朱行美 彭金芝 楊承威 楊艷飛 楊紅元 雷遠(yuǎn)清

摘要：本文主要介紹和驗(yàn)證一款可以點(diǎn)亮的新型多彩電燈。在節(jié)能環(huán)保和新能源大力推廣的當(dāng)下，將傳統(tǒng)的蠟燭，用在新型多彩電燈的設(shè)計(jì)里面。利用蠟燭燃燒產(chǎn)生的光能通過(guò)光電裝置轉(zhuǎn)化為電能，從而點(diǎn)亮多彩電燈。這種新型的使用方式不僅僅是一種裝飾燈，還可以解決人們?cè)趹敉馊狈﹄娫礂l件時(shí)的一種新型照明方法，也給燈具產(chǎn)品重新注入活力，贏得人們的歡迎。在驗(yàn)證一款可以點(diǎn)亮的新型多彩電燈時(shí)，我們需要分析蠟燭的主要成分、燃燒條件，并嘗試改變成分和條件，制備出一種不同于普通蠟燭的新型蠟燭，使這根蠟燭在燃燒的時(shí)候可以發(fā)出更加強(qiáng)烈的光照，燃燒時(shí)間更加持久。也需要實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證、分析光電裝置的充電效率，研究光電設(shè)備位置、角度等，從而使蠟燭在燃燒時(shí)產(chǎn)生更多的發(fā)電量。本文將從蠟燭的研究和改進(jìn)、光電充電電路效率提升和研究、多彩電燈亮度研究和顏色美觀合理三個(gè)方面進(jìn)行研究分析和論證。

關(guān)鍵詞：光能發(fā)電;充電;亮度調(diào)節(jié);多彩電燈

1.緒論

1.1 本論文的研究背景和研究意義

利用蠟燭燃燒產(chǎn)生的光能通過(guò)光電裝置轉(zhuǎn)化為電能，從而點(diǎn)亮多彩電燈。這種用途不僅僅是新型的一種裝飾燈，還可以解決人們?cè)趹敉馊狈﹄娫礂l件時(shí)的一種新型照明方法，也給燈具產(chǎn)品重新注入活力，贏得人們的歡迎。

通過(guò)蠟燭燃燒來(lái)點(diǎn)亮多彩電燈的方法在提高蠟燭功能的使用和使燈泡發(fā)亮的方法上有著很大的意義，也是一種新型的創(chuàng)新。用這種方法設(shè)計(jì)的多彩電燈在產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，將單一的產(chǎn)品多功能化，能夠充分利用產(chǎn)品的使用價(jià)值，把相關(guān)的產(chǎn)品進(jìn)行有效整合，使得功能更加多元化而起到能源的最低消費(fèi)。

1.2 本論文的研究方法

本論文將利用蠟燭和光電轉(zhuǎn)換裝置、充電裝置、多彩電燈，進(jìn)行原理分析、實(shí)際測(cè)試、結(jié)果記錄、現(xiàn)象數(shù)據(jù)分析和對(duì)比，來(lái)驗(yàn)證最后的測(cè)試結(jié)果和測(cè)試現(xiàn)象。并根據(jù)原理和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，來(lái)對(duì)可以點(diǎn)亮的新型電燈進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

1.3 本論文的主要內(nèi)容

本論文的主要內(nèi)容包括：①對(duì)于蠟燭燃燒條件和材料的研究和分析 ②光電轉(zhuǎn)換裝置的原理分析研究 ③光電電路的研究和搭建 ④搭建的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)記錄 ⑤對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究 ⑥根據(jù)分析對(duì)新型電燈的電路結(jié)構(gòu)和電路模型就行優(yōu)化或者改進(jìn)。

1.4 本論文的主要目標(biāo)

①.研究找尋新型蠟燭的主要成分，提高蠟燭燃燒時(shí)產(chǎn)生的光能強(qiáng)度及燃燒時(shí)間。②.制造光能轉(zhuǎn)化電能裝置。③.分析光能聚集的方法，控制電能的強(qiáng)弱來(lái)調(diào)控多彩電燈的亮度。④.利用新型蠟燭點(diǎn)亮的多彩電燈的造型美觀程度和合理性，提高它在生活中的實(shí)用性和受歡迎程度。

