【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的大小也即電動(dòng)勢(shì)的大小與電流是直接相關(guān)的，雖然電動(dòng)勢(shì)是以“伏特”為單位來表示的，但其“實(shí)力”是由內(nèi)部電流的強(qiáng)弱決定的，實(shí)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(dòng)。回路中電流的方向永遠(yuǎn)與電子流動(dòng)的方向相反。對(duì)太陽能電池來說，光生電流的方向就是“空穴”移動(dòng)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(chǎn)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(diǎn)，光生電流都會(huì)下降很多。光生電流的產(chǎn)生，表面上看是“空穴導(dǎo)電”形成的，但實(shí)質(zhì)上還是電子的“定向填充空穴”形成的。那么“空穴移動(dòng)”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(nèi)部結(jié)構(gòu)。單晶硅內(nèi)部的分子結(jié)構(gòu)是四價(jià)電子結(jié)晶形態(tài)。硅原子靠這四價(jià)電子相互間形成強(qiáng)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(dòng)的空間。P型半導(dǎo)體就是在美麗的四價(jià)單晶硅中摻雜了三價(jià)的硼原子，結(jié)果，某一個(gè)硼原子取代了硅原子，混在晶格中，但因?yàn)榕鹪又車挥腥齻€(gè)電子，必定有一對(duì)離子鍵因失配而呈現(xiàn)“空缺”（缺少單價(jià)電子相配），這就存在了一種不穩(wěn)定或者說不平衡的趨勢(shì)，“空穴”的形象化比喻由此而來，“空穴”時(shí)時(shí)表現(xiàn)出使晶格趨于穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)。這就是P型半導(dǎo)體的特性。再說N型半導(dǎo)體。與P型半導(dǎo)體相類似，單晶硅在高溫高壓下形成結(jié)晶態(tài)之前，在純硅當(dāng)中摻雜了五價(jià)的磷原子，結(jié)晶形成后，某一個(gè)磷原子吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文占據(jù)了硅原子的位置混在晶格中，結(jié)果必定有一價(jià)電子找不到配對(duì)、無家可歸因而成為不安定因素。N型半導(dǎo)體就形成了?，F(xiàn)在要做一件好事，就是把P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體貼合在一起。結(jié)果在接觸面上就形成了很薄的半導(dǎo)體膜層，這個(gè)膜層被科學(xué)家稱為PN結(jié)，PN結(jié)是一個(gè)內(nèi)建電場(chǎng)，具有單向?qū)щ娦裕醇由险螂妶?chǎng)就導(dǎo)通，加上反向電場(chǎng)就截止。PN結(jié)是半導(dǎo)體器件技術(shù)和電子科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)。目前實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的PN結(jié)可以細(xì)微到納米級(jí)。這意味著超大規(guī)模集成電路的開發(fā)應(yīng)用會(huì)來一次歷史性的飛躍，帶給我們的好處是最高檔的PC機(jī)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(dǎo)體，緊貼下面的就是富電子的N型半導(dǎo)體。在太陽光子的激發(fā)下，N區(qū)的自由電子異常活躍，終于沖破PN結(jié)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(dòng)。這就是“空穴的移動(dòng)”，這個(gè)移動(dòng)是虛擬移動(dòng)，晶格中的每個(gè)原子都在各自的位置上紋絲不動(dòng)，動(dòng)的只是與正電荷相配對(duì)的電子而已。太陽能電池的電動(dòng)勢(shì)由此而生。但是，空穴的虛擬移動(dòng)和電子的實(shí)際定向移動(dòng)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(dòng)勢(shì)，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(dǎo)線使其構(gòu)成回路才行。 控制器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)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(shí)質(zhì)就是控制器的不同。其設(shè)計(jì)的好壞，決定了一個(gè)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行情況的優(yōu)劣。所以設(shè)計(jì)功能完備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的智能光伏路燈控制器是非常重要的。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 太陽能燈具中,一個(gè)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(duì)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(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。同時(shí)太陽能控制器應(yīng)兼有路燈控制功能,具有光控、時(shí)控的功能,并應(yīng)具備夜間自動(dòng)切斷負(fù)載功能,便于陰雨天延長路燈工作時(shí)間?？刂颇K的基本思想是檢測(cè)太陽能電池板電壓，若白天到，封鎖控制電路，LED燈關(guān)閉；夜晚，太陽能電池板電壓較低，開啟控制電路，LED燈點(diǎn)亮。同時(shí)檢測(cè)蓄電池端電壓，判斷其充電方式、以及對(duì)負(fù)載LED的供電方式。控制器結(jié)構(gòu)電路主要由充電電路、放電電路、單片機(jī)外圍電路和LED驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。太陽能控制器功能：；；。