光电池范文

光电池范文第1篇

关键词：硅电池；伏安特性；示波器

中图分类号：TM914 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）32-0021-02

硅光电池产生的光伏效应由于具有光谱响应范围宽、速度快、寿命长、使用方便、性能稳定等优点而在光强辐射探测有着重要的应用。然而，由于硅光电池的光伏效应和内阻之间的伏安特性变化呈现非线性变化，使得其曲线的数据测定存在较大困难，限制了其在光电信号强度探测中的应用。因而对光电池的伏安特性研究也引起人们的重视。本文为解决这一需要提出一种使用交流信号和示波器进行硅光电池伏安特性曲线的快速、准确测量方法。

1 硅光电池的工作原理

硅光电池的工作原理是基于光伏效应。硅光电池是一个大面积的光电二极管，可视为一个半导体P-N结二极管与一个光生电流源的组合体。电路中电流关系式为：

式中：

Iph―入射光产生的由N区到P区的光生电流强度

IS―二极管反向漏电流

e―电子电量

k―玻耳兹曼常量

T―P-N结的工作热力学温度

v―结偏置电压

2 硅光电池的伏安特性曲线的改进测量

2.1 硅光电池的伏安特性曲线测量原理

如图1（a）中所示，硅光电池可视为一纯电阻和恒流源的复合体，改变负载RL就可得到不同的电压和电流值，这些电流与电压的关系曲线称为硅光电池的伏安特性曲线。这种方法对于内阻变化的硅光电池测量存在着不利因素：（1）费时较长，需要使用电压表和电流表连续多点测量，然后在记录纸上通过描点、连线来获得特性曲线。（2）因硅光电池内阻与负载、光照强度等均有关，参数复杂，伏安特性曲线只能近似获得某种情况下的曲线。为此，如何实现快速、准确测量成为该实验的改进方向，改进方案如下。

2.2 测量硅光电池伏安特性曲线方法的改进

（a） （b）

图1 硅光电池伏安特性曲线测量原理示意图

如图1（b）所示，在一定光强照射下，硅光电池将产生光电压U1，与一极性相反、大小可调的电源相接。当外电源E的电压与光电池电压U1刚好相等时，回路中电流将为零，即串联的可变电阻上电压（U2=IR）为零，此时即可得到的光电池的开路电压Uoc；将电源E的电压逐渐由大减小到零，此时即可得到负载一定情况下的硅光电池伏安特性曲线，但实验数据的测量还需手动测量与记录，且非理想电压表U1、U2仍然存在电流分流的影响，且不能获得方向电压情况下的伏安特性参数。为此，在此基础上，采用示波器和正弦交流信号代替电压表和可调电源进行改进，可实现测量的快速、自动化显示与测量。

2.3 基于示波器和交流信号的硅光电池的伏安特性曲线测量

实验的设计原理如下：采用变压器TR1的次级线圈产生的50Hz交流电压作为示波器的扫描信号，使硅光电池两端获得一个变化的电压U，随着扫描电压的变化，回路中通过低值电流取样电阻R0（电阻箱的精密电阻）的电流I也随之变化。因示波器的信号端的输入阻抗很高，可近似视为开路，故电流I全部流经取样电阻。而其两端的电压与I成正比，将此电压送到示波器的Y2输入端，则显示屏Y轴方向上就显示流过取样电阻R0的电流大小变化讯号。再将光电池两端的电压U加到示波器的X偏向板上，示波管的显示屏上就出现光电池的伏安特性曲线，其电路原理如图2（a）所示。

（a） （b）

图2 使用示波器测硅光电池伏安特性曲线示意图

在光照一定的情况下，当扫描电压为零时，由于回路中存在电流，故取样电阻R0上面有一个电压降，所以这时光电池两端的电压U并不为零，而是大于零。这就给出特性曲线上的a点，如图2（b）中所示。在扫描电压正半周时，当电压由零逐渐增大，光电池两端电压U也逐渐增大，电流

逐渐减小，在扫描电压增大到刚好使

时，回路中电流I就为零，这对应特性曲线上的b点，显然，这时扫描电压就等于光电池两端电压Uo，也就是开路电压Uoc。当扫描电压继续增大，则光电池两端电压U大于Uoc，，回路中电流I变为负值（反

向），这对应特性曲线上的bc段。

由以上分析可见，扫描电压的峰值应略大于所测光电池可能的最大开路电压（Uoc）。例如单片光电池的可能最大开路电压为0.6V，我们就选扫描电压的峰值为0.7V（有效值约为0.5V）；在负半周，扫描电压和R0上的电压方向相反，所以随着扫描电压的增大，光电池两端电压逐渐减小，当扫描电压增大到刚好和R0上的电压相抵消，则U=0，对应特性曲线上的d点，这时的电流显然就是短路电流Isc。扫描电压继续增大，U变为负值，这对应特性曲线上de段。

3 实验测量结果的分析与讨论

通过对示波器上的数据进行测量和读取后，用origin软件进行处理后得到如图3所示的硅光电电池伏安特性曲线。其中，Y轴表示的是取样电阻上的电压，对应的电流I=U2/R0；X轴上表示的是硅光电池两端的电压变化。从图中可以看出实验曲线与硅光电池的伏安特性曲线图2（b）中曲线变化特征相同，达到了预期目的。

图3 光电池伏安特性曲线扫描曲线示意图

4 结语

本实验的改进方案可实现快速测量硅光电池的伏安特性曲线与显示，也可以对二极管、固定电阻等的伏安特性快速测定，具有直观、快捷的优点。若将所测数据经A/D转换后经单片机系统进行数据处理可以实现测量的智能化和自动化。

参考文献

[1] 张玮，杨景发，闫其庚.硅光电池特性的实验研究[J].实验技术与管理，2009，（9）：42-46.

[2] 宋爱琴.硅光电池特性的研究[J].实验室科学，2011，（4）：102-104.

[3] 史济群，成盛勇，马稚尧.太阳电池伏安特性测试仪的研制[J].华中理工大学学报，1998，（5）：86-87.

[4] 周朕，卢佃清，史林兴.硅光电池特性研究[J].实验室研究与探索，2011，（11）：36-39.

光电池范文第2篇

[关键词]硅光电池；单片机；照度；测量

中图分类号：TP212.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）20-0095-01

1 引言

硅光电池是一种自发电式的光电元件，在受到光照时能够产生某一方向的电动势，在没有电源的条件下，会有电流通过外电路。硅光电池在不同的光照度下，产生的电动势和光电流是不同的，其线性范围较宽，接近短路状态时，可以作为电流源使用。

采用单片机作为主控制器，实现将硅光电池输出的模拟信号转换为数字信号，并通过数据处理，还原出照度值，直接显示在显示器上，或者对于密封环境采用RS-485通信方式将数据传输到外部显示器显示。

2 系统组成及电路设计

采用硅光电池检测照度信号的系统组成如图1。

单片机采用C8051f410型，它含有12位AD转换器，基准电压选择1.5V。裸片硅光电池的输出信号通过信号调理电路，接入单片机的A/D端口，通过A/D转换后进行数据的处理，包括线性化、温度补偿和工程转换等处理，再经过单片机的I/O接口把相应的电压数值显示在LCM046液晶显示模块上，并通过UART接口与外部设备通信，比如PC机。

由于单片机的A/D端输入信号是0～1.5V的电压信号，硅光电池输出的电流信号需转换为对应的电压信号，才能接至单片机，图2（a）电路实现弱电流到电压信号的转换，u1接在单片机的A/D输入端。LCM046是一种4位多功能通用型8段式的液晶显示模块，具有尺寸小，功耗低，显示清晰的特点，单片机提供3个端口与LCM046连接，驱动其正常显示。RS-485接口用于测量数据的远传，它是异步、半双工通信方式，RS-485转换IC有4个引脚与单片机连接，如图2（c），当仪表用于测量密封环境中的照度时，启用此通信电路可实时的将测量值传输到外部进行显示或存储。

