等。

另一個需要考慮的因素是當電壓增加時，在陣列與存儲子系

統(tǒng)中基本結(jié)構(gòu)單元也變大了。比如，一個48V系統(tǒng)有4塊光伏組件串

聯(lián)而形成了基本的結(jié)構(gòu)單元。給系統(tǒng)增加一點電流意味著要買4塊附

加的光伏組件。然而高的電壓具有只需小的電流就能夠達到同樣功率

的優(yōu)點。由于大的電流意味著大的導(dǎo)線尺寸，昂貴與較難找到保險、

開關(guān)與接觸器等。成本，元件效率與開關(guān)關(guān)于一個好的系統(tǒng)設(shè)計是至

關(guān)重要的。

獨立光伏系統(tǒng)的安裝

在要緊部件都已選擇好，那就應(yīng)該把各個部件連起來成為一個

工作系統(tǒng)。選擇正確的導(dǎo)線，連接器與保護元件（如開關(guān)，保險等）

是非常重要的，它們能夠保證一個系統(tǒng)工作20年以上。用合適的工

具工作以維持長久連接，記住，整個系統(tǒng)的性能及可靠性依靠于每一

個連接。

假如能正確地使用、良好地設(shè)計與認真地安裝，那么獨立光伏

系統(tǒng)將會成為20年以上的可靠的能量來源。

陣列的安裝：獨立光伏系統(tǒng)的陣列的安裝有許多特殊與創(chuàng)新

的方法。但在安裝中總有一些共同的問題，如陣列是固定式的還是跟

蹤式的？是安裝在地上，桿上或者是建筑物上？在陣列小系統(tǒng)中務(wù)必

安裝一個開關(guān)或者斷路器，這樣在維修陣列時能斷開陣列。陣列回路

中的保險與電纜應(yīng)可承受最大電流，即由短期“云聚焦”形成的在

lOOOW/m?照度下短路電流的1.5倍。為了使光伏陣列安裝的牢固，同

時可長年承受各類天氣的考驗。不管是買還是自己安裝框架都要保證

它的穩(wěn)固與組件的牢靠。假如陣列是跟蹤式的，建議使用單軸跟蹤系

統(tǒng)，它只需要很少的操縱與能量。跟蹤系統(tǒng)可使陣列準確地跟蹤太陽。

在有大風的地區(qū)，應(yīng)該使用電力驅(qū)動的跟蹤。假如需要在屋頂安裝，

那么要保證陣列下面同意新鮮的空氣通過，假如陣列離開屋頂至少3

英寸時一，陣列上組件的溫度就不可能升高。

蓄電池的安裝。電池是務(wù)必保護的部件。假如會出現(xiàn)結(jié)冰溫度,

那么電池務(wù)必安裝在水密性的盒子內(nèi)并埋于地下霜凍線下列或者者

是將電池置于能保持溫度高于0度的建筑物中。假如要埋電池，應(yīng)選

擇一個排水性良好的地點，且為電池挖一個排水孔。電池不應(yīng)直接放

在水泥面上，由于這樣會增加自放電，這種情況在表面潮濕的水泥面

上更為嚴重。假如用開放式電池則務(wù)必提供放氣，以免引起爆炸。任

何電池均應(yīng)放在那些非專業(yè)人員接觸不到的地方，特別是不要讓小孩

靠近電池。

操縱器與逆變器通常會與開關(guān)、保險等安裝在操縱中心內(nèi)。操

縱器務(wù)必安裝在接線盒中，且能把其他元件如二極管等固定在其上。

過熱會縮短電池壽命，故接線盒應(yīng)安置在蔭涼通風的地方。操縱器不

要與電池安裝在一起，由于電池產(chǎn)生的腐蝕氣體可能引起電子元件失

效。逆變器應(yīng)安裝在可操縱環(huán)境中，由于過高的溫度與大量的灰塵會

減少逆變器的壽命且可能引起故障。逆變器也不應(yīng)同電池安裝在同一

盒內(nèi)，由于腐蝕性氣體破壞電子元件而逆變器開關(guān)動作時產(chǎn)生的火花

可能會引起爆炸。但是為了減少導(dǎo)線的阻抗缺失，逆變器應(yīng)安裝在盡

可能靠近電池的地方。在逆變?yōu)榻涣麟姇r，由于交流電壓通常比直流

電壓高，因此逆變器的輸出端的導(dǎo)線尺寸能夠縮小一些。逆變器的輸

入輸出回路應(yīng)有保險或者斷路器。這些保險器件應(yīng)安裝在醒目的位置

上，且其上標注清晰。在大多數(shù)地區(qū)建議在逆變器的輸入端使用浪涌

保護器以防止閃電引起的沖擊電流。用像促動器這類部件可把浪涌電

流旁路入地，這樣，閃電可能會損壞促動器，卻保護了昂貴的逆變器。

最后還要強調(diào)的一點是在安裝時不要忽視接地的工作它是關(guān)

