第12章 电源及能量储存技术-《物联网技术基础教程》

1、第第 12 章章 电源和能量电源和能量 储存技术储存技术 学习任务学习任务能源采集转换技术能源采集转换技术 能量储存（电池）技术能量储存（电池）技术 无线供电技术无线供电技术 Click to add title in here 123本章主要涉及：本章主要涉及：第第12章章 电源和能量储存技术电源和能量储存技术在物联网的能源技术研究内容中：首当其冲的是能在物联网的能源技术研究内容中：首当其冲的是能量存储技术。量存储技术。从现在的情况看，能量存储已经成为电子设备小型从现在的情况看，能量存储已经成为电子设备小型化以及精巧化过程中最受重视的技术障碍之一。化以及精巧化过程中最受重视的技术障碍之一。当

2、今的嵌入式无线技术，例如无线传感器网络以及当今的嵌入式无线技术，例如无线传感器网络以及主动式主动式RFID标签，都在忍受着笨重的大容量电池标签，都在忍受着笨重的大容量电池组所带来的负担，并且在容忍着短暂生命周期内频组所带来的负担，并且在容忍着短暂生命周期内频繁充电或者频繁更换电池所带来的种种尴尬。繁充电或者频繁更换电池所带来的种种尴尬。第第12章章 电源和能量储存技术电源和能量储存技术未来的物联网要想成功的实现让真正的嵌入式、未来的物联网要想成功的实现让真正的嵌入式、数字化物品参与其中，就必须在微型高容量能量数字化物品参与其中，就必须在微型高容量能量存储技术上取得突破。存储技术上取得突破。而从

3、实现方式上，一种解决方案就是跳过存储能而从实现方式上，一种解决方案就是跳过存储能量的诸多问题，直接从环境中汲取能源，从而使量的诸多问题，直接从环境中汲取能源，从而使物品的电池可以更加小巧，并且有能力进行自动物品的电池可以更加小巧，并且有能力进行自动的充电行为。的充电行为。第第12章章 电源和能量储存技术电源和能量储存技术 在能源技术领域的道路还很漫长。不过，今天在能源技术领域的道路还很漫长。不过，今天的工作正为我们明确前进的方向：的工作正为我们明确前进的方向： 首先，能量采集技术应该不仅仅局限在原有的首先，能量采集技术应该不仅仅局限在原有的能量源上，像震动、太阳辐射、热能等等，都能量源上，像震

4、动、太阳辐射、热能等等，都应该成为我们接下来尝试的方向。应该成为我们接下来尝试的方向。 其次，微型发电技术将成为我们下一个新兴的其次，微型发电技术将成为我们下一个新兴的能源技术领域，将为下一代物联网设备提供全能源技术领域，将为下一代物联网设备提供全新的发展机遇。新的发展机遇。 12.1 能源采集转换技术能源采集转换技术从广义上讲，采集能源包括各种来源，比如从广义上讲，采集能源包括各种来源，比如:动能（风、波、重力、振动等）、动能（风、波、重力、振动等）、电磁能（光伏、电磁波）、电磁能（光伏、电磁波）、热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等）、热能（太阳热能、地热、温度变化、燃烧等）、原子能（原

5、子核能、放射性衰变等）原子能（原子核能、放射性衰变等）生物能（生物燃料、生物质能等）。生物能（生物燃料、生物质能等）。12.1 能源采集转换技术能源采集转换技术1. 能量采集能量采集（1）从体热采集能量：）从体热采集能量： 典型的能源采集系统包括众多组件，如转换、薄膜典型的能源采集系统包括众多组件，如转换、薄膜电池中的暂存器、大量复杂的能源管理电路、模拟电池中的暂存器、大量复杂的能源管理电路、模拟转换器以及超低功耗微处理器转换器以及超低功耗微处理器 (MCU)。 （2） 太阳能光伏收集：太阳能光伏收集： 采用大型太阳能电池板进行。采用大型太阳能电池板进行。 每每 100 平方毫米光伏电池可产生

