【正文】 路燈以太陽光為能源，且無需鋪設(shè)復(fù)雜、昂貴的管線，安全節(jié)能無污染，工作全程采用自動(dòng)控制，無需人工操作，工作穩(wěn)定可靠，節(jié)省能源，免維護(hù)，太陽能路燈的實(shí)用性已充分得到人們的認(rèn)可。太陽能路燈系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)小型的獨(dú)立光伏系統(tǒng)，一般由太陽能電池組、蓄電池、控制器和燈具組成，系統(tǒng)構(gòu)成如下圖21所示。 圖21 太陽能路燈系統(tǒng)的典犁結(jié)構(gòu)在典型的太陽能路燈系統(tǒng)中，太陽能電池是整個(gè)系統(tǒng)能源的來源，它把照射到其表面的太陽能轉(zhuǎn)化為電能；蓄電池的功能在于儲(chǔ)存太陽能電池陣列受光照時(shí)所發(fā)出的電能，并在無光照時(shí)向負(fù)載供電：燈具一般都采用白光LED，更是體現(xiàn)了“綠色照明”的環(huán)保概念；控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部件之一，其運(yùn)行狀態(tài)決定著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)在控制器的管理下運(yùn)行。[7] 太陽能電池太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光能通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的最基本組成單元，是整個(gè)系統(tǒng)的能量源泉。太陽能電池作為有潛力的可再生能源，多年來其產(chǎn)量一直以每年10﹪到25﹪的增長率在增加，目前主要應(yīng)用領(lǐng)域包括航空航天、軍事以及民用消費(fèi)品等[8]。 太陽能電池基本工作原理光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體材料光伏效應(yīng)直接將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電形式。早在1839年，法國科學(xué)家貝克勒爾就發(fā)現(xiàn)光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)( Photovoltaic Effect) ”，簡稱“光伏效應(yīng)”。然而，第一個(gè)實(shí)用單晶硅光伏電池(Solar Cell) 直到1954年才在美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功，從此誕生了太陽能轉(zhuǎn)換為電能的實(shí)用光伏發(fā)電技術(shù)[4]。物質(zhì)根據(jù)導(dǎo)電性分為：導(dǎo)體，半導(dǎo)體和絕緣體。從物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來講，物質(zhì)的導(dǎo)電性是由電子運(yùn)動(dòng)引起的。太陽電池是利用半導(dǎo)體內(nèi)部的光電效應(yīng)，當(dāng)太陽光照射到一種稱為“PN 結(jié)”的半導(dǎo)體上時(shí)，波長極短的光很容易被半導(dǎo)體內(nèi)部吸收，并去碰撞硅原子中的“價(jià)電子”使“價(jià)電子”獲得能量變成自由電子而逸出晶格，從而產(chǎn)生電子流動(dòng)[9]。其具體過程為[10]：平衡態(tài)時(shí)PN結(jié)處存在著由N區(qū)指向P區(qū)的勢壘電場。當(dāng)具有適當(dāng)能量的光子入射于半導(dǎo)體時(shí)，光子激發(fā)半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生電子一空穴對，勢壘電勢就會(huì)推動(dòng)電子向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，空穴向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，并分別聚集于兩個(gè)電極部分。N區(qū)積累了過剩的電子，P區(qū)積累了過剩的空穴，于是就產(chǎn)生了一個(gè)與勢壘電場方向相反的光生電動(dòng)勢，這就是“光生伏打效應(yīng)”。如果將此PN結(jié)兩端與外部負(fù)載相連構(gòu)成回路，就會(huì)形成電流并產(chǎn)生一定的輸出功率。 太陽能電池的分類及比較太陽能電池技術(shù)是太陽能發(fā)電技術(shù)的主要組成部分。太陽能電池主要有以下幾種類型：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等[6]。它們的具體比較如下[11]：（1）晶體硅片電池 晶體硅片電池被稱為第一代太陽能電池。純硅含有極少量的諸如硼和磷之類的元素。這些元素分別形成空穴型半導(dǎo)體和電子型半導(dǎo)體，而這兩種半導(dǎo)體一旦接觸將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)置電場。