光伏电源钟表的设计原理

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1、光伏电源钟表的设计原理陆杨0. 引言本文推出的小型非晶硅光伏电源系统，不仅体积、重量小到可随身携带，而且它的特点是在散射光条件下使用。如果说在室外的光伏电源系统，主要用的是太阳光的直接辐射量，那么室内用的小型光伏电源系统则主要用的是太阳光散射辐射量。散射光主要来自空气中各种悬浮颗粒的折射和反射，成分比较复杂而且不定因素太多，这就给我们的研究带来一定的困难。但是有的学者对阴雾天的太阳散射光做了光谱测量，发现室外阴雾天太阳散射光的光谱分布中400~600nm成分较丰富，同时有的专家对非晶硅太阳能电池在弱光下的性能做了分析，得出的结论是：非晶硅的光谱响应（400~7

2、50nm）和散射光谱匹配非常好，而且非晶硅带隙宽，容易在弱光下建立起负载所必须的工作电压，因此，如果用非晶硅电池做室内用光伏电源系统的光电转换设备是非常合适的选择。根据光环境的变化和电子钟表的耗电状态，来选择非晶硅电池的技术性能就是太阳能电子钟表的设计原理。1.太阳能光伏钟表    国际上的太阳能光伏钟表是最小型光伏电源系统，其中最成功的范例是计算器，它上面的非晶硅小组件在室内最弱的散射光照射下，即可推动LCD（液晶显示器）正常的运行，只要在人眼睛能感觉到的照度下，如到50Lux，计算器就能工作。太阳能计时器（太阳能钟表）是太阳能光伏显示装置的一种，它和计算器

3、不同，它一天24小时都要正常工作，因此除光伏器件外，还需有蓄电池做储能装置，市场上的“纽扣”电池都是一次电池，可充电式二次电池很少，但是如果装置上仍用一次“纽扣”电池并辅以合适规格的非晶硅电池组件，这样它在室内散射光作用下产生的电量不仅可以推动LCD或其他电子显示装置，而且还可以给“纽扣”电池配电，即补充其自放电消耗的能量或让自放电减少。从这种太阳能电池和一次电池之间的关系来看，它们轮换工作，很难说谁是主谁是辅。这种双电源（光伏和一次电池）结构模式，是室内电子产品应用的一个特点，这和户外太阳能光伏电源系统有很大的不同。    1．1室内型和室外型光伏组件   

4、 各种室内用光伏显示装置用的光伏组件目前都是散射光性能好的非晶硅组件，它们的光电特性通常是指一定照度下小组件在一定负荷下产生的电压。目前室内用弱光非晶硅组件所用的光计量单位是照度（Illuminance）；而室外用强光非晶硅，包括其他的所有光伏器件，光计量单位为辐照度（Irradiance），标准测试条件（STC）是AM1.5光谱，1000W/㎡总辐照度，器件25℃；而弱光器件测试条件比较含混，通常采用汞荧光灯作光源，以200Lux照度为标准测试条件，电池的负荷往往根据客户的要求给出，如150K，在此负荷下测负载电压。实际上小芯片的使用条件是室内太阳光的辐射的

5、散射量，所谓弱光，更准确地说应当是散射光，它和室外直射阳光（在晴朗天气时）在大气质量（AM）较大时，如早晨和傍晚的弱（直射）光强有很大的不同。    为计算简化，取1〔mw/cm2〕=1.00×103〔Lux〕    则1000〔W/㎡〕=100〔mW/cm2〕=100×103〔Lux〕 1.2室外型光伏组件    图1为晶体硅组件在各种太阳光辐照度下的最大功率点与辐照度的关系。21tyn.cn    图1  纵轴——瓦（W）        横轴——辐照度（kW/㎡）    图2为晶体硅组件在各种太阳光辐照度下的功率效率与辐照度的关系。21tyn·com21t

6、yn.c    图2纵轴——瓦（W）        横轴——辐照度（kW/㎡）纵轴——相对效率（%）   1. 3室内型（非晶硅电池）组件的性能    确定非晶硅电池组件的性能（即一定照度下一定负载上的电压）关键是必须先确定光辐射的模型。前面说过，所谓室内用，实指“室内太阳散射光”模型，为了可计算起见，又采用了“室外晴朗天气时，人眼看得见的标准太阳AM1.5光谱辐照度分布作为室内太阳散射光”模型，从而计算出辐照度与照度的关系，即1〔mw/cm2〕=1.00×103〔Lux〕    例如，一小非晶硅组件的光电转换效率：    在180〔Lux〕照度（=0.18m

7、W/cm2）下的性能；    负载电流IR=1.7V/140K=12μA    负载功率PR=1.7V×0.012mA=0.021mW    非晶硅组件的面积1.24×3.78=4.69cm2    小非晶硅组件的光电转换效率η=（0.021/4.69）×（100/0.18）=2.5%    注：上面计算出的光电转换效率η数值偏低，因为用的不是最大功率。   1. 4非晶硅太阳组件的光电性能    非晶硅太阳能电池组件是在散射光下用作小型电子装置，如太阳能手表、小闹钟、各种信息液晶显示器以及庭院灯等最合适的光伏器件。    一块非晶硅太阳能组件（13×28cm

8、）在室内太阳光散射辐射下的性能如下：中