【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度要求%。目前單晶硅太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 15%左右，最高的達(dá)到 24%，這是目前所有種類(lèi)的太陽(yáng)能電池中光電轉(zhuǎn)換效率最高的，技術(shù)也最為成熟但制作成本很大，以致于它還不能被大量廣泛和普遍地使用。為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在地面應(yīng)用的太陽(yáng) 能電池等采用太陽(yáng)能級(jí)的單晶硅棒，材料性能指標(biāo)有所放寬。有的也使用半導(dǎo)體器件加工的頭尾料和廢次單晶硅材料，經(jīng)過(guò)復(fù)拉制成太陽(yáng)能電池專(zhuān)用的單晶硅棒。單晶硅太陽(yáng)能電池的單體片制成后，經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，就可以按所需要的規(guī)格組裝成太陽(yáng)能電池組件，在實(shí)際應(yīng)用中通過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)的方法構(gòu)成一定的輸出電壓和電流，為負(fù)載所用，使用壽命一般可達(dá) 15 年，最高可達(dá) 25 年。 目前太陽(yáng)能電池使用的多晶硅材料，大多是含有大量單晶顆粒的集合體，或用廢次單晶硅材料和冶金級(jí)硅材料融合澆鑄而成，然后注入石墨鑄模中，即得多晶硅錠。這種硅錠鑄成立方體后通 過(guò)切片加工成方形太陽(yáng)能電池片，提高了材料利用率和方便組裝。多晶硅太陽(yáng)能電池與單晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝差不多，其光電轉(zhuǎn)換率約 12%左右，稍低于單晶硅太陽(yáng)能電池，但其材料制造簡(jiǎn)便，節(jié)約電耗，總的生產(chǎn)成本較低，因此得到大量發(fā)展。 非晶硅新型薄膜式太陽(yáng)能電池，它與單晶硅和多晶硅太陽(yáng)能電池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，電耗更低，工藝過(guò)程大大簡(jiǎn)化，成本低重量輕 ,轉(zhuǎn)換效率較太陽(yáng)能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 高，便于大規(guī)模生產(chǎn)，非常吸引人。非晶硅太陽(yáng)能電池的結(jié)構(gòu)各有不同，其中有一種較好的結(jié)構(gòu)叫 PiN 電池，它是在襯底上先沉積一層摻磷的 N 型非晶硅， 再沉積一層未摻雜的 i 層，然后再沉積一層摻硼的 P 型非晶硅，最后用電子束蒸發(fā)一層減反射膜，并蒸鍍銀電極。此種制作工藝，可以采用一連串沉積室，在生產(chǎn)中構(gòu)成連續(xù)程序，以實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。同時(shí)，非晶硅太陽(yáng)能電池很薄，可以制成疊層式或采用集成電路的方法制造，在一個(gè)平面上，用適當(dāng)?shù)难谀９に?，一次制作多個(gè)串聯(lián)電池，以獲得較高的電壓。它的主要優(yōu)點(diǎn)是在弱光條件也能發(fā)電，有極大的潛力。但非晶硅太陽(yáng)電池存在的主要問(wèn)題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，目前國(guó)際先進(jìn)水平為 10%左右，且不夠穩(wěn)定，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其轉(zhuǎn)換效率衰減，直接影響了它的實(shí)際應(yīng)用。 