3 程序设计

系统程序主要包括主程序和定时器中断服务程序。主程序含有系统初始化、数据采集和数据处理两部分。系统初始化主要是针对系统的将使用的功能进行配置，包括系统时钟、I/O端口、A/D转换、定时器、UART端口的参数设定。系统时钟选用24.5MHz的内部振荡器；使能端叉功能，使I/O端口具有特殊功能；设置P0.2 作为模拟量输入端，A/D转换的基准电压为内部1.5V；使能UART串口通信功能，采用8 位UART 方式，每个数据字节共使用10 位：一个起始位、8 个数据位（LSB 在先）和一个停止位，数据传输速率为9600bit/s。数据的采集和处理包括数字滤波、线性化处理和标度变换，数字滤波采用平均值滤波，连续采集256次数据，取其总和的平均值，为了获取此平均值与照度之间的对应关系，使用标准照度计进行标定，其对应关系如表1。当采样值落于表1中的某一区间时，对应照度值在此区间按线性计算，如公式（1）所示，如Rn≤R

定时器中断服务程序主要用于显示屏定时更新和串口数据远传，根据需要可设定更新或传输的频率，对于显示屏更新一般是3次/秒；串口数据远传频率可高一些。

系统工作流程如图3所示。

4 结论

硅光电池在一定范围内线性度较好，将它作为光感传感器，以单片机作为控制器进行照度的测量，测量准确度高，通过RS-485数据传输可以实时的显示和存储相关数据，便于后期分析、处理，比如对某些生物、化学发光过程的强度进行精确测量和记录，可实现对反应物组分含量或功能的测定，对产品性能的测试和优化起着指导性作用，在医学、食品学、药理学、农业和环境科学等领域有一定的应用前景。

参考文献

[1] 周朕，卢佃清，史林兴. 硅光电池特性研究[J].实验室研究与探索，2011年30卷11期，pp：36-39.

[2] 李杰，金俊扬.硅光电池伏安特性的实验设计与分析研究[J].企业导报， 2013年第2期，pp：219.

[3] 苏黎明，刘爱华.自制简易数字照度计[J].实验技术与管理，pp：57-60.

[4] 徐进，叶文通，祝永华.基于硅光电池的便携式糖度测量仪的开发[J]. 电子技术与软件工程，9月，pp：169-170.

[5] 魏宇星，张健男，刘平洋，杨胡江，王鑫.太阳能电池特性的自动测量[J].物理与工程，2011年21卷6期pp：25-28.

[5] 钟秋航，王晓萍，闻春敖，赵文义.基于单片机C8051F020的自动测控LED节能照明系统[J].电子设计工程，2011年19卷2期pp：122-125.

作者简介

马栋萍，女，硕士，北京联合大学教师，高级实验师，主要研究方向：物联网技术、智能仪器仪表。

基金项目

光电池范文第3篇

关键词： 光电池 PN结 应用

随着科技日新月异地发展，光电池在人们的生产生活中产生了越来越重要的作用。光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，也称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势，是发电式有源元件。

1.光电池概述

1.1光电池的分类

光电池按照材料分为：硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合，主要应用于宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面。

1.2硅光电池的工作原理

硅光电池是目前的主要研究方向。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。当足够的光照到PN结区时，将在结区附近激发出电子―空穴对，在N区和P区之间出现电位差。电路中有电流流过，电流的方向由P区流至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。

2.光电池的应用

光电池主要有两方面的应用：（一）太阳能电池，光伏作用直接将太阳能转换成电能，太阳能电池目前在航空、通信、太阳能发电站等方面得到应用。例如现在普遍使用的太阳能热水器，正是利用太阳能，把太阳能装换成电能而加热水。随着太阳能电池技术的不断发展，其成本会逐渐下降，在生产生活各领域将发挥越来越大的作用。（二）光电转换器件，要求光电池具有灵敏度高、响应时间短的特点，有特殊的制造工艺，用于光电检测和自动控制系统中。

2.1太阳能电池电源

2.1.1太阳能电池的发电方式

太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。太阳能发电有两种方式，一种是光―热―电转换方式，另一种是光―电直接转换方式。光―热―电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光―热转换过程；后一个过程是热―电转换过程。光―电直接转换方式，该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光―电转换的基本装置就是太阳能电池。

2.1.2太阳电池电源系统框图

太阳能电池电源系统

2.2光电池在光电检测和自动控制方面的应用

2.2.1光电池在光电检测和自动控制的工作原理

光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同：当光不照射时，光电池处于截止状态；受光照射时，PN结吸收其能量而产生电子―空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，并形成了光电流。由于光电池工作时不需要外加电压，光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低，它已广泛地用于光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视等方面。

2.2.2光电池的三种基本应用电路

2.2.2.1光电池构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。电路图如下：

2.2.2.2光电开关多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。电路图如下：

2.2.2.3光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其他电子线路的组合可实现或自动控制的目的。电路图如下：

参考文献：

［1］靳瑞敏.太阳能电池生产配方技术、太阳能蓄电池生产制造工艺及原理.北京大学出版社，2011.12.20.

光电池范文第4篇

关键词：光电池 光栅 脉冲计数 分辨率

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（b）-0132-02

在贴片机伺服控制系统中，常用长光栅来测量直线位移，实现闭环控制，保证定位精度。光栅尺制造过程中，可运用激光测长技术制造出高精度的光栅尺，从而提高光栅测量的分辨率，但仍未必能够满足伺服控制系统所需的控制精度和定位要求。本文基于光电池的输出特性的研究，提出了一种将光电池单体串联或并联成阵列结构，形成光电池组，通过位移—— 脉冲细分转换电路，提高光栅检测装置读数分辨率，从而实现高精度的加工控制及定位的方法。

1 光电池的工作原理及其特性

1.1 光电池的工作原理

光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，称PN结光电效应。光电池的核心部分是一个PN结，它是一种根据光生伏特效应制成的直接把光能转变成电能的光电器件。（图1）

当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大（光子能量大于硅的禁带宽度），就将在PN结附近激发出大量的光生电子—空穴对。在PN结内电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区；其结果在P区聚积正电荷，带正电，为光电池的正极，在N区聚积负电荷，带负电，为光电池的负极，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称为光生电动势。

1.2 光电池伏安特性

一个光电池单元可以等效于一个电流源（光生电流）和一个普通二极管的并联。普通二极管包括扩散电流（正向电流）、结电阻、结电容及串联电阻。一般，很大且极小，忽略二者的影响，光电池的等效电路可简化为图2所示。

2 光栅检测装置的结构及工作原理

光栅尺是利用光的透射现象制成的光电检测元件，可将机械位移转变为数字脉冲，由于检测精度比较高，常用作位置检测反馈元件。本文以增量式光栅尺在动臂式贴片机X-Y平面运动控制系统中的应用为例，介绍光栅位移检测的原理。光栅检测装置的结构示意图如图4所示。

光栅检测装置大致由六个部分组成，其中光源、透镜、指示光栅、光电池和驱动电路都安装在同一支架（即贴片头支架）上构成光栅读数头，标尺光栅则固定安装在贴片机机架上，并且指示光栅与标尺光栅尺面应相互平行，保持适当的间隙。其工作原理为：当贴片头移动时，装载于贴片头上的指示光栅相对标尺光栅移动，通过光栅读数头的光电转换，发送出与位移量相对应的数字脉冲作为实际位移信息，反馈给运动控制器，形成闭环控制回路，从而实现高精度的定位。

