摘要：本文主要對光伏路燈的構造、光電原理和設計應用進行介紹。其中，光伏路燈的構造只作一般性介紹，重點是光電原理和設計應用。
　　關鍵詞：太陽能；路燈；設計應用
　　緒論
　　地球上的能源日益匱乏，污染日益嚴重。十七大報告中提出了“建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”的要求，建設部也提出了推進城市綠色照明工作的具體目標。光伏路燈是集合了光伏發(fā)電、電子鎮(zhèn)流器、高效光源和節(jié)能燈具等先進技術的高科技產(chǎn)品，在城市道路照明中有著很好的應用前景。據(jù)專家測算，若裝置3kWp的光伏路燈，則相當于3000平方公尺森林（6個網(wǎng)球場）的綠化效果。
　　一、光伏路燈的構造
　　光伏路燈的基本部件包括太陽能電池板、蓄電池、控制器、光源、燈具等。工作原理如圖1-1-1所示。
　　
　　圖1-1-1
　　二、光伏發(fā)電
　　（一）太陽能電池工作原理
　　太陽能電池是利用光電轉換原理使太陽的輻射光通過半導體物質轉變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉換過程通常叫做“光生伏特效應”，因此太陽能電池又稱為“光伏電池”。常規(guī)太陽能電池簡單裝置如圖2-1-1所示。
　　
　　圖2-1-1
　　用于太陽能電池的半導體材料是一種介于導體和絕緣體之間的特殊物質，半導體的原子由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，電子按固定軌道圍繞原子核轉動。當受到外來能量的作用時，這些電子就會脫離軌道而成為自由電子，并在原來的位置上留下一個“空穴”。
　　在純凈的半導體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在半導體中摻入能夠俘獲電子的硼、鎵等元素，它就成了空穴型半導體，通常用符號P表示；如果摻入能夠釋放電子的磷、砷等元素，它就成了電子型半導體，以符號N代表。若把這兩種半導體結合，交界面便形成一個P－N結。
　　當N型和P型兩種不同型號的半導體材料接觸后，由于擴散和漂移作用，在界面處形成由P型指向N型的內(nèi)建電場。當光照在太陽電池的表面后，能量大于禁帶寬度的光子便激發(fā)出電子和空穴對，這些非平衡的少數(shù)載流子在內(nèi)電場的作用下分離開，在電池的上下兩極累積，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，于是在N區(qū)與P區(qū)之間產(chǎn)生了光生伏打電動勢，即所謂的“光生伏打效應”。如在電池兩端接上負載，則被結所分開的電子和空穴，通過太陽電池表面的柵線匯集，流經(jīng)負載，在外電路產(chǎn)生光生電流。
　　（三）太陽能電池材料種類
　　太陽能電池的種類很多，按制作材料不同大致可分為硅、多化合物和納米及有機物三類。目前，商業(yè)用途的太陽能電池大都以硅（si）為主要原料，晶體硅（單晶硅和多晶硅）由于具有穩(wěn)定性好、轉換效率高、使用年限長和所發(fā)電力與電壓范圍廣的優(yōu)點，被廣泛應用于發(fā)電廠、充電系統(tǒng)、道路照明系統(tǒng)及交通號志系統(tǒng)等工程。
　　單晶硅電池比較穩(wěn)定，轉換效率高，但生產(chǎn)工藝復雜，價格較高。多晶硅電池生產(chǎn)工藝相對簡單，性價比高，但轉換效率不及單晶。設計太陽能光伏路燈時，應根據(jù)具體情況進行選擇。在我國的東西部地區(qū)，由于陽光充足日照好，可選單晶或多晶硅太陽能電池；在南方地區(qū)，由于陰雨天多日照相對較弱，宜采用單晶硅太陽能電池。
　　（四）太陽能電池的主要性能特性
　　太陽能電池主要的性能指標包括：開路電壓Uoc、短路電流Isc、額定功率Wp、填滿常數(shù)FF和轉換效率η等。正確的選擇太陽能電池是工程質量和價格控制的關鍵，以下簡要介紹這幾個參數(shù)的計算方法和相互關系。
　　太陽能電池相當于具有與受光面平行的極薄P-N結的大面積的等效二極管，因此可以假設太陽能電池為一個二極管與太陽光電流發(fā)生源所并聯(lián)的等效電路。太陽能電池的等效電路和理想特征曲線如圖2-4-1所示。
　　1、光照下的P-N結電流方程
　　與熱平衡時比較，有光照時，P-N結內(nèi)將產(chǎn)生一個附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時
　　I=I0eqU/KT－(I0+Ip)
　　令Ip=SE，則I=I0eqU/KT－(I0+SE)
　　
　　圖2-4-1太陽能電池的理想狀態(tài)等效電路
　　2、開路電壓Uoc
　　光照下的P-N結外電路開路時（負載電阻為無窮大）P端對N端的電壓，即上述電流方程中I=0時的U值：
　　0=I0eqU/KT－(I0+SE)
　　Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)
　　3、短路電流Isc
　　光照下的P-N結，外電路短路時（回路負載電阻為零），從P端流出，經(jīng)過外電路，從N端流入的電流稱為短路電流Isc。
　　I=I0eqU/KT－(I0+Ip)式中U=0
　　Isc=SE=Ip（即短路電流＝光生電流）
