太陽能路燈的研究

1、太陽能應(yīng)用實驗講義（草地燈研究）一、引言 能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然氣等最主要能源的大量消耗，能源危機已成為世人關(guān)注的全球性問題。據(jù)估計，2015年后，廉價的石油供應(yīng)將開始減少，40年后石油將告罄，煤炭也只能供200年開采，天然氣到2060年也將枯竭。同時，人們對環(huán)境保護正日益重視，世界各國都在積極地研究和開發(fā)其他各種清潔能源，可以預(yù)計，21世紀人類將進入新型能源時代。 太陽給人們帶來光和熱，它一年內(nèi)投射到地球上的輻射能相當于地球上一年所消耗的各種能量的3萬倍，按核聚變理論計算，太陽的輻射能可持續(xù)1億年，太陽能幾乎是一種取之不盡、用之不竭的能源。為了利用太陽能，早在1954年人們

2、就已研制成功了硅太陽能電池，但當時由于代價太高而只能用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船。經(jīng)過人們幾十年的努力，太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率不斷提高，成本卻逐漸降低，從而促使硅太陽能電池進入到民用領(lǐng)域，并獲得廣泛應(yīng)用。太陽能是一種清潔能源、綠色能源，在由太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿倪^程中，不會產(chǎn)生廢料、廢氣、噪聲、煙塵，也不會對水、空氣和地面產(chǎn)生任何污染；在使用過程中安全可靠；維護方便，規(guī)模大小可根據(jù)需要而定。因此世界各國都十分重視對太陽能的利用。二、實驗?zāi)康?. 通過對太陽能草地燈原理的分析、電路組裝及測試（充電、放電電流、電壓），了解太陽能充電器的原理。2.了解太陽能電池的主要工作特性（通過實驗主要了解伏安特性、光譜特性

3、、光照特性、溫度特性和方向特性）。三、原理1.硅太陽能電池的工作原理 用單晶硅或多晶硅做材料，直接將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾姵亟泄杼柲茈姵?，它的基本材料是一片超薄P型單晶硅，厚度一般在0.4mm以下，上面為N型受光層，在基體和受光層之間形成PN結(jié)，在受光層上覆蓋著一層天藍色氧化硅膜，使入射光的有效吸收率達90以上。硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換機理是光生伏特效應(yīng)，具體說來，就是硅光電池中的PN結(jié)受到光照射時，如果光子能量hv大于禁帶寬度Eg時，在勢壘區(qū)中就會產(chǎn)生電子空穴對，電子空穴對在內(nèi)建電場的作用下，空穴和電子分別漂移并聚集在P區(qū)和N區(qū)。另外，由于光子的激發(fā)，P區(qū)產(chǎn)生的電子空穴對中的空穴和N區(qū)產(chǎn)生的電

4、子空穴對中的電子受內(nèi)建電場的作用，不能進入勢壘區(qū)，而P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴，如果能擴散到勢壘區(qū)，則會受到內(nèi)建電場的作用，分別聚集到結(jié)兩側(cè)的N區(qū)和P區(qū)，這樣在P區(qū)和N區(qū)就分別聚集了空穴和電子，分別帶上正電和負電，因而產(chǎn)生電動勢。如果用導(dǎo)線和負載連結(jié)起來，就能產(chǎn)生電流和輸出功率，成為光電池。2. 硅太陽能電池的主要參數(shù) (1)光電轉(zhuǎn)換效率 =popi （1）其中po為光電池的輸出功率，pi為入射在光電池上的光功率。目前硅太陽能電池產(chǎn)品的轉(zhuǎn)換效率可達15左右，已有多種太陽電池可達20以上，特殊的甚至可超過30。從材料、結(jié)構(gòu)和特性等方面不斷改進，提高轉(zhuǎn)換效率是主要的追求目標。 (2)硅太陽能電池的

5、光譜響應(yīng) 圖1 硅太陽能電池光譜響應(yīng)曲線 圖2 硅太陽能電池光電伏安特性曲線太陽光的光譜范圍主要是在300nm3000nm之間，不同波長范圍，光能量不同。在高空、地面或太陽位于不同的角度，其光譜也有所不同。為了充分利用太陽能，硅太陽能電池的光譜特性一定要盡量接近太陽光譜，這就要從材料、結(jié)構(gòu)、結(jié)深、表面光學性能、厚度等各方面進行研究。圖1是用于空間的對短波比較靈敏的薄型空間硅太陽能電池的光譜響應(yīng)曲線。(3)光照伏安特性曲線伏安特性曲線是判斷太陽能電池性能的重要參數(shù)，圖2是Si np空間電池的光電伏安特性曲線，圖中Pmax點是輸出功率最大值。為了獲得最大輸出功率，就必須選用最佳負載，與此相適應(yīng)就要

