关键词 城市照明太阳能 光伏发电 应用技术
地球上的能源日益匮乏，污染日益严重。城市道路照明每年都要消耗大量的电能，电能的消耗又会加剧能源危机和环境污染问题。是否有一种路灯可以不用“电”就能亮呢？有，那就是太阳能光伏路灯。
光伏路灯使用太阳能工作，太阳能是一种“取之不尽，用之不竭”的清洁型能源。据专家测算，每年到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×1013千亿吨，是世界已探明能源储量的一万倍。这样的能量供应可以持续约六百万年。太阳能对环境友好，没有污染。以PV（太阳光电）为例，每KW的PV每年可减少9公斤氧化硫（SOx）、16公斤氧化亚氮（NOx）及2300公斤二氧化碳（CO2）排放（相较于矿物能源）。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。
光伏路灯的构造如图1所示，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2所示。
1 、p 层为基体材料， 称为基区层， 厚度0.2～0.5mm。P型半导体又称空穴型半导体，产生空穴。
2、n层为扩散层，是在同一块材料的表面层用掺杂扩散方法制得，厚度为0.2～0.5μm。由于它通常是重掺杂的，故常标记为为n+。扩散层接受光照，产生自由电子，所以扩散层处于电池的正面即光照面。
3、p层和n层的交界面处是p-n结。p-n结是太阳能电池的核心。
p-n结的工作过程如下：
（1）由于电子和空穴的浓度差产生扩散运动。
（2）p-n结积累电荷，形成内建电场。内建电场产生漂移运动，方向与扩散运动相反。
（3）扩散运动能量大于漂移运动能量，空间电荷区增厚，内建电场增强。
（4）扩散运动和漂移运动达到动态平衡，产生p-n结电势差即势垒高度。
4、上电极由金属母线和栅线组成，栅线由母线连接。栅线宽约0.2mm，母线宽约0.5mm，具体视电池面积大小而定。上电极与扩散层形成欧姆接触，引出电能，是电池负极。
5、下电极与基体形成欧姆接触，引出电能，是电池负极。
6、在电池的光照面有一层减反射膜，其功能是减少入射光反射，提高电池效率。
（二）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5所示。
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时，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。如表所示。
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、道路照明系统交通信号系统等工程。
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、短路电池Isc、额定功能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6所示。
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)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=0Isc=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点太阳光的情况一下，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，测短路电流Isc。
4、填充因子FFFF=PMPP/(U0×ISC)式中：PMPP=UMPP×IMPPUMPP≈(0.75～0.9)UOCIMPP≈(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组成的矩形面积在Uoc和Isc组成的矩形面积中所占的百分比，如图7所示。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。
6、影响太阳能电池转换效率的其他因素（1）光强。AM（Air Mass）为1时（表示太阳在正上方，恰好是赤道上海拔为0米处正南中午时的垂直入射光），光强值为1000W/m2；AM为1.5和2时（分别指天顶角为48度和60度时的太阳光），光强值为1000W/m2和750W/m2。太阳能电池的特性曲线（cSi）详见图8所示。
（2）温度。温度特性也是太阳能电池的一个重要指标，对于大部分太阳能电池，随着温度上升，短路电流上升，开路电压减小，转换效率降低。
