【正文】 產(chǎn)生內(nèi)置電場(chǎng)。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。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(yáng)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。多晶硅太陽(yáng)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)。多晶硅太陽(yáng)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﹪。與晶體硅片電池相比，薄膜型太陽(yáng)電池的特點(diǎn)在于它所采用的半導(dǎo)體層更薄。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(lái)，并且開(kāi)始步入商業(yè)化。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)。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。一種趨向是研發(fā)轉(zhuǎn)換效率非常高的太陽(yáng)能電池，但會(huì)大幅度增加生產(chǎn)成本。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(yáng)能電池轉(zhuǎn)換效率也較低。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(lèi)電池的研發(fā)目前還處于概念性階段。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。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。以上是光伏電池的理論模型，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)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。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)。基于以上假設(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(yáng)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(yáng)能電池的開(kāi)路電壓； ——日照強(qiáng)度為S和電池溫度為T(mén)時(shí)太陽(yáng)能電池的短路電流； ——照強(qiáng)度為S和電池溫度為T(mén)時(shí)太陽(yáng)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(mén)時(shí)太陽(yáng)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。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(yáng)能電池輸出的IU和PU曲線。圖2圖27是太陽(yáng)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(lái)的IU和PU特性。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(yáng)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(yáng)能電池不能直接驅(qū)動(dòng)用電裝置，而需要將太陽(yáng)能電池先存儲(chǔ)在蓄電池中，然后通過(guò)蓄電池為用電裝置供電。 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(yáng)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(yáng)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)。目前太陽(yáng)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(méi)有一個(gè)蓄電池廠家關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。（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(yáng)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(yáng)電池的利用效率。（3）太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中蓄電池放電深度不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)過(guò)放電的情況，因此電池要求有較強(qiáng)的過(guò)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。當(dāng)然，這里還涉及放電深度問(wèn)題、使用環(huán)境溫度問(wèn)題、充放電倍率問(wèn)題；單體電池串聯(lián)、并聯(lián)的平衡問(wèn)題等；它們雖然重要，但是目前還不是最重要的問(wèn)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(chēng)太陽(yáng)能光伏蓄電池，是極其不妥的。（6）性?xún)r(jià)比高 除了以上5個(gè)要求以外，性?xún)r(jià)比要高，過(guò)高的價(jià)格是沒(méi)有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的。h 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。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。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。