光電少年 Sol
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輔助學校推動能源教育 ] 新網頁介紹 適用對象: 各級學校教師
本會採自由發展式:輔"助"推動能源教育,而非官方舊版限制性:輔"導"框架, 真正腳踏實地廣澤全國2千5百所小學,或其他眾多院校,讓全國學生都能有機會自由參與"體認能源",並
自發性地思考研究能源,更方便全國教師自由發揮:[最有效教學方式],以達到全面發展再生能源向下扎根的使命.
本單元共90餘頁,正逐頁編輯中.
共分: 國內篇.及國外篇(暫從缺), 國外部分計有:
美國, 德國, 日本, 荷蘭, 澳洲等各國能源教育輔助政策及成果.
光電的基本代表原件就是太陽能電池,當然,積體電路(IC)與LED等相關半導體也算是光電一族. 因為它們都是由半導體晶片所製成,所以太陽能電池又稱為太陽能晶片(大陸叫硅片).然而有一種太陽能電池不是用晶片製造的,那就是非晶太陽能電池.也就是計算機上面用的那種太陽能電池,這是一種採用
薄膜技術製造半導體的產品.價格便宜,生產快,目前市場上大多數以玻璃代替晶片作為基材,然而它的缺點是效率低,壽命短,況且效率還會老化約兩成(20%).目前世界上有許多科學家正在研究製造新的薄膜太陽能電池,稱為:奈米技術,不再用晶片或玻璃而改用其他物質如:聚酯類,以減輕重量,增加可彎度及降低成本,唯,目前仍在實驗階段.
簡介太陽能光發電:
光簡稱"P" 電簡稱"V" ,所以國際上將光發電的事物簡稱為 "PV" , 在台灣稱為[光電],大陸叫做[光伏].
太陽能電池的基本知識:
一. 太陽能電池外型特徵
在這所謂的電池（Cell）並不同於我們想像的 "蓄電池"（Battery）因為它的結構只有薄薄的一片 "矽晶片" (約0.3mm),比一張名片還要薄,也可說是一片超薄的玻璃片似的,
在這些商品化的太陽能電池中,(其實應該稱為太陽能晶片)可分為（1）單結晶矽太陽電池Singlecrystal （2）多結晶矽太陽電池Polycrstal（3）非結晶矽太陽電池Amorphous等三大類.
二. 電壓與電流
太陽能電池的輸出導線可用電表測出它的電壓（伏特V）與電流（安培A）,而電對於電線好比是水對於水管的關係 . 電壓的作用在壓送電流, 如同水管中的水壓可輸送水量,
洗澡要消耗較多的水量, 聽收音機只要較少的電流, 但開冷氣機要消耗較大的電流.
三. 串聯與並聯
太陽能電池（晶片）可經過切割後,改變其電流,(切的愈多,單位面積愈縮小,電流就會愈少)將幾個晶片的正負極串接起來可以改變整組的電壓,（串的愈多,電壓會愈高）.
四. 應用上的原則
（4-1） 照射面積的條件 - 雖然太陽電池的能源為取之不盡的陽光,但太陽電池能源的密度較小, 如要取得大量電力,就必須有廣大的面積.如較大的太陽能發電廠,一般都建設在平坦的沙漠.
（4-2） 氣象條件 - 因以陽光作為能源,所以其輸出電力會隨著光線的強弱（波長）而改變,如陰天時比晴天電壓降的不多,但是電流會降低到剩下1/5
~ 1/10左右,雨天甚至降到1/100以下,但仍然可以輸出微弱電力.在室內使用時,因燈光為人造光源,其波長有別於太陽光的全波長,所以戶外型的太陽能電池在日光燈下（螢光燈）,幾乎無發法操作,但在燈泡下（白熾燈）會依光源的距離而產生100%至5%的電力.這是因為日光燈與電燈泡兩者的波長不同所致.
又為什麼小型太陽能計算機在日光燈下仍可操作,因為那是一種室內型太陽電池,且其所產生的微弱電流即足以供小型計算機所需.如果將室內型太陽能電池拿到室外長期使用,可能在強烈陽光下照數天後即損壞.
（4-3） 溫度的影響 - 如將戶外型的太陽電池在室內用電燈泡以短距離（5-15cm）照射半小時左右,會使太陽電池的表面產生90-100度C以上的高溫,
此時太陽電池會暫時失去電力,直到完全冷卻到25~30度c以下,才再度產生電力.( 太空式晶片除外 )
（4-4） 夜間使用 - 太陽電池只有照耀光線才能發電,晶片本身沒有蓄電的能力,如要在夜間使用時,必須與充電系統配合,即將太陽電池在白天所產生的電流充到蓄電瓶或可充電乾電池內,以供夜間使用,但是使用前,
應先計算出充電所需的時間,並注意因氣象陰晴的變化導致充電量的多寡不一.
（4-5） 受光面須平均的要求 - 結晶型太陽電池不論串聯或並聯,其受光面須在同一平面上,如有一部份受到遮陰,則可能造成局部電阻,降低或無法發出電力,但非晶型太陽電池的影響較小,
所以非晶型太陽電池設計成曲面時仍有電流輸出,但仍以在同一平面時的輸出為最大.