3 位移——脉冲变换电路

虽然在光栅尺制造过程中，可利用激光测长等技术来缩小栅距，制造出高精度的光栅，但仍未必能够满足系统的伺服控制要求。因而，希望通过电子细分电路来提高光栅检测的分辨率。具体实现方式如在图4所示，在与标尺光栅刻线平行的方向上安装有四块光电池，分别标记为P1～P4，它们彼此间隔四分之一个栅距。当指示光栅与标尺光栅相对移动时，四块光电池接受近似正弦规律变化的光强，产生出四路频率、幅值相同，但相位互差的电压信号。将这些信号送至光栅读头中的细分变换电路，经差动放大后，形成两路方波信号（A和B）。为了能够在方波信号的一个周期内获得4个等间隔分布的脉冲信号，需要对方波A和B进行处理。首先将方波A和B反相，得到方波C和D，再将这四路方波经微分电路处理（在方波的上升沿或下降沿产生脉冲信号），然后再经过逻辑组合电路便可得到满足上述要求的脉冲信号。

为了辨别贴片头的移动方向（即正向或方向），可将4路方波（A、B、C、D）和4个脉冲（、、、）经逻辑组合电路进行方向判别。当贴片头带动指示光栅正向移动时，通过与门G1～G4和或门Y1得到正向运行脉冲（）输出。同样，当其反向移动时，通过与门G5～G8和或门Y2得到反向运行脉冲（）输出。这样指示光栅与标尺光栅每相对移动一个栅距W，经细分转换装置便可发出四个脉冲信号，每个脉冲表示贴片头移动四分之一个栅距位移。这样，采用如图5所示的细分转换电路，光栅检测装置的实际分辨率较栅距的分辨率提高了4倍。依次类推，采用多块光电池串联或并联，并设置好合适的间隔，便可进一步提高光栅检测装置的读数分辨率。图6为光栅检测转置的输出脉冲波形图，清晰地表示出了贴片头带动指示光栅相对于标尺光栅正反向移动时细分转换电路的输出波形。

4 结语

根据光电池的输出特性，可将光电池单体在与标尺光栅刻线平行的方向上间隔合适的栅距，串联或并联成阵列结构，形成光电池组，通过位移—— 脉冲细分转换电路，可提高光栅检测装置的读数分辨率，从而能够实现高精度的加工控制及定位。这在数控机床、贴片机等精度要求很高的伺服系统中有着广泛的应用价值。

参考文献

[1] 曾光宇，张志伟，张存林.光电检测技术[M].2版.北京：清华大学出版社，2009.

[2] 陈中儒.光电传感器—— 光电池[J].科技资讯，2008（8）.

[3] 宋爱琴.硅光电池特性的研究[J].实验室科学，2011，14（2）.

[4] 康华光，陈大钦.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：高等教育出版社，2006.

光电池范文第5篇

关键词：硅光电池；开路电压；光信号；关系

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）08-0251-02

一、硅光电池原理及运用

硅光电池是一种可将光能转换为电能的器件。其具有较多的优点，如性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、能量转换效率高、结构简单、重量轻、寿命长、价格便宜、使用方便等，因而得到广泛应用。硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件，用此技术制作的光电池使用方便，特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。[1]硅光电池的应用方面：光敏传感器的基础是光电效应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导特性发生变化的效应。目前半导体光敏传感器在数码摄像、光通信、航天器、太阳能电池等领域得到了广泛应用，在现代科技发展中起到了十分重要的作用。能源利用方面，硅光电池串联或并联组成电池组与镍镉电池配合、可作为人造卫星、宇宙飞船、航标灯、无人气象站等设备的电源；也可做电子手表、电子计算器、小型号汽车、游艇等的电源。光电检测器件方面，用作近红外探测器、光电读出、光电耦合、激光增加准直、电影还音等设备的光感受器。硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，光电池的种类很多，常见的有硒、硅、砷化镓、氧化铜、硫化铊、硫化镉等，其中最受重视、应用最广的是硅光电池。光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化为直流电。有两种基本类型的半导体材料，分别叫做正电型（或P型态）和负电型（或N型态）。光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用半导体pn结（pn junction）的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池（solar cell）。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件（module），再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。

二、硅光电池光照实验

在硅光电池光照试验中硅光电池负载为零时，短路电流在相当大的范围由与光照度成线性关系；而开路电压与光照度的关系，显非线性。因此，由实验知，负载电阻愈小，光电流与照度之间线性关系愈好。且线性范围宽。光功率计中的内部电路，须达到在待测量光照度的范围内，其等效电阻大小达到规定小的要求。并且通过实验我们探究到光电池具有以下几个基本特性：光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收都将产生光生载流子。它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率响应好，转换率高，能耐高温辐射等。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结。因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。硅光电池光照实验原理如下：在P型硅片上扩散一层极薄的N型层，形成PN结，再在该硅片的上下两面各制一个电极（其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射。），当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子-空穴对。[2]它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达PN结附近时受PN结内电场的作用，空穴向P区迁移，使P区显示正性，电子向N区迁移，使N区带负电，因此在PN结上产生了电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理，这种原理不需外加电源而能直接把光能转换成电能。在硅光电池光照实验中，硅光电池在一定的光照条件下的光生电动势称为开路电压，开路电压与入射光照强度Ee的特性曲线称为开路电压曲线，也可以是硅光电池的电动势与入射光强之间的特性曲线称为开路电压曲线，而开路电压可直接用电位差计读（当所测电压超过电位差计量程时，自行设法扩大量程）。

三、硅光电池开路电压与光信号的关系

光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。电池在开路状态下的端电压称为开路电压。硅光电池照度越大，短路电流越大，开路电压越大，但开路电压影响不大电池的开路电压等于电池在断路时（即没有电流通过两极时）电池的正极电极电势与负极的电极电势之差。光敏传感器的基础是光电效应，即利用光子照射在器件上，使电路中产生电流或使电导特性发生变化的效应。光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。电池的开路电压用V开表示，即V开=Ф+-Ф-，其中Ф+、Ф-分别为电池的正负极电极电位。[3]光信号发生器，是一种特殊的信号源，不仅具有一般信号源波形生成能力，而且可以仿真实际电路测试中需要的任意波形。在我们实际的电路的运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种缺陷信号和瞬变信号，发射头发出激光信号，信号通过光纤传播到目的，利用的是激光的集中度高，和反射原理如果在设计之初没有考虑这些情况，有的将会产生灾难性后果。任意波发生器可以帮您完成实验，仿真实际电路，对您的设计进行全面的测试。由于任意波形发生往往依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，有些任意波形发生器有波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步实验验证。电池的开路电压，一般均小于它的电动势。这是因为电池的两极在电解液溶液中所建立的电极电位，通常并非平衡电极电位，而是稳定电极电位。光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的；光照特性；频率响应；温度特性：温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况；以及稳定性。短路电流随温度上升却是缓慢增加的。硅光电池是近几年，国际上的准双光束紫外可见分光光度计使用最多的一种硅光电池。它被分为可见区使用的硅光电池和紫外可见区使用的硅光电池两种，可见区使用的硅光电池的光谱响应范围一般为320～1100nm，一般峰值波长位置在960nm左右。如日本浜松公司的S1337-16BR、S13 37-3 3BR等硅光电池就是。紫外可见区使用的硅光电池，其光谱响应范围一般为190～1100nm，一般峰值波长位置也在960nm左右，如S13 37-BQ、S133 6-8BQ、S23 87SERIES等硅光电池。[4]但近几年，国外有些硅光电池的光谱响应波长峰值可在400～500nm，如日本浜松公司的S7505硅光电池，其波长范围为400～540nm，峰值位置在460nm；日本浜松公司的S7686硅光电池，其波长范围为480～660nm。峰值位置在550nm。还有峰值位置在254nm的、更适合紫外可见分光光度计的使用的硅光电池，如日本浜松公司的S26 48-2 54型硅光电池，其峰值位置在254nm。光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。而且在光照度为20001x时就趋于饱和，在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。硅光电池的工作原理基于光生伏特效应，它是在一块N型硅片上用扩散的方法掺人一些P型杂质而形成的一个大面积PN结，当光照射P区表面时，若光子能量加大于硅的禁带宽度，若用导线连接P区和N区，电路中就有光电流流过。[5]