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(guò)化學(xué)反應(yīng)，把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)。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。被分解成： (211)生成的依附于正極板上。從上述分析可知，充電過(guò)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。（2）放電過(guò)程 放電過(guò)程是允電過(guò)程的逆過(guò)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)。電解質(zhì)發(fā)生電解所示： (213)在蓄電池內(nèi)部，正離子通過(guò)溶液向正極遷移，負(fù)離子以相反方向向負(fù)極遷移。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。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。 在太陽(yáng)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。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。在實(shí)際使用過(guò)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。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(guò)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。（2）長(zhǎng)期欠充狀態(tài) 由于太陽(yáng)能資源的隨機(jī)性，使得應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池難以得到完全的再充，蓄電池往往會(huì)在一些時(shí)間長(zhǎng)期處于欠充電狀態(tài)，這將導(dǎo)致蓄電池電解液發(fā)生分層。極板上硫酸濃度的不同分布將導(dǎo)致正極板腐蝕和膨脹，負(fù)極板底部硫酸鹽化。輕微的不可逆硫酸鹽化，尚可以用一些方法使它恢復(fù)，若嚴(yán)重時(shí)則電極失效，蓄電池將充不進(jìn)電。而的體積比和Pb大，于是放電產(chǎn)物堵塞多孔電極的空口，電解液則不能充分供應(yīng)電極內(nèi)部的需要，造成電極內(nèi)部物質(zhì)不能得到充分利用，因而大電流放電時(shí)會(huì)降低蓄電池的放電容量。根據(jù)蓄電池放電時(shí)結(jié)晶機(jī)理，在大電流放電時(shí)生成的晶體顆粒小、數(shù)目多，而在小電流放電時(shí)形成的晶體顆粒數(shù)目比較小，尺寸比較大。在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中，蓄電池放電電流通常非常小，所以在太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中一般要規(guī)定比較高的放電終止電壓來(lái)減小蓄電池小電流放電的影響。如果這些氣體被排放會(huì)使蓄電池的電解液減少，從而使蓄電池容量減少，而且當(dāng)排出的氣體量很大時(shí)有燃燒的危險(xiǎn)。對(duì)于閥控密封鉛酸蓄電池過(guò)充電情況會(huì)更糟，氣壓過(guò)高可能發(fā)生爆炸或使蓄電池槽開(kāi)裂。在光伏系統(tǒng)中蓄電池深度放電后，可以進(jìn)行均衡充電來(lái)減少蓄電池的酸分層。在環(huán)境溫度10～45 ℃范圍內(nèi)，鉛酸蓄電池容量隨溫度升高而增加，如閥控密封鉛蓄電池在40 ℃下的放電電量比在25 ℃下放電的電量大10 %左右，但是，超過(guò)一定溫度范圍情況將發(fā)生變化，如在環(huán)境溫度45～50 ℃條件下放電，蓄電池容量明顯減小。從這方面來(lái)看，因?yàn)樾铍姵氐娜萘繒?huì)隨著溫度升高而增加，所以在蓄電池放電時(shí)，對(duì)于相同放電容量，溫度升高時(shí)其放電深度降低，因此溫度升高在一定范圍內(nèi)對(duì)蓄電池壽命延長(zhǎng)是有利的，然而溫度升高同時(shí)會(huì)引起蓄電池失水干涸、熱失控、正極板柵腐蝕和變形等加速，這些都將影響蓄電池壽命。低的工作溫度也會(huì)對(duì)蓄電池的壽命有影響，低溫( 5 ℃)會(huì)引起負(fù)極失效，溫度波動(dòng)會(huì)加速枝晶短路等等低溫時(shí)充電，則會(huì)造成氫氣產(chǎn)生，增大內(nèi)部壓力，縮短電池壽命。 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)中的蓄電池應(yīng)用特點(diǎn)（1）晚上以及陰雨天蓄電池放電， 白天由太陽(yáng)能電池給蓄電池充電，充電方式屬于循環(huán)、浮充混合工作方式。 ( C : 用來(lái)表示電池充放電時(shí)電流大小的比率)。（4）一次充電時(shí)間短，長(zhǎng)的時(shí)候也僅僅為白天的10小時(shí)左右，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)很少能夠做到安全、快速的滿充電，蓄電池往往會(huì)在一些時(shí)間處于欠充電狀態(tài)。[16] 白光LED燈 LED燈的簡(jiǎn)介L(zhǎng)ED是英文Light Emitting Diode的縮寫(xiě)，中譯名為發(fā)光二極管。由于壽命長(zhǎng)、發(fā)熱低，在強(qiáng)電中用作信號(hào)指示燈也有較長(zhǎng)的歷史，在交通信號(hào)燈、廣告中也得到了較廣泛的應(yīng)用。近幾年，隨著各地城市景觀照明項(xiàng)目的越來(lái)越多，LED照明產(chǎn)品市場(chǎng)需求日益擴(kuò)大[17]。LED光效達(dá)到50～200lm/W，光譜窄、單色性好。一個(gè)10～12W的LED光源發(fā)出的光能與一個(gè)35～50W白熾燈發(fā)出的光能相當(dāng)。