绝大部分的可再生能源技术都是直接或间接由太阳驱动的。本文中的「太阳能」是指从阳光收集得来的能源。太阳能可应用在各种不同的范畴，其中一个最重要的范畴便是通过光电太阳能电池来产生电力。虽然第一个光电太阳能电池于1883年建造完成，但首次大规模应用则在太空卫星上。该研究计划深获政府支持，推动了电池的改进，促成现时可以提供28％效率的电池。

这种技术能够应用于非常大型的安装，例如光电发电站。其中一所光电发电站现时正在葡萄牙兴建中，将会为当地的供电网提供40到60百万瓦的电力。一些规模较小的安装已经在欧洲和美国落成。除了适用于不同安装规模外，独立系统也可采用体积较小的太阳能板来产生电力，以供应个别电力设备使用。由于太阳能板产生的是直流电，系统必须用反相器把输出电流转换成交流电，才能把电力输送到供电网路。反相器无疑效率有限，所以总会有部分电力在转换过程中流失。同时，有愈来愈多屋主安装配备转压器的屋顶式太阳能板，反过来为供电网路提供电力，从中获利。

配备可充电电池的太阳能驱动照明系统，能够在日间透过太阳能板进行充电，然后在黑夜中用作照明的光源。现时，已发展国家的电力价格低廉，这种系统或者显得不切合成本效益。不过，对发展中国家来说，该系统却是为遍远地区提供电灯的实际方法。我们寻求太阳能驱动照明系统的最佳实施方法时，必须小心选择最适合有关应用的光源。要考虑的众多因素包括效率、操作寿命和光源的稳健程度，以及用来驱动光源的电子镇流器的效率和复杂性。太阳能驱动照明系统将随着LED (发光二极管) 技术的新发展成为最佳的光源选择。

《图一　一款典型的太阳能板》 图片来源：Colorado Solar Inc.；www.solarpanelstore.com

LED自1960年代初期进入市场以来，一直获得广泛的采用，且普遍应用在各式电子设备的面板指示灯上，​​而近几年沉积技术的进步更让LED所能提供的亮度达到前所未有的水准，使高亮度发光二极体（High Brightness LED；HBLED）成为照明及指示应用的实际可行替代方案。 HBLED的效率已经超越白炽灯、卤素灯甚至是萤光灯，因此，目前全球各地HBLED的市场成长速度已经超越其他类型的光源。

随着HBLED接面结构技术的持续改进，预计将在未来5年内发展发光效率超过100lm/W的产品，除了超越萤光灯管外，还可达到高压气体放电（HID）灯的效能等级。高HBLED目前已广泛应用于建筑照明、街道照明、装饰照明及标志照明等。 HBLED迅速广获采用的原因主要来自于它本身的高度效率、长效寿命、耐久度及高灵活性。目前，固态照明已由先前的小众市场，朝着代替传统白炽和气体放电灯的方向发展，成为能环保并且兼具成本效益的优质替代方案。 HBLED光源也凭借长寿命、低维护和更佳防潮效能，顺理成章进军园艺和户外照明市场。 HBLED不像传统灯泡含有易碎的部分，即使操心处理也不易损毁。

《图二 HB LED排气式面板》

根据制造商的规格显示，HBLED应该采用DC电流驱动。由于内含pn接面，因此具有顺向压降的特性，压降的程度会随着误差容忍度与温度而变化，在不同色彩的产品上会出现各种差异。制造商不建议以最高电压额定值驱动HBLED，以免因为过热而影响元件的寿命。HBLED的光度输出与顺向电流成正比，这些元件和所有二极体相同，拥有相当陡峭的顺向电压与电流曲线，顺向电压的微小变化将造成电流及发光亮度的大幅改变，也就是说，高亮度LED须使用稳定的电流而不是稳定的电压驱动。

HBLED采用串联连接的重要好处是，若其中一个LED发生短路，其他的LED依然能持续运作，但若采用并联阵列的方式，其中一个HBLED出现短路，则会妨碍其他元件的运作。另一方面，若发生开路问题，相反的情况就会发生，不过HBLED或二极体通常很少出现开路问题。就较大阵列的应用而言，若单一LED串联上的顺向电压超过安全标准电压或是转换器的输出电压时，就须采用并联方式连接。

