【正文】 流并產(chǎn)生一定的輸出功率。 太陽能電池的分類及比較太陽能電池技術(shù)是太陽能發(fā)電技術(shù)的主要組成部分。太陽能電池主要有以下幾種類型：?jiǎn)尉Ч杼柲茈姵?、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池、碲化鎘電池、銅銦硒電池等[6]。它們的具體比較如下[11]：（1）晶體硅片電池 晶體硅片電池被稱為第一代太陽能電池。純硅含有極少量的諸如硼和磷之類的元素。這些元素分別形成空穴型半導(dǎo)體和電子型半導(dǎo)體，而這兩種半導(dǎo)體一旦接觸將會(huì)產(chǎn)生內(nèi)置電場(chǎng)。正是因?yàn)檫@種電場(chǎng)的存在，半導(dǎo)體裝置就會(huì)釋放出大量電子，電子通過晶體硅片電池將光能轉(zhuǎn)換成電能。單晶硅電池是建立在高質(zhì)量單晶硅材料和相關(guān)的加工處理工藝基礎(chǔ)上的。它的轉(zhuǎn)換效率最高，技術(shù)也最為成熟。在實(shí)驗(yàn)室里最高的轉(zhuǎn)換效率為23﹪，而規(guī)模生產(chǎn)的單晶硅太陽能電池，其效率為15﹪，硅電池進(jìn)展的重要原因之一是表面鈍化技術(shù)的提高。此外 倒金字塔技術(shù)、雙層減反射膜技術(shù)以及陷光理論的完善也是高效晶硅電池發(fā)展的主要原因。多晶硅太陽能電池與單晶硅比較，由于所使用的硅遠(yuǎn)比單晶硅少，其成本遠(yuǎn)低于單晶硅電池，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。但是由于它存在著晶粒界面和晶格錯(cuò)位的明顯缺陷，造成多晶硅電池光電轉(zhuǎn)換率一直無法突破20﹪的關(guān)口， 低于單晶硅電池。多晶硅太陽能電池的實(shí)驗(yàn)室以往的最高轉(zhuǎn)換效率為18﹪，工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換效率為10﹪。[12]（2）薄膜型太陽電池 第二代太陽能電池是繼晶體硅片電池之后發(fā)展起來的薄膜型太陽電池，主要有硅基薄膜型太陽電池、化合物半導(dǎo)體薄膜型太陽電池、染料敏化太陽電池等，若按襯底分，其又分為硬襯底和柔性襯底兩大類薄膜型太陽電池。與晶體硅片電池相比，薄膜型太陽電池的特點(diǎn)在于它所采用的半導(dǎo)體層更薄。晶體硅片電池的半導(dǎo)體層厚度為170～200μm，而薄膜型太陽電池的半導(dǎo)體層厚度為2～3μm。此外，隨著薄膜光伏技術(shù)的快速發(fā)展，也呈現(xiàn)多樣化的特點(diǎn)，除微晶體硅薄膜技術(shù)處于發(fā)展中外，其他如碲化鎘電池(CdTe) 、銅銦鎵錫(CIGS)電池等技術(shù)也在逐步發(fā)展起來，并且開始步入商業(yè)化。（3）高效多結(jié)電池 第二代太陽電池的另一種類型是高效多結(jié)電池，其主要采用《元素周期表》中第三價(jià)和第五價(jià)元素的化合物。這種多結(jié)電池的結(jié)構(gòu)為：從底至上，分別為鍺、磷化銦、砷化鎵三層結(jié)構(gòu)。高效多結(jié)電池的這種結(jié)構(gòu)，可使光電轉(zhuǎn)換率達(dá)到40﹪。但因第三價(jià)和第五價(jià)元素的材料生產(chǎn)成本居高不下，所以高效多結(jié)電池的應(yīng)用范圍受到較大限制。（4）第三代太陽能電池 目前，科學(xué)家們正致力于第三代太陽能電池的研發(fā)和探索。一種趨向是研發(fā)轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽能電池，但會(huì)大幅度增加生產(chǎn)成本。目前太陽能電池轉(zhuǎn)換效率處于領(lǐng)先水平的磷化銦、砷化鎵多結(jié)電池也只有40. 8﹪。另一種趨向是研發(fā)生產(chǎn)成本較低的電池，雖然降低了生產(chǎn)成本，但其太陽能電池轉(zhuǎn)換效率也較低。比如:染料敏化電池，這種電池的太陽能電池轉(zhuǎn)換效率僅為10﹪，但其制作材料簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低廉。再一種趨向是研發(fā)包括以量子點(diǎn)為基礎(chǔ)的高效電池、有機(jī)電池等，但這類電池的研發(fā)目前還處于概念性階段。量子點(diǎn)，又稱納米晶、“人造原子”，是準(zhǔn)零維的納米材料，由少量原子組成，其粒徑一般介于1～10μm。預(yù)期采用納米技術(shù)的這種材料，在21 世紀(jì)有著極大的應(yīng)用前景。 太陽能電池的數(shù)學(xué)模型（1）理論數(shù)學(xué)模型 理想光伏電池的等效電路可用一個(gè)二極管和電流源并聯(lián)的等效電路來表示。