絕大部分的可再生能源技術都是直接或間接由太陽驅動的。本文中的「太陽能」是指從陽光收集得來的能源。太陽能可應用在各種不同的範疇，其中一個最重要的範疇便是通過光電太陽能電池來產生電力。雖然第一個光電太陽能電池於1883年建造完成，但首次大規模應用則在太空衛星上。該研究計劃深獲政府支持，推動了電池的改進，促成現時可以提供28％效率的電池。

這種技術能夠應用於非常大型的安裝，例如光電發電站。其中一所光電發電站現時正在葡萄牙興建中，將會為當地的供電網提供40到60百萬瓦的電力。一些規模較小的安裝已經在歐洲和美國落成。除了適用於不同安裝規模外，獨立系統也可採用體積較小的太陽能板來產生電力，以供應個別電力設備使用。由於太陽能板產生的是直流電，系統必須用反相器把輸出電流轉換成交流電，才能把電力輸送到供電網路。反相器無疑效率有限，所以總會有部分電力在轉換過程中流失。同時，有愈來愈多屋主安裝配備轉壓器的屋頂式太陽能板，反過來為供電網路提供電力，從中獲利。

配備可充電電池的太陽能驅動照明系統，能夠在日間透過太陽能板進行充電，然後在黑夜中用作照明的光源。現時，已發展國家的電力價格低廉，這種系統或者顯得不切合成本效益。不過，對發展中國家來說，該系統卻是為遍遠地區提供電燈的實際方法。我們尋求太陽能驅動照明系統的最佳實施方法時，必須小心選擇最適合有關應用的光源。要考慮的眾多因素包括效率、操作壽命和光源的穩健程度，以及用來驅動光源的電子鎮流器的效率和複雜性。太陽能驅動照明系統將隨著LED (發光二極管) 技術的新發展成為最佳的光源選擇。

《圖一　一款典型的太陽能板》 圖片來源：Colorado Solar Inc.；www.solarpanelstore.com

LED自1960年代初期進入市場以來，一直獲得廣泛的採用，且普遍應用在各式電子設備的面板指示燈上，而近幾年沉積技術的進步更讓LED所能提供的亮度達到前所未有的水準，使高亮度發光二極體（High Brightness LED；HBLED）成為照明及指示應用的實際可行替代方案。HBLED的效率已經超越白熾燈、鹵素燈甚至是螢光燈，因此，目前全球各地HBLED的市場成長速度已經超越其他類型的光源。

隨著HBLED接面結構技術的持續改進，預計將在未來5年內發展發光效率超過100lm/W的產品，除了超越螢光燈管外，還可達到高壓氣體放電（HID）燈的效能等級。高HBLED目前已廣泛應用於建築照明、街道照明、裝飾照明及標誌照明等。HBLED迅速廣獲採用的原因主要來自於它本身的高度效率、長效壽命、耐久度及高靈活性。目前，固態照明已由先前的小眾市場，朝著代替傳統白熾和氣體放電燈的方向發展，成為能環保並且兼具成本效益的優質替代方案。 HBLED光源也憑藉長壽命、低維護和更佳防潮效能，順理成章進軍園藝和戶外照明市場。HBLED不像傳統燈泡含有易碎的部分，即使操心處理也不易損毀。

《圖二　HBLED排氣式面板》

根據製造商的規格顯示，HBLED應該採用DC電流驅動。由於內含pn接面，因此具有順向壓降的特性，壓降的程度會隨著誤差容忍度與溫度而變化，在不同色彩的產品上會出現各種差異。製造商不建議以最高電壓額定值驅動HBLED，以免因為過熱而影響元件的壽命。HBLED的光度輸出與順向電流成正比，這些元件和所有二極體相同，擁有相當陡峭的順向電壓與電流曲線，順向電壓的微小變化將造成電流及發光亮度的大幅改變，也就是說，高亮度LED須使用穩定的電流而不是穩定的電壓驅動。

HBLED採用串聯連接的重要好處是，若其中一個LED發生短路，其他的LED依然能持續運作，但若採用並聯陣列的方式，其中一個HBLED出現短路，則會妨礙其他元件的運作。另一方面，若發生開路問題，相反的情況就會發生，不過HBLED或二極體通常很少出現開路問題。就較大陣列的應用而言，若單一LED串聯上的順向電壓超過安全標準電壓或是轉換器的輸出電壓時，就須採用並聯方式連接。

