太阳能光伏路灯应用技术初探

　　摘要：本文主要对光伏路灯的构造、光电原理和设计应用进行介绍。其中，光伏路灯的构造只作一般性介绍，重点是光电原理和设计应用。
　　关键词：太阳能；路灯；设计应用
　　绪论
　　地球上的能源日益匮乏，污染日益严重。十七大报告中提出了“建设资源节约型、环境友好型社会”的要求，建设部也提出了推进城市绿色照明工作的具体目标。光伏路灯是集合了光伏发电、电子镇流器、高效光源和节能灯具等先进技术的高科技产品，在城市道路照明中有着很好的应用前景。据专家测算，若装置3kWp的光伏路灯，则相当于3000平方公尺森林（6个网球场）的绿化效果。
　　一、光伏路灯的构造
　　光伏路灯的基本部件包括太阳能电池板、蓄电池、控制器、光源、灯具等。工作原理如图1-1-1所示。
　　
　　图1-1-1
　　二、光伏发电
　　（一）太阳能电池工作原理
　　太阳能电池是利用光电转换原理使太阳的辐射光通过半导体物质转变为电能的一种器件，这种光电转换过程通常叫做“光生伏特效应”，因此太阳能电池又称为“光伏电池”。常规太阳能电池简单装置如图2-1-1所示。
　　
　　图2-1-1
　　用于太阳能电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，半导体的原子由带正电的原子核和带负电的电子组成，电子按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴”。
　　在纯净的半导体中，自由电子和空穴的数目是相等的。如果在半导体中掺入能够俘获电子的硼、镓等元素，它就成了空穴型半导体，通常用符号P表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就成了电子型半导体，以符号N代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个P－N结。
　　当N型和P型两种不同型号的半导体材料接触后，由于扩散和漂移作用，在界面处形成由P型指向N型的内建电场。当光照在太阳电池的表面后，能量大于禁带宽度的光子便激发出电子和空穴对，这些非平衡的少数载流子在内电场的作用下分离开，在电池的上下两极累积，使P区带正电，N区带负电，于是在N区与P区之间产生了光生伏打电动势，即所谓的“光生伏打效应”。如在电池两端接上负载，则被结所分开的电子和空穴，通过太阳电池表面的栅线汇集，流经负载，在外电路产生光生电流。
　　（三）太阳能电池材料种类
　　太阳能电池的种类很多，按制作材料不同大致可分为硅、多化合物和纳米及有机物三类。目前，商业用途的太阳能电池大都以硅（si）为主要原料，晶体硅（单晶硅和多晶硅）由于具有稳定性好、转换效率高、使用年限长和所发电力与电压范围广的优点，被广泛应用于发电厂、充电系统、道路照明系统及交通号志系统等工程。
　　单晶硅电池比较稳定，转换效率高，但生产工艺复杂，价格较高。多晶硅电池生产工艺相对简单，性价比高，但转换效率不及单晶。设计太阳能光伏路灯时，应根据具体情况进行选择。在我国的东西部地区，由于阳光充足日照好，可选单晶或多晶硅太阳能电池；在南方地区，由于阴雨天多日照相对较弱，宜采用单晶硅太阳能电池。
　　（四）太阳能电池的主要性能特性
　　太阳能电池主要的性能指标包括：开路电压Uoc、短路电流Isc、额定功率Wp、填满常数FF和转换效率η等。正确的选择太阳能电池是工程质量和价格控制的关键，以下简要介绍这几个参数的计算方法和相互关系。
　　太阳能电池相当于具有与受光面平行的极薄P-N结的大面积的等效二极管，因此可以假设太阳能电池为一个二极管与太阳光电流发生源所并联的等效电路。太阳能电池的等效电路和理想特征曲线如图2-4-1所示。
　　1、光照下的P-N结电流方程
　　与热平衡时比较，有光照时，P-N结内将产生一个附加电流（光电流）Ip，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同，一般Ip≥I0。此时
　　I=I0eqU/KT－(I0+Ip)
　　令Ip=SE，则I=I0eqU/KT－(I0+SE)
　　
　　图2-4-1太阳能电池的理想状态等效电路
　　2、开路电压Uoc
　　光照下的P-N结外电路开路时（负载电阻为无穷大）P端对N端的电压，即上述电流方程中I=0时的U值：
　　0=I0eqU/KT－(I0+SE)
　　Uoc=(KT/q)ln(SE+I0)/I0≈(KT/q)ln(SE/I0)
　　3、短路电流Isc
　　光照下的P-N结，外电路短路时（回路负载电阻为零），从P端流出，经过外电路，从N端流入的电流称为短路电流Isc。
　　I=I0eqU/KT－(I0+Ip)式中U=0
　　Isc=SE=Ip（即短路电流＝光生电流）
　　Uoc与Isc是光照下P-N结的两个重要参数，在一定温度下，Uoc与光照度E成对数关系，但最大值不超过接触电势差UD。弱光照下，Isc与E有线性关系。
　　a)无光照时热平衡态，NP型半导体有统一的费米能级，势垒高度为qUD=EFN-EFP。