光信号就是说在光里面加入一些元素，使得在光的传播中带着这些信息，光是电磁波，比如改变这束光的偏振方向，代表0，未改变的代表1，那么在接收端就能收到信号，然后通过转换成类似1.0.0.1的信号。通过实验我们得出硅光电池负载为零时，短路电流在相当大的范围由与光照度成线性关系；光功率计中的内部电路，须达到在待测量光照度的范围内，其等效电阻大小达到规定小的要求。特别是近年来微小型半导体逆变器迅速发展，促使其应用更加快捷。美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划。据报道，全球发展、建造太阳能住宅（光电池作屋顶、以下按其材料分类，展示光伏技术、产业及市场发展动向。它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等系统也有运用到这种能量转换。

参考文献：

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[2]杨述武.普通物理实验（三、光学部分）[M].第三版.北京：高等教育出版社2000：43-69.

[3]汪建章，潘洪明.大学物理实验[M].杭州：浙江大学出版社2004：196.

[4]曲洪丰，光电探测器特性一体化实验系统研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[5]宋爱琴，硅光电池特性的研究[J].实验室科学，2011，（02）.

光电池范文第6篇

关键词：太阳轨迹跟踪；温度校正；光电传感器

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

1引言

随着地球资源的日益贫乏，基础能源的投资成本逐渐攀高，各种安全和污染隐患无处不在。太阳能[1]作为一种无污染取用不竭的安全、环保新能源越来越被重视。在西部地区，利用太阳能光伏发电在解决通信、广播、电视电源等方面已经开始取得显著成效。例如通过GPRS通信和太阳能供电技术结合，可实现交通路况信息传递，与传统传输和供电模式相比真正实现了“应需”数据采集。

作为光伏发电的集能装置（电池帆板）与太阳的位置密切相关，要在有限的使用面积内利用更多的太阳能，首选方案之一就是始终保持电池帆板集能面与阳光垂直照射，同时采用装置自动跟踪太阳光线。研究表明，太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，其能量的利用率相差30%以上。近年来为降低光伏发电成本，聚光发电也更加受到人们的关注，尤其是高倍聚光电池（砷化电池）的量产，使高倍聚光应用更加广泛。而高倍聚光对太阳位置的精度要求极高，而传感器则像高精度跟踪设备的“眼睛”尤为重要。

本文设计了一种新型太阳能跟踪传感器，利用暗筒的阴影实现太阳位置由粗到精的跟踪[1]，并通过温度传感器采集传感器附近的温度值，运用敏感元件的温度特性对传感器采集到的信号进行温度补偿[2]，实现高精度的全自动太阳跟踪[3]，价格便宜，功能强大。

2传感器的工作原理

（a）侧视图 （b）俯视图

（a）side elevation(b)top view

图1 传感器结构示意图

2.1传感器的结构

传感器主要由8个参数一致的小型硅光电池组成，其结构见图1。设置一个圆柱形暗筒，屏蔽外界环境的散射光线及其它干扰光线，使得外界干扰光线对跟踪效果的影响降到最低。在暗筒外部东、南、西、北4个方向上分别布置4个小型硅光电池。其中，一对小型硅光电池(E，G)东西对称安装在暗筒外侧，用来粗略地检测太阳由东往西运动的方位角；另一对小型硅光电池(H, F)南北对称安装在暗筒外侧，用来粗略检测太阳的高度角。在暗筒内部，东、南、西、北4个方向上也分别布置4个小型硅光电池，其中，一对小型硅光电池(A，C)东西对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度；另一对小型硅光电池(B，D)南北对称安装在暗筒的内侧，用来精确检测太阳的高度角。中心o布置一个温度传感器DS18B20，用于测量硅光电池附近的温度，便于温度补偿。传感器的主要参数定义列在表1中。

表1 传感器主要参数定义

Table1 Main defined parameters of sensor

2.2传感器的工作原理

以东西方向(方位角)为例，假设太阳的高度角是不变的，即假设暗筒在高度方向始终正对太阳。当早上太阳从东方升起的时候，光电池G接收到的光强(阳面)大于E接收到的光强(阴面) ，因此，输出一个差分信号，经过处理后传送到控制器中，继而驱动电机使跟踪平台转动。当转动到一定的精度范围内，方位角偏差不太大时，与G串联的C开始起主导作用，使暗筒精确对准太阳。当太阳向西偏移时， E和A分别起作用使平台向西跟踪太阳，当遇到云层遮住太阳等其他原因导致太阳偏离较远时，E起主导作用进行较大范围的搜索跟踪，到一定精度后A慢慢起主导作用进行精确跟踪。高度角的跟踪基本原理和工作方式与方位角类似。中心处0点的温度传感器DS18B20，用于检测传感器附近的空气温度，可直接得到8-10位精度的数字温度值。

光电池C，G串联， 输出电压记为；光电池E, A串联，输出电压记为 ；光电池F,B串联，输出电压记为；光电池H,D串联，输出电压为。输出电压经放大，滤波后进行AD转换。

，分别表示太阳光线在东西方向，南北方向偏离传感器中心的情况，偏差信号控制方位角电机，偏差信号控制俯仰角电机，使整个装置实现完全跟踪，直到，，此时跟踪平台正对太阳。，的关系式定义为：

（1）

（2）

其中为增益系数。

2.3传感器的温度校正

硅光电池的开路电压、短路电流随温度变化的曲线表征了它的温度特性[5]。由于它关系到应用硅光电池的仪器设备的温度漂移，影响测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是硅光电池的重要特性之一。图2为硅光电池的温度特性曲线，图中可以看出硅光电池的开路电压随温度上升而明显下降，短路电流随温度上升却是缓慢下降的，它们与温度成线性关系。硅光电池作为检测元件时，应考虑温度漂移的影响，并采用相应的措施进行补偿。实际应用中利用实测数据，拟合硅光电池输出——温度特性函数[2]，其表达式如下，以此来实时校正传感器的输出值。

（3）

其中为硅光电池开路电压；为常数；为开路电压温度系数；为硅光电池温度值。

由于在本系统中无无法直接测量硅光电池的实际温度，只能通过温度传感器测量硅光电池附近的温度值，所以拟合关系式并不是理论意义上的硅光电池开路电压温度特性方程。

3传感器的结构

3.1传感器的外形参数

最优设计目标[6]是保证太阳相对于传感器的任何位置产生的信号差最大。为此，硅光电池E、C、A、G需满足表2所示三种情况, 图3所示为太阳光角度示意图。

表2 太阳光线角度与硅光电池被照射关系

Table 2 Relationship of the sun's rays angle with the irradiated silicon photocell

注：:太阳光线与传感器平面夹角在东西方向的分量； :筒外硅光电池被光线照射的临界角； :筒内硅光电池被光线照射的临界角。

图3 太阳光角度示意图

Fig.3 Schematic sunlight angle

经计算[7]，每半小时太阳方位角变化最大17°，高度角变化7.5°。假定当前传感器精确对准太阳，此时传感器所在平面与太阳光线垂直，也即与该时刻太阳直射点处切平面平行；半小时后传感器平面应与此时太阳直射点处切平面相平行，才能与太阳光线垂直，所以传感器的输出信号应调整方位角和高度角方向并转动相应角度[8]。