　　Uoc與Isc是光照下P-N結的兩個重要參數(shù)，在一定溫度下，Uoc與光照度E成對數(shù)關系，但最大值不超過接觸電勢差UD。弱光照下，Isc與E有線性關系。
　　a)無光照時熱平衡態(tài)，NP型半導體有統(tǒng)一的費米能級，勢壘高度為qUD=EFN-EFP。
　　b)穩(wěn)定光照下P-N結外電路開路，由于光生載流子積累而出現(xiàn)光生電壓Uoc不再有統(tǒng)一費米能級，勢壘高度為q(UD-Uoc)。
　　c)穩(wěn)定光照下P-N結外電路短路，P-N結兩端無光生電壓，勢壘高度為qUD，光生電子空穴對被內(nèi)建電場分離后流入外電路形成短路電流。
　　d)有光照有負載，一部分光電流在負載上建立起電壓Uf，另一部分光電流被P-N結因正向偏壓引起的正向電流抵消，勢壘高度為q(UD-Uf)。
　　我們可以使用一個簡單方法測量Uoc與Isc參數(shù)近似值：在中午12點太陽光的情況下，將萬用表調至電壓檔，表筆正極接太陽能電池正極，表筆負極接太陽能電池負極，測開路電壓Uoc。將萬用表調至電流檔，表筆正極接太陽能電池正極，表筆負極接太陽能電池負極，測短路電流Isc。
　　4、填充因子FF
　　FF＝PMPP/（U0×Isc）其中
　　PMPP＝UMPP×IMPP而
　　UMPP≈（0.75～0.9）Uoc
　　IMPP≈（0.85～0.95）Isc
　　填充因子FF表示了最大功率輸出點所對應的矩形面積在Uoc和Isc組成的矩形面積中所占的百分比。合格效率的電池，填充因子FF值應在0.7～0.85之間。
　　5、轉換效率η
　　太陽能電池的轉換效率η即最大功率PMPP與正面所受到的太陽光照的功率AGG,g的百分比。
　　η＝PMPP/AGG,g×100％＝［Uoc×Isc×FF/（Pin×S）］×100％
　　其中：Pin是入射光的能量密度，S為太陽能電池的面積。當S是整個太陽能電池面積時，η稱為實際轉換效率；當S是指電池中的有效發(fā)電面積時，η稱為本征轉換效率。
　　三、太陽能路燈設計
　　設計實例
　　在桂林某小區(qū)內(nèi)設計一套太陽能步道燈，光源選用深圳星晨光電生產(chǎn)的20W白光（色溫7000k）LED，每天點燈10h，設計連續(xù)陰雨天6天，要求計算負載的用電量，太陽能電池的容量(輸出功率Wp值)和選用的蓄電池的容量。（桂林市年均輻射量95.7Kcal/cm2，蓄電池放電深度CC取0.7，LED光源工作電壓為直流18V。）
　　1、日耗電量、標準日照數(shù)Hs計算。
　　日耗電量＝20×10＝200(Wh／d)
　　Hs＝95.7×103×0.0116/365＝3.04（h）
　　2、太陽能電池組件選擇
　　設控制器和逆變器的綜合效率為0.8，總補償系數(shù)K取0.7，按8—1—4式即可算出太陽能電池容量為：
　　P＇s＝V×I×HL/（Hs×ηc×k）
　　＝200／（3.04×0.8×0.7）＝117.48(Wp)
　　可選用無錫佳潔科技生產(chǎn)的兩塊JJ-60D型太陽能電池組件并聯(lián),作為太陽能步道燈的光伏換能部件，JJ-60D型太陽能電池板的參數(shù)如表8-4-1所示。
　　表8-4-1JJ-60D型太陽能電池板主要技術參數(shù)
　　型號 最大功率Vmax(v) 最佳工作電壓Vm(v) 最佳工作電流Im(A) 開路電壓Voc(v) 短路電流Isc(A) 玻璃尺寸W*L*H(mm) 組件尺寸W*L*H(mm)
　　JJ-60D 60w 17.5 3.43 21.5 3.88 663*810 670*816*40
　　3、蓄電池選擇
　　LED光源的工作電流I按下式計算:
　　I=W/V=20/18=1.11（A）
　　負載日耗電量=I×HL=1.11×10=11.1（AH）
　　假設按六天連續(xù)陰雨天計算，則蓄電池放電天數(shù)d＝6＋1＝7（連續(xù)陰雨天加上前一個晚上蓄電池處于放電狀態(tài)）由8—2—2式可計算出蓄電池的容量為：
　　B=I×HL×d/CC=1.11×10×（6+1）／0.7＝111(Ah)
　　可選用深圳市今星光實業(yè)有限公司青島辦事處提供的SWE241500型膠體蓄電池（24V150AH）。
　　4、太陽能控制器選擇
　　（1）主要技術參數(shù)
　　太陽能控制器可選用深圳安和太威生產(chǎn)的AHW-DCRC101型控制器，主要技術參數(shù)表8-4-2所示：
　　表8-4-2AHW-DCRC101型太陽能控制器主要技術參數(shù)
　　技術指標 參數(shù) 備注
　　型號 AHW-DCRC101 
　　電壓 DC12V/24V 
　　最大組件電流 10A 
　　最大負載電流 10A 
　　工作溫度 -35℃至+50℃ 
　　接線端子 6mm2 
　　防護等級 IP22 
　　直充電壓 14.4V;×2/24V； 維持時間：10min
　　浮充電壓 13.4V;×2/24V； 維持時間：直至充電返回電壓動作
　　過放電壓 11.2V;×2/24V； 
　　充電返回電壓 13.2V 
　　
　　（2）結構框圖
　　
　　圖3-4-1AHW-DCRC101型太陽能控制器結構框圖
　　
　　
　　
　　參考文獻：
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