1.5 本論文的項(xiàng)目進(jìn)度安排

第一階段：查閱關(guān)于提高蠟燭燃燒效率和光電轉(zhuǎn)化裝置的相關(guān)電子文獻(xiàn)里書籍，記錄并分析。第二階段：思考可以使蠟燭燃燒時(shí)光度更強(qiáng)的新型材料，設(shè)計(jì)新型蠟燭。第三階段：設(shè)置光電轉(zhuǎn)化裝置。第四階段：搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，記錄、分析和總結(jié)。第五階段：整理實(shí)驗(yàn)和結(jié)果，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行總結(jié)，撰寫論文。

2. 研究和分析

2.1 對(duì)于蠟燭材料的研究

2.1.1蠟燭燃燒成分研究

市場(chǎng)上面最常見(jiàn)的白燭和紅燭里面的有效成分都是石蠟，石蠟是從開(kāi)采出來(lái)石油里面的含蠟餾分經(jīng)冷榨或溶劑脫蠟制作而成的，是由幾種高級(jí)烷烴組合而成的混合物，主要最主要的成分分別為：正二十二烷（C22H46）和正二十八烷（C28H58），這些高級(jí)烷烴的混合物里面，碳元素的有效含量約為85%左右，氫元素的有效含量約為14%左右。普通白燭和紅燭燃燒時(shí)，它的火焰中外焰溫度為最高，一般都在500度左右，火焰的明亮程度和火焰外焰溫度受到多種因素影響，可燃物中的碳含量是其中最主要的因素之一。當(dāng)可燃物中碳含量越大時(shí)，燃燒便會(huì)越充分，產(chǎn)生的亮度也就越高。針對(duì)蠟燭的成分，需要研究一種新型的添加劑，使它燃燒時(shí)發(fā)出的光更強(qiáng)，收集到的光能更多。

一般的燈芯是由棉線凝固燭油后制成的，在包裝后或者存放時(shí)間過(guò)久后，燈芯與燭體接觸的根部往往會(huì)被折彎，所以使用時(shí)會(huì)造成蠟燭融化不均勻，也會(huì)使蠟燭的光度邊暗，所以我們可以采用一種燈芯不易傾斜的蠟燭來(lái)進(jìn)行燃燒，這樣也減少了光能的損耗，有利于更好地集中光源。

2.1.2蠟燭燃燒提升效率研究

蠟燭燃燒過(guò)程受到當(dāng)時(shí)環(huán)境中的氧氣含量、空氣濕度、環(huán)境風(fēng)速等因素影響，效率會(huì)有所不同。

根據(jù)理論研究和資料查閱可以得知，蠟燭燃燒時(shí)，當(dāng)氧氣含量低于5%-6%時(shí)就會(huì)熄滅，因而需要蠟燭充分高效的燃燒發(fā)熱，就要將蠟燭放置于寬敞或者空曠環(huán)境處，不可至于空氣不流通的地方，以免蠟燭燃燒不充分或者熄滅。蠟燭燃燒時(shí)，要保證空氣盡量的干燥，空氣中的水分會(huì)使得蠟燭燃燒不充分或者熄滅。環(huán)境風(fēng)速是對(duì)于蠟燭燃燒最大的問(wèn)題，當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，蠟燭可能會(huì)直接熄滅。即使在微風(fēng)狀態(tài)下，蠟燭的火苗也會(huì)隨著風(fēng)搖擺，將會(huì)給蠟燭燃燒發(fā)電造成極大的影響，因而決定去利用光伏板的站立和擺放方式，在發(fā)電的同時(shí)，將蠟燭保護(hù)住，防止受到環(huán)境風(fēng)的影響。