为保证太阳方位角变动较大时传感器能灵敏的感应温度变化，要求传感器每半小时动作一次（变动小时可以忽略不计）。圆筒内部至少要安置两个硅光电池（且两个硅光电池之间需安置一个温度传感器），硅光电池之间应有一定的间距以减小相互干扰的影响，选取，。另外，结合图3需要满足，，的关系，即，由此得出。

3.2传感器的电路

传感器的电路主要包括传感器信号调理部分[9]和单片机最小系统部分[10]。如图4所示为该两部分电路的原理图。硅光电池的电压信号、和、从接线端子引入后，分别送入由LM741组成的可实现减法运算的差分放大电路，得到东西向和南北向的偏差信号、。两个偏差信号分别经过由LM358组成的一阶有源滤波电路后直接送入单片机进行A/D转换。

图4 传感器信号调理电路

Fig.4 Sensor signal conditioning circuit

4实测结果与结论

将传感器安装在太阳能跟踪平台上后，实测上午10:30至下午17：30时段太阳能的输出功率，得到功率曲线图5。横坐标为半小时时段，纵坐标为平台输出功率（单位：KW）。对比传感器跟踪与非跟踪功率曲线可知，在正午12:30时段，传感器跟踪与非跟踪差别不大。但在其它时段，特别是下午16:30时段，二者差值达16%。可见，采用该传感器可以有效提高太阳能的转换效率。

本文设计的传感器结构简单，经过实验验证了传感器运行的可靠性。由于敏感元件尺寸较大使得传感器体积较大，但是利用暗筒屏蔽环境干扰以及传感器的温度校正取得了较理想的效果，因此跟踪器的精度大大提高。

图5 传感器跟踪平台与非跟踪平台输出功率曲线

Fig.5 Output power curve of sensor tracking platform with non- tracking platform

参考文献

施钰川．太阳能原理与技术[M]，西安：西安交通大学出版社，2009

刘京城，任松林，李敏，罗勇，杨庆峰．智能型双轴太阳跟踪控制系统的设计[J]．传感器与微系统，2008，(9)．

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赵全能．城市建筑日照测量技术分析.专题研究.

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马潮．AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践[M]，北京：北京航空航天大学出版社，2007．

作者简介：

光电池范文第7篇

【关键词】 光生伏打电池 光谱特性 转换效率

前言

本文主要简述了光生伏打电池的工作原理，并通过对光谱特性的分析，进行光生伏打电池的改进，从而提高其光电转换效率。

一、外光电效应

外光电效应是指光照使物体吸收光子并激发出自由电子的现象。当物体表面在特定的光幅照作用下，物体会吸收光子，并发射自由电子，微观上表现为单个光子把他的全部能量传递给一个自由电子，使得自由电子的能量增加一个普朗克常数。当电子获得的能量大于物体的逸出功时，自由电子克服物体表面的束缚而逸出，形成电子发射，从而产生电动势，这就是光生伏打电池的基本工作原理。

根据力做功的定义，对于单个光子的能量，得到光子的能量公式：

其中p为单个光子的冲量，λ为波长，h为普朗克常数，f为光谱频率。

只有当物体中的电子吸收的入射光子能量足以克服物体表面的逸出功时，电子才可以逸出物体表面，产生光电子发射。因为一个光子的能量只能结合一个电子，因此要使一个电子逸出，光子能量必须超过逸出功。

其中A为物体的逸出功，m为电子质量，v为电子逸出物体后的初速度。

光生伏打电池的基本工作元器件就是PN结，即N型半导体和P型半导体结合在一起构成一块晶体。当光照射到PN结时，如果光子的频率达到红限频率，由于光电效应，就在PN结处激发出了自由电子，产生电子――空穴对。在PN结电场的作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区。结果，在N区就聚集了负电荷，P区就聚集了正电荷，于是在N区和P区之间就出现了电位差，产生了光生电动势。

二、光敏材料的光谱特性

不同的光敏材料对于不同频率的光有不同的敏感度，而对于光生伏打电池，不同的制作材料则会对不同频率的光有不同的光电转换效率。

每一种材料都会在自身的红限频率以上对其中某一段频率的光最敏感，同时也结意味着有可能会产生最高的光电转换效率。

物质的波长与构成物质的粒子的冲量有关，即与粒子的质量和热运动的速度有关。不同的物质在不同的环境下，因为有不同的粒子质量和不同的热运动速度而有不同的物质波长。根据物质的谐振现象，当光源的波长与物质的波长越接近，他们的谐振幅度就越大，就可以产生越大的电流，从而这种物质就会对与其相近波长的光源有很高的敏感度，这意味着这种物质对与其相近波长的光源有可能产生很高的光电转换效率。

根据光敏材料的光谱特性，不同的物质确实会对不同频率的光有不同的敏感度，也会产生不同强度的光电效应。每一种光敏材料都会在光谱上有一个敏感度的峰值，会对其中某一频率段的光最为敏感。

如上图所示，为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可以看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在0.54μm附近，适宜可见光的光电转换。硅光电池应用的范围在0.4μm～1.1μm，峰值波长在0.85μm附近，因此硅光电池适宜波长较长的光的光电转换。在实际应用中，我们通常选择根据光源的性质来选择光电池，但是光电池的转换效率依然仅仅维持在20%以下，难以达到我们的预期。

三、电池分层结构提高光电转换效率假设

由于光敏材料的光谱特性，本文提出电池分层结构来提高光电转换效率的假设。即在接收光源时，电池分层，每一层都采用不同的材料，从而对不同频率的光都相对应有一层是可以产生一个较高的光子能量吸收率。

当一个光源产生一束混合光时，照射在分层的电池接收层上，每一层都可以在相对应的频率范围内有一个较高的转换效率，未被上一层吸收的能量就可以继续在下一层进行能量转换，从而尽可能多的利用每一种光的能量，达到较高的能量转换效率。

四、结束语

光电池作为一种可再生能源的能量转换，必将会在未来有很大的发展。电池分层结构仅仅作为一种可行的办法来提高光电池的光电转换效率。

参 考 文 献

[1]《太阳能电池与太阳能电子线路》 霍尔斯特罗姆 I.R.

光电池范文第8篇

亚克力板，功率放大器，自制电源6V，万用线路板，电池盒，1．5V干电池，10mm×10mm硅光电池，红色激光发射头，自制音频调制电路和接收调制电路（主要用到功率放大芯片LM386N－1），喇叭及其支架，直径14mm通体发光光纤，杜邦线，电线，音频线和插口，香蕉插头和香蕉插座，铝盒子，螺丝，螺母。

2制作方法

（1）根据图2中的原理图［2］，在万用线路板上焊接音频调制电路和接收调制电路。（2）用亚克力板制作65cm×40cm的作为演示装置的底板，并用钻孔机在底板上钻孔以固定其他元件．（3）用亚克力板制作16cm×11cm×8cm的5面矩形盒子一个，安放在自制的6V电源上，如图3（a）所示．用亚克力板再制作5cm×4cm×3cm的5面矩形盒两个，分别罩在音频输入和输出插口上以便固定在底板上，如图3（b）所示．（4）利用钻孔机分别在铝盒子上开孔，把红色激光发射头、接收调制电路和硅光电池、功率放大器放进铝盒子里并固定．（5）用亚克力板做底4cm×4cm，高10cm的支架两个，分别固定激光发射头和硅光电池，如图3（b）所示．（6）利用圆柱形支架固定喇叭，如图3（c）所示．（7）用杜邦线、香蕉插座和香蕉插头连接装置，利用螺丝和螺母将各个装置固定在底板上．

