《太阳能路灯的研究》

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1、太阳能应用实验讲义 （草地灯研究）一、引言能源的重要性人人皆知，由于煤、石油、天然气等最主要能源的大量消耗，能源危 机已成为世人关注的全球性问题。据估计，2015年后，廉价的石油供应将开始减少，40 年后石油将告罄，煤炭也只能供 200年开采，天然气到2060年也将枯竭。同时，人们 对环境保护正日益重视，世界各国都在积极地研究和开发其他各种活洁能源，可以预计，21世纪人类将进入新型能源时代。太阳给人们带来光和热，它一年内投射到地球上的辐射能相当于地球上一年所消耗 的各种能量的3万倍，按核聚变理论计算，太阳的辐射能可持续 1亿年，太阳能几乎是 一种取之不尽、用之不竭的能源。为了利用太阳能，早在

2、1954年人们就已研制成功了 硅太阳能电池，但当时由于代价太高而只能用于人造卫星和宇宙飞船。经过人们几十年 的努力，太阳能电池的转换效率不断提高，成本却逐渐降低，从而促使硅太阳能电池进 入到民用领域，并获得广泛应用。太阳能是一种活洁能源、绿色能源，在由太阳能转变为电能的过程中，不会产生废 料、废气、噪声、烟尘，也不会对水、空气和地面产生任何污染；在使用过程中安全可 靠；维护方便，规模大小可根据需要而定。因此世界各国都十分重视对太阳能的利用。二、实验目的1. 通过对太阳能草地灯原理的分析、电路组装及测试（充电、放电电流、电压） ，了解 太阳能充电器的原理。2. 了解太阳能电池的主要工作特性（通过

3、实验主要了解伏安特性、 光谱特性、光照特性、 温度特性和方向特性）。三、原理1. 硅太阳能电池的工作原理用单晶硅或多晶硅做材料，直接将太阳能转变为电能的电池叫硅太阳能电池，它的 基本材料是一片超薄P型单晶硅，厚度一般在0.4mm以下，上面为N型受光层，在基体 和受光层之间形成PN结，在受光层上覆盖着一层天蓝色氧化硅膜，使入射光的有效吸 收率达90%以上。硅太阳能电池的光电转换机理是光生伏特效应， 具体说来，就是硅光 电池中的PN结受到光照射时，如果光子能量 hv大于禁带宽度Eg时，在势垒区中就会 产生电子一空穴对，电子一空穴对在内建电场的作用下，空穴和电子分别漂移并聚集在 P区和N区。另外，由

4、于光子的激发，P区产生的电子一空穴对中的空穴和 N区产生的 电子一空穴对中的电子受内建电场的作用，不能进入势垒区，而P区中的电子和N区中的空穴，如果能扩散到势垒区，贝U会受到内建电场的作用，分别聚集到结两侧的N区和P区，这样在P区和N区就分别聚集了空穴和电子，分别带上正电和负电，因而产生电 动势。如果用导线和负载连结起来，就能产生电流和输出功率，成为光电池。2. 硅太阳能电池的主要参数（1） 光电转换效率T =Po/ Pi（1）其中Po为光电池的输出功率，Pi为入射在光电池上的光功率。目前硅太阳能电池产 品的转换效率可达 15%左右，已有多种太阳电池可达 20%以上，特殊的甚至可超过 30%。

5、从材料、结构和特性等方面不断改进，提高转换效率是主要的追求目标。硅太阳能电池的光谱响应太阳光的光谱范围主要是在 300nm3000nm之间，不同波长范围，光能量不同。在 高空、地面或太阳位丁不同的角度，其光谱也有所不同。为了充分利用太阳能，硅太阳 能电池的光谱特性一定要尽量接近太阳光谱，这就要从材料、结构、结深、表面光学性 能、厚度等各方面进行研究。图1是用丁空间的对短波比较灵敏的薄型空间硅太阳能电 池的光谱响应曲线。0.6 0.5An -04 0.3矽020J图1硅太阳能电池光谱响应曲线图2硅太阳能电池光电伏安特性曲线(3)光照伏安特性曲线伏安特性曲线是判断太阳能电池性能的重要参数，图2是S