正是因?yàn)檫@種電場的存在，半導(dǎo)體裝置就會(huì)釋放出大量電子，電子通過晶體硅片電池將光能轉(zhuǎn)換成電能。單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它的轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23﹪，而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池，其效率為15﹪，硅電池進(jìn)展的重要原因之一是表面鈍化技術(shù)的提高。此外 倒金字塔技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)以及陷光理論的完善也是高效晶硅電池發(fā)展的主要原因。多晶硅太陽能電池與單晶硅比較，由于所使用的硅遠(yuǎn)比單晶硅少，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯(cuò)位的明顯缺陷，造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換率一直無法突破20﹪的關(guān)口， 低于單晶硅電池。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室以往的最高轉(zhuǎn)換效率為18﹪，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10﹪。[12]（2）薄膜型太陽電池 第二代太陽能電池是繼晶體硅片電池之后發(fā)展起來的薄膜型太陽電池，主要有硅基薄膜型太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜型太陽電池、染料敏化太陽電池等，若按襯底分，其又分為硬襯底和柔性襯底兩大類薄膜型太陽電池。與晶體硅片電池相比，薄膜型太陽電池的特點(diǎn)在于它所采用的半導(dǎo)體層更薄。晶體硅片電池的半導(dǎo)體層厚度為170～200μm，而薄膜型太陽電池的半導(dǎo)體層厚度為2～3μm。此外，隨著薄膜光伏技術(shù)的快速發(fā)展，也呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，除微晶體硅薄膜技術(shù)處于發(fā)展中外，其他如碲化鎘電池(CdTe) 、銅銦鎵錫(CIGS)電池等技術(shù)也在逐步發(fā)展起來，并且開始步入商業(yè)化。（3）高效多結(jié)電池 第二代太陽電池的另一種類型是高效多結(jié)電池，其主要采用《元素周期表》中第三價(jià)和第五價(jià)元素的化合物。這種多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)為：從底至上，分別為鍺、磷化銦、砷化鎵三層結(jié)構(gòu)。高效多結(jié)電池的這種結(jié)構(gòu)，可使光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到40﹪。但因第三價(jià)和第五價(jià)元素的材料生產(chǎn)成本居高不下，所以高效多結(jié)電池的應(yīng)用范圍受到較大限制。（4）第三代太陽能電池 目前，科學(xué)家們正致力于第三代太陽能電池的研發(fā)和探索。一種趨向是研發(fā)轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽能電池，但會(huì)大幅度增加生產(chǎn)成本。目前太陽能電池轉(zhuǎn)換效率處于領(lǐng)先水平的磷化銦、砷化鎵多結(jié)電池也只有40. 8﹪。另一種趨向是研發(fā)生產(chǎn)成本較低的電池，雖然降低了生產(chǎn)成本，但其太陽能電池轉(zhuǎn)換效率也較低。比如:染料敏化電池，這種電池的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率僅為10﹪，但其制作材料簡單，生產(chǎn)成本低廉。再一種趨向是研發(fā)包括以量子點(diǎn)為基礎(chǔ)的高效電池、有機(jī)電池等，但這類電池的研發(fā)目前還處于概念性階段。量子點(diǎn)，又稱納米晶、“人造原子”，是準(zhǔn)零維的納米材料，由少量原子組成，其粒徑一般介于1～10μm。預(yù)期采用納米技術(shù)的這種材料，在21 世紀(jì)有著極大的應(yīng)用前景。 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型（1）理論數(shù)學(xué)模型 理想光伏電池的等效電路可用一個(gè)二極管和電流源并聯(lián)的等效電路來表示。但實(shí)際上，光伏電池內(nèi)部存在串聯(lián)電阻和分流電阻，圖22所示為實(shí)際光伏電池的等效電路模型。 圖22 太陽能電池等效電路由圖中各物理量的關(guān)系，可得光伏電池的輸出特性方程為 (21)式中 ——光伏電池輸出電流； ——光伏電池的光生電流； V——光伏電池輸出電壓； ——光伏電池反向飽和電流； ——光伏電池的內(nèi)阻； ——光伏電池的并聯(lián)電阻； T——光伏電池溫度； K——玻爾茲曼常數(shù)，值為J/K； q——電荷量，值為C；n——二極管因子。