可以点亮的新型多彩电灯

朱行美 彭金芝 杨承威 杨艳飞 杨红元 雷远清

摘要：本文主要介绍和验证一款可以点亮的新型多彩电灯。在节能环保和新能源大力推广的当下，将传统的蜡烛，用在新型多彩电灯的设计里面。利用蜡烛燃烧产生的光能通过光电装置转化为电能，从而点亮多彩电灯。这种新型的使用方式不仅仅是一种装饰灯，还可以解决人们在户外缺乏电源条件时的一种新型照明方法，也给灯具产品重新注入活力，赢得人们的欢迎。在验证一款可以点亮的新型多彩电灯时，我们需要分析蜡烛的主要成分、燃烧条件，并尝试改变成分和条件，制备出一种不同于普通蜡烛的新型蜡烛，使这根蜡烛在燃烧的时候可以发出更加强烈的光照，燃烧时间更加持久。也需要实验去验证、分析光电装置的充电效率，研究光电设备位置、角度等，从而使蜡烛在燃烧时产生更多的发电量。本文将从蜡烛的研究和改进、光电充电电路效率提升和研究、多彩电灯亮度研究和颜色美观合理三个方面进行研究分析和论证。

关键词：光能发电;充电;亮度调节;多彩电灯

1.绪论

1.1 本论文的研究背景和研究意义

利用蜡烛燃烧产生的光能通过光电装置转化为电能，从而点亮多彩电灯。这种用途不仅仅是新型的一种装饰灯，还可以解决人们在户外缺乏电源条件时的一种新型照明方法，也给灯具产品重新注入活力，赢得人们的欢迎。

通过蜡烛燃烧来点亮多彩电灯的方法在提高蜡烛功能的使用和使灯泡发亮的方法上有着很大的意义，也是一种新型的创新。用这种方法设计的多彩电灯在产品设计上，将单一的产品多功能化，能够充分利用产品的使用價值，把相关的产品进行有效整合，使得功能更加多元化而起到能源的最低消费。

1.2 本论文的研究方法

本论文将利用蜡烛和光电转换装置、充电装置、多彩电灯，进行原理分析、实际测试、结果记录、现象数据分析和对比，来验证最后的测试结果和测试现象。并根据原理和实验现象，来对可以点亮的新型电灯进行改进和优化。

1.3 本论文的主要内容

本论文的主要内容包括：①对于蜡烛燃烧条件和材料的研究和分析 ②光电转换装置的原理分析研究 ③光电电路的研究和搭建 ④搭建的实验测试和数据记录 ⑤对实验数据进行分析和研究 ⑥根据分析对新型电灯的电路结构和电路模型就行优化或者改进。

1.4 本论文的主要目标

①.研究找寻新型蜡烛的主要成分，提高蜡烛燃烧时产生的光能强度及燃烧时间。②.制造光能转化电能装置。③.分析光能聚集的方法，控制电能的强弱来调控多彩电灯的亮度。④.利用新型蜡烛点亮的多彩电灯的造型美观程度和合理性，提高它在生活中的实用性和受欢迎程度。

1.5 本论文的项目进度安排

第一阶段：查阅关于提高蜡烛燃烧效率和光电转化装置的相关电子文献里书籍，记录并分析。第二阶段：思考可以使蜡烛燃烧时光度更强的新型材料，设计新型蜡烛。第三阶段：设置光电转化装置。第四阶段：搭建实验设备并进行相关实验，记录、分析和总结。第五阶段：整理实验和结果，对项目进行总结，撰写论文。

2. 研究和分析

2.1 对于蜡烛材料的研究

2.1.1蜡烛燃烧成分研究

市场上面最常见的白烛和红烛里面的有效成分都是石蜡，石蜡是从开采出来石油里面的含蜡馏分经冷榨或溶剂脱蜡制作而成的，是由几种高级烷烃组合而成的混合物，主要最主要的成分分别为：正二十二烷（C22H46）和正二十八烷（C28H58），这些高级烷烃的混合物里面，碳元素的有效含量约为85%左右，氢元素的有效含量约为14%左右。普通白烛和红烛燃烧时，它的火焰中外焰温度为最高，一般都在500度左右，火焰的明亮程度和火焰外焰温度受到多种因素影响，可燃物中的碳含量是其中最主要的因素之一。当可燃物中碳含量越大时，燃烧便会越充分，产生的亮度也就越高。针对蜡烛的成分，需要研究一种新型的添加剂，使它燃烧时发出的光更强，收集到的光能更多。

一般的灯芯是由棉线凝固烛油后制成的，在包装后或者存放时间过久后，灯芯与烛体接触的根部往往会被折弯，所以使用时会造成蜡烛融化不均匀，也会使蜡烛的光度边暗，所以我们可以采用一种灯芯不易倾斜的蜡烛来进行燃烧，这样也减少了光能的损耗，有利于更好地集中光源。

