毕业设计太阳能台灯.docx

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毕业设计太阳能台灯

摘要

太阳能台灯是通过太阳能电池板，吸收太阳能将其转换为电能，并贮存在蓄电池内，当需要照明时，打开开关，即可用于照明。

采用LED作为光源，具有节能省电的特点。

利用太阳能充电,无需频繁更换电池，适应了清洁、环保的发展趋势。

该产品携带方便,操作简单,是现代生活中理想的照明工具。

本文重点研究了利用CHK0501C实现太阳能充电控制技术。

CHK0501C是一款具备涓流、恒流、恒压三段式充电方式的锂电池充电控制芯片，并具有电池短路、过温保护功能；芯片内置了高精度和高电源抑制能力的基准电压源，从而实现了极高精度的浮充电压控制，充分保证了充电的安全性。

输出控制端DRC耐压高达40V，可以实现多节电池充电控制，简化了外围应用电路；芯片具有完善的锂电池充电保护功能，极大地提高了电池的充电寿命和电池的充电安全性。

关键词:

太阳能台灯，太阳能充电，CHK0501C

1绪论

太阳能台灯利用太阳能充电是一种绿色、安全的产品，太阳能台灯具有以下优点。

1。

节约资源――太阳能供电

清洁、节能采用高亮度低功耗的高科技散光LED灯作为光源。

太阳能发电板或市电作为电源供应。

用户在白天出门时将电池盒取出并放置在阳台上。

当傍晚回来再将电池盒插入台灯,在充裕的太阳下光照一天，台灯可以连续使用3。

5个小时以上，完全满足用户使用。

当没有阳光时，可以使用交流电供电,60颗高效散光LED灯才3.6W,却等同于传统白炽灯45W的亮，但其功耗很低。

3。

6W的耗电量,一般是带不动电表的,如果一整年使用交流电供电，一年产生的电费也在10元里面，所以使用太阳能台灯几乎是免费。

2.保护眼睛――直流照明无频闪无辐射

直接使用交流电的光源必然存在频闪，发热量大的光源必然存在热辐射.而太阳能台灯使用低压直流供电，发热量极低，LED是低功耗产品,即使太阳能台灯使用交流电供电，也是使用了适配器,将交流电变成了直流低压电。

3.超长寿命灯――光衰系数远小于荧光灯

采用低功耗高亮度散光的LED灯是环保高科技产品,低电压小电流供电，使用寿命要比日光灯长10倍、比白炽灯长100倍。

4.低压安全灯――无安全隐患

9V电压供电，使用时不存在误触灯头、导线接头或金属片等造成人身伤害的问题。

5。

环保――绿色资源

内部使用的是锂离子电池，符合国际环保公约要求，可以反复使用。

使用取之不尽，用之不竭的清洁能源——太阳能,节能环保、无二次污染。

6。

一物多用――经济、实用

电池组件与灯体之间由于采用插卡式连接,电池组件可方便地从灯体上拔插下来，电池盒上有USB接口,可以直接为小功率带有USB的设备供电或者充电，做到一物多用。

7.停电――应急灯功能

在充裕的太阳下光照一天，台灯可以连续使用3.5个小时以上，可以让用户在黑夜中充当应急灯使用。

2太阳能台灯设计方案

2.1设计的总体框架　

图2—1总体设计框架图

2。

2设计的总体思路

1.使用一块8-12V的晶硅太阳能电池板，为充电控制电路的输入端提供稳定的电压值，输入端的电压值设为8V，经过DC/DC变换电路处理后,为锂电池提供3.7V的输出电压使其为锂电池充电。

2。

除使用DC/DC变换电路向锂电池供电外,还可使用220V交流电对锂电池充电,目的是防止在阴天或者光照不充足时，对太阳能台灯进行充电,以满足太阳能台灯在夜晚的使用需求。

3.储存在锂电池中的电能随时可以为LED供电,LED采用1.8V,20mA的高亮度直插式LED并联，并通过一个电位器或者触控电路随意更改LED灯的亮度，以满足不同的亮度需求。

4。

锂电池是储存电量的关键,锂电池选用一块3。

7V柱形锂电池或者是聚合物锂电池.

