一種簡易光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計

國外最早采用石蠟和乙炔燈采集昆蟲開創(chuàng)了應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都要使用交流電，樹立電線桿多，架設時拉線過長，需要投入大量的人力財力去建設維護。為了響應政府能源政策的號召，這幾年殺蟲燈正在從使用交流電轉向太陽能，這對于太陽能殺蟲燈的研究設計無疑是一個契機。

1  太陽能殺蟲燈的原理和基本結構

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構

高壓觸網、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兩大主要部分。太陽能光伏發(fā)電原理是利用半導體的光生伏特效應，當太陽光照射在太陽能電池板上時，太陽能電池板產生定向電流，通過導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。誘蟲燈利用害蟲的趨光性，將害蟲引誘至高壓觸網殺死。

針對病害蟲對靜態(tài)的光源“興趣”低的特點，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。高壓觸網的作用是為了將被誘蟲燈吸引過來的害蟲殺死，高壓電網的電壓設計在6500V以上，且保證對人體絕對的安全。

2  光伏發(fā)電系統(tǒng)設計思路

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用半導體材料的光生伏特效應發(fā)電，是一種能直接將太陽能轉化為電能的裝置。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  負載的計算

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

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產生的電能存儲起來，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算才能得出最合理的結果。

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)維護費用低方便。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。國內目前主要使用VRLA蓄電池，因為其固有的免維護特性及對環(huán)境污染較少的特點很適合中國的國情，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，但是其需要經常維護且對環(huán)境污染大，主要用于有人力維護且低檔場合使用。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。

蓄電池的容量計算方式為：

蓄電池容量=負載日均用電量′最長連續(xù)陰雨天數¸放電系數

放電系數在0.5到0.75左右。連續(xù)陰雨天數與地區(qū)有關，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。因此我們不妨設定最長連續(xù)陰雨天數為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=負載日均用電量×最大連續(xù)陰雨天數÷放電系數=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  太陽能電池板的設計

太陽能電池利用光生伏特效應，將太陽輻射的光轉化為半導體中電。根據半導體的類型，我們將太陽能電池分為硅系、化合物、有機物幾大類。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化效率在普通太陽能電池里最高，達到了22.7%，它的特點是轉化效率高，可靠性較高，使用實績（實例）多，缺點是價格高，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，轉化效率稍低，適合大批量生產的特點，主要用在地面上的太陽能光伏系統(tǒng)、電子計算器、鐘表等民用。目前非晶硅太陽能電池轉化效率約為10.4%，屬于薄膜型的電池，適合大面積、大量生產，與熒光燈的波長相應，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組件轉化率在13.6%左右，CdTe組件轉化率在10.9%左右，它們共同的特點是制作過程簡單，可與高轉化率材料組合使用，屬于一種薄膜材料，轉化效率較高，主要用于宇宙太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)以及民生。有機材料的太陽能電池分為染料敏化及有機薄膜兩種，其中有機薄膜電池轉化率在3.5%左右，轉換效率較低，價格低，質量輕，柔軟，應用范圍廣，可使用印刷的方法制造，同樣適合大規(guī)模大批量生產，主要用在民生。染料敏化電池轉化率較低，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化效率高，價格低，穩(wěn)定性高，壽命長。

在設計太陽能電池板的同時還要注意太陽電池傾斜角的選擇。傾斜角的設置需要根據緯度來確定，這與太陽高度角有關，以武漢為例，太陽能電池板的傾斜角應該在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  結語

本文利用光伏發(fā)電原理和昆蟲的趨光性設計了一個簡易的太陽能光伏滅蟲燈。通過對負載的計算，估算了所需蓄電池容量和太陽能電池板的功率，在考慮到經濟因素，對蓄電池和太陽能電池板的種類進行了適當的選擇。該光伏發(fā)電系統(tǒng)的設計方案簡單易行，成本低廉，可操作性強。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)光頻率和時間進行調制，以實現分時段、分波段殺蟲的效果。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.00559.cn/w/qk/21223.html