太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的電光源研究

李響 田明 王冠 張鵬 王蕊

長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022

太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的電光源研究

李響 田明 王冠 張鵬 王蕊

長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022

本文主要介紹了目前太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)能電池單元可通過(guò)使用透鏡將光聚集到狹小的面積上來(lái)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(guó)能源供需平衡中，可再生能源已經(jīng)具有重要地位。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用是光伏系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。太陽(yáng)能發(fā)電有著十分廣闊的前景。太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的電光源的研究是很有意義的。

1 太陽(yáng)能電池

1.1 太陽(yáng)能電池原理

太陽(yáng)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(huì)激發(fā)出電子和空穴（正電荷），從而半導(dǎo)體中有電流流過(guò)，這可稱為“光發(fā)電效應(yīng)”或簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。

下面就硅晶體做成的半導(dǎo)體加以說(shuō)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(yáng)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(shí)，若有光照射，則激發(fā)電子自由運(yùn)動(dòng)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(shì)。如外接燈泡（負(fù)荷），就有電流流動(dòng)。

1.2 太陽(yáng)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(shí)的電力的能源成本。對(duì)于光伏發(fā)電，能源成本主要依賴于兩個(gè)參數(shù)：光伏能量轉(zhuǎn)換效率和每瓦容量的投資費(fèi)用?？傊?，這兩個(gè)參數(shù)標(biāo)志了光伏電能的經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)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(yáng)電池和組件的成本。次要目標(biāo)是顯著提高產(chǎn)能，同時(shí)減少能源消耗和制造成本，減少雜質(zhì)和缺陷。

2 太陽(yáng)能聚光器

采用太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)，作用是通過(guò)聚光器件把較大面積的光聚集在較小面積的太陽(yáng)能電池板上，使單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)單位面積的太陽(yáng)光增大，從而提高太陽(yáng)能電池發(fā)電量。通過(guò)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(shí)驗(yàn)測(cè)試采用對(duì)比法，即在同一光強(qiáng)下條件下，對(duì)比無(wú)菲涅爾透鏡和有菲涅爾透鏡，太陽(yáng)能電池的開路壓、短路流。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，聚光系統(tǒng)在測(cè)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(dòng)，方案為了使設(shè)計(jì)的電路的耗能將可能減少，把LED控制器和太陽(yáng)能控制器合二為一。

其作為L(zhǎng)ED控制器特點(diǎn)為：采用貼片電容設(shè)計(jì)使產(chǎn)品壽命更長(zhǎng);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(jì)更加環(huán)保和節(jié)能。

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)比較設(shè)計(jì)由兩個(gè)太陽(yáng)能電池串聯(lián)構(gòu)成一個(gè)供電系統(tǒng)。設(shè)計(jì)把10個(gè)1W的LED分成十組，每組由一個(gè)LED控制器控制，再把這十個(gè)小組并聯(lián)在太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的輸出端上。

這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：便于恒流控制；隨著太陽(yáng)光強(qiáng)的變化，具有通過(guò)開關(guān)控制LED發(fā)光個(gè)數(shù)來(lái)獲得較強(qiáng)的光通量的功能；太陽(yáng)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(guò)LED的電流對(duì)LED的光通量有著極大的關(guān)系。在一定程度上，可以用通過(guò)LED的電流來(lái)衡量其發(fā)光效率的高低。同時(shí)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(guò)LED電流來(lái)衡量其光通量的大小。

4 實(shí)驗(yàn)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(dòng)LED故加載控制器后驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED。

對(duì)于其中一組測(cè)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(lái)確定使用的方案。在相同的條件下，兩個(gè)電池片通過(guò)控制器驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED能量率達(dá)到最大。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本項(xiàng)目研究，提出了利用聚光系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能電池聚光及利用電流衡量LED發(fā)光效率的實(shí)驗(yàn)方法，解決了在弱光下太陽(yáng)能電池輸出功率低的難題和LED發(fā)光效率測(cè)試難題。利用聚光系統(tǒng)，使用弱光積聚為強(qiáng)光，提高太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換率，從而提高太陽(yáng)能電池的輸出功率。在達(dá)到驅(qū)動(dòng)電壓的條件下，通過(guò)LED電流的大小能決定LED發(fā)光效率的高低問(wèn)題。

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

[2]李安定.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程.北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001

[3]周志敏，周紀(jì)海，紀(jì)愛(ài)華.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用.人民郵電出版社，2006

[4]李志航，高鐵成.LED道路照明光源的散熱與配光應(yīng)用.電氣技術(shù)，2008

[5]周志敏，紀(jì)愛(ài)華.太陽(yáng)能LED路燈設(shè)計(jì)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2009

表1 電流電壓功率表

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.19.005