【文章內容簡介】 的大小也即電動勢的大小與電流是直接相關的，雖然電動勢是以“伏特”為單位來表示的，但其“實力”是由內部電流的強弱決定的，實踐中我們經(jīng)常能遇到這樣的情況，一節(jié)（塊）電池的電壓還很高，但是電流特別小，電壓再高也是虛的。那什么是電流呢？電流就是電子的定向移動?；芈分须娏鞯姆较蛴肋h與電子流動的方向相反。對太陽能電池來說，光生電流的方向就是“空穴”移動的方向，也就是電子流的反方向。光生電流決定了太陽能電池的發(fā)電效率，因此光電產品和光伏發(fā)電工程特別要注意光電池組件板的安裝角度。角度偏差一點，光生電流都會下降很多。光生電流的產生，表面上看是“空穴導電”形成的，但實質上還是電子的“定向填充空穴”形成的。那么“空穴移動”和電子“填充空穴”又是怎么回事呢？先看看太陽能電池的制作材料單晶硅的內部結構。單晶硅內部的分子結構是四價電子結晶形態(tài)。硅原子靠這四價電子相互間形成強勁有力的離子鍵從而即相互吸引、又相互排斥，所有的硅原子都形成有規(guī)則的排列，豎看成列，縱看成行，美麗而神奇。原子間的空格也叫晶格，是自由電子活動的空間。P型半導體就是在美麗的四價單晶硅中摻雜了三價的硼原子，結果，某一個硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因為硼原子周圍只有三個電子，必定有一對離子鍵因失配而呈現(xiàn)“空缺”（缺少單價電子相配），這就存在了一種不穩(wěn)定或者說不平衡的趨勢，“空穴”的形象化比喻由此而來，“空穴”時時表現(xiàn)出使晶格趨于穩(wěn)定的態(tài)勢。這就是P型半導體的特性。再說N型半導體。與P型半導體相類似，單晶硅在高溫高壓下形成結晶態(tài)之前，在純硅當中摻雜了五價的磷原子，結晶形成后，某一個磷原子吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文占據(jù)了硅原子的位置混在晶格中，結果必定有一價電子找不到配對、無家可歸因而成為不安定因素。N型半導體就形成了。現(xiàn)在要做一件好事，就是把P型半導體與N型半導體貼合在一起。結果在接觸面上就形成了很薄的半導體膜層，這個膜層被科學家稱為PN結，PN結是一個內建電場，具有單向導電性，即加上正向電場就導通，加上反向電場就截止。PN結是半導體器件技術和電子科學發(fā)展的關鍵基礎。目前實驗室內的PN結可以細微到納米級。這意味著超大規(guī)模集成電路的開發(fā)應用會來一次歷史性的飛躍，帶給我們的好處是最高檔的PC機可以制作得很輕、很薄、很小巧。太陽能電池的外表面——向陽的一面是富空穴的P型半導體，緊貼下面的就是富電子的N型半導體。在太陽光子的激發(fā)下，N區(qū)的自由電子異?；钴S，終于沖破PN結的阻擋，逐次開始填充P區(qū)中的空穴。有意思的是，這些空穴由下向上依次被電子填充，就好像空穴由上而下在悄悄移動。這就是“空穴的移動”，這個移動是虛擬移動，晶格中的每個原子都在各自的位置上紋絲不動，動的只是與正電荷相配對的電子而已。太陽能電池的電動勢由此而生。但是，空穴的虛擬移動和電子的實際定向移動還都只是帶有電荷的載流子向電池上下兩面的聚集，只能形成電動勢，還不能形成電流。要形成電流還得怎么樣？還要在電池的兩端加上導線使其構成回路才行。 控制器設計的理論基礎太陽能路燈控制器是太陽能路燈系統(tǒng)中最為重要的部件，也是各種路燈系統(tǒng)最大的區(qū)別所在?？梢哉f，光伏路燈系統(tǒng)的不同，其實質就是控制器的不同。其設計的好壞，決定了一個太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運行情況的優(yōu)劣。所以設計功能完備，結構簡單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。第三章 系統(tǒng)設計的理論分析 太陽能燈具中,一個性能良好的充電放電控制器是必不可少的。為了延長蓄電池的使用壽命,必須對它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過充電及深度充電。