系到人與設(shè)備的安全問題，應(yīng)認真對待。

維修

預(yù)防性維修是最好的維修，因此應(yīng)該定期對獨立光伏系統(tǒng)定期

檢查。這樣，能夠在小問題變成大問題之前就發(fā)現(xiàn)并處理之。即使系

統(tǒng)是剛安裝不久,感受系統(tǒng)工作正常也應(yīng)該開始檢修了。大部分的檢

查用電壓表，電流表與某些常識就能進行。定期檢查可使系統(tǒng)故障前

其隱患就能得以清除，應(yīng)該作下列檢查：

(1)檢查系統(tǒng)中所有連接的緊密度、牢固性。電池的連接應(yīng)清潔，

用抗腐蝕劑密封，

(2)檢查電解液水平，假如需要就加入純凈(蒸鐳)水，但不要加

得太滿。應(yīng)每年檢測一

次每個電池的標稱比重。標稱比重是電池充電狀態(tài)(SOC)的反映，

但假如電解液分層了，測量就有會誤差。應(yīng)檢查電池中不一致層的標

稱重量確定電解液是否分層。假如電解液分層了，就要對電池充分充

電以混合電解液。假如電解液的標稱比重比別的電池差0.05,就意

味著這個電池不行了。需要進一步監(jiān)測這個電池的性能看是否需要更

換。

(3)在有負載的情況下，檢查每一個電池電壓，把這些電壓與所有

電池電壓的平均值相對比。假如一個電池與其它與差0.05V,可能就

會有問題了。監(jiān)測該電池的性能看是否需要替換。

(4)檢查系統(tǒng)走線。假如有導(dǎo)線露出來，就查找裂處，檢查絕緣性,

檢查所有接線盒的接入與接出點，檢查絕緣處有否破裂。假如需要就

更換導(dǎo)線而不能依靠用黑膠布來起長期絕緣的作用。

(5)檢查所有導(dǎo)線盒是否關(guān)上(封上)，看看有無水的破壞與腐蝕。

假如電子元件是安裝在接線盒中，檢查盒中通風狀況,更換或者清理

空氣過濾器。

(6)檢查陣列安裝框架或者跟蹤機械，保養(yǎng)各類系緊的支架。

(7)檢查開關(guān)的工作，確定開關(guān)的動作是否正確。查看接點鄰近有

無腐蝕與炭化。用電壓表檢查保險，若電壓為0則保險正常。

按照這些保護方面去做能夠增加系統(tǒng)的利用率，延長系統(tǒng)的壽

命。

故障檢修。假如明白已經(jīng)出了問題，通過測試與分析結(jié)果就可

確定其位置的一些基本的測試，用電壓表電流表，比重計，鉗子、螺

絲刀與可調(diào)板手來完成。在檢修時建議帶上手套，防護鏡與膠鞋。在

檢測電路前要保證兩個人都明白電源開關(guān)在何處，如何操作。記住，

安全第一，只要有太陽，陣列就會產(chǎn)生電力，而且兩個以上的組件在

最壞的天氣狀況下所產(chǎn)生的電能就能死一個人。應(yīng)經(jīng)常測量將要觸摸

的導(dǎo)線的與接觸器的電壓，在明白導(dǎo)線電壓、電流之前不要斷開連接。

第三部分太陽能電池系統(tǒng)應(yīng)用介紹

關(guān)于系統(tǒng)的分類，我們按其規(guī)模能夠分為大中小三類，其中大型

是指獨立光伏電站；中型是指應(yīng)用系統(tǒng)；小型是指比戶用系統(tǒng)規(guī)模還