但實(shí)際上，光伏電池內(nèi)部存在串聯(lián)電阻和分流電阻，圖22所示為實(shí)際光伏電池的等效電路模型。 圖22 太陽能電池等效電路由圖中各物理量的關(guān)系，可得光伏電池的輸出特性方程為 (21)式中 ——光伏電池輸出電流； ——光伏電池的光生電流； V——光伏電池輸出電壓； ——光伏電池反向飽和電流； ——光伏電池的內(nèi)阻； ——光伏電池的并聯(lián)電阻； T——光伏電池溫度； K——玻爾茲曼常數(shù)，值為J/K； q——電荷量，值為C；n——二極管因子。以上是光伏電池的理論模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽能電池的理論分析中，但式（21）中參數(shù)，，和n難以確定，且不是廠家提供的技術(shù)參數(shù)，不便于工程的分析應(yīng)用。（2）工程數(shù)學(xué)模型 為便于工程的分析和應(yīng)用，文獻(xiàn)[13,29]提出了一種可以滿足絕大多數(shù)工程項(xiàng)目要求的工程用數(shù)學(xué)模型，這種數(shù)學(xué)模型僅采用太陽能電池生產(chǎn)廠商提供的幾個(gè)在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(日照強(qiáng)度w/㎡，電池溫度=25℃)下的重要參數(shù)：短路電流、開路電壓、最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓。為建立工程用模型，在式（21）的基礎(chǔ)上做了兩個(gè)近似：（1）由于非常大，所以忽略項(xiàng)。（2）遠(yuǎn)小于二極管正向?qū)娮瑁约僭O(shè)?；谝陨霞僭O(shè)，光伏電池IV方程簡(jiǎn)化為： (22) (23) (24)當(dāng)日照強(qiáng)度和電池溫度均有變化時(shí)，重新計(jì)算，，然后求出，即可得新的IV特性： (25) (26) (27) (28) (29)式中 ——任意的環(huán)境溫度； K——太陽能電池陣列溫度系數(shù)，℃㎡/Ｗ； T——光伏電池板溫度； S——光照強(qiáng)度； ——實(shí)際日照強(qiáng)度與參考日照強(qiáng)度的差值； ——實(shí)際電池溫度與參考電池溫度的差值； ——日照強(qiáng)度S下太陽能電池的開路電壓； ——日照強(qiáng)度為S和電池溫度為T時(shí)太陽能電池的短路電流； ——照強(qiáng)度為S和電池溫度為T時(shí)太陽能電池的最大功率點(diǎn)電流； ——日照強(qiáng)度為S和電池溫度為T時(shí)太陽能電池的最大功率點(diǎn)電壓；a，b，c為常值，其典型值為：a=℃，b=，c=℃以上為光伏電池的工程用數(shù)學(xué)模型。 太陽能電池的基本特性根據(jù)太陽能電池的工程數(shù)學(xué)模型本文建立了太陽能電池陣列的matlab仿真模型，對(duì)本課題選用的太陽能電池進(jìn)行了仿真，下圖為光伏電池仿真模型。圖23 光伏陣列仿真模型根據(jù)圖23的仿真模型建立了在不同光照強(qiáng)度下或不同溫度下太陽能電池輸出的IU和PU曲線。圖2圖25是太陽能電池陣列在溫度為25℃時(shí)，日照強(qiáng)度分別為1000W/㎡、900W/㎡、800W/㎡下表現(xiàn)出的IU和PU特性。圖2圖27是太陽能電池陣列在日照強(qiáng)度為1000W/㎡時(shí)，溫度分別為25℃、45℃、65℃情況下表現(xiàn)出來的IU和PU特性。由曲線可以看出太陽能電池板的輸出特性具有以下特點(diǎn)：（1）太陽能電池的輸出特性近似為矩形，即低壓段近似為恒流源，接近開路電壓時(shí)近似為恒壓源；（2）開路電壓近似同溫度成反比，短路電流近似同日照強(qiáng)度成正比；太陽能電池板的輸出功率隨著光強(qiáng)和溫度成非線性變化；（3）輸出功率在某一點(diǎn)達(dá)到最大值，該點(diǎn)即為太陽能電池板的最大功率點(diǎn)（MPP）且隨著外界環(huán)境的變化而變化。圖24 不同光照條件下IU曲線 圖25 不同光照條件下PU曲線圖26 不同溫度條件下IU曲線 圖27 不同溫度條件下PU曲線 蓄電池由于太陽能電池并不是一個(gè)理想的電源，其輸出特性受光照強(qiáng)度和光線頻譜等因素影響，輸出電流很不穩(wěn)定，所以太陽能電池不能直接驅(qū)動(dòng)用電裝置，而需要將太陽能電池先存儲(chǔ)在蓄電池中，然后通過蓄電池為用電裝置供電。蓄電池作為整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的儲(chǔ)備能源，它是整個(gè)太陽能路燈系統(tǒng)的關(guān)鍵部分之一。 