　　b)稳定光照下P-N结外电路开路，由于光生载流子积累而出现光生电压Uoc不再有统一费米能级，势垒高度为q(UD-Uoc)。
　　c)稳定光照下P-N结外电路短路，P-N结两端无光生电压，势垒高度为qUD，光生电子空穴对被内建电场分离后流入外电路形成短路电流。
　　d)有光照有负载，一部分光电流在负载上建立起电压Uf，另一部分光电流被P-N结因正向偏压引起的正向电流抵消，势垒高度为q(UD-Uf)。
　　我们可以使用一个简单方法测量Uoc与Isc参数近似值：在中午12点太阳光的情况下，将万用表调至电压档，表笔正极接太阳能电池正极，表笔负极接太阳能电池负极，测开路电压Uoc。将万用表调至电流档，表笔正极接太阳能电池正极，表笔负极接太阳能电池负极，测短路电流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表示了最大功率输出点所对应的矩形面积在Uoc和Isc组成的矩形面积中所占的百分比。合格效率的电池，填充因子FF值应在0.7～0.85之间。
　　5、转换效率η
　　太阳能电池的转换效率η即最大功率PMPP与正面所受到的太阳光照的功率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为太阳能电池的面积。当S是整个太阳能电池面积时，η称为实际转换效率；当S是指电池中的有效发电面积时，η称为本征转换效率。
　　三、太阳能路灯设计
　　设计实例
　　在桂林某小区内设计一套太阳能步道灯，光源选用深圳星晨光电生产的20W白光（色温7000k）LED，每天点灯10h，设计连续阴雨天6天，要求计算负载的用电量，太阳能电池的容量(输出功率Wp值)和选用的蓄电池的容量。（桂林市年均辐射量95.7Kcal/cm2，蓄电池放电深度CC取0.7，LED光源工作电压为直流18V。）
　　1、日耗电量、标准日照数Hs计算。
　　日耗电量＝20×10＝200(Wh／d)
　　Hs＝95.7×103×0.0116/365＝3.04（h）
　　2、太阳能电池组件选择
　　设控制器和逆变器的综合效率为0.8，总补偿系数K取0.7，按8—1—4式即可算出太阳能电池容量为：
　　P＇s＝V×I×HL/（Hs×ηc×k）
　　＝200／（3.04×0.8×0.7）＝117.48(Wp)
　　可选用无锡佳洁科技生产的两块JJ-60D型太阳能电池组件并联,作为太阳能步道灯的光伏换能部件，JJ-60D型太阳能电池板的参数如表8-4-1所示。
　　表8-4-1JJ-60D型太阳能电池板主要技术参数
　　型号 最大功率Vmax(v) 最佳工作电压Vm(v) 最佳工作电流Im(A) 开路电压Voc(v) 短路电流Isc(A) 玻璃尺寸W*L*H(mm) 组件尺寸W*L*H(mm)
　　JJ-60D 60w 17.5 3.43 21.5 3.88 663*810 670*816*40
　　3、蓄电池选择
　　LED光源的工作电流I按下式计算:
　　I=W/V=20/18=1.11（A）
　　负载日耗电量=I×HL=1.11×10=11.1（AH）
　　假设按六天连续阴雨天计算，则蓄电池放电天数d＝6＋1＝7（连续阴雨天加上前一个晚上蓄电池处于放电状态）由8—2—2式可计算出蓄电池的容量为：
　　B=I×HL×d/CC=1.11×10×（6+1）／0.7＝111(Ah)
　　可选用深圳市今星光实业有限公司青岛办事处提供的SWE241500型胶体蓄电池（24V150AH）。
　　4、太阳能控制器选择
　　（1）主要技术参数
　　太阳能控制器可选用深圳安和太威生产的AHW-DCRC101型控制器，主要技术参数表8-4-2所示：
　　表8-4-2AHW-DCRC101型太阳能控制器主要技术参数
　　技术指标 参数 备注
　　型号 AHW-DCRC101 
　　电压 DC12V/24V 
　　最大组件电流 10A 
　　最大负载电流 10A 
　　工作温度 -35℃至+50℃ 
　　接线端子 6mm2 
　　防护等级 IP22 
　　直充电压 14.4V;×2/24V； 维持时间：10min
　　浮充电压 13.4V;×2/24V； 维持时间：直至充电返回电压动作
　　过放电压 11.2V;×2/24V； 
　　充电返回电压 13.2V 
　　
　　（2）结构框图
　　
　　图3-4-1AHW-DCRC101型太阳能控制器结构框图
　　
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]（日）照明学会编，李农、杨燕译.照明手册（原书第二版）.科学出版社.2005。
　　[2]王长贵，王淳，董路影，叶东嵘，毛和璜，高纪凡.小型新能源和可再生能源发电系统建设与管理.中国电力出版社.2004。
　　[3]王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术.化学工业出版社.2005。
　　[4]车孝轩.太阳能光伏系统概论.武汉大学出版社.2006。
　　[5]柳颖捷.光伏技术与建筑构造.希萌太阳能光伏发电专业网站。