6、大约平方毫米光伏电池可产生大约 1 MW 电能。电能。能源效率约为能源效率约为 10%，容量比约为，容量比约为 15% 20%。12.1 能源采集转换技术能源采集转换技术（3）动能收集系统：）动能收集系统： 可产生毫瓦级的电能。可产生毫瓦级的电能。 基本动能收集技术包括：基本动能收集技术包括： 一个弹簧上的物体；一个弹簧上的物体； 将线性运动转换为旋转运动的设备；将线性运动转换为旋转运动的设备； 压电电池。压电电池。（4）热电收集技术：）热电收集技术： 使用赛贝克使用赛贝克 (Seebeck) 效应，即在两个金属或半导效应，即在两个金属或半导体之间存在温差的情况下而产生电压。体之间存在温差的情

7、况下而产生电压。 热电发电机热电发电机 (TEG) 由热并联与电串联的热电堆构成。由热并联与电串联的热电堆构成。 12.1 能源采集转换技术能源采集转换技术上述几种主流微能量采集来源都有几个共同之上述几种主流微能量采集来源都有几个共同之处。他们都通常产生不稳定电压，而并非目前处。他们都通常产生不稳定电压，而并非目前电子电路仍广泛使用的电子电路仍广泛使用的 3.3V 稳定电压。稳定电压。此外，这三种技术所提供的都是间断电源，甚此外，这三种技术所提供的都是间断电源，甚至有时根本就不能提供电源。至有时根本就不能提供电源。因此，设计工程师需要使用电源转换器与混合因此，设计工程师需要使用电源转换器与混合

8、能源系统来解决这些问题。能源系统来解决这些问题。12.1 能源采集转换技术能源采集转换技术2. 电源管理电源管理在输入电压不稳定且较低的情况下，实现低成本在输入电压不稳定且较低的情况下，实现低成本和低能耗滤波的基本方法有几种。当然，选择哪和低能耗滤波的基本方法有几种。当然，选择哪种方法需要权衡利弊。种方法需要权衡利弊。比如，采用较大的开关可以减少电阻损耗，但更比如，采用较大的开关可以减少电阻损耗，但更大的开关会要求更大的开启电源，不过该开关可大的开关会要求更大的开启电源，不过该开关可能无法提供。能无法提供。再比如，通过降低开关频率可以提高效率，但这再比如，通过降低开关频率可以提高效率，但这要求

9、使用较大的滤波器。要求使用较大的滤波器。 12.1 能源采集转换技术能源采集转换技术 重要的一点是，对于仅能产生几毫瓦功率的系统重要的一点是，对于仅能产生几毫瓦功率的系统来说，管理电源所消耗的开销可能等于甚至大于来说，管理电源所消耗的开销可能等于甚至大于系统所产生的。通常，像给系统所产生的。通常，像给MOSFET 栅极电容充栅极电容充电这样简单的任务可能消耗大量的电能。电这样简单的任务可能消耗大量的电能。 在上述这些情况下，可以考虑使用电流源栅极充在上述这些情况下，可以考虑使用电流源栅极充电，而不是电压源栅极冲电。这种方案的结果是，电，而不是电压源栅极冲电。这种方案的结果是，电路将变得更加复杂

10、，但电能损耗和电路泄漏将电路将变得更加复杂，但电能损耗和电路泄漏将得到更好的控制。得到更好的控制。12.1.2 光伏技术光伏技术太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着将太阳太阳能是一种辐射能，太阳能发电意味着将太阳光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才光直接转换成电能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。能转换成为电能。将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏将光能直接转换成电能的过程确切地说应叫光伏效应。效应。不需要借助其它任何机械部件，光线中的能量被不需要借助其它任何机械部件，光线中的能量被半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这半导体器件的电子获得，于是就产生了电能。这种把光能