在溫差較大的地方,合格的控制器還應具備溫度補償功能。同時太陽能控制器應兼有路燈控制功能,具有光控、時控的功能,并應具備夜間自動切斷負載功能,便于陰雨天延長路燈工作時間?？刂颇K的基本思想是檢測太陽能電池板電壓，若白天到，封鎖控制電路，LED燈關閉；夜晚，太陽能電池板電壓較低，開啟控制電路，LED燈點亮。同時檢測蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對負載LED的供電方式?？刂破鹘Y構電路主要由充電電路、放電電路、單片機外圍電路和LED驅動電路等幾部分組成。太陽能控制器功能：；；。、蓄電池的反接保護；；：增加浮充功能，即恒壓控制。 蓄電池的充放電原理以鉛酸電池為例。所謂蓄電池即是貯存化學能量，于必要時放出電能的一種電氣化學設備。 鉛酸蓄電池充電后，正極板二氧化鉛（），在硫酸溶液中水分子的作用下，少量二氧化鉛與水生成可離解的不穩(wěn)定物質—氫氧化鉛（），氫氧根離子在溶液中，鉛離子（）留在正極板上，故正極板上缺少電子。鉛酸蓄電池充電后，負極板是鉛（），與電解液中的硫酸（）發(fā)生反應，變成鉛離子（），鉛離子轉移到電解液吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文中，負極板上留下多余的兩個電子（2e）?？梢?，在未接通外電路時（電池開路），由于化學作用，正極板上缺少電子，負極板上多余電子，如圖32所示，兩極板間就產生了一定的電位差，這就是電池的電動勢。圖32 鉛酸蓄電池電動勢產生原理其原理可通過下面的反應方程式來表示：負極： (31)正極： (32)總反應： (33) 1. 放電中的化學變化 蓄電池連接外部電路放電時，稀硫酸即會與陰、陽極板上的活性物質產生反應,生成新化合物“硫酸鉛”。經(jīng)由放電，硫酸成分從電解液中釋出，放電愈久，硫酸濃度愈稀薄。所消耗之成份與放電量成比例，只要測得電解液中的硫酸濃度，亦即測其比重，即可得知放電量或殘余電量。 2. 充電中的化學變化 由于放電時在陽極板，陰極板上所產生的硫酸鉛會在充電時被分解還第三章 系統(tǒng)設計的理論分析 原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此電池內電解液的濃度逐漸增加, 亦即電解液之比重上升，并逐漸回復到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質時，即等于充電結束，而陰極板就產生氫，陽極板則產生氧，充電到最后階段時，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會減少，此時應以純水補充。太陽能綜合供電系統(tǒng)中的蓄電池主要以浮充方式運行。一般來說，當有日照時，蓄電池與光伏陣列發(fā)電裝置并聯(lián)運行，此時蓄電池自放電或瞬間放電所損失的容量由浮充電流補足；在無日照時，則由蓄電池單獨向負載供電。當蓄電池組電量未飽和時，系統(tǒng)通過輸入變換單元對蓄電池組進行補充充電。隨著充電過程的進行，蓄電池組端電壓將逐漸上升，控制單元適時檢測蓄電池組的荷電狀態(tài)，當蓄電池組端電壓達到充電保護電壓時，充電過程終止。在浮充方式運行下的蓄電池，其充放電循環(huán)次數(shù)較少，自放電和瞬間放電后的電量能夠很快恢復，因此蓄電池的使用壽命可以得到延長。 蓄電池充電技術研究蓄電池的充電方法有很多種，如恒流充電、恒壓充電、恒壓限流充電、兩階段充電、三階段充電、快速充電、智能充電、均衡充電等方法 恒流充電恒流充電就是以一定的電流進行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進行電流調整使之恒定不變。這種方法特別適合于有多個蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復，最好用于小電流長時間的充電模式。吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文這種充電方式的不足之處是，蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個充電過程時間長，特別在充電后期，析出氣體多，對極板沖擊大，能耗高，其充電效率不足65%。為避免充電后期電流過大的缺點，一種改進型的恒流方法得到應用，它就是分段恒流充電，這種方法在充電后期把電流減小。具體充電電流的大小、充電時間以及何時轉換為小電流，必須參照蓄電池維護使用說明書中的有關規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。充電過程中電壓、電流變化關系如圖33所示。 圖33 恒流充電曲線 圖34 恒壓充電曲線 恒壓充電恒壓充電就是指以一恒定電壓對蓄電池進行充電。因此在充電初期由于蓄電池電壓較低，充電電流很大，但隨著蓄電池電壓的漸漸升高，電流逐漸減小。在充電末期只有很小的電流通過，這樣在充電過程中就不必調整電流。相對恒流充電來說，此法的充電電流自動減小，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低，充電效率可達80%，如充電電壓選擇適當，可在8小時內完成充電。此法的充電特性曲線如圖34所示，此法也有其不足之處：第三章 系統(tǒng)設計的理論分析 ① 在充電初期，如果蓄電池放電深度過深，充電電流會很大，不僅危及充電控制器的安全，而且蓄電池可能因過流而受到損傷。② 如果蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的電池組充電。③ 蓄電池端電壓的變化很難補償，充電過程中對落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方式，在光伏小系統(tǒng)中常采用，由于其充電電源來自太陽能陣列，其功率不足以使蓄電池產生很大的電流，所以在這樣的系統(tǒng)中蓄電池組串聯(lián)不多。 恒壓限流充電恒壓限流充電方式是為克服恒壓充電時初始電流過大而進行改進的一種方式。它是在充電電源與蓄電池之間串聯(lián)一限流電阻，當電流大時，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當電流小時，限流電阻上的電壓降也小，從而加到蓄電池上的電壓也增大，這樣就自動調整了充電電流，使之在某個限定范圍內，這樣在充電初期的電流就得到限制，雖然充電控制器輸出是恒壓，但加在蓄電池上的電壓不為恒壓，因此也稱這種方式為準恒壓方式。這種采用串電阻限流的方式對于光伏系統(tǒng)來說，肯定是不實用的，因為串聯(lián)電阻將消耗掉有限的電能。但如果采用其它非能耗限流方式，還是有其優(yōu)越性。 兩階段、三階段充電這種方式是以克服恒流與恒壓充電的缺點而結合的一種充電策略。它要求首先對蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達一定容量后，吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文然后采用恒壓方式進行充電。這樣蓄電池在初期充電不會出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產生析氣。其充電特性如圖35所示。在兩階段充電完畢，即蓄電池容量到達其額定容量(當時環(huán)境條件下)時，許多充電控制器允許對蓄電池繼續(xù)以小電流進行充電，以彌補蓄電池的自放電，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。這就是在兩階段基礎上的第三階段，但在這一階段的充電電壓要比恒壓階段的要低。如圖35的虛線段。圖35 兩階段、三階段充電曲線 快速充電正常充電方式蓄電池從0%到100%容量比，一般需要820小時，充電時間長。在某些場合需要縮短充電時間，但采用電流過大時蓄電池的溫度會升高過快，對蓄電池有損害，且電流利用率也下降?？焖俪潆娋褪遣捎么箅娏骱透唠妷簩π铍姵爻潆?