太陽能電池板由一種稱為太陽能電池的電子積木陣列所組成，而這些藍或黑色的電池的製材則是由多顆矽晶片封裝而成的薄片，每個電池的電壓為0.5V。體積較小的面板以36片單體電池串聯而成，在標準的負載測試中能產生約17V的電壓，正好能替一個額定電壓為12V的電池進行充電。較大型的面板通常包含72個串聯電池，能在相同測試條件下產生35V的電壓。

很多太陽能應用都會利用充電控制器儲存收集得來的能量，以備將來使用。充電控制器其實是一個電子轉換器，它能由太陽能電池板的電壓調節至適合系統電池充電的水平。鉛酸電池採用穩定電壓的方式充電，是現時市面上最具成本效益的解決方案。鉛酸電池可分排氣式（Flooded Battery）和密閉式（Sealed Battery）兩種。排氣式鉛酸電池，如一般的汽車電池，內含蒸餾水和密閉式電池，可利用高電快速充電，不過需要定期加滿蒸餾水。密閉式電池不含水份，亦不需要維護，所以最適用於太陽能驅動的照明系統。但是，這類電池售價較高，而且充電時須要加倍小心，不能以高電流快速充電。

典型的24V太陽能電池板跟桌面大小相約，能在陽光充沛的條件下產生200W的電力。太陽能電池板可以在較大型的裝置內以串聯或並聯的方式與ORing二極管連接，不過單體200W電池板亦絕對能夠在一天內為24V 50A/hr電池完成充電，即使在陰天亦然。這種電池的電荷足夠在黑暗中為100W光源持續供電8小時而不用完全放電。12V排氣式或密閉式鉛酸電池已經全面上市，造就出符合成本效益的光源應用方案。另外，使用者可將兩顆12V電池串聯起來產生24V電壓。

太陽能驅動的LED應用設計牽涉兩個電源轉換的階段。首先是使用前端整流器將太陽能電池板的充電電壓調整至與電池相同；第二步是利用後端整流器將電池的電流調整至穩定的LED電流。由於整個系統獨立於供電網，而且只需較低的電壓運作，所以兩個階段均不必進行電隔離。

《圖三　矽太陽能電池的電流-電壓特性》 資料來源：www.solarserver.de

太陽能電池板的電壓輸出極容易受日照強度所影響，地點和雲量均會左右日光的供應。太陽能電池會因為負荷過重和電流太大而受損，所以使用者必需設計出一個可以平衡充電性能的前端電池充電器，使系統不會在晴天吸收過多能量，亦不會在陰天虛耗過多能量。使用者亦需要使用面積夠大的太陽能電池板，才能確保電池在所處地區最惡劣的天氣下仍能充電。在缺乏陽光的地區則需要使用更龐大的太陽能電池板。

由於太陽能電池的輸出受制於日光照射和面板溫度等因素，所以設計前端電池充電階段帶點難度。太陽能電池可以在廣泛的電壓和電流下運作，於是只要不斷增加電池的電阻負載，由短路電流值加至極值，便能判斷出電池的最大功率點（Maximum Power Point）。在這個負載點下，只要有一定程度的日光照射，便能將產生最大的電力。不過輸出電壓無論在短路還是開路的狀態下還是零。

《圖四　升壓整流器和充電器圖示（原形）》

換言之，使用額定電壓為24V的太陽能面板，便可產生約35V的實際電壓。若然面板的額定功率為200W，則一般能夠輸出5A電流。

如果系統使用24V鉛酸電池或混合不同電池使用，通常需要28.8V的充電電壓，即前端整流器需要提供的輸出電壓比輸入電壓低，使用者可基於這點選用適合的架構設計。一顆50A/hr的密閉式鉛酸電池可安全地以5A電流充電，只需10小時便能完成充電。

基於上述因素，以及不必進行電隔離的特質，降壓拓樸似乎是前端整流器的最佳選擇。這種整流器除了包含電路圖外，還可以為系統提供恒定輸出，限制充電電流，同時阻止太陽能電池板的電流流失。