要小的類型如太陽能路燈等。這里要緊介紹一些小型的應(yīng)用系統(tǒng)，其

他應(yīng)用系統(tǒng)只做簡短介紹。

一、航標燈，無人燈塔的電源

航標燈是河流、湖泊、運河、水庫等航道的導(dǎo)航設(shè)施，要緊作用

是：反映符合航運需要的航道條件，指出經(jīng)濟安全的航道方向與界限,

以引導(dǎo)船舶安全迅速地航行。

我國土地遼闊，江河湖泊星羅棋布，航運的自然條件十分優(yōu)越。

解放前，我國只有河段設(shè)有標志，航標燈也多使用煤油燈、乙煥燈等。

解放后，黨與國家十分重視航運事業(yè)的進展，加強了航標燈的建設(shè)工

作。使我國的航運事業(yè)不斷進展，航道通航能力不斷提高。航行條件

迅速改善，保障了運輸?shù)臅惩ㄅc航行的安全。

航標燈按能源供給的方式的不一致，可分為:

(1)氣體燈：用氣體為燃料而發(fā)光的燈具，所用氣體有乙煥、丙烷

(2)煤油燈：以煤油為燃料的燈具。

(3)電氣燈：是利用電力為能源發(fā)光的燈。目前所用電源有蓄電池、

干電池、交流電、浮標水力發(fā)電與硅太陽電池等幾種。

我國解放前使用的是煤油燈，后來改用乙煥、丙烷燈，也試用過

鋅空氣電池燈。但由于使用條件的特殊，這些方法都存在著不一致的

缺陷，效果不理想，如用煤油，航標工人要每天早上吹燈，晚上再點

燈，每天還要擦透鏡，而用乙煥要與易燃、易爆氣體打交道，且燈光

不亮，發(fā)光不穩(wěn)固。而應(yīng)用太陽電池作為航標燈源，技術(shù)上可行，經(jīng)

濟上合算，得到了較廣泛的應(yīng)用。

應(yīng)用太陽電池作為航標燈的電源，國外已很普遍，如日本海上保

安廳于1959年11月正式啟用了山口縣周防筏源航標燈,我國于1973

年首次在天津港進行燈浮標以硅太陽電池供電的試驗。到1976年國

慶節(jié)前，天津港當時所有的13具浮標燈已使用硅太陽電池作為電源。

應(yīng)用的太陽電池板為14.7W,匹配功率為9瓦0.3秒明，2.7秒滅的

閃光燈，配用100安時的鎘車臬蓄電池。使用效果良好，穩(wěn)固可靠。截

至1981年底，全國航標燈應(yīng)用硅太陽電池電源的總功率已達5000瓦

左右，要緊用于天津、上海、廣州、長江等航道局，安裝在南到北緯

9。的西沙群島，北到北緯34。的大欽島這樣漫長的海岸線上。

從幾年的使用情況中能夠看出太陽電池航標燈有如下優(yōu)點:

(1)使用可靠，維修簡單。天津港從1973年開始，每年2月到12

月將太陽電池板安裝在燈柱上使用，沒有進行過補給，并經(jīng)受住

了多次八級、九級以至更大的強風的考驗。

(2)燈光亮度穩(wěn)固，射程得到了保證。與硅太陽電池配套的鎘銀蓄

電池放電平穩(wěn)，而往常用的鋅空電池燈，在剛換新電池時，電壓

很高，不久電壓就大幅度下降，使燈光亮度不穩(wěn)，燈光射程得不

到保證。

(4)減輕了航標工人的勞動強度。

(5)使航標管理水平提高，燈光正常率提高，為我國遠海孤島地區(qū)

