一种简易光伏发电系统的设计

国外最早采用石蜡和乙炔灯采集昆虫开创了应用昆虫趋光性捕虫的先河。我国从1958年开始使用黑光灯诱杀棉铃虫及其他棉虫，后来发展出一系列的杀虫灯如频振杀虫灯、双光灯等，但是以上的杀虫灯大多数都要使用交流电，树立电线杆多，架设时拉线过长，需要投入大量的人力财力去建设维护。为了响应政府能源政策的号召，这几年杀虫灯正在从使用交流电转向太阳能，这对于太阳能杀虫灯的研究设计无疑是一个契机。

1  太阳能杀虫灯的原理和基本结构

太阳能杀虫灯包括太阳能电池组件、蓄电池、智能控制器、LED诱虫灯、

图1  太阳能杀虫灯基本结构

高压触网、集虫袋、支架和灯杆。如图1所示。太阳能光伏杀虫灯分为两大模块，一个模块为太阳能光伏发电系统，另一个模块为杀虫灯模块，其中杀虫灯模块包括诱虫灯头和高压电网两大主要部分。太阳能光伏发电原理是利用半导体的光生伏特效应，当太阳光照射在太阳能电池板上时，太阳能电池板产生定向电流，通过导线以及控制器将电流输入蓄电池。白天太阳能电池板给蓄电池充电，晚上蓄电池给杀虫灯供电，一路输出给诱虫灯头，一路输出给高压电网。诱虫灯利用害虫的趋光性，将害虫引诱至高压触网杀死。

针对病害虫对静态的光源“兴趣”低的特点，我们使用矩形波电流给LED灯源供电，使灯源灯光具有一定频率的闪烁，电压频率控制在100hz到300hz。高压触网的作用是为了将被诱虫灯吸引过来的害虫杀死，高压电网的电压设计在6500V以上，且保证对人体绝对的安全。

2  光伏发电系统设计思路

太阳能光伏发电系统主要是利用半导体材料的光生伏特效应发电，是一种能直接将太阳能转化为电能的装置。它主要由太阳能电池组件（方阵）、蓄电池（组）、太阳能光伏控制器、DC/AC变换器（需要输出交流电的情况下使用）、用电负载和一些安全装置（存在安全隐患的条件下使用）组成。

2.1  负载的计算

LED诱虫灯的功率为10w，高压网的功率为1w，日工作时长均为10h，故负载每日耗电量=10×10+1×10=110wh（诱虫灯和高压触网均使用直流电）。

2.2  蓄电池的选择

蓄电池的作用是将太阳能电池板通过光生伏特效应产生的电能存储起来，在夜幕降临的时候释放，因此蓄电池的性能显得尤为重要。但是好的蓄电池意味着投入成本高，所以如何选择蓄电池的种类及容量需要通过计算才能得出最合理的结果。

蓄电池所能提供的能量除了受到本身容量的影响还受到环境温度的影响，为了与太阳能电池匹配，要求蓄电池工作寿命长切后期保养维护费用低方便。目前广泛采用VRLA蓄电池、普通铅酸蓄电池和碱性镍铬蓄电池三种电池。国内目前主要使用VRLA蓄电池，因为其固有的免维护特性及对环境污染较少的特点很适合中国的国情，很适合于要求性能可靠的太阳能光发电系统，特别是无人看守的情况。普通铅蓄电池虽然前期投入成本低廉，但是其需要经常维护且对环境污染大，主要用于有人力维护且低档场合使用。碱性镍铬蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能，但是其价格较高，所以其一般是用在特殊场合。综上所述，考虑成本因素，我们选择铅酸蓄电池作为太阳能光伏发电系统的蓄电池。

蓄电池的容量计算方式为：

蓄电池容量=负载日均用电量′最长连续阴雨天数¸放电系数

放电系数在0.5到0.75左右。连续阴雨天数与地区有关，而雨天太阳能电池板依然可以为蓄电池充电，只是效率不如艳阳天。因此我们不妨设定最长连续阴雨天数为2。在安装蓄电池时要注意保温，将蓄电池埋入地里时也要注意防水。蓄电池电压为12V。

因此蓄电池容量=负载日均用电量×最大连续阴雨天数÷放电系数=110wh×2÷0.75÷12=24.44Ah，由于蓄电池容量只可以大，故取24.45Ah。我们需要购买一个电压为12V，容量为25Ah的铅酸蓄电池一个即可。

2.3  太阳能电池板的设计

太阳能电池利用光生伏特效应，将太阳辐射的光转化为半导体中电。根据半导体的类型，我们将太阳能电池分为硅系、化合物、有机物几大类。其中硅系分为晶硅系和非晶硅系，包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池转化效率在普通太阳能电池里最高，达到了22.7%，它的特点是转化效率高，可靠性较高，使用实绩（实例）多，缺点是价格高，主要用在各种屋外用途及宇宙太阳能光伏系统。多晶硅太阳能电池转化效率低于单晶硅电池，在17%左右，其具有可靠性高，价格低，转化效率稍低，适合大批量生产的特点，主要用在地面上的太阳能光伏系统、电子计算器、钟表等民用。目前非晶硅太阳能电池转化效率约为10.4%，属于薄膜型的电池，适合大面积、大量生产，与荧光灯的波长相应，主要用于建材一体型、地上的太阳能光伏发电系统以及民用。化合物电池里包含CIS和CdTe两种，其中CIS组件转化率在13.6%左右，CdTe组件转化率在10.9%左右，它们共同的特点是制作过程简单，可与高转化率材料组合使用，属于一种薄膜材料，转化效率较高，主要用于宇宙太阳能光伏发电系统以及民生。有机材料的太阳能电池分为染料敏化及有机薄膜两种，其中有机薄膜电池转化率在3.5%左右，转换效率较低，价格低，质量轻，柔软，应用范围广，可使用印刷的方法制造，同样适合大规模大批量生产，主要用在民生。染料敏化电池转化率较低，价格便宜，柔软，颜色和形状可以自主选择，主要用在民生。综合考虑，太阳能电池板选择多晶材料的较为合适，多晶硅太阳能电池转化效率高，价格低，稳定性高，寿命长。

在设计太阳能电池板的同时还要注意太阳电池倾斜角的选择。倾斜角的设置需要根据纬度来确定，这与太阳高度角有关，以武汉为例，太阳能电池板的倾斜角应该在37度左右。日照有效时长在6.5h，在已知蓄电池容量的情况下，太阳能电池板功率=蓄电池容量÷有效日照时间=25Ah÷6.5h=3.85A，太阳能电池板功率=12V×3.85A=46.2W。故我们需要购入总功率为50W的太阳能电池板。

3  结语

本文利用光伏发电原理和昆虫的趋光性设计了一个简易的太阳能光伏灭虫灯。通过对负载的计算，估算了所需蓄电池容量和太阳能电池板的功率，在考虑到经济因素，对蓄电池和太阳能电池板的种类进行了适当的选择。该光伏发电系统的设计方案简单易行，成本低廉，可操作性强。另外，由于害虫种类繁多，对光源的敏感频率不同，因此还可对本灭虫灯加装时控和光控电路，对LED灯的发光频率和时间进行调制，以实现分时段、分波段杀虫的效果。