以上是光伏電池的理論模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽能電池的理論分析中，但式（21）中參數(shù)，，和n難以確定，且不是廠家提供的技術(shù)參數(shù)，不便于工程的分析應(yīng)用。（2）工程數(shù)學(xué)模型 為便于工程的分析和應(yīng)用，文獻(xiàn)[13,29]提出了一種可以滿足絕大多數(shù)工程項(xiàng)目要求的工程用數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)學(xué)模型僅采用太陽能電池生產(chǎn)廠商提供的幾個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)測試條件(日照強(qiáng)度w/㎡，電池溫度=25℃)下的重要參數(shù)：短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓。為建立工程用模型，在式（21）的基礎(chǔ)上做了兩個(gè)近似：（1）由于非常大，所以忽略項(xiàng)。（2）遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮瑁约僭O(shè)?；谝陨霞僭O(shè)，光伏電池IV方程簡化為： (22) (23) (24)當(dāng)日照強(qiáng)度和電池溫度均有變化時(shí)，重新計(jì)算，，然后求出，即可得新的IV特性： (25) (26) (27) (28) (29)式中 ——任意的環(huán)境溫度； K——太陽能電池陣列溫度系數(shù)，℃㎡/Ｗ； T——光伏電池板溫度； S——光照強(qiáng)度； ——實(shí)際日照強(qiáng)度與參考日照強(qiáng)度的差值； ——實(shí)際電池溫度與參考電池溫度的差值； ——日照強(qiáng)度S下太陽能電池的開路電壓； ——日照強(qiáng)度為S和電池溫度為T時(shí)太陽能電池的短路電流； ——照強(qiáng)度為S和電池溫度為T時(shí)太陽能電池的最大功率點(diǎn)電流； ——日照強(qiáng)度為S和電池溫度為T時(shí)太陽能電池的最大功率點(diǎn)電壓；a，b，c為常值，其典型值為：a=℃，b=，c=℃以上為光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型。 太陽能電池的基本特性根據(jù)太陽能電池的工程數(shù)學(xué)模型本文建立了太陽能電池陣列的matlab仿真模型，對本課題選用的太陽能電池進(jìn)行了仿真，下圖為光伏電池仿真模型。圖23 光伏陣列仿真模型根據(jù)圖23的仿真模型建立了在不同光照強(qiáng)度下或不同溫度下太陽能電池輸出的IU和PU曲線。圖2圖25是太陽能電池陣列在溫度為25℃時(shí)，日照強(qiáng)度分別為1000W/㎡、900W/㎡、800W/㎡下表現(xiàn)出的IU和PU特性。圖2圖27是太陽能電池陣列在日照強(qiáng)度為1000W/㎡時(shí)，溫度分別為25℃、45℃、65℃情況下表現(xiàn)出來的IU和PU特性。由曲線可以看出太陽能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)：（1）太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時(shí)近似為恒壓源；（2）開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強(qiáng)度成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化；（3）輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽能電池板的最大功率點(diǎn)（MPP）且隨著外界環(huán)境的變化而變化。圖24 不同光照條件下IU曲線 圖25 不同光照條件下PU曲線圖26 不同溫度條件下IU曲線 圖27 不同溫度條件下PU曲線 蓄電池由于太陽能電池并不是一個(gè)理想的電源，其輸出特性受光照強(qiáng)度和光線頻譜等因素影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅(qū)動(dòng)用電裝置，而需要將太陽能電池先存儲(chǔ)在蓄電池中，然后通過蓄電池為用電裝置供電。蓄電池作為整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源，它是整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。 光伏發(fā)電對蓄電池的基本要求（1）高瓦時(shí)效率 由于太陽電池發(fā)電成本比較高，所以蓄電池的充電、放電效率，是太陽能光伏發(fā)電儲(chǔ)能蓄電池最重要、最基本的技術(shù)指標(biāo)，但是又是被絕大多數(shù)蓄電池生產(chǎn)企業(yè)所忽視的技術(shù)指標(biāo)。