（五）太阳能电池组件单个太阳能板的面积小， 所以电压（ 0 . 4 5 ～ 0 . 7 V ） 、功率也小， 而且硅片薄（0.2～0.3mm）、脆，不能适应恶劣环境使用要求，因而在实际使用中需要把单体太阳能电池单元（UnitSolar cell）进行串、并联，并加以封装，引出外接线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件（Solar Module或PV Module，也称光伏组件）。
按照用户的不同要求，光伏组件的输出功率可以设计为从零点几到几百瓦不等。如果还有更高的功率要求，可将多个光伏组件互联拼装成太阳能电池阵列（Solar Array或PV Array，也称光伏阵列）。光伏阵列的输出功率可设计为从数瓦到数十千瓦不等。
5.1 组件的封装结构图9为太阳能电池组件封装结构剖面图。
实用的太阳能电池组件还要配备边框、接线盒等，如图10所示。
太阳能组件的封装目的是保护太阳能电池不受外 力破坏和化学腐蚀，提供高可靠性、强有力的功率输出。封装的材料必须具有优良的光学特性和化学稳定性，不能对电池的发电效率有较大影响和对环境造成二次污染。组件的封装结构、封装材料和封装工艺与组件的工作寿命、可靠性和成本，有着密切的关系。
设计寿命十年的组件，很可能因为封装工艺不过关，五年内就会出现严重的质量问题，影响组件的正常使用。
5.2 组件的电气连结（1）太阳能电池组件的电气连结太阳能电池组件使用串联的方式提升输出电压，使用并联的方式提升输出电流，串、并联交替使用以获得理想的直流输出电压或电流值。
太阳能电池组件有纵联横并和横联纵并两种不同的电气连结方式，如图11所示。图中为同样64块太阳能电池组件分别用4并8串方式组成阵列，（a）纵联横并，（b）横联纵并。可以看到，当遇到有局部阴影时，（a）中连接的总线电压下降，输出电流也大幅下降，系统可能无法正常工作；而（b）中连接的总线电压可保持不变，虽然少了一组电流，但系统却能正常工作。
（a）纵联横并；（b）横联纵并在将太阳能电池组件进行串并联组装成阵列时，应特别注意以下几点：
1、串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管。
2、并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路串接阻塞二极管。
3、尽量考虑组件互联接线最短的原则。
4、要严格防止个别性能变坏的太阳能电池组件混入太阳能电池阵列。
（2）太阳能电池组件的保护一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。
被遮蔽的太阳电池组件相对于其他组件，就变成了高阻抗负载，此时，所有的电压都会全部落在这些组件上造成组件发热，这就是热斑效应。热斑效应严重损坏太阳能电池。为防止多组件连接时产生热斑效应，应在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁路二极管（Bypass diode），如图12所示，以避免光照组件所产生的能量被受遮蔽的组件所消耗。
该二极管的作用是当电池片出现热斑效应不能发电时，提供一个能量散逸的低阻抗路径，起旁路作用，让其它电池片所产生的电流从二极管流出，使太阳能发电系统继续发电，不会因为某一电池片出现问题而产生发电电路不通的情况。
日照充足时，太阳能电池输出电压高于蓄电池电压，对蓄电池组充电，太阳能电池工作正常，夜晚和日照不足时，其输出电压将低于蓄电池电压，此时如蓄电池组放电，因为太阳能电池的二极管特性，电流将会从蓄电池倒流入太阳能电池，造成损坏。因此，要在太阳能电池与蓄电池组之间加入一阻塞二极管（Blocking Diode），加以保护，如图12所示。
阻塞二极管在顺向偏压时会有压降产生，影响电池效能，提高发电成本。图13所示为三种阻塞二极管的顺向特性。
选择阻塞二极管应遵循以下原则：①充电电压低时，选压降小的肖特基（Schottky）二极管；②充电电压高时，可选低成本的硅二极管；③Ge二极管虽然压降小，但逆电流大，应避免使用。
此外，太阳能电池还应注意防雷保护，并应经常进行表面清洁，以避免污物附着而引起热斑效应。
（六）太阳能发电站光伏电站系统是采用光伏系统发电，提供交流电输出，可与交流电网并行的发电系统。它用多个光伏阵列进行串并联，组合成与电网等级相同的电压等级，经逆变器将直流变为交流电，再与电网连结。
光伏电站系统采用集中供电方式，简化了电力传输、电能存储、信号检测和自动控制等问题，为路灯双回路供电、太阳能光伏路灯与原有路灯的并网运行、太阳能光伏路灯的遥控遥测等问题提供了解决方案。
离网型光伏电站系统又被称为独立型太阳光电系统（Stand-Alone），广泛应用于高山、海岛、草原和沙漠等边远地区。独立型太阳光电系统为路灯节能、路灯救灾应急系统、城市夜景照明用电等问题提供了解决方案。