、蓄電池的反接保護(hù)；；：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(xué)能量，于必要時(shí)放出電能的一種電氣化學(xué)設(shè)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(zhì)—?dú)溲趸U（），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(fù)極板是鉛（），與電解液中的硫酸（）發(fā)生反應(yīng)，變成鉛離子（），鉛離子轉(zhuǎn)移到電解液吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文中，負(fù)極板上留下多余的兩個(gè)電子（2e）?？梢?，在未接通外電路時(shí)（電池開路），由于化學(xué)作用，正極板上缺少電子，負(fù)極板上多余電子，如圖32所示，兩極板間就產(chǎn)生了一定的電位差，這就是電池的電動(dòng)勢(shì)。圖32 鉛酸蓄電池電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生原理其原理可通過下面的反應(yīng)方程式來表示：負(fù)極： (31)正極： (32)總反應(yīng)： (33) 1. 放電中的化學(xué)變化 蓄電池連接外部電路放電時(shí)，稀硫酸即會(huì)與陰、陽極板上的活性物質(zhì)產(chǎn)生反應(yīng),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(cè)得電解液中的硫酸濃度，亦即測(cè)其比重，即可得知放電量或殘余電量。 2. 充電中的化學(xué)變化 由于放電時(shí)在陽極板，陰極板上所產(chǎn)生的硫酸鉛會(huì)在充電時(shí)被分解還第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 原成硫酸,鉛及過氧化鉛,因此電池內(nèi)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(fù)到放電前的濃度，這種變化顯示出蓄電池中的活性物質(zhì)已還原到可以再度供電的狀態(tài)，當(dāng)兩極的硫酸鉛被還原成原來的活性物質(zhì)時(shí)，即等于充電結(jié)束，而陰極板就產(chǎn)生氫，陽極板則產(chǎn)生氧，充電到最后階段時(shí)，電流幾乎都用在水的電解，因而電解液會(huì)減少，此時(shí)應(yīng)以純水補(bǔ)充。太陽能綜合供電系統(tǒng)中的蓄電池主要以浮充方式運(yùn)行。一般來說，當(dāng)有日照時(shí)，蓄電池與光伏陣列發(fā)電裝置并聯(lián)運(yùn)行，此時(shí)蓄電池自放電或瞬間放電所損失的容量由浮充電流補(bǔ)足；在無日照時(shí)，則由蓄電池單獨(dú)向負(fù)載供電。當(dāng)蓄電池組電量未飽和時(shí)，系統(tǒng)通過輸入變換單元對(duì)蓄電池組進(jìn)行補(bǔ)充充電。隨著充電過程的進(jìn)行，蓄電池組端電壓將逐漸上升，控制單元適時(shí)檢測(cè)蓄電池組的荷電狀態(tài)，當(dāng)蓄電池組端電壓達(dá)到充電保護(hù)電壓時(shí)，充電過程終止。在浮充方式運(yùn)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(fù)，因此蓄電池的使用壽命可以得到延長。 蓄電池充電技術(shù)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(jìn)行充電，在充電過程中隨著蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種方法特別適合于有多個(gè)蓄電池串聯(lián)的蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長時(shí)間的充電模式。吉林工程技術(shù)師范學(xué)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(gè)充電過程時(shí)間長，特別在充電后期，析出氣體多，對(duì)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(diǎn)，一種改進(jìn)型的恒流方法得到應(yīng)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(shí)間以及何時(shí)轉(zhuǎn)換為小電流，必須參照蓄電池維護(hù)使用說明書中的有關(guān)規(guī)定，否則容易損壞蓄電池。充電過程中電壓、電流變化關(guān)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(duì)蓄電池進(jìn)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(diào)整電流。相對(duì)恒流充電來說，此法的充電電流自動(dòng)減小，所以充電過程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低，充電效率可達(dá)80%，如充電電壓選擇適當(dāng)，可在8小時(shí)內(nèi)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(shè)計(jì)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(huì)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(shí)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(bǔ)償，充電過程中對(duì)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(chǎn)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(shí)初始電流過大而進(jìn)行改進(jìn)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(dāng)電流大時(shí)，其上的電壓降就大，從而減小了充電電壓；當(dāng)電流小時(shí)，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(dòng)調(diào)整了充電電流，使之在某個(gè)限定范圍內(nèi)，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(zhǔn)恒壓方式。