2.1.2蜡烛燃烧提升效率研究

蜡烛燃烧过程受到当时环境中的氧气含量、空气湿度、环境风速等因素影响，效率会有所不同。

根据理论研究和资料查阅可以得知，蜡烛燃烧时，当氧气含量低于5%-6%时就会熄灭，因而需要蜡烛充分高效的燃烧发热，就要将蜡烛放置于宽敞或者空旷环境处，不可至于空气不流通的地方，以免蜡烛燃烧不充分或者熄灭。蜡烛燃烧时，要保证空气尽量的干燥，空气中的水分会使得蜡烛燃烧不充分或者熄灭。环境风速是对于蜡烛燃烧最大的问题，当风速较大时，蜡烛可能会直接熄灭。即使在微风状态下，蜡烛的火苗也会随着风摇摆，将会给蜡烛燃烧发电造成极大的影响，因而决定去利用光伏板的站立和摆放方式，在发电的同时，将蜡烛保护住，防止受到环境风的影响。

2.2 对于光电转化装置的研究

2.2.1光电转化装置的原理分析

光能转化成电能的过程和方式主要是通过以下两种途径去实现的：第一种方式是目前最常见的一种，就是以硅元素为主要材料的固体装置，另外一种方式则是使用光敏染料分子来对光子的能量进行捕获。目前已使用的光能和电能转换材料中以单晶硅、多晶硅和非晶硅为主。太阳能发电板的原理就是利用半导体的光电特性或者光化学效应来将光能转换为电能。使用单晶硅衬或多晶硅材料、半导体材料、非晶硅薄膜组成的薄膜式太阳能电池，是目前光电转换装置中的主流，我们利用这些材料来制造光电板，使光能转化为电能。而已光化学效应模式工作的湿式太阳能电池，目前才处于开始萌芽阶段。

2.2.2光电转化装置位置和结构分析

光电板的位置和距离对于整个多彩电灯具有最重要的意义。我们利用蜡烛燃烧时产生的光，在安全范围内，尽可能的去靠近光电板，光电板选择效率比较高的材料制成的，从而提高整体发电和亮灯的效果。根据理论去研究和分析，目前按照计划和实际需求选择使用三块小型的光电池，将光电池摆放成如下图1所示，这种结构的好处是，在尽可能使用光伏板围住蜡烛的前提下，能够保护蜡烛不被环境的风吹灭，同时也留有足够的宽度确保蜡烛有足够得燃烧氧气。

2.2.3光电转化电路的研究和设计

光电转换电路，由蜡烛、光伏板、多彩电灯组成。其中蜡烛经过燃烧，给光伏发电板进行发电，光伏发电板在发电时将点亮后面连接的多彩电灯。多彩电灯点亮以后，灯光将会通过空气再反馈给前面的光伏发电板，从而将光能转化电路的效率和利用率提升到最高。整体光能转化成电能的电路框架如下图2所示：

2.2.3光电转化电路的研究和设计

光电转化电路的核心是需要高质量、高效率的光伏板。根据查阅资料和相关网站查询，根据性能和性价比以及目前技术发展来说，选择了效率更加高和高性能的多晶太阳能滴胶板，来进行本次的实验验证和测试行动。测试使用到的元器件为：蜡烛、光伏发电板、多彩电灯以及需要使用到的部分控制元器件。

因为考虑到光伏发电板电压的不稳定性以及带载能力的缘故，测试结束后，还需考虑是否在整体系统里面加上一个锂电池，用来接收光伏电池板的充电量。这样做的好处主要是有以下三点：第一，当锂电池接入整套系统的话，整体的电压和带载能力会变得很稳定可靠。即使光伏发电板电压有波动，也会被锂电池给稳定在一定的范围内，从而使得整个多彩电灯的电路结构更加稳定;第二，当接入锂电池的话，光伏发电板如果此时发的电量比多彩电灯用的电量要多的话，除了提供给多彩电灯使用，多余的电还可以储存进入锂电池，增加续航时间;第三，

当整体系统有锂电池加入时，当使用者的蜡烛使用完了或者出门忘记携带足够蜡烛时，此时多彩电灯还可以正常使用一段时间，增加使用者的使用感受和使用乐趣。会很大程度上增加它在使用者心里面的受欢迎程度，也能提高设计者自己的知识和进一步学习的兴趣。

可以点亮的新型多彩电灯的具体电路图如下图3所示：其中控制LED灯的部分电路图如下所示，其中QX7136是用来控制和驱动LED的专用芯片。它的工作输入电压最低值是2.7V电压，输入电压最高值是8V电压，通过芯片接入的电阻R1，用来调节恒流输出。为了达到所希望的可以自主调节LED灯亮度需求，在输出电路里面加入三极管Q1，规格为SS8050，通过调节三极管基级的驱动阻值，来调节基级的电流，从而达到在一定范围内调节三极管的集电极-发射极电流的功能，三极管电流的控制将直接影响LED灯上面流过的电流，从而可以去调节LED灯珠的亮度。芯片自身具有过电流时断电保护功能、过温度时断电保护功能等功能。