現(xiàn)在日本生產(chǎn)的非晶硅串聯(lián)太陽(yáng)能電池可達(dá) 伏，且不夠穩(wěn)定，如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問(wèn)題及提高轉(zhuǎn)換率問(wèn)題，那么，非晶硅大陽(yáng)能電池?zé)o疑是太陽(yáng)能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 太陽(yáng)能電池的特性 太陽(yáng)能電池的電氣特性為研究、質(zhì)量保證和生產(chǎn)所需。對(duì)于不同的行業(yè)來(lái)說(shuō)測(cè)量精度和參數(shù)的重要性會(huì)有不同，以下是太陽(yáng)能電池一些在任何測(cè)試環(huán)境都必須測(cè)量的重要參數(shù) [11]： （ 1）開(kāi)路電壓 (Voc)：沒(méi)有電流時(shí)的電池電壓。 （ 2）短路電流 (Isc)：負(fù)載電阻為零時(shí)從電池流出的電流。 （ 3）電池最大功率輸出 (Pmax)：電池產(chǎn) 生最大功率時(shí)的電壓和電流點(diǎn)，通常把IV 曲線上的 Pmax 點(diǎn)作為最大功率點(diǎn)。 （ 4） Pmax 的電壓 (Vmax )：電池在 Pmax 的電壓電平。 （ 5） Pmax 的電流 (Imax)：電池在 Pmax 的電流電平。 （ 6）太陽(yáng)能的電池的轉(zhuǎn)換效率 (η )：太陽(yáng)能電池接到電路時(shí)轉(zhuǎn)換 (從吸收光的電能 ) 和收集功率的百分比。是評(píng)估太陽(yáng)電池好壞的重要因素。 （ 7）填充因子 (FF)：最大功率點(diǎn) P max 與開(kāi)路電壓 (Voc) 及短路電流 (Isc) 之比 P m A c EFF V o v Isc V o c Isc? ?????? （ 21） （ 8）電池的二極管特性。 （ 9）電池的串聯(lián)電阻。 （ 10）電池的旁路電阻。 太陽(yáng)能電池板通常定義為封裝和連接在一起的一個(gè)以上的電池。太陽(yáng)能電池板有太陽(yáng)能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 不同的電壓和電流范圍，但功率產(chǎn)生能力一般為 50W 至 300W。 影響太陽(yáng)能電池輸出的因素 日照強(qiáng)度和溫度是影響電池輸出的重要因素，隨著日照強(qiáng)度的增加，太陽(yáng)能光伏電池的開(kāi)路電壓幾乎不變，短路電流有所增加，最大輸出功率增加；在日照強(qiáng)度相同時(shí)，隨著溫度的升高，太陽(yáng)能光伏電池的開(kāi)路電壓下降，短路電流有所增加，最大輸出功率減小 ，具有負(fù)溫度系數(shù)。此外，無(wú)論在任何溫度和日照強(qiáng)度下，太陽(yáng)能電池總有一個(gè)最大功率點(diǎn)，溫度 (或日照強(qiáng)度 )不同，最大功率點(diǎn)位置也不同。 蓄電池 蓄電池是光伏系統(tǒng)的儲(chǔ)能裝置，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生的電能先以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在電池中，在負(fù)載需要供電時(shí)，蓄電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能供應(yīng)給負(fù)載。蓄電池可以反復(fù)使用，符合經(jīng)濟(jì)實(shí)用原則，這是最大優(yōu)點(diǎn)，蓄電池具有電壓穩(wěn)定、供電可靠、移動(dòng)方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各個(gè)部門(mén)和場(chǎng)所。蓄電池的特性直接影響光伏系統(tǒng)的工作效率、可靠性和價(jià)格。 常見(jiàn)的蓄電池 對(duì)于蓄電池的種類(lèi)，就市場(chǎng)上 主流產(chǎn)品而言，主要有四類(lèi)：鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋰離子蓄電池。 鉛酸蓄電池歷史最悠久，至今已有 150 年的歷史，其工藝、結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)、性能和應(yīng)用都在不斷發(fā)展，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展給古老的鉛酸蓄電池帶來(lái)蓬勃生機(jī)。