2.2 對(duì)于光電轉(zhuǎn)化裝置的研究

2.2.1光電轉(zhuǎn)化裝置的原理分析

光能轉(zhuǎn)化成電能的過(guò)程和方式主要是通過(guò)以下兩種途徑去實(shí)現(xiàn)的：第一種方式是目前最常見(jiàn)的一種，就是以硅元素為主要材料的固體裝置，另外一種方式則是使用光敏染料分子來(lái)對(duì)光子的能量進(jìn)行捕獲。目前已使用的光能和電能轉(zhuǎn)換材料中以單晶硅、多晶硅和非晶硅為主。太陽(yáng)能發(fā)電板的原理就是利用半導(dǎo)體的光電特性或者光化學(xué)效應(yīng)來(lái)將光能轉(zhuǎn)換為電能。使用單晶硅襯或多晶硅材料、半導(dǎo)體材料、非晶硅薄膜組成的薄膜式太陽(yáng)能電池，是目前光電轉(zhuǎn)換裝置中的主流，我們利用這些材料來(lái)制造光電板，使光能轉(zhuǎn)化為電能。而已光化學(xué)效應(yīng)模式工作的濕式太陽(yáng)能電池，目前才處于開(kāi)始萌芽階段。

2.2.2光電轉(zhuǎn)化裝置位置和結(jié)構(gòu)分析

光電板的位置和距離對(duì)于整個(gè)多彩電燈具有最重要的意義。我們利用蠟燭燃燒時(shí)產(chǎn)生的光，在安全范圍內(nèi)，盡可能的去靠近光電板，光電板選擇效率比較高的材料制成的，從而提高整體發(fā)電和亮燈的效果。根據(jù)理論去研究和分析，目前按照計(jì)劃和實(shí)際需求選擇使用三塊小型的光電池，將光電池?cái)[放成如下圖1所示，這種結(jié)構(gòu)的好處是，在盡可能使用光伏板圍住蠟燭的前提下，能夠保護(hù)蠟燭不被環(huán)境的風(fēng)吹滅，同時(shí)也留有足夠的寬度確保蠟燭有足夠得燃燒氧氣。

2.2.3光電轉(zhuǎn)化電路的研究和設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)換電路，由蠟燭、光伏板、多彩電燈組成。其中蠟燭經(jīng)過(guò)燃燒，給光伏發(fā)電板進(jìn)行發(fā)電，光伏發(fā)電板在發(fā)電時(shí)將點(diǎn)亮后面連接的多彩電燈。多彩電燈點(diǎn)亮以后，燈光將會(huì)通過(guò)空氣再反饋給前面的光伏發(fā)電板，從而將光能轉(zhuǎn)化電路的效率和利用率提升到最高。整體光能轉(zhuǎn)化成電能的電路框架如下圖2所示：

2.2.3光電轉(zhuǎn)化電路的研究和設(shè)計(jì)

光電轉(zhuǎn)化電路的核心是需要高質(zhì)量、高效率的光伏板。根據(jù)查閱資料和相關(guān)網(wǎng)站查詢，根據(jù)性能和性價(jià)比以及目前技術(shù)發(fā)展來(lái)說(shuō)，選擇了效率更加高和高性能的多晶太陽(yáng)能滴膠板，來(lái)進(jìn)行本次的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和測(cè)試行動(dòng)。測(cè)試使用到的元器件為：蠟燭、光伏發(fā)電板、多彩電燈以及需要使用到的部分控制元器件。

因?yàn)榭紤]到光伏發(fā)電板電壓的不穩(wěn)定性以及帶載能力的緣故，測(cè)試結(jié)束后，還需考慮是否在整體系統(tǒng)里面加上一個(gè)鋰電池，用來(lái)接收光伏電池板的充電量。這樣做的好處主要是有以下三點(diǎn)：第一，當(dāng)鋰電池接入整套系統(tǒng)的話，整體的電壓和帶載能力會(huì)變得很穩(wěn)定可靠。即使光伏發(fā)電板電壓有波動(dòng)，也會(huì)被鋰電池給穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，從而使得整個(gè)多彩電燈的電路結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;第二，當(dāng)接入鋰電池的話，光伏發(fā)電板如果此時(shí)發(fā)的電量比多彩電燈用的電量要多的話，除了提供給多彩電燈使用，多余的電還可以儲(chǔ)存進(jìn)入鋰電池，增加續(xù)航時(shí)間;第三，

當(dāng)整體系統(tǒng)有鋰電池加入時(shí)，當(dāng)使用者的蠟燭使用完了或者出門忘記攜帶足夠蠟燭時(shí)，此時(shí)多彩電燈還可以正常使用一段時(shí)間，增加使用者的使用感受和使用樂(lè)趣。會(huì)很大程度上增加它在使用者心里面的受歡迎程度，也能提高設(shè)計(jì)者自己的知識(shí)和進(jìn)一步學(xué)習(xí)的興趣。