开关JP3是一个四脚三路的滑动开关，用来控制不同颜色LED导通发光的，当开关3，4，5被轮流打开时，此时输出的LED灯，分别会亮不同颜色目前所设计的电路里面分别点亮黄灯、红灯和绿灯。通过以上控制和驱动，从而来实现新型多彩电灯的多种亮灯选择，通过点燃蜡烛的远近距离，光照角度，可以来调节LED亮灯的强弱变化。

当系统接入锂电池的时候，光伏发电板给与锂电池充电并且点亮LED的电路图如下图4所示。其中PT8261是锂电池充电芯片，它的作用是保护锂电池的充电和放电功能，防止锂电池过压损坏、欠压损坏、过流损坏。当光伏发电板正常给锂电池充电时，N-MOS管Q1和Q2导通，此时锂电池的状态为既可以正常充电也可以正常放电。当锂电池电量满了的时候，PT8261的3脚输出低电平信号，此时Q2被关断，锂电池和光伏发电板之间的充电线路被断开连接，结束充电。当锂电池电压恢复正常后，Q2才会被重新打开。当锂电池电压不足，即将欠压的时候，TT8261的1脚将输出低电平信号，此时Q1被关断，锂电池对外电路的放电电路被断开，此时锂电池只能充电不能放电，等到锂电池电压恢复正常，Q1才会打开，继续对外电路放电。PT8261的2脚是用来控制充电电流，确保充电电流的稳定和安全，从而保证锂电池的使用寿命。

2.2.4光电转化装置发电的实际测试

测试电路通过原理分析和理论研究，用专业的画图软件来绘制印刷电路板，计算所需要元器件的型号和数量。在实际测试过程中根据实际需求和测试需求，微调部分元器件的型号、电阻的阻值、电容的容量和不同材质的电容。测试过程中享受解决问题的乐趣，掌握新知识的喜悦。

3.测试结果和预期效果分析

3.1实验测试结果记录

测试环境：①25℃通风状况良好的室内 ②无明显自然风吹动 ③所有测试均在同一环境，同一条件下测试所得 ④测试数据均为本次测试记录测试仪器和设备：1W的LED灯珠电路板 无烟蜡烛 18650锂电池 光伏发电板（6V 500mA） 万用表

3.1.1光伏板距离测试记录

在不改变蜡烛燃烧环境，不改变光伏发电板摆放角度情况下，通过改变光伏发电板与蜡烛之间的距离，来测试此时光伏发电板发电时的电压和短路电流，数据记录于下面表格1中：

3.1.2光伏板角度测试记录

在不改变蜡烛燃烧环境，不改变光伏发电板摆放距离情况下，通过改变光伏发电板与地面之间的角度，来测试此时光伏发电板发电时的电压值和短路电流值，数据记录于下面表格2中：

3.1.3发光源数量测试记录

在不改变蜡烛燃烧环境，不改变光伏发电板摆放距离和摆放角度的情况下，通过改变蜡烛燃烧的数量，来测试此时光伏发电板发电时的电压值和短路电流值，数据记录于下面表格3中：

测试进行中，具体的实验数据、测试记录，以及最后的实验分析和结果，等实验测试结束后，会最终补充于此处。此处包含实验环境记录，光伏发电板远近距离时电压值记录，以及光伏板不同角度时，所能达到的电压和电流值。

3.1.4本次实验结果预测

①在不改变蜡烛燃烧环境，不改变光伏发电板摆放角度情况下，通过改变光伏发电板与蜡烛之间的距离，来测试此时光伏发电板发电时的电压值和短路电流值，根据电路原理和模型进行分析，结论是：当蜡烛摆放距离越远时，光伏发电板产生的电压越低，短路电流越小;

②在不改变蜡烛燃烧环境，不改变光伏发电板摆放距离情况下，通过改变光伏发电板与地面之间的角度，来测试此时光伏发电板发电时的电压值和短路电流值，根据电路原理和模型进行分析，结论是：当光伏发电板与蜡烛光亮之间的角度越小时，光

伏发电板产生的电压越高，短路电流越大;

③在不改变蜡烛燃烧环境，不改变光伏发电板摆放距离和摆放角度的情况下，通过改变蜡烛燃烧的数量，来测试此时光伏发电板发电时的电压值和短路电流值，根据电路原理和模型进行分析，结论是：当蜡烛的光亮一定时，增加越多的蜡烛，会使得总体亮度成倍增加，光伏发电板的电压也会增加，短路电流也会随之增大。

3.2实验结果和预期效果对比总结

由实验结果来得出的实验结论和根据实验理论得到的实验结论高度一致，实验符合前期预期效果。整体实验结果表明了前期的理论准备和实际电路搭建时行之有效而且能够完整达到想要的实验效果。

实验完成后，会将实验数据和查阅到的原理理论值进行比较，来验证实验数据准确性。实验数据受到环境温度、光照强度、环境风速等影响。

参考文献

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贵州省大学生创新创业项目 可以点亮的新型多彩电灯 项目编号 S202110666098 项目负责人 朱行美