鉛酸蓄電池放電工作電壓較平穩(wěn)，既可小電流放電，也可很大電流放電，工作溫度范圍寬，可在 40℃～ 65℃范圍中工作，鉛酸蓄電池技術(shù)成熟、成本低廉，跟隨負(fù)荷輸出特性好，至今仍是蓄電池中重要產(chǎn)品，但鉛酸蓄電池重量大，質(zhì)量與能量比低，理論上，鉛酸蓄電池的質(zhì)量與能量比為 240Wh/kg，實(shí)際只有 10～ 50Wh/kg[12]。 并且，鉛酸蓄電池需要維護(hù)，充電時(shí)間慢。普通鉛酸蓄電池由于使用壽命短，效率低、維護(hù)復(fù)雜、所產(chǎn)生的酸霧污染環(huán)境等問(wèn)題，其使用范圍很有限，目前已逐漸被淘汰。 20 世紀(jì) 70 年代，發(fā)展了閥控密封式鉛酸（ VRLA）蓄電池， VRLA 蓄電池采用密封結(jié)構(gòu)，不存在普通鉛酸蓄電池的氣脹、電解液滲漏等現(xiàn)象，使用安全可靠、壽命長(zhǎng)，正常運(yùn)行時(shí)毋需對(duì)電解液進(jìn)行檢測(cè)和調(diào)酸加水，又稱(chēng)為“免維護(hù)”蓄電池。 鎘鎳電池采用金屬鎘作負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鎳作正極活性物質(zhì)的堿性蓄電池。用聚酰胺非織布等材料作隔離層；用氫氧化鉀水溶 液作電解質(zhì)溶液；電極經(jīng)卷繞或疊太陽(yáng)能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 合組裝在塑料或鍍鎳鋼殼內(nèi)。鎘鎳電池標(biāo)稱(chēng)電壓為 ，具有使用溫度范圍寬、循環(huán)和貯存壽命長(zhǎng)、能以較大電流放電等特點(diǎn)，但存在“記憶”效應(yīng)，常因規(guī)律性的不正確使用造成電性能下降。大型袋式和開(kāi)口式鎘鎳電池主要用于鐵路機(jī)車(chē)、礦山、裝甲車(chē)輛、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)等作起動(dòng)或應(yīng)急電源。圓柱密封式鎘鎳電池主要用于電動(dòng)工具、剃須器等便攜式電器。小型扣式鎘鎳電池主要用于小電流、低倍率放電的無(wú)繩電話、電動(dòng)玩具等。由于廢棄鎘鎳電池對(duì)環(huán)境的污染，該系列的電池將逐漸被性能更好的金屬氫化物鎳電池所取代。 氫鎳電池使 用氫氧化鎳為正極活性物質(zhì)，貯氫合金作負(fù)極活性物質(zhì)，氫氧化鉀水溶液作電解液，為綠色環(huán)保型電池。高容量型氫鎳電池的比能量為 60～ 100Wh/Kg，高功率型氫鎳電池的比能量為 40～ 50Wh/Kg。氫鎳電池采取恒電流充電方式充電，根據(jù)電池對(duì)電流的接受能力可采用不同的電流對(duì)電池充電，充電過(guò)程中無(wú)需對(duì)電池單體的電壓進(jìn)行限制，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)快速充電。氫鎳電池由于采用高導(dǎo)電性電解液，電池內(nèi)阻較小，可以適應(yīng)大電流放電，因此它可分為低倍率、中倍率、高倍率電池。對(duì)于需要較大功率輸出要求的場(chǎng)合比較適用。電池在高溫時(shí)主要是充電方 面的困難較大，氫鎳電池在較高溫時(shí)，副反應(yīng)氧析出反應(yīng)會(huì)加速，如果有較好的負(fù)極性能，在正極上析出的氧氣可以在負(fù)極上還原，從而使電池內(nèi)壓得以消除。通過(guò)調(diào)整配方工藝，可以有效地提高電池在高溫時(shí)的充電效率并可實(shí)現(xiàn)高溫的快速充電。氫鎳電池在20℃ 時(shí)可以用比較大的電流放電，足以滿足動(dòng)力輸出的需要。目前，電動(dòng)車(chē)上動(dòng)力電池主要是采用氫鎳電池。 鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱(chēng)。鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上 正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入 /脫嵌和插入 /脫插，被形象地稱(chēng)為“搖椅電池”。鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，好的電池，每月在 2%以下（可恢復(fù)）。沒(méi)有記憶效應(yīng)。工作溫度范圍寬為 20℃～ 60℃ 。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá) 100%，而且輸出功率大。使用壽命長(zhǎng)。不含有毒有害物質(zhì)，被稱(chēng)為綠色電池。鋰離子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣”，在使用中不可過(guò)充、過(guò)放 (會(huì)損壞電池或使之報(bào) 廢 )。因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。 除以上四種常見(jiàn)蓄電池外，還出現(xiàn)了釩蓄電池和鎂蓄電池。 太陽(yáng)能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 釩電池是目前發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一，它具有特殊的電池結(jié)構(gòu)，可深度大電流密度放電；充電迅速；比能量高；價(jià)格低廉；應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊：如可作為大廈、機(jī)場(chǎng)、程控交換站備用電源；可作為太陽(yáng)能等清潔發(fā)電系統(tǒng)的配套儲(chǔ)能裝置；為潛艇、遠(yuǎn)洋輪船提供電力以及用于電網(wǎng)調(diào)峰等。我國(guó)攀枝花和承德等地都具有豐富的鈦資源。 鎂電池以鎂為負(fù)極，某些金屬或非金屬氧化物為正極的原電池?，F(xiàn)有品種中，有與普通鋅錳干 電池相似的隨時(shí)可以放電的鎂錳干電池；還有干燥狀態(tài)下可長(zhǎng)期儲(chǔ)存，臨用時(shí)加水使之活化而可隨即使用的儲(chǔ)備型電池。鎂儲(chǔ)備型電池的結(jié)構(gòu)根據(jù)所需電壓及電流的大小有所不同。鎂電池主要供軍事通信、氣象測(cè)侯儀、海難救生設(shè)備、高空雷達(dá)儀等。 太陽(yáng)能路燈控制器一項(xiàng)主要的功能是控制太陽(yáng)電池向蓄電池充電，控制蓄電池向負(fù)載供電，控制整個(gè)路燈系統(tǒng)的正常、可靠運(yùn)行。蓄電池的性能和充放電的方式有很大的關(guān)系，為了尋求最佳方案，因此，在設(shè)計(jì)控制器之前必須做的一項(xiàng)工作是對(duì)蓄電池原理，以及充放電過(guò)程作一個(gè)分析研究。主要以鉛酸蓄電池為例來(lái)說(shuō)明蓄電池的 原理。 鉛酸蓄電池是一種利用化學(xué)反應(yīng)，把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娔艿碾娀瘜W(xué)電源設(shè)備。它既可以?xún)?chǔ)存電能又可釋放電能。 蓄電池的使用壽命 蓄電池發(fā)生內(nèi)部短路或損壞而不能使用，以及容量達(dá)不到要求時(shí)，蓄電池使用失效，這時(shí)是電池的使用壽命終止。蓄電池的使用壽命包括使用期限和使用周期，使用期限是指蓄電池可供使用的時(shí)間，使用周期是指蓄電池可供重復(fù)使用的次數(shù)，蓄電池每經(jīng)過(guò)一次全充電和全放電叫做一個(gè)周期或一個(gè)循環(huán)，蓄電池的壽命有效期包括所經(jīng)受的循環(huán)壽命或使用期限。 早期的 VRLA 蓄電池，其放電循環(huán)壽命只有 50～ 75 次，很少的產(chǎn)品超過(guò) 250 次放電循環(huán)?，F(xiàn)在，隨著新的設(shè)計(jì)和充電原則的采用， VRLA 蓄電池的循環(huán)壽命已經(jīng)超過(guò) 300 次，特殊的設(shè)計(jì)已經(jīng)超過(guò) 800 次循環(huán)壽命。