的航標燈找到了一種較理想的新電源。

(6)綜合計算，要比乙快、丙烷、鋅空干電池燈節(jié)約費用。鋅空干

電池燈每年需電池費約500元左右。丙烷燈每座航標燈每年進行

檢查補給要多用3個臺班的船，按中型船年平均計算，共需1200

元左右。而一套太陽電池電源雖一次投資稍大，約需1500元左

右，但若使用10年每年平均開支才150元左右。

二、在鐵路信號上的應(yīng)用

鐵路是國民經(jīng)濟的大動脈，鐵路信號燈是保證安全正點運行的不

可缺少的重要設(shè)備之一。

我國鐵路現(xiàn)有車站5000余個，其中無交流電源或者無可靠的交

流電源的車站有1500余個。這些車站的燈光信號、設(shè)備或者是點油

燈，或者是以空氣電池，干電池供電，技術(shù)性能差，工作不穩(wěn)固，油

及電池消耗量大，勞動強度高，特殊陳舊落后，為了改變這種落后的

狀態(tài)，使沒有可靠交流電源的車站的信號設(shè)備獲得較理想的電源，

1975年2月廣州鐵路局首次在廣州鐵路局婁底電務(wù)段普奄堂車站的

一架預(yù)告信號機上試用以硅太陽電池電源為鐵路局信號供電。之后，

鐵道部于1979年6月在青藏鐵路的克土車站安裝了我國最大的一座

硅太陽電池電源，在電氣集中信號設(shè)備上試用。它的峰值功率為720

瓦。與此同時，鐵道部還在分布于華南、西北、華北、東北地區(qū)的廣

州、柳州、蘭州、西安、呼與浩特、齊齊哈爾、哈爾濱等鐵路局選擇

了一些車站的信號機進行擴大實驗，截至1981年底，全國已有15個

鐵路局在100余個車站安裝了硅太陽電池鐵路信號燈電源，總功率達

5000余瓦（見下圖）

圖鐵路信號燈太陽電池電源

硅太陽電池鐵路信號燈系統(tǒng)，由如下部分構(gòu)成：（1）硅太陽電池

方陣（2）蓄電池（3）電源操縱器（4）信號燈具（5）輸電線路（6）

硅太陽電池方陣托盤，支架及跟蹤裝置。

實踐證明，這些鐵路信號燈的硅太陽電池電源，工作可靠，性能

穩(wěn)固，使用良好，比較滿意的解決了無可靠交流電源的車站鐵路信號

燈的供電問題。對確保鐵路運輸?shù)陌踩c與逐步實現(xiàn)鐵路運輸?shù)默F(xiàn)

代化具有很大的意義，它的要緊優(yōu)點是：

（1）提高與穩(wěn)固了信號的顯示距離，有利于行車安全。這些應(yīng)用太

陽電池電源的車站通常來說，地形與氣象條件都很惡劣，哈爾濱

鐵路局的高嶺子車站。地處高山峰頂，上下行都是在斜度為1.3%

的大坡上，氣候惡劣，溫差很大，每逢冬季大風雪之夜，由于油

燈顯示距離近，看不清，甚至被風吹滅，每年平均要造成3次機

外停車與50次引導(dǎo)進站。出站信號也由于顯示距離近。不但兩

端搬道員相對方向看不見，連機車乘務(wù)員也要運行到站中心才能

看清出發(fā)信號，經(jīng)常造成列車晚點，嚴重影響行車安全。使用干

電池的車站，干電池用到最后，供電電壓降低，燈光暗淡，而且

還可能出現(xiàn)燈光突然不亮影響行車的現(xiàn)象，使用硅太陽電池電源

后，供電電壓穩(wěn)固，燈光可靠性強，連續(xù)性好，消滅了滅燈現(xiàn)象,

同時提高顯示距離一倍左右。

(2)減輕了搬道員的勞動強度。過去，在夜間用油燈顯示信號的車

站，搬道員要白天從信號機柱上取回燈擦洗加油，晚上再掛回點

亮，有些信號燈距離又較遠(有些距站中心「2Km),每逢大風雪

與暴風雨之夜，要頂著風雨，冒著嚴寒，不僅勞動強度大，且已

有人身傷亡之事故發(fā)生。而用干電池供電的電站，電池更換頻繁,

同時需經(jīng)常檢測，不但保護工作量很多，且稍有疏忽，就可能出

錯，影響行車。現(xiàn)在以硅太陽電池作電源，幾乎無需什么保護工

作，勞動強度大大減輕。

(3)管理方便，使用壽命長，節(jié)約了經(jīng)常的消耗。比如高嶺子車站

的8個信號燈，過去每年要耗煤油600斤，豆油260斤，折合人

民幣400余元，現(xiàn)在可全部省掉，五年可省下的這筆費用，大體

上與購買太陽電池與鎘銀蓄電池的費用相當，而用干電池供電的

車站，通常一個月要更換一組點燈用干電池，兩個月更換一供臂

板電動機動作的電池，換用太陽電池后，電池的消耗量減少了。

對位于青藏鐵路西寧至格爾木間的克土車站的鐵路信號系統(tǒng)，過

去用電全部領(lǐng)依靠柴油機發(fā)電，要消耗大量柴油，特別是由于這

里海拔高，空氣稀薄，使柴油機功率下降30%以上，同時使用維

修的工作量相當大，現(xiàn)在以硅太陽電池作電源，操作簡單，不耗

柴油，而且?guī)缀醪恍枞魏尉S修十分方便經(jīng)濟，(見下圖)