（3）壽命長(zhǎng) 白熾燈靠燈絲發(fā)光，鎢絲受熱容易燒斷，發(fā)熱蒸發(fā)沉淀，發(fā)光效率迅速衰減，玻璃外殼極易損壞，通常壽命為1000h，LED利用半導(dǎo)體芯片將電能轉(zhuǎn)化為光能發(fā)光，外加PC材料封裝后，可承受高強(qiáng)度機(jī)械沖擊和震動(dòng)，LED單管壽命為10萬(wàn)h（4）維修費(fèi)用低 由于LED光源壽命長(zhǎng)、節(jié)能，維修很少，5年以后其一次投資加上運(yùn)行費(fèi)用是所有光源中最低的。（6）可控制性 由于LED燈可以基本做到瞬間接通發(fā)光，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件和控制器，可以比較容易地實(shí)現(xiàn)LED燈的顏色和圖形的各種變化。 白光LED燈發(fā)光原理LED發(fā)光二極管的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是PN結(jié)，在半導(dǎo)體PN 結(jié)通以正向電流時(shí)注入少數(shù)載流子，少數(shù)載流子的發(fā)光復(fù)合就是發(fā)光二極管的工作機(jī)理。半導(dǎo)體材料的發(fā)光機(jī)理決定了單一LED 芯片不可能發(fā)出連續(xù)光譜的白光，必須以其它的方式合成白光。這兩種方法在實(shí)踐中都有運(yùn)用。其安裝結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且各色LED 的驅(qū)動(dòng)電壓、發(fā)光效率、配光特性不同，溫度特性也存在差異。其安裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，發(fā)光效率高，直接與熒光粉有關(guān)。低氣壓熒光燈中利用2537nm 的紫外光激發(fā)熒光粉，但LED中要求三基色熒光粉在更低能量紫外激發(fā)下有較高的發(fā)光效率。（2）脈寬調(diào)制(PWM) 方式LED的響應(yīng)時(shí)間一般只有幾納秒至幾十納秒，適合于頻繁開(kāi)關(guān)以及高頻運(yùn)作的場(chǎng)合，因此可以方便地通過(guò)周期性的改變脈沖寬度，亦即控制占空比的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 亮度的調(diào)節(jié)，例如要將亮度減半，只需在50 %的占空周期內(nèi)提供電流就可以實(shí)現(xiàn)了。比較以上兩種亮度調(diào)節(jié)方式，使用第二種方式更合適于半導(dǎo)體照明，原因是: （1）在某個(gè)特定的正向電流下LED 能顯示出最純的白光，隨著工作電流偏離這個(gè)值，白光LED 發(fā)出的光可能偏藍(lán)或偏紫，因此通過(guò)改變LED 工作電流的方式調(diào)節(jié)會(huì)使光的顏色發(fā)生偏移，而使用PWM 控制方式則不會(huì)有這樣的問(wèn)題。隨著工作溫度的升高，LED 器件的性能會(huì)降低，因此散熱對(duì)LED 器件工作性能影響很大，在使用PWM控制方式時(shí)其脈沖平均電流和直流電流大小相等的情況時(shí)，LED 器件會(huì)有更低的溫度， 所以有更高的發(fā)光亮度。（2）LED是一個(gè)具有PN結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體器件，具有勢(shì)壘電勢(shì)，這就形成了導(dǎo)通門(mén)限電壓，加在LED上的電壓值超過(guò)這個(gè)門(mén)限電壓時(shí)LED才會(huì)充分導(dǎo)通。（3）LED的電流一電壓特性是非線性的，流過(guò)LED的電流在數(shù)值上等于供電電源的電動(dòng)勢(shì)減去LED的勢(shì)壘電勢(shì)后再除以同路的總電阻(電源內(nèi)阻、引線電阻和LED體電阻之和)。（4）LED的PN結(jié)的溫度系數(shù)為負(fù)，溫度升高時(shí)LED的勢(shì)壘電勢(shì)降低。（5）流過(guò)LED的電流和LED的光通量的比值也是非線性的。因此，應(yīng)該使LED在一個(gè)發(fā)光效率比較高的電流值下工作。恒壓驅(qū)動(dòng)方式一般是以調(diào)節(jié)工作電流的方式來(lái)調(diào)節(jié)照明用發(fā)光半導(dǎo)體的亮度，恒流驅(qū)動(dòng)方式一般是以脈寬調(diào)制( PWM)方式來(lái)調(diào)節(jié)亮度。(2)恒流源驅(qū)動(dòng)方式，如圖29所示，是由DCDC電路組成的恒流源驅(qū)動(dòng)方式。此時(shí)通過(guò)白光LED的電流是由參考電壓值和電流感測(cè)電阻值來(lái)決定，可以通過(guò)對(duì)檢測(cè)電阻Rs的改變來(lái)調(diào)整LED電流。電阻限流驅(qū)動(dòng)方式雖然電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，然而使用在太陽(yáng)能半導(dǎo)體照明中有它的明顯不足。 太陽(yáng)能路燈控制器如前所述，一套基本的太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)是由太陽(yáng)能電池陣列、控制器、蓄電池(組)、路燈構(gòu)成。控制器需對(duì)太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的運(yùn)行情況和所處的外部環(huán)境情況進(jìn)行檢測(cè)，包括光強(qiáng)、溫度、充放電電流、蓄電池電壓等，從而來(lái)控制系統(tǒng)的工作方式和保護(hù)系統(tǒng)，如決定系統(tǒng)是否進(jìn)行充電，采用哪種方式充電?？刂破髦饕刂菩铍姵氐某浞烹姟？紤]到蓄電池的成本比較大，而且過(guò)充電、過(guò)放電都會(huì)大大縮短鉛酸蓄電池的壽命，所以控制器對(duì)系統(tǒng)的保護(hù)主要是過(guò)充過(guò)放保護(hù)，同時(shí)具有過(guò)流、短路、防反接保護(hù)。充電時(shí)如果檢測(cè)到蓄電池端電壓上升到一定值時(shí)進(jìn)行過(guò)充保護(hù)，當(dāng)蓄電池充滿電之后，充電電路自動(dòng)調(diào)整充電電流或斷開(kāi)電路；放電時(shí)如果檢測(cè)到蓄電池端電壓下降到一定值進(jìn)行