光伏發(fā)電對(duì)蓄電池的基本要求（1）高瓦時(shí)效率 由于太陽電池發(fā)電成本比較高，所以蓄電池的充電、放電效率，是太陽能光伏發(fā)電儲(chǔ)能蓄電池最重要、最基本的技術(shù)指標(biāo)，但是又是被絕大多數(shù)蓄電池生產(chǎn)企業(yè)所忽視的技術(shù)指標(biāo)。蓄電池的效率分為電壓效率、安時(shí)效率和瓦時(shí)效率，前2項(xiàng)是蓄電池市場(chǎng)所關(guān)注的，對(duì)于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)我們最關(guān)心的是瓦時(shí)效率，這是因?yàn)樘柲芄夥l(fā)電的成本比較高，我們不希望光伏發(fā)電的電能在存儲(chǔ)過程中損失掉，這對(duì)于提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)效率非常重要。目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中最大的能量損失在于蓄電池，遺憾的是幾乎沒有一個(gè)蓄電池廠家關(guān)注這個(gè)問題。普通蓄電池的瓦時(shí)效率是隨使用時(shí)間而變化的，新的鉛酸蓄電池的瓦時(shí)效率可以達(dá)到90% ，舊的鉛酸蓄電池瓦時(shí)效率只有90%；再者，蓄電池的瓦時(shí)效率是指25℃條件下的效率，當(dāng)環(huán)境溫度在零下或者40℃以上時(shí)實(shí)際效率要下降許多，蓄電池的效率往往不被大家注意，其實(shí)它對(duì)于獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)非常重要。（2）蓄電池應(yīng)該有比較平坦的充電特性曲線 對(duì)于小型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)MPP（最大輸出功率點(diǎn)）的跟蹤，絕大多數(shù)情況是依靠蓄電池對(duì)太陽電池組件工作點(diǎn)的鉗位，如果蓄電池的充電特性曲線比較平坦，將有效提高太陽電池的利用效率。即使對(duì)于有MPPT（最大輸出功率點(diǎn)跟蹤）的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)或者是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于有了比較平坦的充電特性曲線，MPPT里面的DC/DC變換器的電壓差可以做到最小，所以跟蹤效率將有所提高。（3）太陽能光伏系統(tǒng)中蓄電池放電深度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)過放電的情況，因此電池要求有較強(qiáng)的過放電后的容量恢復(fù)性能，要求蓄電池100%放電到0 V，擱置120 h 后，充電可恢復(fù)到實(shí)際容量的95%以上。（4）充電放電循環(huán)次數(shù)多 充電放電循環(huán)次數(shù)多，實(shí)際上的表現(xiàn)為使用壽命長(zhǎng)，這是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。當(dāng)然，這里還涉及放電深度問題、使用環(huán)境溫度問題、充放電倍率問題；單體電池串聯(lián)、并聯(lián)的平衡問題等；它們雖然重要，但是目前還不是最重要的問題，許多企業(yè)僅僅在上面某個(gè)指標(biāo)上有所突破，就標(biāo)稱太陽能光伏蓄電池，是極其不妥的。（5）不污染環(huán)境 如果蓄電池在充電、放電過程中或者廢棄回收過程中污染了環(huán)境，這種蓄電池就悖于太陽能光伏發(fā)電綠色環(huán)保的初衷，抵消了太陽電池的節(jié)能減排效果；在這方面物理法儲(chǔ)能有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。（6）性價(jià)比高 除了以上5個(gè)要求以外，性價(jià)比要高，過高的價(jià)格是沒有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的。量化的概念是：存儲(chǔ)1kWh 電能的價(jià)格，它的高低將直接體現(xiàn)出蓄電池的價(jià)格和使用壽命。[14] 蓄電池種類現(xiàn)在在太陽能光伏系統(tǒng)中常用的蓄電池有：鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池。目前中國(guó)用于光伏發(fā)電站系統(tǒng)的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳鎘電池，大多數(shù)是鉛酸蓄電池。