11、转换成为电能的能量转换器，就是太阳种把光能转换成为电能的能量转换器，就是太阳能电池。能电池。12.1.2 光伏技术光伏技术太阳能电池的主要材料是高纯硅，是经过特殊的提太阳能电池的主要材料是高纯硅，是经过特殊的提纯处理制作。纯处理制作。太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，能够把光太阳能电池只要受到阳光或灯光的照射，能够把光能转变为电能，使电流从一方流向另一方，一般就能转变为电能，使电流从一方流向另一方，一般就可发出相当于所接收光能可发出相当于所接收光能1020% 的电来。的电来。一般光线越强，产生的电能就越多。为了使太阳能一般光线越强，产生的电能就越多。为了使太阳能电池板最大限度地减少光反射，将

12、光能转变为电能，电池板最大限度地减少光反射，将光能转变为电能，一般在它的上面都蒙上一层防止光反射的膜，使太一般在它的上面都蒙上一层防止光反射的膜，使太阳能板的表面呈紫色。阳能板的表面呈紫色。 12.1.2 光伏技术光伏技术它的工作原理的基础是半导体它的工作原理的基础是半导体PN结的光生伏打结的光生伏打效应。效应。所谓光生伏打效应就是当物体受光照时，物体所谓光生伏打效应就是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。流的一种效应。当太阳光或其他光照射半导体的当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会结时，就会在在PN结的两边出

13、现电压结的两边出现电压,叫做光生电压。这种现叫做光生电压。这种现象就是著名的光生伏打效应。使象就是著名的光生伏打效应。使PN结短路，就结短路，就会产生电流。会产生电流。 12.1.3 生物发电生物发电生物发电就是人类利用能够产生强生物电的生生物发电就是人类利用能够产生强生物电的生物，并收集、转化利用其产生的生物电的一种物，并收集、转化利用其产生的生物电的一种发电方式。发电方式。生物发电原理生物发电原理 12.1.3 生物发电生物发电1. 基本概念基本概念 生物质是植物通过光合作用生成的有机物，包括植生物质是植物通过光合作用生成的有机物，包括植物、动物排泄物，垃圾及有机废水等，是生物质能物、动物

14、排泄物，垃圾及有机废水等，是生物质能的载体，是唯一的可储存和可运输的可再生能源。的载体，是唯一的可储存和可运输的可再生能源。 从化学的角度上看，生物质的组成是从化学的角度上看，生物质的组成是CH化合物，化合物，它与常规的矿物能源如石油、煤等是同类，（煤和它与常规的矿物能源如石油、煤等是同类，（煤和石油都是生物质经过长期转换而来的），所以它的石油都是生物质经过长期转换而来的），所以它的特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性。特性和利用方式与矿物燃料有很大的相似性。 12.1.3 生物发电生物发电2. 能源意义能源意义 生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四生物质是仅次于煤炭、石油、天然气的第四大

15、能源，在整个能源系统占有重要地位生物质能大能源，在整个能源系统占有重要地位生物质能一直是人类赖以生存的重要能源之一，一直是人类赖以生存的重要能源之一， 就其能源当量而言，是仅次于煤、油、天然气而就其能源当量而言，是仅次于煤、油、天然气而列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物质能列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物质能占总能耗的占总能耗的14%，但在发展中国家占，但在发展中国家占40%以上。以上。 采用新技术生产的各种生物质替代燃料，主要用采用新技术生产的各种生物质替代燃料，主要用于生活、供热和发电等方面。于生活、供热和发电等方面。 12.1.4 压电技术压电技术 说到压电发电技术，我们先要回

16、溯到说到压电发电技术，我们先要回溯到1880年。年。当年居里兄弟在石英晶体中发现：当年居里兄弟在石英晶体中发现：晶体受到机械应力的作用时，其表面会产生电荷；晶体受到机械应力的作用时，其表面会产生电荷；反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变。反之，当外加电场于晶体时，晶体会产生形变。前者被命名为正压电效应，后者则被称之为逆压电前者被命名为正压电效应，后者则被称之为逆压电效应。效应。12.1.4 压电技术压电技术100多年过去，压电学和压电材料经过了石英多年过去，压电学和压电材料经过了石英晶体、钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、弛豫铁电晶体、钛酸钡陶瓷、锆钛酸铅陶瓷、弛豫铁电单晶等几个里程碑的发展，各种