5.该台灯能够持续提供至少3个小时的照明时间。

3太阳能电池简介

3.1太阳能电池分类

太阳能电池根据所用材料的不同，太阳能电池可分为，晶硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、聚合物多层修饰电极型太阳能电池等.

3。

1.1晶硅太阳能电池

晶硅太阳能电池分为单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池三种，如图3-1所示。

（1）单晶硅太阳能电池

目前单晶硅太阳能电池的光电转换效率为19%左右，最高可达到24,这是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高技术也最为成熟，但制作成本很高，以至于它还不能被广泛和普遍地使用。

由于单晶硅一般采用钢化玻璃以及防水树脂进行封装,因此其坚固耐用，使用寿命一般可达15年，最高可达25年.单晶硅太阳能电池的构造和生产工艺已定型,产品已广泛用于空间和地面。

这种太阳能电池以高纯的单晶硅棒为原料。

（2）多晶硅太阳能电池板

多晶硅太阳电池的制作工艺与单晶硅太阳电池差不多，但是多晶硅太阳能电池的光电转换效率则要降低不少，其光电转换效率约17%左右。

从制作成本上来讲,比单晶硅太阳能电池要便宜一些，材料制造简便，节约电耗，总的生产成本较低，因此得到大量发展。

但是多晶硅太阳能电池的使用寿命要比单晶硅太阳能电池短.

（3）非晶硅薄膜太阳能电池

非晶硅薄膜太阳能电池与单晶硅和多晶硅太阳电池的制作方法完全不同，工艺过程大大简化,硅材料消耗很少,电耗更低，成本低，重量轻，转换效率较高,便于大规模生产，它的主要优点是在弱光条件也能发电有极大的潜力.但非晶硅太阳电池存在的主要问题是光电转换效率偏低，目前国际先进水平为10%左右，而且不够稳定,随着时间的延长，其转换效率衰减，直接影响了它的实际应用。

如果能进一步解决稳定性问题及提高转换率问题，非晶硅大阳能电池无疑是太阳能电池的主要发展产品之一。

图3-1晶硅太阳能电池

3.1.2多元化合物薄膜太阳能电池

多元化合物薄膜太阳能电池材料为无机盐，其主要包括砷化镓III—V族化合物、硫化镉、硫化镉及铜锢硒薄膜电池等,如图3—2所示.

硫化镉、碲化镉多晶薄膜电池的效率较非晶硅薄膜太阳能电池效率高，成本较单晶硅电池低，并且也易于大规模生产，但由于镉有剧毒，会对环境造成严重的污染，因此，并不是晶体硅太阳能电池最理想的替代产品。

砷化镓（GaAs）化合物电池的转换效率可达28％，GaAs化合物材料具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率，抗辐照能力强,对热不敏感,适合于制造高效单结电池.但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

CIS铜铟硒薄膜电池,简称CIS，适合光电转换,不存在光致衰退问题,转换效率和多晶硅一样。

具有价格低廉、性能良好和工艺简单等优点，将成为今后发展太阳能电池的一个重要方向。

唯一的问题是材料的来源，由于铟和硒都是比较稀有的元素，因此，这类电池的发展又必然受到限制。

图3—2多元化合物薄膜太阳能电池

3.1.3聚合物多层修饰电极型太阳能电池

在太阳能电池中以聚合物代替无机材料是刚刚开始的一个太阳能电池制造的研究方向。

其原理是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势，在导电材料电极表面进行多层复合，制成类似无机P-N结的单向导电装置。

其中一个电极的内层由还原电位较低的聚合物修饰,外层聚合物的还原电位较高,电子转移方向只能由内层向外层转移；另一个电极的修饰正好相反，并且第一个电极上两种聚合物的还原电位均高于后者的两种聚合物的还原电位。

当两个修饰电极放入含有光敏化剂的电解波中时光,敏化剂吸光后产生的电子转移到还原电位较低的电极上，还原电位较低电极上积累的电子不能向外层聚合物转移，只能通过外电路通过还原电位较高的电极回到电解液，因此外电路中有光电流产生。

由于有机材料柔性好，制作容易,材料来源广泛,成本底等优势从，而对大规模利用太阳能，提供廉价电能具有重要意义。

但以有机材料制备太阳能电池的研究仅仅刚开始，不论是使用寿命，还是电池效率都不能和无机材料特别是硅电池相比.