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)使用鎳鎘或鎳氫蓄電池情況比較多，鋰電池由于成本以及對(duì)充放電控制要求較高的原因，目前在太陽能光伏系統(tǒng)中應(yīng)用還很少。鑒于鉛酸蓄電池容量大、價(jià)格低、自放電率低、結(jié)構(gòu)緊湊、壽命長(zhǎng)、基本免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能元件。 鉛酸蓄電池工作原理（1）充電過程 鉛酸蓄電池屬于電化學(xué)電池，其以海綿狀Pb作負(fù)極，作正極，硫酸作電解液。充電時(shí)，在蓄電池正、負(fù)極柱上外接充電電源，使正、負(fù)極板上經(jīng)過化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來。在充電電流的作用下，水分子被分解為氫離子(H+)和氫氧離子(OH一)。H+在外電場(chǎng)作用下向負(fù)極板遷移，OH一向正極板遷移，同時(shí)正負(fù)極板上的硫酸亦發(fā)生分解，即： (210)正極板上的在外電場(chǎng)的作用下釋放出電子而形成。與正極板附近的OH一發(fā)牛反應(yīng)而生成。被分解成： (211)生成的依附于正極板上。同時(shí)，負(fù)極板上的和正極板在外加電場(chǎng)的作用下輸送來的電子結(jié)合而還原成Pb；電解質(zhì)溶液的H+與結(jié)合，生成。從上述分析可知，充電過程總的化學(xué)反應(yīng)為： (212)從上式可知，隨著允電的進(jìn)行，正極板上的逐漸變成Pb。同時(shí)，電解質(zhì)溶液中的硫酸分子逐漸增加，水分子逐漸減少，因此電解質(zhì)溶液的比重在增加，蓄電池的端電壓在增加，蓄電池的能量也隨之增加。（2）放電過程 放電過程是允電過程的逆過程，在當(dāng)蓄電池不接負(fù)載的情況下，正負(fù)極板各自存在電極電位，在蓄電池內(nèi)部形成了電動(dòng)勢(shì)，但是電極電位各自處于一種平衡狀態(tài)。若在蓄電池兩端接上負(fù)載，則在蓄電池的電動(dòng)勢(shì)作用之下產(chǎn)生電流。電解質(zhì)發(fā)生電解所示： (213)在蓄電池內(nèi)部，正離子通過溶液向正極遷移，負(fù)離子以相反方向向負(fù)極遷移。在蓄電池外部，在蓄電池電動(dòng)勢(shì)作用下，負(fù)極上的負(fù)電荷源源不斷地經(jīng)過負(fù)載流向正極。整個(gè)系統(tǒng)形成了一個(gè)回路，與此同時(shí)，在蓄電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，如下所示： (214)在蓄電池正極上發(fā)生還原反應(yīng)，如下所示： (215)由于正極上的還原反應(yīng)，正極板電極電位逐漸降低，同時(shí)負(fù)極板上的氧化反應(yīng)又促使電極電位的升高。整個(gè)過程將引起蓄電池電動(dòng)勢(shì)的下降。在氧化還原的反應(yīng)中，正負(fù)極板上的活性物質(zhì)及都不斷地變成硫酸鉛。同時(shí)，電解質(zhì)溶液逐漸變成水，引起了電解質(zhì)溶液比重的下降，蓄電池的容量減少。 在太陽能光伏系統(tǒng)中鉛酸蓄電池壽命影響因素分析蓄電池壽命通常采用循環(huán)壽命和使用時(shí)間壽命兩種方式衡量。循環(huán)壽命按照蓄電池每次放電深度與其可循環(huán)使用的次數(shù)相結(jié)合計(jì)算得到。蓄電池的放電深度越大，其相應(yīng)的循環(huán)次數(shù)也就越少。蓄電池的使用時(shí)間壽命按照標(biāo)準(zhǔn)條件下(氣候條件等同)以浮充狀態(tài)進(jìn)行衡量，目前工業(yè)使用的鉛酸蓄電池的時(shí)間壽命一般均在10年以上[15]。在實(shí)際使用過程中，對(duì)鉛酸蓄電池壽命影響最大的是頻繁深度放電、長(zhǎng)時(shí)間處于虧電狀態(tài)和溫度變化等。其具體原因分析如下[16]：（1）放電深度 放電深度即使用過程中放電到何種程度開始充電，在蓄電池循環(huán)使用時(shí)其壽命主要決定于放電深度。因?yàn)樾铍姵卣龢O活性物質(zhì)本身互相結(jié)合不牢，放電時(shí)生成，充電時(shí)又恢復(fù)為而， 倍，因此放電時(shí)活性物質(zhì)體積會(huì)發(fā)生膨脹，這樣在充放電過程中體積將反復(fù)發(fā)生收縮和膨脹，使粒子逐漸松弛，變得易于從板柵上脫落。隨著放電深度的增加，這種收縮和膨脹的程度越大，結(jié)合力的破壞也越大，因此蓄電池的循環(huán)壽命也