太陽能驅(qū)動的電光源研究

李響 田明 王冠 張鵬 王蕊

長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022

太陽能驅(qū)動的電光源研究

李響 田明 王冠 張鵬 王蕊

長春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長春 130022

本文主要介紹了目前太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽能電池單元可通過使用透鏡將光聚集到狹小的面積上來提高發(fā)電效率。選擇大功率發(fā)光二極管（LED）器件為核心的半導(dǎo)體照明，研究提高光通量的方法。

光伏發(fā)電；透鏡；LED；光通量

在我國能源供需平衡中，可再生能源已經(jīng)具有重要地位。而太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。太陽能發(fā)電有著十分廣闊的前景。太陽能驅(qū)動的電光源的研究是很有意義的。

1 太陽能電池

1.1 太陽能電池原理

太陽能電池主要由半導(dǎo)體硅制成。半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間。在半導(dǎo)體上照射光后，由于其吸收光能會激發(fā)出電子和空穴（正電荷），從而半導(dǎo)體中有電流流過，這可稱為“光發(fā)電效應(yīng)”或簡稱“光伏效應(yīng)”。

下面就硅晶體做成的半導(dǎo)體加以說明。眾所周知，摻有磷雜質(zhì)的硅含有多余電子，稱為N型半導(dǎo)體；摻有硼雜質(zhì)的硅含有多余正電荷，稱為P型半導(dǎo)體。若將兩者結(jié)合，稱為PN結(jié)，這就是半導(dǎo)體器件的最基本結(jié)構(gòu)。太陽能電池同樣是利用了PN結(jié)的光伏效應(yīng)。

在PN結(jié)中，P型半導(dǎo)體的電子受到拉力，N型半導(dǎo)體的正電荷受到拉力，在結(jié)合處形成正負(fù)抵消的區(qū)域，形成阻擋層。此時，若有光照射，則激發(fā)電子自由運動流向N型半導(dǎo)體；正電荷則集結(jié)于P型半導(dǎo)體，從而產(chǎn)生了電位勢。如外接燈泡（負(fù)荷），就有電流流動。

1.2 太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率

與交流發(fā)電技術(shù)相比，最重要的方面是輸送每千瓦時的電力的能源成本。對于光伏發(fā)電，能源成本主要依賴于兩個參數(shù)：光伏能量轉(zhuǎn)換效率和每瓦容量的投資費用。總之，這兩個參數(shù)標(biāo)志了光伏電能的經(jīng)濟競爭力。

光伏電池的轉(zhuǎn)換效率按下式求出：

圖1 LED控制器工作原理圖

光伏電池研發(fā)的主要目標(biāo)是提高轉(zhuǎn)換效率和其他性能參數(shù)，以減少商業(yè)太陽電池和組件的成本。次要目標(biāo)是顯著提高產(chǎn)能，同時減少能源消耗和制造成本，減少雜質(zhì)和缺陷。

2 太陽能聚光器

采用太陽能聚光系統(tǒng)，作用是通過聚光器件把較大面積的光聚集在較小面積的太陽能電池板上，使單位時間內(nèi)到達單位面積的太陽光增大，從而提高太陽能電池發(fā)電量。通過比較，系統(tǒng)采用菲涅爾透鏡作為聚光器件。

在本系統(tǒng)中的菲涅爾透鏡主要起聚光作用。實驗測試采用對比法，即在同一光強下條件下，對比無菲涅爾透鏡和有菲涅爾透鏡，太陽能電池的開路壓、短路流。通過實驗數(shù)據(jù)可以看出，聚光系統(tǒng)在測試中起到了一定作用。

3 LED發(fā)光系統(tǒng)

3.1 LED控制原理

由LED單管特性可知，LED需要恒流驅(qū)動，方案為了使設(shè)計的電路的耗能將可能減少，把LED控制器和太陽能控制器合二為一。

其作為LED控制器特點為：采用貼片電容設(shè)計使產(chǎn)品壽命更長;高精度可調(diào)的恒定輸出電流，保證LED恒定的工作電流；采用高效，低耗的PWM的DC/DC控制芯片設(shè)計更加環(huán)保和節(jié)能。

經(jīng)過試驗比較設(shè)計由兩個太陽能電池串聯(lián)構(gòu)成一個供電系統(tǒng)。設(shè)計把10個1W的LED分成十組，每組由一個LED控制器控制，再把這十個小組并聯(lián)在太陽能供電系統(tǒng)的輸出端上。

這種設(shè)計的優(yōu)點：便于恒流控制；隨著太陽光強的變化，具有通過開關(guān)控制LED發(fā)光個數(shù)來獲得較強的光通量的功能；太陽能控制器和LED控制器結(jié)合減少了能耗，使發(fā)光系統(tǒng)獲得更多的能量，控制器工作原理如下圖1。

3.2 LED光通量

光通量是衡量LED的重要技術(shù)指標(biāo)之一。通過LED的電流對LED的光通量有著極大的關(guān)系。在一定程度上，可以用通過LED的電流來衡量其發(fā)光效率的高低。同時由于LED兩端的電壓降保持不變，這就決定了不能用電壓衡量發(fā)光效率，只能用通過LED電流來衡量其光通量的大小。

4 實驗原理與分析

兩塊電池片串聯(lián)。由于兩塊電池片串聯(lián)不能驅(qū)動LED故加載控制器后驅(qū)動一個LED。

對于其中一組測試數(shù)據(jù)如表1所示。

最大功率為P=0.148016W，能量利用率為25.49%。

綜上可知，由能量利用率的高低來確定使用的方案。在相同的條件下，兩個電池片通過控制器驅(qū)動一個LED能量率達到最大。

5 結(jié)語

通過本項目研究，提出了利用聚光系統(tǒng)對太陽能電池聚光及利用電流衡量LED發(fā)光效率的實驗方法，解決了在弱光下太陽能電池輸出功率低的難題和LED發(fā)光效率測試難題。利用聚光系統(tǒng)，使用弱光積聚為強光，提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換率，從而提高太陽能電池的輸出功率。在達到驅(qū)動電壓的條件下，通過LED電流的大小能決定LED發(fā)光效率的高低問題。

[1]吳仲陽.自動控制原理.內(nèi)蒙古科學(xué)技術(shù)出版社，1998

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表1 電流電壓功率表

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.005