3。

2太阳能电池的工作原理及结构

3.2。

1P型和N型半导体

如果杂质是周期表中第Ⅲ族中的一种元素──受主杂质，例如硼或铟,它们的价电子带都只有三个电子,并且它们传导带的最小能级低于第Ⅳ族元素的传导电子能级.因此电子能够更容易地由锗或硅的价电子带跃迁到硼或铟的传带.在这个过程中，由于失去了电子而产生了一个正离子,因为这对于其它电子而言是个“空位”，所以通常把它叫做“空穴”,而这种材料被称为“P"型半导体.在这样的材料中传导主要是由带正电的空穴引起的，因而在这种情况下电子是“少数载流子”，如图3-3所示。

如果掺入的杂质是周期表第V族中的某种元素──施主杂质,例如砷或锑,这些元素的价电子带都有五个电子，然而,杂质元素价电子的最大能级大于锗（或硅）的最大能级,因此电子很容易从这个能级进入第Ⅳ族元素的传导带。

这些材料就变成了半导体.因为传导性是由于有多余的负离子引起的所以称为“N”型.也有些材料的传导性是由于材料中有多余的正离子，但主要还是由于有大量的电子引起的，因而，（在N型材料中）电子被称为“多数载流子”，如图3-4所示。

图3—3P型半导体晶体结构图3-4N型半导体晶体结构

3.2.2太阳电池基本工作原理　　　

太阳能是一种辐射能它必须借助于能量转换器才能变换成为电能,这个把太阳能变换成电能的能量转换器，就叫做太阳能电池。

太阳能电池工作原理的基础是半导体p—n结的光生伏打效应。

所谓光生伏打效应，就是当物体受到光照时,其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应,如图3—5所示。

图3-5P-N结

照射到太阳电池上的太阳光线，一部分被太阳电池上表面反射掉,另一部分被太阳电池吸收，还有少量透过太阳电池。

在被太阳电池吸收的光子中，那些能够大于半导体禁带宽度的光子,可以使得半导体中原子的价电子受到激发，在P区、空间电荷区和N区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子.这样形成的电子—空穴对由于热运动，向各个方向迁移。

光生电子—空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进N区，光生空穴被推进P区，在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0.在N区，光生电子—空穴产生后,光生成空穴便向P-N结边界扩散,一旦到达P-N结边界，便立即受到内电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入P区，而光生电子（多数载流子）则被留在N区。

P区中的光生电子也会向P—N结边界扩散,并在到达P-N结边界后，同样受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动,进入N区，而光生空穴（多数载流子）则被留在P区。

因此在P-N结两侧产生了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场.这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使P型层带正电，N型层带负电,因此产生了光生电动势，这个就是光生伏特效应（简称光伏）。

在有光照射时,上、下电极之间就有一定电势差，用导线连接负载，就能产生直流电。

如果是太阳电池开路，即负载电阻RL=∞，则被P—N结分开的全部过剩载流子就会积累在P-N结附近,于是产生了最大光生电动势.假使把太阳电池短路,即RL=0,则所有可以到达P—N结的过剩载流子都可以穿过结，并因外电路闭合而产生了最大可能的电流ISC。

如果把太阳电池接上负载RL，则被P—N结分开的过剩载流子中就有一部分把能量消耗于减低P-N结势垒，即用于建立工作电压Um，而剩余部分的光生载流子则用来产生光生电流Im。

3.2。

3晶体硅太阳电池结构

典型的晶体硅太阳电池的结构如图3-6所示，其基体材料是薄片P型单晶硅厚度在0。

3mm以下。

上表面为一层N+型的顶区，并构成一个N+/P型结构。

从电池顶区表面引出的电极是上电极,为保证尽可能多的入射光不被电极遮挡同时又能减少电子和空穴的复合损失，使之以最短的路径到达电极，所以上