摘要：本文主要對光伏路燈的構(gòu)造、光電原理和設(shè)計應(yīng)用進行介紹。其中，光伏路燈的構(gòu)造只作一般性介紹，重點是光電原理和設(shè)計應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞：太陽能；路燈；設(shè)計應(yīng)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(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會”的要求，建設(shè)部也提出了推進城市綠色照明工作的具體目標(biāo)。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(shù)的高科技產(chǎn)品，在城市道路照明中有著很好的應(yīng)用前景。據(jù)專家測算，若裝置3kWp的光伏路燈，則相當(dāng)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(gòu)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(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程通常叫做“光生伏特效應(yīng)”，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(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的特殊物質(zhì)，半導(dǎo)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(zhuǎn)動。當(dāng)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(dǎo)體中，自由電子和空穴的數(shù)目是相等的。如果在半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體，以符號N代表。若把這兩種半導(dǎo)體結(jié)合，交界面便形成一個P－N結(jié)。
　　當(dāng)N型和P型兩種不同型號的半導(dǎo)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(dāng)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(yīng)”。如在電池兩端接上負載，則被結(jié)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(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)換效率高，但生產(chǎn)工藝復(fù)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(zhuǎn)換效率不及單晶。設(shè)計太陽能光伏路燈時，應(yīng)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(biāo)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(zhuǎn)換效率η等。正確的選擇太陽能電池是工程質(zhì)量和價格控制的關(guān)鍵，以下簡要介紹這幾個參數(shù)的計算方法和相互關(guān)系。
　　太陽能電池相當(dāng)于具有與受光面平行的極薄P-N結(jié)的大面積的等效二極管，因此可以假設(shè)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(jié)電流方程
　　與熱平衡時比較，有光照時，P-N結(jié)內(nèi)將產(chǎn)生一個附加電流（光電流）Ip，其方向與P-N結(jié)反向飽和電流I0相同，一般Ip≥I0。此時
　　I=I0eqU/KT－(I0+Ip)
　　令I(lǐng)p=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(jié)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(jié)，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(jié)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(guān)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(guān)系。
　　a)無光照時熱平衡態(tài)，NP型半導(dǎo)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(jié)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(jié)外電路短路，P-N結(jié)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(jié)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(diào)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(diào)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(yīng)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(yīng)在0.7～0.85之間。
　　5、轉(zhuǎn)換效率η
　　太陽能電池的轉(zhuǎn)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(dāng)S是整個太陽能電池面積時，η稱為實際轉(zhuǎn)換效率；當(dāng)S是指電池中的有效發(fā)電面積時，η稱為本征轉(zhuǎn)換效率。
　　三、太陽能路燈設(shè)計
　　設(shè)計實例
　　在桂林某小區(qū)內(nèi)設(shè)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(shù)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(shè)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(shù)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(shù)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(shù)參數(shù)
　　技術(shù)指標(biāo) 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(jié)構(gòu)框圖
　　
　　圖3-4-1AHW-DCRC101型太陽能控制器結(jié)構(gòu)框圖
　　
　　
　　
　　參考文獻：
　　[1]（日）照明學(xué)會編，李農(nóng)、楊燕譯.照明手冊（原書第二版）.科學(xué)出版社.2005。
　　[2]王長貴，王淳，董路影，葉東嶸，毛和璜，高紀(jì)凡.小型新能源和可再生能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)與管理.中國電力出版社.2004。
　　[3]王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社.2005。
　　[4]車孝軒.太陽能光伏系統(tǒng)概論.武漢大學(xué)出版社.2006。
　　[5]柳穎捷.光伏技術(shù)與建筑構(gòu)造.希萌太陽能光伏發(fā)電專業(yè)網(wǎng)站。