太阳能电池板由一种称为太阳能电池的电子积木阵列所组成，而这些蓝或黑色的电池的制材则是由多颗矽晶片封装而成的薄片，每个​​电池的电压为0.5V。体积较小的面板以36片单体电池串联而成，在标准的负载测试中能产生约17V的电压，正好能替一个额定电压为12V的电池进行充电。较大型的面板通常包含72个串联电池，能在相同测试条件下产生35V的电压。

很多太阳能应用都会利用充电控制器储存收集得来的能量，以备将来使用。充电控制器其实是一个电子转换器，它能由太阳能电池板的电压调节至适合系统电池充电的水平。铅酸电池采用稳定电压的方式充电，是现时市面上最具成本效益的解决方案。铅酸电池可分排气式（Flooded Battery）和密闭式（Sealed Battery）两种。排气式铅酸电池，如一般的汽车电池，内含蒸馏水和密闭式电池，可利用高电快速充电，不过需要定期加满蒸馏水。密闭式电池不含水份，亦不需要维护，所以最适用于太阳能驱动的照明系统。但是，这类电池售价较高，而且充电时须要加倍小心，不能以高电流快速充电。

典型的24V太阳能电池板跟桌面大小相约，能在阳光充沛的条件下产生200W的电力。太阳能电池板可以在较大型的装置内以串联或并联的方式与ORing二极管连接，不过单体200W电池板亦绝对能够在一天内为24V 50A/hr电池完成充电，即使在阴天亦然。这种电池的电荷足够在黑暗中为100W光源持续供电8小时而不用完全放电。 12V排气式或密闭式铅酸电池已经全面上市，造就出符合成本效益的光源应用方案。另外，使用者可将两颗12V电池串联起来产生24V电压。

太阳能驱动的LED应用设计牵涉两个电源转换的阶段。首先是使用前端整流器将太阳能电池板的充电电压调整至与电池相同；第二步是利用后端整流器将电池的电流调整至稳定的LED电流。由于整个系统独立于供电网，而且只需较低的电压运作，所以两个阶段均不必进行电隔离。

《图三　矽太阳能电池的电流-电压特性》 資料來源：www.solarserver.de (资料来源：www.solarserver.de)

太阳能电池板的电压输出极容易受日照强度所影响，地点和云量均会左右日光的供应。太阳能电池会因为负荷过重和电流太大而受损，所以使用者必需设计出一个可以平衡充电性能的前端电池充电器，使系统不会在晴天吸收过多能量，亦不会在阴天虚耗过多能量。使用者亦需要使用面积够大的太阳能电池板，才能确保电池在所处地区最恶劣的天气下仍能充电。在缺乏阳光的地区则需要使用更庞大的太阳能电池板。

由于太阳能电池的输出受制于日光照射和面板温度等因素，所以设计前端电池充电阶段带点难度。太阳能电池可以在广泛的电压和电流下运作，于是只要不断增加电池的电阻负载，由短路电流值加至极值，便能判断出电池的最大功率点（Maximum Power Point）。在这个负载点下，只要有一定程度的日光照射，便能将产生最大的电力。不过输出电压无论在短路还是开路的状态下还是零。

《图四　升压整流器和充电器图示（原形）》

换言之，使用额定电压为24V的太阳能面板，便可产生约35V的实际电压。若然面板的额定功率为200W，则一般能够输出5A电流。

如果系统使用24V铅酸电池或混合不同电池使用，通常需要28.8V的充电电压，即前端整流器需要提供的输出电压比输入电压低，使用者可基于这点选用适合的架构设计。一颗50A/hr的密闭式铅酸电池可安全地以5A电流充电，只需10小时便能完成充电。

基于上述因素，以及不必进行电隔离的特质，降压拓朴似乎是前端整流器的最佳选择。这种整流器除了包含电路图外，还可以为系统提供恒定输出，限制充电电流，同时阻止太阳能电池板的电流流失。