6、有最佳工作電壓Vm和最佳工作電流Im。為了反映硅太陽能電池輸出功率的能力，定義曲線因子(或填充因子)F·F為： （2） 式(2)中：Isc和Voc分別為短路電流和開路電壓，好的光電池的F·F通常在80左右。硅太陽能電池的輸出受溫度影響較大，類似于硅光電池，但抗輻射性能好。 3.太陽能電源的基本組成圖3太陽能電源的基本組成 太陽能電源的基本組成分為：太陽能電池方陣、蓄電池、調(diào)節(jié)控制裝置和負載，如圖3所示。其中二極管D是為了防止蓄電池中的電流倒流。傳統(tǒng)的蓄電池鉛酸蓄電池已逐漸被鎳鎘電池、鎳氫電池、鋰電池所代替。 太陽能電池方陣輸出功率的大小主要取決氣象條件：年日照時數(shù)、陰雨天數(shù)

7、、使用地點的緯度、海拔高度、氣溫、濕度和風沙等情況，另外還需考慮用電的特點、所需電壓和電流的大小、是否連續(xù)用電等，上述因素在設(shè)計和估算太陽能電源的參數(shù)時必須充分考慮。 太陽能電池輸出電壓Uo的估算公式為： Uo=U1+U2+U3 (3)圖4 太陽能草地燈電路圖 式(3)中：U1為蓄電池的浮充電壓，它與所選用的蓄電池種類有關(guān)。對于一般負載，每個堿性鎳鎘電池為1.4V(額定電壓為1.25V)，每個低放電鉛酸蓄電池為2.35V(額定電壓為2V)。U2為線路損耗壓降，主要是防反二極管壓降。對于鍺二極管正向壓降一般取0.3V-0.5V，硅二極管取0.5V0.7V。U3為由于太陽能電池溫度升高而引起的輸出

8、電壓的下降值。4. 太陽能草地燈線路（如圖4所示），四、儀器性能指標表1 SWG-56太陽能應(yīng)用實驗儀技術(shù)指標n項 目性 能1太陽能電池面積6×6cm2，電壓3.65V，電流85mA，功率0.3W，傾斜角可調(diào)。2控制箱22×16 cm2，0.53kg，允許最大電流100mA3負載高亮度發(fā)光二極管4蓄電池可配：2×1.2V，700mAh Ni-MH、Ni-Cd或2×1.5V堿性電池5變阻器0-10k6光源40W升降臺燈7工作環(huán)境操作溫度 0-60 相對濕度 20%-85%五、實驗要求圖5 伏安特性測繪電路圖1. 太陽能電池光照伏安特性曲線測繪按圖5連接測繪

9、電路，調(diào)節(jié)變阻器R，記錄測繪在臺燈照明下草地燈太陽能電池的伏安特性曲線，確定最佳負載、最佳工作電壓Vm和最佳工作電流Im、光電池的曲線因子F·F。(注意數(shù)字萬用表讀數(shù)時，直接讀數(shù)字，加上該檔的單位即可)2. 近似測出在一定光照條件下（光譜特性、光照特性、溫度特性和方向特性）太陽能電池板的開路電壓和短路電流的數(shù)值（利用數(shù)字萬用表電壓檔內(nèi)阻很大和電流檔內(nèi)阻很小的特點，用數(shù)字萬用表電壓檔及電流檔直接測量太陽能電池）。表2 太陽能電池板特性數(shù)據(jù)記錄表（參考）光照條件開路電壓（V）短路電流（mA）室內(nèi)日光燈白熾燈（垂直方向15cm）白熾燈（垂直15cm、光電池板用黑紙擋掉一半）白熾燈（45度角

10、入射）白熾燈（5cm近距離）白熾燈（5cm近距離加熱2min）3. 分析實驗室提供的太陽能草地燈工作原理（線路如圖4所示），組裝并研究測試其性能的方法。表3 太陽能草地燈電路特性數(shù)據(jù)記錄表（參考）測試點太陽能電池照明情況無光（用黑紙擋光）室內(nèi)日光燈臺燈（垂直方向15cm）臺燈（用黑紙擋住一半）S+對地電壓（V）在S+點串聯(lián)測量太陽能電池電流（mA）B+對地電壓（V）在B+點串聯(lián)測量充電電池電流（mA）(地為公共端，本例中為電池負極)4. 請分析實驗數(shù)據(jù)的意義。5. 假設(shè)已知面積lcm2的硅光電池在500lx光照條件下開路電壓為0.48V，短路電流為lOmA。如果要設(shè)計一個12V、15W的太陽能路燈，請問需要什么樣的蓄電池（Ah）和多大面積的太陽能電池，才能保證該路燈在白天充電，而整個晚上點亮？(提示: 充電電流一般是充電電