可以點(diǎn)亮的新型多彩電燈的具體電路圖如下圖3所示：其中控制LED燈的部分電路圖如下所示，其中QX7136是用來(lái)控制和驅(qū)動(dòng)LED的專用芯片。它的工作輸入電壓最低值是2.7V電壓，輸入電壓最高值是8V電壓，通過(guò)芯片接入的電阻R1，用來(lái)調(diào)節(jié)恒流輸出。為了達(dá)到所希望的可以自主調(diào)節(jié)LED燈亮度需求，在輸出電路里面加入三極管Q1，規(guī)格為SS8050，通過(guò)調(diào)節(jié)三極管基級(jí)的驅(qū)動(dòng)阻值，來(lái)調(diào)節(jié)基級(jí)的電流，從而達(dá)到在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)三極管的集電極-發(fā)射極電流的功能，三極管電流的控制將直接影響LED燈上面流過(guò)的電流，從而可以去調(diào)節(jié)LED燈珠的亮度。芯片自身具有過(guò)電流時(shí)斷電保護(hù)功能、過(guò)溫度時(shí)斷電保護(hù)功能等功能。

開(kāi)關(guān)JP3是一個(gè)四腳三路的滑動(dòng)開(kāi)關(guān)，用來(lái)控制不同顏色LED導(dǎo)通發(fā)光的，當(dāng)開(kāi)關(guān)3，4，5被輪流打開(kāi)時(shí)，此時(shí)輸出的LED燈，分別會(huì)亮不同顏色目前所設(shè)計(jì)的電路里面分別點(diǎn)亮黃燈、紅燈和綠燈。通過(guò)以上控制和驅(qū)動(dòng)，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)新型多彩電燈的多種亮燈選擇，通過(guò)點(diǎn)燃蠟燭的遠(yuǎn)近距離，光照角度，可以來(lái)調(diào)節(jié)LED亮燈的強(qiáng)弱變化。

當(dāng)系統(tǒng)接入鋰電池的時(shí)候，光伏發(fā)電板給與鋰電池充電并且點(diǎn)亮LED的電路圖如下圖4所示。其中PT8261是鋰電池充電芯片，它的作用是保護(hù)鋰電池的充電和放電功能，防止鋰電池過(guò)壓損壞、欠壓損壞、過(guò)流損壞。當(dāng)光伏發(fā)電板正常給鋰電池充電時(shí)，N-MOS管Q1和Q2導(dǎo)通，此時(shí)鋰電池的狀態(tài)為既可以正常充電也可以正常放電。當(dāng)鋰電池電量滿了的時(shí)候，PT8261的3腳輸出低電平信號(hào)，此時(shí)Q2被關(guān)斷，鋰電池和光伏發(fā)電板之間的充電線路被斷開(kāi)連接，結(jié)束充電。當(dāng)鋰電池電壓恢復(fù)正常后，Q2才會(huì)被重新打開(kāi)。當(dāng)鋰電池電壓不足，即將欠壓的時(shí)候，TT8261的1腳將輸出低電平信號(hào)，此時(shí)Q1被關(guān)斷，鋰電池對(duì)外電路的放電電路被斷開(kāi)，此時(shí)鋰電池只能充電不能放電，等到鋰電池電壓恢復(fù)正常，Q1才會(huì)打開(kāi)，繼續(xù)對(duì)外電路放電。PT8261的2腳是用來(lái)控制充電電流，確保充電電流的穩(wěn)定和安全，從而保證鋰電池的使用壽命。

2.2.4光電轉(zhuǎn)化裝置發(fā)電的實(shí)際測(cè)試

測(cè)試電路通過(guò)原理分析和理論研究，用專業(yè)的畫圖軟件來(lái)繪制印刷電路板，計(jì)算所需要元器件的型號(hào)和數(shù)量。在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中根據(jù)實(shí)際需求和測(cè)試需求，微調(diào)部分元器件的型號(hào)、電阻的阻值、電容的容量和不同材質(zhì)的電容。測(cè)試過(guò)程中享受解決問(wèn)題的樂(lè)趣，掌握新知識(shí)的喜悅。