五. 匹配材料的要求
因為太陽能電池是在烈日下使用,所以其匹配材料上的選則必須要合乎耐候性的要求(耐紫外線).一般設計上為了節省成本而選用廉價的的電線、塑膠外框、不良披覆材料等,導致產品變形、電線氧化、披覆質變黃或脫落、浸水腐蝕等現象.
正確的設計材料如下:
A. 塑膠外框- 應採用PC材料,而不可採用ABS或其他強化塑膠,因為在長期日照測試使用下,現有塑膠類中僅有PC能通過耐候性的考驗.
B. 輸出電線- 應採用橡膠、矽膠或耐蝕合成皮的鍍錫多蕊電線或是船舶專用的DC電線,如此才能保障其導電的優良性,一般所採用的PVC 銅蕊線,防水性差.
氧化後電阻大.日曬後易龜裂.受潮易腐蝕氧化,尤其在海島型鹽霧氣候約兩至三週銅蕊即產生孔雀綠,造成極大的電阻,甚至無法導電.
C. 披覆材料- 應採用矽膠或其他特殊的耐候性材料,以免晶片受潮變質,降底或無發輸出電流.
D. 金屬外框及零件- 在陸地上可採用鋁合金製,在海上則應採用不銹鋼製, 零件則採用不銹鋼或鍍黃金製品.
六. 輸出數據
1. 開路電壓：英文符號Voc ( Open circuit voltage )
當太陽電池電壓在沒有連接（使用）電器的情況時,直接用電壓(伏特)錶所測量出來的電壓.
2. 短路電流：英文符號Isc ( Short circuit current )
當太陽電池在沒有負載（連接電器）時,用電流（安培）錶直接測量出的電流數據.
3. 工作電壓：英文符號Vop ( Voltage at Load ) / Vmp ( Voltage at Pmax )
在負載電器時,最佳的工作電壓
4. 工作電流：英文符號 Iop ( Current at Load ) / Imp ( Current at Pmax )
在負載電器時,最佳的工作電流
5. 最大輸出功率：英文符號 Pmax ( Rated Power, Watts ) / ( Maximum power rating )
6. 為工作電壓,與工作電流的乘積,即Vop x Iop = Pmax(W)
七. 光能單位 mW/cm2
通常照射到一個平面的光能大小,我們以mW/cm2來表示.在晴天中12時左右的太陽能量約為 100 mW/cm2. 而一般商品型錄中, 太陽電池的輸出也是100
mW/cm2時值來表示.又100 mW/cm2等於12萬LUX(照度),而平常室內光線約在500-1000LUX左右.由以上可知商品上的數值是以最理想光源時的參數(
參考數據 / 僅供參考 ),如以陰天或偏時（非正午時）太陽電池的輸出實際是達不到型錄上所稱的那麼高的( 在台北一年365天恐怕找不到幾天,但在非洲就多了).
八. 充電常識
當充電於蓄電池時,就好像水管加到水槽中一樣,有水壓是否足夠的問題.
一個12V的蓄電池我們至少要用18V-20V的太陽能電池板來充,才能有效的達到充電的目的.因為所謂的18V的太陽能電池板,係指在強光（100
mW/cm2）之下的開路電壓,如在陰天或晨晚時可能僅有14V - 15V,且其工作電壓又要更低一些, 但如此則仍可將電流充入12V的電中瓶.
又,電流就好像水量的大小,用較高的電流充電就好像用較多的水量充水,可以縮短充電時數或水槽裝水的時間.
九. 充電保護線路
將太陽電池的輸出電流充入蓄電池時,為了充電需要及保護蓄電池的壽命,必須設計一組保護線路（或稱之為控制器）,其功能包括防止蓄電池電流逆回太陽電池的二極體與過充電控制,和過放電控制.因為過度的充電會導致蓄電池膨脹或爆裂,
過度的放電,（使蓄電池的電流完全放出）將會減少充電的次數,甚至於導致下次充電時,有充不進電流(無法完全充滿)的現象.
總之,為了使蓄電池發揮最佳功能,就必須使用控制器來維持最佳的充放電模式.
十. 變流器( 逆變器 )
不論是太陽能板或蓄電池所產生的都是直流(DC)電,如果我們要將它轉變成交流(AC)電,就要用變流器(大陸稱:逆變器)將DC轉變成AC,
以供一般家電用品使用.由於各類家電用品的需求不同,變流器可分為正弦波與方波兩種. 壓縮機(冷氣,冷凍)與微波爐等需要正弦波,
而電燈,電扇,收音機等,用方波即可.一般而言,正弦波的價格較方波貴三倍以上.
十一. 陣列(方陣)
一片太陽能板所發的電力有限,所以要併列許多片板子成為一組一組的陣列,就好像是拿破崙軍隊的方塊陣列,稱為太陽能陣列(大陸稱:方陣)
十二. 雷擊保護
因為太陽能板裝置在戶外高處,所以要考慮雷擊的問題,除了裝避雷針外,在陣列下方的匯流盒內要裝置雷擊保護器,以吸收突然暴增的雷電,避免太陽能系統損壞.
十三. 深循環蓄電池
依照太陽能板充電的特性,國際上有太陽能專用的深循環蓄電池(Deep Cycles).但大多數業者仍採用閥調式免保養鉛鈣電池(VRLA Battery一般用在UPS系統上).
教學資料: 太陽能載具圖片 太陽能建築
中華太陽能聯誼會
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