降压整流器的好处是简化设计，它凭借单体PWM转换器便能限制电流、调整输出电压和提供短路保护功能。

《图五 HB LED面板图示》 資料來源：www.luxeon.com (资料来源：www.luxeon.com)

假设LED不需要在充电其间使用，那么前端整流器便能设计成纯粹的电池充电器，不必同时拥有驱动电流输出的能力。这种设计能够使功率半导体、电感器和太阳能电池板维持较小的尺寸，有助节省成本和空间。

使用者可设定电子计时器，并利用光感应器探测周遭的光度，以控制充电系统和LED在夜间的运作。当光度低于某个水平，电池充电器便会自动关掉，而LED则随之亮起。进行切换时，后端整流器将被启动，并借着电池的能量为LED提供恒流驱动电源。

设计后端LED驱动阶段的考虑因素与前端截然不同，亦由于制作100W混合电力负载的LED面板时存在着大量配置选项，所以设计更为复杂。 HBLED阵列通常是多个LED串联以并列的方式连接而成的。

《图六　升压稳压器LED驱动图示（原形）》

只需配合降压-升压（Buck-Boost）或返驰（Flyback）架构，LED阵列便可适应​​高或低于电池本身的电压。如果LED阵列的电压被刻意设定为高于电池的电压，便可使用升压拓朴为LED供电。在这情况下，拓朴设计可大大简化，并在电压输比输入高的情况下提供恒定输出电流。升压转换器未能兼备短路保护的功能，如有需要可另加断路器。

就这个设计而言，LED阵列的最佳电压为48V，因为这个电压水平既符合低电压的安全限制，又不构成使用者触电的风险。由于电压大幅高于12V或24V，所以适合使用升压整流器。单体HBLED的顺向压降幅度约4振，因此12个LED串联总共可以产生48V的顺向压降。如果每个LED的功率是3W（标准HBLED大小），那么该串联将以700mA的电流产生出36W的输出功率，若要取得大约100W的总功率，便需要采用3个并联LED。有一点需要留意，每个LED的顺向压降特性都不一样，使用者需为每个阵列的串联支路选择合适的LED，令3个并联LED的顺向压降情况相约，这样便可免却额外添加电流平衡电路的麻烦。

升压整流器或镇流器（Ballast）需要以2.1A电流提供48V的电压。假设转换效率达到90％，那么24V的电池便可提供4.8A的电流，12V的电池则是9.3A。 24V电池明显是一个更切合成本效益的选择，而且配合尺寸小得多的半导体开关和电感器使用。这个设计同时适用于前及后端整流阶段。加上单体12V电池的成本与两颗性能减半的12V电池或单体24V电池所差无几，所以12V的替代系统显得不吸引。

《图七　现时市面上的系统》 www.oksolar.com

24V 50A/hr电池完成充电后，可供HBLED运作约10小时。使用者可以为系统投入智慧化功能，透过系统终端电压来监控电池的充电情况。每当电荷低于某个水平，系统便可减少最大额定值的LED输出，从而节省能源，提供亮度较低但更持久的光源输出。如果系统设有时钟，更可计算需要维持某程度的光源输出直至黎明所需的功率输出。此外，只需配置基于低成本微控制器的控制电路，便可使用PWM明暗控制功能来操控LED光源输出。再者，系统可以因应电池的电荷减少而逐渐减低LED光源输出，调节出最佳的运作模式；亦可在全黑的时段增加光源供应，并在黄昏和黎时分减少灯光。

本文提及的系统既简单又具成本效益，太阳能电池板已经算是系统中最昂贵的元件了。这个系统不仅灵活、可靠又耐用，而且不需要维护。虽然系统的能源来自取之不尽的阳光，不过仍然需时数年才能由节省欧美供应商生产的电力来弥补投资成本。除非太阳能电池板的价格下跌，否则只有在遍远而没有电力供应的地区采用这个系统才有意义。不过，随着能源价格进一步上涨，未来的情况或许会出现改变，值得期待。

---作者为IR国际整流器公司加州El Segundo先进照明设计中心资深系统工程师---

参考资料

• www.batteryuniversity.com





• www.solarpanelstrore.com





• www.solarserver.de





• www.wikipedia.com（太阳能电池）