17、压电传感器、单晶等几个里程碑的发展，各种压电传感器、换能器和驱动器在水声、超声、激光、红外、换能器和驱动器在水声、超声、激光、红外、电光等技术领域中成为不可替代的重要器件。电光等技术领域中成为不可替代的重要器件。 12.1.4 压电技术压电技术压电发电正是这样一种技术压电发电正是这样一种技术利用压电材料利用压电材料的正压电效应将机械振动能转变为电能，的正压电效应将机械振动能转变为电能，从而将如人体走路的踩踏、机械振动，甚至噪从而将如人体走路的踩踏、机械振动，甚至噪音等形式的振动能量收集起来，经过能量转换音等形式的振动能量收集起来，经过能量转换-整流整流-存储存储-供电等诸多环节，应用于生活。供

18、电等诸多环节，应用于生活。这种能量收集系统帮助我们利用曾被白白耗费这种能量收集系统帮助我们利用曾被白白耗费的能源。的能源。 12.1.4 压电技术压电技术1. 压电效应及其理论解释压电效应及其理论解释 当压电体发生机械形变时，其极化强度发生变化，当压电体发生机械形变时，其极化强度发生变化，导致表面吸附的自由电荷随之而变。导致表面吸附的自由电荷随之而变。如果将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自如果将两个表面装上电极并用导线接通，变化的自由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。由电荷便从一个极板移至另一极板，形成电流。如果压电体上加交变电场，则压电体就会交替出现如果压电体上加交变电场，则压电

19、体就会交替出现伸长和压缩，即发生机械振动。伸长和压缩，即发生机械振动。 12.1.4 压电技术压电技术压电效应的解释：压电效应的解释：在离子性的晶体中，正、负离子有规则地交错在离子性的晶体中，正、负离子有规则地交错配置，构成结晶点阵。这样就形成了固有电矩，配置，构成结晶点阵。这样就形成了固有电矩，在晶体表面出现了极化电荷，又由于晶体暴露在晶体表面出现了极化电荷，又由于晶体暴露在空气中，经过一段时间，这些电荷便被降落在空气中，经过一段时间，这些电荷便被降落到晶面上的、空气中的异号离子所中和，因此到晶面上的、空气中的异号离子所中和，因此极化面电荷和电矩都不会显现。极化面电荷和电矩都不会显现。12.

20、1.4 压电技术压电技术但是，当晶体发生机械形变时，晶格就会发生但是，当晶体发生机械形变时，晶格就会发生变化。这样，电矩产生变化，表面极化电荷数变化。这样，电矩产生变化，表面极化电荷数值也发生改变。值也发生改变。于是，面上正电荷或负电荷都有了可以测出的于是，面上正电荷或负电荷都有了可以测出的增量增量(增加或减少增加或减少)，这种增量就是压电效应的，这种增量就是压电效应的电量。电量。12.1.4 压电技术压电技术2. 压电效应的应用压电效应的应用 我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷，我们把根据压电效应制作出的材料叫压电陶瓷， 利用它可以制作石英谐振器，陶瓷滤波器、陷波利用它可以制作石英谐振

21、器，陶瓷滤波器、陷波器、鉴频器、拾音器、发声器，超声波发声器等器、鉴频器、拾音器、发声器，超声波发声器等器件，还可以作为电子打火机、煤气点火栓的电器件，还可以作为电子打火机、煤气点火栓的电源。源。12.1.4 压电技术压电技术（1）石英晶体谐振器）石英晶体谐振器 在石英晶体上加一交变电压，就会产生机械变在石英晶体上加一交变电压，就会产生机械变形振动，同时机械变形振动又会产生交变的电形振动，同时机械变形振动又会产生交变的电场。场。 由于石英晶片具有固有的振动频率由于石英晶片具有固有的振动频率(称为石英称为石英晶体的谐振频率晶体的谐振频率)，因此，当交变电压的频率，因此，当交变电压的频率等于石英晶