3基本原理

基本原理［3］如图4所示．图4实验原理示意图（1）光调制要实现光通信首先要将光进行调制．凡是使光流的振幅、频率、相位3个参量中任何一个参量随外加信号而变化均称为光调制．使光的振幅变化称为调幅或调强．本演示仪主要利用使光波的振幅（光强）随外加变化的光调制来控制发光强度，使发光强度按声音的电信号的频率和振幅发生变化，这种光调制叫做直接光调制．本演示仪中使用的红色激光发射头的工作电压是6V左右，所以在音频信号接入激光头时，必须在之间加一个音频调制电路，这样既保证了激光头能随音频信号的改变而改变发光强度，也保护了激光头的正常使用寿命．（2）光解调实验原理的示意图如图4所示，用一只光电探测器（硅光电池）去接收已被调制的光信号，则能将已调制的光信号还原成声音的电信号，这又叫做解调．如果将这声音的电信号通过音频功率放大器放大，最后在音频放大器的输出端接上喇叭，我们就能听到调制光传播的声音，从而达到光通信的目的．本演示仪中的硅光电池由于光电效应，即光子照射在器件上，使电路产生电流或电导特性发生变化，当硅光电池接收到随时间改变的激光信号，即在输出电压上也表现出同样的变化，但这种变化是微弱的，所以在音频解调电路中加入LM386N－1芯片，实际是一个功率放大器集成电路，主要目的就是稳定并放大硅光电池输出的电压或电流．

4使用方法

（1）演示用光强度调制进行光通信的实验［3］1）开启电源前，把功率放大器的音量和高低音向左旋到最小．2）演示激光通讯时，按照实验原理图，将Mp3播放器插入音频调制电路的输入端并接入6V直流电源，将硅光电池、接收调制电路、4．5V直流电源、喇叭与功率放大器接好．注意接线使之有良好的接触．最后开启功率放大器和调制电路的电源．3）调节红色激光发射头与硅光电池之间的距离和调节发射装置的输入音频与接收功放的音量旋钮，以及发射和接收信号端的位置，使输出端音响有良好的音频输出即可．4）慢慢拉开距离，保证激光发射头对准硅光电池，观察输出端音响发出声音信号的变化．（2）演示光纤通讯模拟实验1）演示光纤通讯时，仿照激光通讯演示，在激光发射头与硅光电池间连接上光纤即可．2）调节发射和接收功率放大器音量旋钮，以及发射和接收信号端的位置，使输出端音响有良好的音频输出即可．

5注意事项

激光通信传输距离比较大，但是由于作为接收激光信号的硅光电池可以接收300～1000nm的光波，并且实际环境光的不断变化，使得激光通讯在周围其他光源的影响下发出滋滋声响，从而影响到播放效果，所以在演示时，要注意周围环境的光不要太过强烈．

光电池范文第9篇

太阳能应用技术目前被世界科学家公认为高尖端科研项目，本人研发的最终结果是：把用之不尽的太阳能进行回收通过硅光电池把太阳能量转换为电能然后对镍氢电池进行充电储蓄再通过逆变器转换为交流电220V/50Hz供家用电器使用／照明等这就是我要研究的目的。

当今世界，石油、煤炭、天然气等主要能源正面临资源枯竭的危险，同时，环保压力也在不断增加，因此，环保、节能已经成为后期30～50年世界范围内各行各业努力追求的目标，太阳能、风力发电新能源是一种清洁的绿色环保能源。

随着地球人类的不断增多，石油、天然气、煤炭在日益减少，人类会无法生存下去最终只有地球爆炸火山爆发才能生成石油煤矿天然气……

太阳是人类离不开的阳光，也是夏天人们最害怕的紫外线，太阳对人类利多弊少，尤其是夏天的太阳系它产生的热源能量充足，即幅射的紫外线波长最长，也是硅光电池接收电流能量最理想的季节……我们就是利用强烈的太阳光，把“多块”太阳能硅光电池组成大面积电池组来产生一定值的直流电压：例如：DC12V～24V再通过逆变器转换为交流电220V电压供家庭照明／电饭煲煮饭……，这就是我要研究的新课题。

总之人类到了22世纪以后，石油，天然气，煤炭紧缺，世界人类最后生存的方法：其一是：把河水进行电解制得氢气，化学反应式为：H2O电解H回收压缩装入钢瓶。氢气可以燃烧可以发动汽车。其二是：利用大自然风力发电，其三是：利用太阳能热水器，其四是：利用太阳能硅光电池／逆变／供电给人类用电最终建造大功率太阳能发电站，其五是：利用水力发电站提供电能，其六是：利用铀矿藏提炼，建立原子能核发电站……。

2、太阳能电池发展概况

太阳能光伏发电，可视为迄今为止最美妙、最长寿和最可靠的发电技术。与太阳能发电相比，它另涉及半导体器件，既无运动部件，又无流动工质，因此，避免了机械维修和工质腐蚀的问题，是可再生能源和可持续发展的可靠能源。

硅太阳电池的发展，始于1954年在，美国贝尔研究所试制成功，次年便被用做电信装置的电源，1958年又被美国首次应用和于“先锋1号”人造卫星。宇宙开发极大地促进了太阳电池的开发。与此同时，地面用太阳电池的研究也在不断开展，特别是1973年的能源危机，又大大加速了地面太阳电池的发展。许多国家为开发、利用太阳能电池，为阳光发电的研究投入了相当数量的资金。迄今为止翱翔于太空的成千个飞行器中，大多数都配备了太阳能电池系统。第一颗人造卫星上天，是光伏技术开发利用的起点，经过近50年的发展，它已形成一门新的光伏科学与光伏工程。无论是在宇宙飞行中的应用，还是作为地面发电系统的应用，从开发速度、技术成熟性和应用领域来看，光伏技术都是新能源中的佼佼者。

太阳电池作为有潜力的可再生能源，在地面上逐渐得到推广。太阳电池的成本及售价也在逐年下降，多年来太阳电池的产量一直以10％～25％的增长率在增加。1990年世界太阳能电池组件的产量70MW，我国为1.2MW，主要是用在太阳光照好的边远地区。到2001年全世界太阳电池的产量达到350MW，我国太阳能电池的实际产量已达到4.5MW，累计安装量已超过20MW。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济欠发达地区。据统计目前我国尚有700万户(2800万人口)，还没有用上电，60％的有电县严重缺电。这些地区在短期内不可能靠常规电力解决用电问题，光伏发电则是解决分散农、牧民用电的理想途径，市场潜力非常巨大。

光伏发电具有许多优点：如：安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无须消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无人值守，建站周期短，规模大小随意，无须架输电线路，可以方便地与建筑物相结合等，这些优点都是其它发电方式所不及的。

目前国际上大量使用的电池为单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池和非晶硅太阳电池三种，这三种电池约各占1/3的市场，我国目前有7个太阳电池生产线，主要是生产单晶硅及非晶硅太阳电池，多晶硅太阳电池也有少量生产。我国生产单晶硅太阳电池的效率在12％-13％，多晶硅太阳电池在10％，非晶硅太阳电池在5％-6％。晶体硅太阳电池在研究上是朝着高效率化、薄片化、大面积化的方向发展。1995年我国晶体硅太阳电池组件的参考价格为45元／W，非晶硅太阳电池组件为25元／W，仍为常规能源的几倍，但在无电地区及拉线不方便的地方，已产生了良好的经济效益。

3、太阳能光伏发电的原理

太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性，当太阳光照射在半导体PN结上，由于P―N结势垒区产生了较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各自向相反方向运动，离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，从而在外电路中产生电压和电流，将光能转化成电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类，一类是并网发电系统，即和公用电网通过标准接口相连接，像一个小型的发电厂；另一类是独立式发电系统，即在自己的闭路系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接收来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电，经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。

4、光伏工作原理

光伏：光子照射到金属上时，它的能量可以被金属中某个电子全部吸收，电子吸收的能量足够大，能克服金属内部引力做功，离开金属表面逃逸出来，成为光电子。

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子(光波)转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。