對(duì)于 VRLA 蓄電池的使用壽命，許多廠家都保證小型 VRLA 蓄電池 3 年以上，中型 5 年以上，大型的 10 年以上。各個(gè)廠家所標(biāo)注的壽命一般很長(zhǎng)，如華達(dá)蓄電池和美國(guó)的 GNB 蓄電池為 20 年，日本的 GS 為 15 年等，其它大容量 VRLA 蓄電池一般也稱(chēng)其壽命可達(dá)到 10 至 20 年，太陽(yáng)能 LED 路燈控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 但實(shí)際使用時(shí)，壽命僅為 7～ 8 年或更短 [13]。 影 響蓄電池使用壽命的因素 鉛酸蓄電池的失效是許多因素綜合的結(jié)果，既決定于極板的內(nèi)在因素，諸如活性物質(zhì)的組成、晶型、孔隙率、極板尺寸、板柵材料和結(jié)構(gòu)等，也取決于一系列的外在因素，如溫度、頻率、放電深度、平均充電狀態(tài)和充電方法等。在此主要來(lái)說(shuō)明影響蓄電池壽命的外在因素，因?yàn)橛行┩獠恳蛩乜梢员苊鈦?lái)延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。 放電深度對(duì)蓄電池壽命有較大的影響。蓄電池的循環(huán)壽命與蓄電池的放電深度有著密切的關(guān)系，閥控密封式鉛酸蓄電池在放電深度（ DOD）為 20%時(shí)，循環(huán)壽命大于 1500 次；當(dāng)放電深度為 50%時(shí)，則循環(huán)壽命 將降到 500 次左右，而當(dāng)放電深度為 80%時(shí)，循環(huán)壽命將只有大約 200 次。由此可以看出放電深度在 20%以下時(shí)的循環(huán)壽命分別是放電深度在 50%時(shí)的循環(huán)壽命 3 倍以上，是放電深度在 80%時(shí)的循環(huán)壽命 5 倍以上?？刂菩铍姵乇M量工作在淺放電狀態(tài)，將有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。 過(guò)充電會(huì)縮短蓄電池的壽命。過(guò)充電時(shí)有大量氣體析出，氣泡會(huì)損耗極板的外部，可以加速極板上活性材料的腐蝕，減少蓄電池的壽命；在過(guò)充期間過(guò)量產(chǎn)生的熱量會(huì)加速自然的腐蝕過(guò)程，在蓄電池中，支撐活性材料柵極的腐蝕是一種不斷進(jìn)行的過(guò)程，也 許最終會(huì)決定蓄電池的使用壽命。 溫度對(duì)蓄電池的壽命有重要的影響，這一點(diǎn)對(duì)光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者很重要，蓄電池壽命的主要不利因素是它在高溫下工作?？傮w說(shuō)，較高的工作溫度加速正柵極的腐蝕，導(dǎo)致放氣現(xiàn)象加劇電解液損失，從而縮短蓄電池壽命。通常較低的工作溫度，會(huì)增加電池壽命，然而它的容量會(huì)大大降低，尤其是鉛酸電池。 從前面可知，蓄電池的使用壽命除了它本身內(nèi)在的因素影響外，還受到溫度、放電深度 DOD、過(guò)充電程度等的影響，因此，為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命，節(jié)約系統(tǒng)的成本，在光伏系統(tǒng)中，應(yīng)使蓄電池在淺放電、不過(guò)充過(guò)放電以及適合 的溫度下工作。 太陽(yáng)能 LED 路燈系統(tǒng)中蓄電池的選擇 應(yīng)該說(shuō)國(guó)內(nèi)外大多數(shù)太陽(yáng)能電池廠家的產(chǎn)品已相當(dāng)成熟，尤其是單晶硅太陽(yáng)電池，這些產(chǎn)品的光電轉(zhuǎn)換效率、成本和銷(xiāo)售價(jià)格以及使用壽命，一般都能滿足光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。而正確地選用作為儲(chǔ)能裝置的蓄電池，對(duì)于光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則非常關(guān)鍵。因?yàn)樾?