這種采用串電阻限流的方式對(duì)于光伏系統(tǒng)來說，肯定是不實(shí)用的，因?yàn)榇?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(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。它要求首先對(duì)蓄電池采用恒流充電方式充電，蓄電池充電到達(dá)一定容量后，吉林工程技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文然后采用恒壓方式進(jìn)行充電。這樣蓄電池在初期充電不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在后期也不會(huì)出現(xiàn)高電壓，使蓄電池產(chǎn)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(dá)其額定容量(當(dāng)時(shí)環(huán)境條件下)時(shí)，許多充電控制器允許對(duì)蓄電池繼續(xù)以小電流進(jìn)行充電，以彌補(bǔ)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(chǔ)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(shí)，充電時(shí)間長。在某些場(chǎng)合需要縮短充電時(shí)間，但采用電流過大時(shí)蓄電池的溫度會(huì)升高過快，對(duì)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?duì)蓄電池充電，在12小時(shí)內(nèi)把蓄電池充好，而且在這個(gè)過程中不會(huì)使蓄電池產(chǎn)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(chǎn)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(shè)計(jì)的理論分析 用不斷地脈沖充電和反向電流短時(shí)間放電相結(jié)合方法。短時(shí)反向放電的目的是消除蓄電池大電流充電過程中產(chǎn)生的極化。這樣就可以大大地提高充電速度，縮短充電時(shí)間。當(dāng)然脈沖充電電流、持續(xù)時(shí)間和放電電流以及持續(xù)時(shí)間必須根據(jù)蓄電池的要求進(jìn)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(chǔ)。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(xué)者麥斯(J. A. Mas)經(jīng)過大量試驗(yàn)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(shí)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(jié)構(gòu)和狀態(tài)有關(guān)，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(qiáng)，其充電時(shí)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(dāng)充電電流大于充電可接受電流時(shí)，即處在1 區(qū)域時(shí)則會(huì)導(dǎo)致部分電流消耗于電離電解液中的水，使電池電解液產(chǎn)生析氣反應(yīng)；當(dāng)充電電流在可接受電流曲線以下時(shí)，即處在2 區(qū)域時(shí)，不產(chǎn)生析氣，此時(shí)充入的電量幾乎都轉(zhuǎn)變?yōu)殡姵氐幕瘜W(xué)能量。在1 區(qū)域時(shí)，充電電流越大，電解水反應(yīng)就越劇烈，并使電池內(nèi)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(shù)師范學(xué)院畢業(yè)論文圖36充電可接受電流曲線圖雖說按照?qǐng)D36所示的特性曲線進(jìn)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(duì)蓄電池影響較小。但是在光伏系統(tǒng)中因?yàn)槌潆婋娫幢旧聿⒉皇钦嬲饬x上的“無限電源”，而是來自太陽能光伏陣列這個(gè)“有限電源”，對(duì)蓄電池充電的同時(shí)還必須考慮電源電流的“來源”是否足夠。 LED的發(fā)光及驅(qū)動(dòng)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(dǎo)體PN結(jié)處而發(fā)光的器件，通常采用雙異質(zhì)結(jié)和量子阱結(jié)構(gòu)。LED發(fā)光的原理如下：如圖37所示。PN結(jié)結(jié)電壓構(gòu)成一定的勢(shì)壘；當(dāng)加正向偏置時(shí)勢(shì)壘下降，p區(qū)和n區(qū)的多數(shù)載流子向?qū)Ψ綌U(kuò)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(kuò)散，構(gòu)成對(duì)P區(qū)少數(shù)載流子的注入。這些電子與價(jià)帶上的空穴復(fù)合，復(fù)合時(shí)得到的能量以光能的形式釋放。第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論分析 圖37 PN結(jié)發(fā)光的原理圖為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)（兩種不同材料的半導(dǎo)體相接觸所形成的界面區(qū)域）。圖38左圖表示未加偏置時(shí)的異質(zhì)結(jié)能級(jí)圖，對(duì)電子和空穴具有不同高度的勢(shì)壘。右圖表示加正向偏置后，這兩個(gè)勢(shì)壘均減小。但空穴的勢(shì)壘小得多，而且空穴不斷從P區(qū)向n區(qū)擴(kuò)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(jià)帶與注入的空穴復(fù)合，而發(fā)射出由n型半導(dǎo)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(diǎn)自己發(fā)到導(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)變成光子，輻射出光。一般半導(dǎo)體二極管注入的載流子構(gòu)成正向電流。應(yīng)嚴(yán)格加以區(qū)別。