降壓整流器的好處是簡化設計，它憑藉單體PWM轉換器便能限制電流、調整輸出電壓和提供短路保護功能。

《圖五　HBLED面板圖示》 資料來源：www.luxeon.com

假設LED不需要在充電其間使用，那麼前端整流器便能設計成純粹的電池充電器，不必同時擁有驅動電流輸出的能力。這種設計能夠使功率半導體、電感器和太陽能電池板維持較小的尺寸，有助節省成本和空間。

使用者可設定電子計時器，並利用光感應器探測周遭的光度，以控制充電系統和LED在夜間的運作。當光度低於某個水平，電池充電器便會自動關掉，而LED則隨之亮起。進行切換時，後端整流器將被啟動，並藉著電池的能量為LED提供恆流驅動電源。

設計後端LED驅動階段的考慮因素與前端截然不同，亦由於制作100W混合電力負載的LED面板時存在著大量配置選項，所以設計更為複雜。HBLED陣列通常是多個LED串聯以並列的方式連接而成的。

《圖六　升壓穩壓器LED驅動圖示（原形）》

只需配合降壓-升壓（Buck-Boost）或返馳（Flyback）架構，LED陣列便可適應高或低於電池本身的電壓。如果LED陣列的電壓被刻意設定為高於電池的電壓，便可使用升壓拓樸為LED供電。在這情況下，拓樸設計可大大簡化，並在電壓輸比輸入高的情況下提供恒定輸出電流。升壓轉換器未能兼備短路保護的功能，如有需要可另加斷路器。

就這個設計而言，LED陣列的最佳電壓為48V，因為這個電壓水平既符合低電壓的安全限制，又不構成使用者觸電的風險。由於電壓大幅高於12V或24V，所以適合使用升壓整流器。單體HBLED的順向壓降幅度約4振，因此12個LED串聯總共可以產生48V的順向壓降。如果每個LED的功率是3W（標準HBLED大小），那麼該串聯將以700mA的電流產生出36W的輸出功率，若要取得大約100W的總功率，便需要採用3個並聯LED。有一點需要留意，每個LED的順向壓降特性都不一樣，使用者需為每個陣列的串聯支路選擇合適的LED，令3個並聯LED的順向壓降情況相約，這樣便可免卻額外添加電流平衡電路的麻煩。

升壓整流器或鎮流器（Ballast）需要以2.1A電流提供48V的電壓。假設轉換效率達到90％，那麼24V的電池便可提供4.8A的電流，12V的電池則是9.3A。24V電池明顯是一個更切合成本效益的選擇，而且配合尺寸小得多的半導體開關和電感器使用。這個設計同時適用於前及後端整流階段。加上單體12V電池的成本與兩顆性能減半的12V電池或單體24V電池所差無幾，所以12V的替代系統顯得不吸引。

《圖七　現時市面上的系統》 www.oksolar.com

24V 50A/hr電池完成充電後，可供HBLED運作約10小時。使用者可以為系統投入智慧化功能，透過系統終端電壓來監控電池的充電情況。每當電荷低於某個水平，系統便可減少最大額定值的LED輸出，從而節省能源，提供亮度較低但更持久的光源輸出。如果系統設有時鐘，更可計算需要維持某程度的光源輸出直至黎明所需的功率輸出。此外，只需配置基於低成本微控制器的控制電路，便可使用PWM明暗控制功能來操控LED光源輸出。再者，系統可以因應電池的電荷減少而逐漸減低LED光源輸出，調節出最佳的運作模式；亦可在全黑的時段增加光源供應，並在黃昏和黎時分減少燈光。

本文提及的系統既簡單又具成本效益，太陽能電池板已經算是系統中最昂貴的元件了。這個系統不僅靈活、可靠又耐用，而且不需要維護。雖然系統的能源來自取之不盡的陽光，不過仍然需時數年才能由節省歐美供應商生產的電力來彌補投資成本。除非太陽能電池板的價格下跌，否則只有在遍遠而沒有電力供應的地區採用這個系統才有意義。不過，隨著能源價格進一步上漲，未來的情況或許會出現改變，值得期待。

---作者為IR國際整流器公司加州El Segundo先進照明設計中心資深系統工程師---

參考資料

• www.batteryuniversity.com





• www.solarpanelstrore.com





• www.solarserver.de





• www.wikipedia.com（太陽能電池）