光伏发电，其基本原理就是“光伏效应”。太阳能专家的任务就是要完成制造电压的工作。因为要制造电压，所以完成光电转化的太阳能电池是阳光发电的关键。

太阳能电池，通常称为光伏电池。目前的主要的太阳能电池是硅太阳能电池。用的硅是“提纯硅”，其纯度为“11个9”，比半导体或者说芯片硅片“只少两个9”；又因为提纯硅结晶后里头的成分不同，分为多晶硅和单晶硅；目前，单晶硅太阳能电池的光电转换率为15％左右，最高达到了24％，使用寿命一般可达15年， 最高达25年，比转换率仅12％左右的多晶硅太阳能电池的综合性能价格比高。

5、太阳能电池的发展与应用

太阳电池又称光伏电池，是一种能有效地吸收太阳辐射能，并使之转变成电能的半导体器件。它可单独地作为光探测元件，例如在照像机中使用，主要是经过串联和并联，以获得所需的电压及电流来作为供电电源使用。太阳电池的外观就如一张薄的卡片或一片薄的玻璃片一样，与普通电池外观不同，它自身也不能储存电能，即没以有光时就不发电，如果晚上要用它，就要与蓄电池配合使用。太阳能电池的面积每100cm2在强阳光下约产生1W的电，我们常说的1度电是1kW・h，也就是1kW这样的电池工作1h才能产生1kW・h电。

6、开始实验／怎样巧制硅光电池

利用金属封装3DD15大功率的三极管b与C结，撬开管帽，在阳光下产生0.5V×1mA的电能，若将6个这样的三极管串起来使用，将引出线接到838计算器上，并且把三极管子正对着太阳等强光，则计算器即可正常运行。

实验请注意：(锉去三极管3DD15管帽露出管芯，基极是正极，发射极和集电极均可以作为负极使用)。

大功率三极管3DD15六只串连电路如下：每只三极管可产生O.5V×1mA的电能。

7、如何识别检测硅光电池

硅光电池是一种太阳电池，简称光电池。

硅光电池的结构如图3所示，它实际是一个大面积的PN结，在结的两边分别引出上电极引线和背电极引线。一氧化硅反射膜是蓝色，其作用是减少光的反射，提高光电转换效率。与上电极引线相连的栅线是为了减少光电池的表面电阻，提高输出功率而加的。但因栅线也占一定面积，照在栅线上的光将不产生电压(电流)，这在用作光电检测器件时会影响精度，所以有的光电池没有栅线。

单个硅光电池的电动势既开路电压为O.45～0.6V(与电池的面积无关)，产生的电流为16～30mA/cm2。为适应不同需要，常串联，并联或混联使用，以提高工作电压和输出电流。例如12个电池串联可作6V电源供收音机使用，电子表，电子计算器等普遍采用这种光电池。

硅光电池可接收O.4～1.1μm波长的光，但对其中0.86～0.9μm波长的近红外光最敏感，所以在测试中应用白炽灯或阳光，而不要用日光灯，节能灯等“冷色”光源发的光，当按图接好电路并用光照射时，如是单个光电池，应看到万用表指针指示约O.1～0.4V，否则是坏的，光越强指示应越大，否则也不正常。但这个值恒小于其电动势(O.45～0.6V)，这是由于光电池内阻很大的缘故(一般约几十欧姆，短路电流为几十毫安)。至于多个电池组合时万用表测得的值，实验者不难由电池串，并混联的知识加以计算。

另外，还有一种硫化镉陶瓷太阳能电池，它和硅光电池一样也属物理电池，其中一种型号为2ST80的，其开路电压为O.5V，短路电流为80～100mA，它也可作为地面小功率装置的电源，其检测法如以上所述。

8、太阳能新产品不断问世

太阳能是目前发展最快的能源，世界能源专家认为，太阳能将是下个世纪的主要能源。太阳能具有蕴藏丰富、可再生、世界各地均可独立开采、不污染环境等优点，所以世界各国竞相开发利用，各种太阳能产品纷纷问世。

(1)太阳能冰箱：印度研制成功一种太阳能冰箱，在平底的太阳能收集器里，盛有氨和水的溶液，太阳光把氨从液体中蒸馏出来，并在另一个容器里冷藏下来。晚间把液态氨送到冰箱管道里，氨吸收热量使冰箱内部冷却下来。

(2)太阳能空调器：日本夏普电器公司制造的太阳能空调器，当天气晴朗时，全部动力都由太阳能电池供应；多云或阴天时使用一般电源。

(3)太阳能电视机：芬兰生产的太阳能电视机，只要白天把半导体硅电池放在阳光下，晚上不需要用电便可观看电视，可连续使用3～4h。

(4)太阳能换气扇：日本新近推出一种太阳能楼房专用换气扇，安装在有太阳能电池板的窗框上，太阳能电池产生的电流能驱动换气扇旋转，换气能力达每分钟1立方米。

(5)太阳能收音机：德国开发研制成功一种太阳能收音机，它能把太阳能转变成直流电，作收音机的能源。

(6)太阳能电话机：在法国的图尔市，新建了世界上第一批太阳能电话机。设有这种电话机的电话亭的顶端装设了太阳能电池，电话机完全依靠太阳能作无线通讯的能源。这种电话机话音清晰，无通话障碍。它将在法国各公路沿线普遍设立。英国一家无线电公司，也研制成功了类似的电话机。

(7)太阳能照像机：日本研制成功世界上第一架太阳能照像机，重最仅475g，机内装有高效太阳能电池板和蓄电池，蓄足电力可连续使用4年。美国一家公司也生产出了一种新型的135照像机，其动力由太阳能电池板供应，只要有光线就能提供能源。

(8)太阳能汽车：美国科学家最近设计出了一种太阳能自行车。它在普通自行车上装一块由44个光电池组成的电池板，还装置一个铝蓄电池和功率为0.5马力的小型电动机。这种两用车在平地上行走时可用脚蹬，在上坡或身体疲乏时，则可开启电动机驱动自行车加速行驶。

光电池范文第10篇

关键词：DS18B20;测色系统;温度漂移;电压补偿

中图分类号：TP202文献标识码：B

文章编号：1004 373X(2009)02 183 03

Application of Digital Temperature Sensor in Color Measurement System

LI Ting,GU Yuhai,XU Xiaoli

(Beijing Key Lab.:Measurement and Control of Mechanical and Electrical System,Beijing Information Science & Technology University,Beijing,100192,China)

Abstract：The color measurement system takes silicon photocell as its photo detectors,the temperature characteristic of silicon photocell would produce influences to the measuring stability of system,and proper voltage compensating is needed to make the performance indicators more excellently.Usually,voltage can be linearity compensated base to hours,but actually the changes of the voltage value in accordance with temperature rather than hours.Digital temperature sensor DS18B20 is designed for tracking the current temperature,analyzing the linearity relation between temperature and voltage value.After achieving the coefficient of voltage compensating,voltage would be compensated by software editor.Basing on stipulations that instituted by National Institute of Metrology,the value of chromatic aberration is less than 0.15,which has already up to scratch by using DS18B20,the results indicate that this method is feasible and actuality for practical applications in the color measurement system.