3.測(cè)試結(jié)果和預(yù)期效果分析

3.1實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果記錄

測(cè)試環(huán)境：①25℃通風(fēng)狀況良好的室內(nèi) ②無(wú)明顯自然風(fēng)吹動(dòng) ③所有測(cè)試均在同一環(huán)境，同一條件下測(cè)試所得 ④測(cè)試數(shù)據(jù)均為本次測(cè)試記錄測(cè)試儀器和設(shè)備：1W的LED燈珠電路板 無(wú)煙蠟燭 18650鋰電池 光伏發(fā)電板（6V 500mA） 萬(wàn)用表

3.1.1光伏板距離測(cè)試記錄

在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放角度情況下，通過(guò)改變光伏發(fā)電板與蠟燭之間的距離，來(lái)測(cè)試此時(shí)光伏發(fā)電板發(fā)電時(shí)的電壓和短路電流，數(shù)據(jù)記錄于下面表格1中：

3.1.2光伏板角度測(cè)試記錄

在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離情況下，通過(guò)改變光伏發(fā)電板與地面之間的角度，來(lái)測(cè)試此時(shí)光伏發(fā)電板發(fā)電時(shí)的電壓值和短路電流值，數(shù)據(jù)記錄于下面表格2中：

3.1.3發(fā)光源數(shù)量測(cè)試記錄

在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離和擺放角度的情況下，通過(guò)改變蠟燭燃燒的數(shù)量，來(lái)測(cè)試此時(shí)光伏發(fā)電板發(fā)電時(shí)的電壓值和短路電流值，數(shù)據(jù)記錄于下面表格3中：

測(cè)試進(jìn)行中，具體的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、測(cè)試記錄，以及最后的實(shí)驗(yàn)分析和結(jié)果，等實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)束后，會(huì)最終補(bǔ)充于此處。此處包含實(shí)驗(yàn)環(huán)境記錄，光伏發(fā)電板遠(yuǎn)近距離時(shí)電壓值記錄，以及光伏板不同角度時(shí)，所能達(dá)到的電壓和電流值。

3.1.4本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)

①在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放角度情況下，通過(guò)改變光伏發(fā)電板與蠟燭之間的距離，來(lái)測(cè)試此時(shí)光伏發(fā)電板發(fā)電時(shí)的電壓值和短路電流值，根據(jù)電路原理和模型進(jìn)行分析，結(jié)論是：當(dāng)蠟燭擺放距離越遠(yuǎn)時(shí)，光伏發(fā)電板產(chǎn)生的電壓越低，短路電流越小;

②在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離情況下，通過(guò)改變光伏發(fā)電板與地面之間的角度，來(lái)測(cè)試此時(shí)光伏發(fā)電板發(fā)電時(shí)的電壓值和短路電流值，根據(jù)電路原理和模型進(jìn)行分析，結(jié)論是：當(dāng)光伏發(fā)電板與蠟燭光亮之間的角度越小時(shí)，光

伏發(fā)電板產(chǎn)生的電壓越高，短路電流越大;

③在不改變蠟燭燃燒環(huán)境，不改變光伏發(fā)電板擺放距離和擺放角度的情況下，通過(guò)改變蠟燭燃燒的數(shù)量，來(lái)測(cè)試此時(shí)光伏發(fā)電板發(fā)電時(shí)的電壓值和短路電流值，根據(jù)電路原理和模型進(jìn)行分析，結(jié)論是：當(dāng)蠟燭的光亮一定時(shí)，增加越多的蠟燭，會(huì)使得總體亮度成倍增加，光伏發(fā)電板的電壓也會(huì)增加，短路電流也會(huì)隨之增大。

3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期效果對(duì)比總結(jié)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論和根據(jù)實(shí)驗(yàn)理論得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)論高度一致，實(shí)驗(yàn)符合前期預(yù)期效果。整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了前期的理論準(zhǔn)備和實(shí)際電路搭建時(shí)行之有效而且能夠完整達(dá)到想要的實(shí)驗(yàn)效果。

實(shí)驗(yàn)完成后，會(huì)將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和查閱到的原理理論值進(jìn)行比較，來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)受到環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速等影響。

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貴州省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目 可以點(diǎn)亮的新型多彩電燈 項(xiàng)目編號(hào) S202110666098 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 朱行美