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一种用于面包板电路实验的太阳能光伏片电源装置,太阳能实验
关键字：太阳能实验
作者：李岗
这种用于面包板电路实验的太阳能光伏片电源装置，电路如图所示。
太阳能电池也叫太阳能光伏片，它是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，也是一种半导体光电二极管。目前市场上的太阳能光伏片一般为硅太阳能电池，转换效率约在10%左右。
业余条件下有多种太阳能光伏片可以选用。本电路电源主要用于面包板实验电路，要求输出电压3～6V，输出电流一般在10mA左右；故选用一种9V电压、标称100mA电流的光伏片供电。
电源的原理是将太阳能转换成电能，储存起来，以备进行电路实验时所用。一般可用蓄电池充电。
考虑到本电路主要用于面包板电路实验，所以采用电容器储存电能。
超级电容器简称超级电容，也叫法拉电容、黄金电容，是一种专门用于储能的特种电容器，具有法拉级的超大电容量(0.1～5000F)。本电路采用一种耐电压5.5V，容量1F的电容器。超级电容与电池比较，主要优点是：阻抗低；寿命长，充放电大于40万次，没有“记忆效应”；充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95%以上；电源电路简单，不需要维护和保养。
电路输出3～6V直流电压，为什么使用9V、100mA的光伏片呢？这主要是考虑到本机主要在室内使用，光线较弱；为了能够在白天靠近窗户充电，夜间在电灯光下充电，使用输出电压较高的光伏片才能够满足所需。
超级电容的耐压为5.5V，为了不至于在光线强的情况下长时间充电造成电压超过电容的耐压上限，电路采用了稳压措施。电路在光伏片两端并联接入了两个串联的蓝色LED灯。蓝色LED的工作电压为3.3V，两只串联则为6.6V；这个电压通过二极管D1加到超级电容上，可使充电电压上限稳定在6V左右；虽然超出超级电容器的耐压约0.5V，但不影响电路的正常使用。
电路可提供的电流与供电时间成反比，电流越大，供电时间越短。如采用2F的储能电容，那么放电电流为10mA，放电电压从6V降到3W，可以供电多长时间呢？可以用以下公式进行计算：
时间T=C(U1-U2)/1其中，T为时间，单位为s；C为电容器容量，单位为F；U1为电容放电开始的电压，单位为V；U2为电容放电结束时电压，单位为V；I为放电电流，单位为A。于是有：
时间T=2(6-3)/0.01=600(秒)=10（分钟）答案是可以供电10分钟。要注意，以上是假设电路中放电电流保持在lOmA不变的情况下的结果；如果实际情况不同，放电时间要根据各种因素进行修正。
尽管超级电容可以给负载提供瞬时大电流，但是它的直流内阻还是比较大的；如果用于交流电路，应加旁路电容；电路中电解电容C3的作用可以改善超级电容电源的交流性能。
一、组装
组装面包板太阳能光伏片电源，应选用一种圆柱型超级电容器，它带有两个并列的引脚，可直接插在面包板上。
业余条件下可选用一种90mm×42mm的光伏片。其背面有两块敷铜板，上面标有电池的极性。
在太阳能光伏片的背面用红色、黑色两根引线分别焊接在电池的正极、负极电极上，然后用双面胶把光伏片粘贴在一个KT板上。
根据所安装元器件的大小，使用1/4的面包板即可；将面包板裁好，并保留一个带有燕尾钩的下边条，粘贴在KT板上的适当位置上。
稳压管用两只3mm的发光二极管，按照电路将面包板太阳能光伏片电源组装好。然后将它置于太阳光下照射，几分钟之后，会发现蓝色的发光二极管变亮，表示正在充电；可根据发光二极管的亮度判断充电程度。本装置在阳光下照射5分钟左右，即可完成充电。
二、应用实验
将已经组装成功的面包板电路用燕尾槽与太阳能光伏电源装置固定在一起，然后用面包插线从太阳能光伏片电源连接到实验面包板上，就可以进行太阳能光伏片电源供电的实验了。
太阳能光伏片电源供电的实验电路如下图所示。工作电流为3mA左右，本装置可以提供约40分钟的实验。这与计算结果基本相符。如果要增加光伏片电源的供电时间，可以加大电容器的容量。
使用中发现，本装置连续工作时间不能与电池相比，但是它可以随时在日光或灯光下进行充电。
目前太阳能光伏片电源的缺点是比较昂贵。
三、光伏片测量
如果拿到一个标称9V、100mA的太阳能光伏片，可用电表测量出它的输出电压和短路电流。电压可用电压表的直流挡直接测量。短路电流则可用200mA挡测量。一组实测结果为：在晴天中午，将光伏片垂直于阳光，短路电流最大为55mA。光伏片的最大工作电流一般稍小于短路电流，但相差不多；短路电流是设计太阳能光伏电源的重要依据。
此外，还可以测量以下几组光伏片的数据：室内窗户边太空散射光线照射下的输出电压、短路电流：各种照明灯具下的输出电压、短路电流等。
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