圖13.2克土車站太陽電池鐵路信號設(shè)備電源

(4)減少了列車通過時的搭閘次數(shù)，節(jié)約煤炭。減少一次擺閘，可

省煤100公斤左右。

'一語（一）

踹合表示燈

綜合展O

W2

附：車站信號電源系統(tǒng)簡圖

圖試點站信號電源系統(tǒng)

蓄電池組可靈活地通過各自的雙投刀閘并關(guān)與硅太陽電池方陣

浮充對負載供電，必要時將雙投開關(guān)投向另一端，則可由柴油發(fā)電機

組發(fā)電，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流性能的充電電屏對這組蓄電池補充充電。

三.農(nóng)牧業(yè)設(shè)備電源

缺少交流電源的廣大農(nóng)牧業(yè)地區(qū)，是推廣應(yīng)用太陽電池的廣闊天

地。使用太陽電池為農(nóng)牧業(yè)的小型設(shè)備解決電源供應(yīng)問題。對促進我

國農(nóng)牧業(yè)的進展，具有重要意義。

1、電圍欄電源

畜牧業(yè)是農(nóng)業(yè)的重要構(gòu)成部分。我國草原面積達43億畝，其中

能夠利用的有33億畝，此外南方還有10多億畝草山草坡，具有進展

畜牧業(yè)的良好條件。

為了進展畜牧業(yè)，防止草原退化，許多畜牧業(yè)發(fā)達的國家，早已

用科學(xué)的劃區(qū)輪牧制，代替落后的游牧方式，所謂劃區(qū)輪牧制就是將

大片的草場劃分為若干個區(qū)，以一定數(shù)量的畜群與相等的時間，按區(qū)

輪番放牧，這樣，放牧強度不致過大，因而有利于草場的更新復(fù)壯，

我國也在推廣這種放牧方式。

要“輪牧”就要“劃區(qū)”，并要用圍欄將各輪牧區(qū)圍起來，圍欄

內(nèi)設(shè)有飲水點，畜群在欄內(nèi)平常不用人管，只在轉(zhuǎn)欄時才由牧民將畜

群趕到計劃中的另一個圍欄里去。

由于建設(shè)圍欄是搞好草場建設(shè)、進展畜牧業(yè)的基礎(chǔ)，因此各畜牧

業(yè)發(fā)達的國家，盡管圍欄工程浩大，也都特殊重視，如新西蘭花了四

億元在全國建成了總長達80.5萬公里圍欄，澳大利亞已在60億畝的

草原上建立起了圍欄。

目前世界各國的圍欄按結(jié)構(gòu)材料分，要緊有石土矮圍欄，刺鐵絲

及鐵絲圍欄，生物圍欄電圍欄等，圍欄是最近幾年進展起來的一種新

興型的圍欄，有很多優(yōu)點，前途廣泛。它通過一個高壓脈沖發(fā)生器把

普通電源的電流變成高壓主脈沖電流然后送到圍欄的鐵絲上，當牲畜

角及圍欄上的鐵絲時，就會受到高壓電流的電擊，迅速躲開，這樣受

擊多次后牲畜就建立起了條件反射，以后就不敢再碰觸圍欄上的鐵絲

了。

要進展電圍欄，就要解決電源問題，我國大多數(shù)牧區(qū)處于邊遠地

帶，人煙稀少，遠離電網(wǎng)，無交流電源可利用。因此風能與太陽能便

放牧

成了電圍欄的基本電源。特別是太陽電池，技術(shù)上成熟，壽命較長,

使用方便，保護簡單，再加上電圍欄耗電少，所需太陽電池的功率小,

我國牧區(qū)多在北方，太陽能源豐富，因此是進展電圍欄的理想電源。

基本原理示意圖13.4