6、i n /p空间电池的光电伏安特性曲线，图中Pmax点是输出功率最大值。为了获得最大输出功率，就必须选用最 佳负载，与此相适应就要有最佳工作电压 V和最佳工作电流Im。为了反映硅太阳能电池 输出功率的能力，定义曲线因子(或填充因子)F F为：1 mVm1 SCVOC3.太阳能电源的基本组成太阳能电源的基本组成分为：太阳能电池方阵、式中：Isc和Voc分别为短路电流和开路电压，好的光电池的 F - F通常在80% 左右。硅太阳能电池的输出受温度影响较大，类似丁硅光电池，但抗辐射性能好。蓄电池、调节控制装置和负载，如 图3所示。其中二极管D是为了防止 蓄电池中的电流倒流。传统的蓄电池 铅酸蓄电池已

7、逐渐被锐镉电池、 锐氢电池、锂电池所代替。太阳能电池方阵输出功率的大小 主要取决气象条件：年日照时数、阴 雨天数、使用地点的纬度、海拔高度、 气温、湿度和风沙等情况，另外还需 考虑用电的特点、所需电压和电流的 大小、是否连续用电等，上述因素在 设计和估算太阳能电源的参数时必须充分考虑。太阳能电池输出电压Uo的估算公式为：Uo=U1+U2+U3式（3）中：U为蓄电池的浮充电压， 它与所选用的蓄电池种类有关。对丁一 股负载，每个碱性锐镉电池为1.4V（额定电压为1.25V）,每个低放电铅酸蓄电 池为2.35V（额定电压为2V）。L2为线路 损耗压降，主要是防反二极管压降。对 丁错二极管正向压降一般

8、取0.3V-0.5V , 硅二极管取0.5V0.7V。13为由丁太阳 能电池温度升高而引起的输出电压的下 降值。4. 太阳能草地灯线路（如图4所示），四、仪器性能指标表1 SWG-56太阳能应用实验仪技术指标n项目性能1太阳能电池面积6X6cm2,电压3.65V，电流85mA，功率0.3W,倾斜角可调。2控制箱22X 16 cm2, 0.53kg,允许最大电流 100mA3负载局皆度发光一极官4蓄电池可配：2X 1.2V, 700mAh Ni-MH Ni-Cd 或 2X 1.5V 碱性电池5变阻器0-10k Q6光源40W升降台灯7工作环境操作温度 0C -60 C 相对湿度20%-85%五、

9、实验要求1. 太阳能电池光照伏安特性曲线测绘按图5连接测绘电路，调节变阻器 R,记录测 绘在台灯照明下草地灯太阳能电池的伏安特性曲 线，确定最佳负载、最佳工作电压 Vm和最佳工作 电流I m、光电池的曲线因子F - F（注意数字万用表读数时，直接读数字，加上该档的单位即可）2. 近似测出在一定光照条件下（光谱特性、光照特性、温度特性和方向特性）太阳能电池板的开路电压和短路电流的数值（利用数字万 用表电压档内阻很大和电流档内阻很小的特点， 用数字万用表电压档及电流档直接测量 太阳能电池）。表2太阳能电池板特性数据记录表（参考）光照条件开路电压（V）短路电流（mA室内日光灯白炽灯（垂直方向15cm

10、）白炽灯（垂直15cm、光电池板用黑 纸挡掉一半）白炽灯（45度角入射）白炽灯（5cm近距离）白炽灯（5cm近距离加热2min）3.分析实验室提供的太阳能草地灯工作原理 （线路如图4所示），组装并研究测试其性 能的方法。表3太阳能草地灯电路特性数据记录表（参考）测试着太阳能电池照明情况无光（用黑纸挡光）室内日光灯台灯（垂直方向15cm）台灯（用黑纸挡 住一半）S+对地电压（V）在S+点串联测里太 阳能电池电流（mA）B+对地电压（V）在B+点串联测量 充电电池电流（mA）（地为公共端，本例中为电池负极）4. 请分析实验数据的意义。5. 假设已知面积lcm2的硅光电池在500lx光照条件下开路电压为 0.48V,短路电流为lOmA如果要设计一个12V、15W的太阳能路灯，请问需要什么样的蓄电池（Ah）和 多大面积的太阳能电池，才能保证该路灯在白天充电，而整个晚上点亮？（提示：充电电流一般是充电电池容量除以10h）.六、注意事项1. 硅光电池薄而脆，容易损坏，表面也容易沾污，实验时应注意爱护。2. 搞活万用表各档及插孔的使用方法，如果万用表只显示1,说明已溢出，请换一档高量3. 蓄电池千万不能短路。如果长期得不到充电，充电电池电能会耗尽，此时需对电池 进行恢复性充电或更换电池。4. 实验结束必须拆散电路，整理好仪器。