，在12小時內把蓄電池充好，而且在這個過程中不會使蓄電池產生大量析氣和使蓄電池電解液溫度過高(一般在45℃以下)。這種方式解決不產生大量析氣和不使溫度升高過大的方法是采第三章 系統(tǒng)設計的理論分析 用不斷地脈沖充電和反向電流短時間放電相結合方法。短時反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過程中產生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時間。當然脈沖充電電流、持續(xù)時間和放電電流以及持續(xù)時間必須根據(jù)蓄電池的要求進行。 智能充電（馬斯）研究提出的蓄電池快速充電的一些基本規(guī)律為基礎。它是以最低析氣率為前提，找出蓄電池能夠接受的最大充電電流和可以接受的充電電流曲線。1967 年美國學者麥斯(J. A. Mas)經(jīng)過大量試驗提出了電池充電可接受電流定律，如式34 所示 (34)上式中：——電池可接受的充電電流；——開始充電(t=0)時電池可接受的最大充電電流；a——充電可接受電流衰減常數(shù)(接收率)，與電池的結構和狀態(tài)有關，a=I /C，其中I 為任意充電狀態(tài)下蓄電池可接受的充電電流，C 表示蓄電池的容量。由此可見，a 的數(shù)值越大則表示蓄電池的充電接受能力越強，其充電時間也就越短。電池在充電過程中其充電可接受電流按圖36所示，具有指數(shù)規(guī)律下降的可接受電流特性。當充電電流大于充電可接受電流時，即處在1 區(qū)域時則會導致部分電流消耗于電離電解液中的水，使電池電解液產生析氣反應；當充電電流在可接受電流曲線以下時，即處在2 區(qū)域時，不產生析氣，此時充入的電量幾乎都轉變?yōu)殡姵氐幕瘜W能量。在1 區(qū)域時，充電電流越大，電解水反應就越劇烈，并使電池內部的壓力增大、溫升加速，使得電池的充電效率下降，且很容易損害電池影響電池的使用壽命。吉林工程技術師范學院畢業(yè)論文圖36充電可接受電流曲線圖雖說按照圖36所示的特性曲線進行充電，可以使蓄電池的充電電流始終保持在可接受電流的附近，從而使蓄電池能得到快速充電，且對蓄電池影響較小。但是在光伏系統(tǒng)中因為充電電源本身并不是真正意義上的“無限電源”，而是來自太陽能光伏陣列這個“有限電源”，對蓄電池充電的同時還必須考慮電源電流的“來源”是否足夠。 LED的發(fā)光及驅動原理 發(fā)光原理發(fā)光二極體是一種將電流順向通到半導體PN結處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質結和量子阱結構。LED發(fā)光的原理如下：如圖37所示。PN結結電壓構成一定的勢壘；當加正向偏置時勢壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向對方擴散。由于電子遷移率μ比空穴遷移率大得多，出現(xiàn)大量電子向P區(qū)擴散，構成對P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價帶上的空穴復合，復合時得到的能量以光能的形式釋放。第三章 系統(tǒng)設計的理論分析 圖37 PN結發(fā)光的原理圖為了提高載流子注入效率，可以采用異質結（兩種不同材料的半導體相接觸所形成的界面區(qū)域）。圖38左圖表示未加偏置時的異質結能級圖，對電子和空穴具有不同高度的勢壘。右圖表示加正向偏置后，這兩個勢壘均減小。但空穴的勢壘小得多，而且空穴不斷從P區(qū)向n區(qū)擴散，得到較高的注入效率，N區(qū)的電子注入P區(qū)的速率卻較小。這樣n區(qū)的電子就越遷到價帶與注入的空穴復合，而發(fā)射出由n型半導體能隙所決定的輻射。由于p取得的能隙大，光輻射無法把點自己發(fā)到導帶，因此不發(fā)生光的吸收，從而可直接透射處發(fā)光二極管外，減少了光能的損失。發(fā)光二極管與半導體二極管同樣加正向電壓，但效果不同。發(fā)光二極管把注入的載流子轉變成光子，輻射出光。一般半導體二極管注入的載流子構成正向電流。應嚴格加以區(qū)別。