Keywords：DS18B20;color measurement system;temperature drifting;voltage compensating

基金资助：机电系统测控北京市重点实验室开放课题资助项目（KF20061123207）

在光电积分式测色系统设计中，通常选用硅光电池作为光电探测器，硅光电池能够把光信息(能量)直接转化成电信息(能量)，便于对被测信号进行处理。由于标准光源照明体灯管壁温度较高，对探测器内部的温度影响很大，硅光电池受温度影响产生电压漂移，这势必会影响到测量的精度和稳定性［1］。通过研究硅光电池的光电转换特性随温度变化的规律，设计了使用数字温度传感器DS18B20的一种V－T曲线控制补偿方法，对测色系统进行适当的电压补偿，使其达到更好的性能指标［2］。

1 硅光电池特性

在测色系统中，经过光电探测器把采集到的被测样本的光信号转换为电信号,采集输出的电信号极其微弱，需要对这些电信号进行转换和放大处理，在这些环节中引起温度漂移的原因主要有2点：

(1)硅光电池的温度特性对输出电压有很大影响［3］；

(2) 在放大电路中，任何参数的变化，如电源电压的波动、元件的老化、半导体元件参数随温度变化而产生的变化，都将产生输出电压的漂移。

硅光电池的温度特性［4］是指开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移,影响测量精度或控制精度等重要指标,因此温度特性是硅光电池的重要特性之一。从图1中可以看出硅光电池开路电压随温度上升而明显下降,短路电流随温度上升却是缓慢增加的。因此，在采用硅光电池作为检测元件时,应考虑温度漂移的影响,并采用相应的补偿措施。

图1 硅光电池的温度特性

2 DS18B20实时温度采集

DS18B20是DALLAS公司生产的单线式智能数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式，其中：DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。DS18B20内部结构［5］主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

图2 DS18B20的内部测温电路框图

DS18B20的测温原理［6］如图2所示：每次测量前，首先将-55 ℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

3 V－T曲线控制温度补偿的设计方案

光源产生的热量和探测器的机械结构使得光电探测器内部温度随测量时间的增加不断升高，硅光电池采集的三路模拟信号的电压值随之逐渐下降。针对这种现象通常采用分时间段对这三路信号的电压值进行补偿。实验表明，时间与电压值的关系并不能作为准确的控制3路模拟信号电压值补偿的依据： 一方面，按时间变化采集的3路模拟信号的电压值并不是完全线性的；另一方面，硅光电池的温度特性才是产生温度漂移最主要的原因。

这里采用温度传感器DS18B20获取实时温度，结合电压值分析得出温度补偿系数进行电压补偿，实现电压－温度曲线（V－T曲线）控制补偿。根据温度传感器的测温原理，设计了一种实现V－T曲线补偿的方法，系统总体框图如图3所示。按照式（1），结合实际测量数据分析得到适当的温度补偿系数K，实现温度上升时，对实测电压进行适当的补偿，使补偿后的实测电压值具有良好的稳定性。

V-V0=K×（T-T0）(1)

式中，V0为电压初始值;V为电压实测值；T为实测温度;T0为温度初始值；K为温度补偿系数。

图3 测温系统总体框图

3.1 温度补偿系数的选择

V－T曲线控制温度补偿的核心在于温度补偿系数K的选择，根据式（1）得到：

K= (V-V0)/ (T-T0)(2)

在测色系统中，把调零后第一次测量标准白板时获得的电压值和温度值作为式（2）中的电压和温度的初始值。连续测量标准白板，能够获取不同温度时3路模拟信号的电压值，随着温度的升高，硅光电池产生的电压漂移会反应在这些电压值中。结合实测数据计算电压值随温度线性变化的曲线斜率，所得的曲线斜率即为温度补偿系数K。将温度补偿系数K引入到电压补偿中，对于每次测量所得的电压值，都可以结合实测的温度对电压测量值进行补偿，得到实际的电压值。如式（3）所示：

Vt = V+ K×(T-T0)(3)

式中，Vt为实际的电压值;V为电压测量值；T为温度实测值;T0为温度初始值；K为温度补偿系数。

3.2 硬件实现

WSC－Y型测差计选用STC89C58RD+新一代超强抗干扰/高速/低功耗单片机作为主处理器［7］完成主要的测控任务。单片机单总线上挂接的DS18B20采用外接VDD供电方式(而未用寄生供电)，系统中CPU采用22 MHz晶振，DQ端为P1.1。系统主要部分硬件电路如图4所示。

图4 DS18B20硬件电路

图5 测温流程图

3.3 软件实现

DS18B20简单的硬件接口是以相对复杂的接口编程为代价的。由于DS18B20通过单总线与单片机进行通信，所以DS18B20与单片机的接口协议是通过严格的时序来实现的。单片机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。必须先启动DS18B20开始转换，再读出温度转换值。另外，DS18B20在实际应用中应注意从测温结束到将温度值转换成数字量需要一定的转换时间，所以在读取温度结束后需要延时1 s后，再对数据进行处理，这是必须要保证的，否则将导致转换错误，输出错误的温度值［8］。基于DS18B20的通信协议［9］编写温度传感器控制程序，对DS18B20的操作的程序流程图如图5所示。

3.3.1 初始化子程序

测温系统采用P1.1作为为通信端口，在DS18B20初始化的过程中，单片机首先发出1个复位脉冲，保持低电平时间要大于480 μs，然后单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲，P1.1口收到0则初始化成功，收到1则初始化失败。这样，单片机与温度传感器就完成了1次初始化通信。

3.3.2 读取温度数据

使用默认的12位转换精度，外接供电电源，完成一次转换并读取温度值的程序［10］如下：

DS18B_Init（）；// 初始化DS18B20

DS18B_W_Byte(0xCC)； //跳过读序号列号的操作

DS18B_W_Byte(0x44)；// 启动温度转换

DS18B_W_Byte(0xBE)； //读取温度寄存器

a=DS18B_R_Byte（）；

b=DS18B_R_Byte（）；

return(fv)； //fv定义为浮点型的当前温度值

3.3.3 V－T曲线控制补偿子程序

温度补偿函数的实现如下：

temp=DS18B_R_T（）； //读测量时温度

temp=temp-temp0；//将当前温度与调白时比较，对温度进行补偿

s_vol［s_n］［X_RED］= adc(0)+temp*S_ABE.ktemp；//基于温度进行电压补偿

s_vol［s_n］［Y_GREEN］ = adc(1)+temp*S_ABE.ktemp；// S_ABE.ktemp为温度补偿系数

s_vol［s_n］［Z_BLUE］ = adc(2)+temp*S_ABE.ktemp；

4 实验结果分析与结论

将V－T曲线控制补偿电路的设计方案应用到测色系统后，先将色差计预热30 min后，使光源趋于稳定，对仪器定标，每隔5 min测量专用工作白板1次。测量中，白板保持不动，测量结果良好。表1和表2分别是对系统进行温度补偿前和温度补偿后，测量同一块标准白板半小时的测量结果。

表1 温度补偿前预热30 min后的测量结果

时间/min刺激值X刺激值Y刺激值Z 色品坐标 x y色差ΔE

082.61 87.50 91.59 0.315 60.333 90.00

582.60 87.5291.540.315 7 0.334 00.08

1082.58 87.5491.900.315 8 0.333 90.16

1582.53 87.5091.800.315 60.331 60.19

2082.51 87.4891.75 0.315 40.334 10.21

表2 温度补偿后预热30 min后的测量结果

时间/min刺激值X刺激值Y刺激值Z 色品坐标 x y色差ΔE

082.6187.5091.590.315 60.333 90.00

582.6287.4591.600.315 40.333 80.01

1082.6087.4891.580.315 8 0.334 00.02

1582.59 87.41 91.590.315 80.334 20.05

2082.55 87.4391.560.315 60.334 10.10

由测量数据可见,在对系统进行温度补偿后，测色系统的测量准确度大大提高，误差明显变小。引入温度传感器后，测色系统的测差ΔE均小于0.15 ，测量的重复性完全达到了国家计量院规定的15 min内ΔE＜0.2的要求。根据测色系统的现实要求，采用灵活的温度补偿技术，和切实可行的电压补偿方法，有效地完成了测色系统的稳定性控制。实验结果表明，在使用了数字温度传感器对测色系统的实测电压进行补偿之后，减少了测量误差，提高了仪器的稳定性和准确度。

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