蓄電池的效率分為電壓效率、安時(shí)效率和瓦時(shí)效率，前2項(xiàng)是蓄電池市場所關(guān)注的，對于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)我們最關(guān)心的是瓦時(shí)效率，這是因?yàn)樘柲芄夥l(fā)電的成本比較高，我們不希望光伏發(fā)電的電能在存儲(chǔ)過程中損失掉，這對于提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率非常重要。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大的能量損失在于蓄電池，遺憾的是幾乎沒有一個(gè)蓄電池廠家關(guān)注這個(gè)問題。普通蓄電池的瓦時(shí)效率是隨使用時(shí)間而變化的，新的鉛酸蓄電池的瓦時(shí)效率可以達(dá)到90% ，舊的鉛酸蓄電池瓦時(shí)效率只有90%；再者，蓄電池的瓦時(shí)效率是指25℃條件下的效率，當(dāng)環(huán)境溫度在零下或者40℃以上時(shí)實(shí)際效率要下降許多，蓄電池的效率往往不被大家注意，其實(shí)它對于獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)非常重要。（2）蓄電池應(yīng)該有比較平坦的充電特性曲線 對于小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，對MPP（最大輸出功率點(diǎn)）的跟蹤，絕大多數(shù)情況是依靠蓄電池對太陽電池組件工作點(diǎn)的鉗位，如果蓄電池的充電特性曲線比較平坦，將有效提高太陽電池的利用效率。即使對于有MPPT（最大輸出功率點(diǎn)跟蹤）的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)或者是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于有了比較平坦的充電特性曲線，MPPT里面的DC/DC變換器的電壓差可以做到最小，所以跟蹤效率將有所提高。（3）太陽能光伏系統(tǒng)中蓄電池放電深度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)過放電的情況，因此電池要求有較強(qiáng)的過放電后的容量恢復(fù)性能，要求蓄電池100%放電到0 V，擱置120 h 后，充電可恢復(fù)到實(shí)際容量的95%以上。（4）充電放電循環(huán)次數(shù)多 充電放電循環(huán)次數(shù)多，實(shí)際上的表現(xiàn)為使用壽命長，這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。當(dāng)然，這里還涉及放電深度問題、使用環(huán)境溫度問題、充放電倍率問題；單體電池串聯(lián)、并聯(lián)的平衡問題等；它們雖然重要，但是目前還不是最重要的問題，許多企業(yè)僅僅在上面某個(gè)指標(biāo)上有所突破，就標(biāo)稱太陽能光伏蓄電池，是極其不妥的。（5）不污染環(huán)境 如果蓄電池在充電、放電過程中或者廢棄回收過程中污染了環(huán)境，這種蓄電池就悖于太陽能光伏發(fā)電綠色環(huán)保的初衷，抵消了太陽電池的節(jié)能減排效果；在這方面物理法儲(chǔ)能有獨(dú)特的優(yōu)勢。（6）性價(jià)比高 除了以上5個(gè)要求以外，性價(jià)比要高，過高的價(jià)格是沒有市場競爭力的。量化的概念是：存儲(chǔ)1kWh 電能的價(jià)格，它的高低將直接體現(xiàn)出蓄電池的價(jià)格和使用壽命。[14] 蓄電池種類現(xiàn)在在太陽能光伏系統(tǒng)中常用的蓄電池有：鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池。目前中國用于光伏發(fā)電站系統(tǒng)的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳鎘電池，大多數(shù)是鉛酸蓄電池。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)使用鎳鎘或鎳氫蓄電池情況比較多，鋰電池由于成本以及對充放電控制要求較高的原因，目前在太陽能光伏系統(tǒng)中應(yīng)用還很少。鑒于鉛酸蓄電池容量大、價(jià)格低、自放電率低、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長、基本免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能元件。 鉛酸蓄電池工作原理（1）充電過程 鉛酸蓄電池屬于電化學(xué)電池，其以海綿狀Pb作負(fù)極，作正極，硫酸作電解液。充電時(shí)，在蓄電池正、負(fù)極柱上外接充電電源，使正、負(fù)極板上經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來。在充電電流的作用下，水分子被分解為氫離子(H+)和氫氧離子(OH一)。H+在外電場作用下向負(fù)極板遷移，OH一向正極板遷移，同時(shí)正負(fù)極板上的硫酸亦發(fā)生分解，即： (210)正極板上的在外電場的作用下釋放出電子而形成。與正極板附近的OH一發(fā)牛反應(yīng)而生成。被分解成：