光伏电源钟表的设计原理

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（400~750nm）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·com21tyn.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（=0.18mW/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）在室内太阳光散射辐射下的性能如下：中华太阳能图3在室内光强为2800Lux时，组件的I(mA)—V(V)关系曲线21tyn.cn图4在室内光强为2800Lux时，组件的P(mW)—V(V)关系曲线中华太阳能时，组件的I(mA)—V(V)关系曲线时，组件的P(mW)—V(V)关系曲线2.太阳能电子表的功能2.1．非晶硅小组件下面是一小非晶硅小组件在室内散射光条件下通过140K负载电组的电流μA（纵轴）和散射光的照度Lux（横轴）的关系；当照度超过1000Lux时用的是太阳的直射光。不难看出，目前用于固定要求（如计算器）的非晶硅小组件仅限于200Lux照度下负载电压大于1.5V，即负载电流为1.5/140K≈11μA；对大于200Lux的照度下的电性能无要求。但作为室内电子产品不仅需要更广泛的照度范围，而且还不能只限定在低照度的散射光下使用，应当在较强的直射光下也能正常地使用，包括在室外使用。图7示出，当照度超出600Lux时出现了饱和现象，即光照度再增加负载电流也不增加，说明小组件串联电阻太大了。显然，若使现有的非晶硅小组件适合于小光伏系统命名用还需进一步降低电池的串联电阻，改进上下电极以及上下电极的金属与半导体的接触。电流与照度的关系因此在选择非晶硅小组件做太阳能电子表时，需注意非晶硅小组件应具有强弱光性能兼备的性能。21tyn.cn2.3．非晶硅太阳能电池（8个串联）室外阳光下50000Lux=50〔mW/cm2〕，非晶硅太阳能电池（8个串联），如果它的转换效率为3%，则输出功率为1.5mW/cm2×3.22=4.83mW（电池面积为2.3×0.7×2=3.22cm2），蓄电池电压为3.6V，4.83mW/3.6V=1.34mA。室外阳光下充进蓄电池内的电量：1.34mA×1/12h=0.11mAh.（5/60=1/12［h］）即表盘液晶每日显示18小时，休眠6小时，背光照明1次（1.5秒）和闹铃响10秒，总计消耗掉蓄电池的电量（等于在下述条件下充进蓄电池内的电量）。如果在室外阳光下，50000Lux=50〔mW/cm2〕充电到蓄电池进入保护状态（DOD≈80%），则需要约54小时才能把蓄电池充满，则蓄电池容量约为：1.34mA×54h/0.8≈90mAh。室内日光灯下500Lux=0.5〔mW/cm2〕，非晶硅太阳能电池充电电流为0.0134mA，充进蓄电池内的电量0.0134mA×8h=0.11mAh和室外阳光下充进的电量相同。但对蓄电池已进入保护状态再在室内日光灯下充电因时间太长实用价值不大，所以就应当在室外阳光下充电。2.4用一次蓄电池由太阳能电池、一次电池和负载（电子表机芯）构成的系统，能长期正常工作的关键，是选好散射光型非晶硅电池芯片的规格，和一次电池与机芯之间的匹配，即让散射光型非晶硅电池在保证机芯正常工作的条件下，同时也让一次电池尽可能处于不放电的状态，包括补充一次电池自放电的消耗的能量。现就一个常用的小型台式LCD电子表的结构和工作情况做一分析：LCD（51×21mm）耗电约2μA，相当内阻750K；LCD用一次电池LR44（1.5V×80mAh）和一个小非晶硅电池组件，规格Voc=2.0V,Isc=10.0μA，Vr＞1.5V/145K；200Lux供电。在接通负载电阻145K时通过负载电阻的电流和短路电流基本相同，在接通一次电池LR44和LCD后小芯片输出的电流最多3μA；如果白天小型台式LCD电子表所在的位置（太阳光散射和灯光）的照度大于200Lux的时间为12小时的话，那么LR44实际上一天只工作12小时：80×103μAh/2μA=40×103h，40×103h/12h=3.3×103d，3.3×103d/365d=9y如果该小型台式LCD电子表没有安装小非晶硅电池组件，LR44电池最多能用4.5年。3结论在一定的负载和低幅照度条件下，非晶硅电池比晶体硅电池更容易建立起电压来，所以非晶硅电池非常适合电子钟表作电源用。非晶硅电池可引申到多阴雨少日照的地区作光伏电源。参考文献：