22、片的谐振频率时，这种振动就会突等于石英晶片的谐振频率时，这种振动就会突然增加，而在电路中反映出谐振特性。这种现然增加，而在电路中反映出谐振特性。这种现象称为压电谐振效应。象称为压电谐振效应。12.1.4 压电技术压电技术 根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器，这根据压电谐振效应可以制作出石英谐振器，这种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定种谐振器因具有极高的品质因数和极高的稳定性。性。 已经被应用于对讲机，电子手表、电视机、电已经被应用于对讲机，电子手表、电视机、电子仪器等产品中作压控振荡器使用。子仪器等产品中作压控振荡器使用。 用石英谐振器来控制振荡频率的振荡器称为晶用石英谐振器来控制振荡

23、频率的振荡器称为晶体振荡器，它的频率稳定度可达到体振荡器，它的频率稳定度可达到10 数量级。数量级。12.1.4 压电技术压电技术（2） 发电地板、发电公路、发电行囊和其他发电地板、发电公路、发电行囊和其他2010年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板，年上海世博会上，日本馆展示了压电发电地板，参观者轻轻几步就可将电灯点亮参观者轻轻几步就可将电灯点亮. 日本的日本的NEC等公司等公司联合开发了新型发光道路标识，在公路下埋有压电发联合开发了新型发光道路标识，在公路下埋有压电发电装置，使其驱动电装置，使其驱动LED发光指示牌，基本达到可自供发光指示牌，基本达到可自供电的实用水平。电的实用水平。以

24、色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的以色列技术研究院也在普通路面的沥青中植入大量的压电晶体，通过汽车驶过时的压电转换来发电。据测压电晶体，通过汽车驶过时的压电转换来发电。据测算，算，1公里的路面能产生约公里的路面能产生约100400千瓦的电力。千瓦的电力。 12.1.4 压电技术压电技术此外，为了提高能量获得效率，研发人员一般此外，为了提高能量获得效率，研发人员一般在设计时将压电、热电、光伏等多种能量同时在设计时将压电、热电、光伏等多种能量同时收集利用。收集利用。如美国军方正在开发一种士兵边行军边发电的如美国军方正在开发一种士兵边行军边发电的装置。士兵们可对所携带的电子设备进行自助装置

25、。士兵们可对所携带的电子设备进行自助供电，从而不必携带重达供电，从而不必携带重达10公斤的储能电池，公斤的储能电池，大幅度减少行军负重。大幅度减少行军负重。 12.1.4 压电技术压电技术目前压电换能器大多采用目前压电换能器大多采用PZT-5H型压电陶瓷，结型压电陶瓷，结构形状有陶瓷片、陶瓷悬臂梁、压电鼓、压电铙构形状有陶瓷片、陶瓷悬臂梁、压电鼓、压电铙钹以及多层陶瓷结构等。钹以及多层陶瓷结构等。单个压电发电单元一般可输出电压单个压电发电单元一般可输出电压520伏，电流伏，电流为毫安级，功率达到几十毫瓦级，能满足网络传为毫安级，功率达到几十毫瓦级，能满足网络传感器等低耗能电子产品的供能需求。感

26、器等低耗能电子产品的供能需求。为了增大发电功率，必须采用多个元件并联方式，为了增大发电功率，必须采用多个元件并联方式，以提高装置的输出电流。以提高装置的输出电流。12.1.4 压电技术压电技术3）纳米发电机）纳米发电机 科学家研究了一种压电纳米发电机，以氧化锌纳科学家研究了一种压电纳米发电机，以氧化锌纳米线为基础，实现了在纳米尺度上把机械能转化米线为基础，实现了在纳米尺度上把机械能转化为电能。为电能。 纳米线的直径一般小于纳米线的直径一般小于100 纳米，但其长度可以纳米，但其长度可以达到数微米，如此大的长径比使得很小的力便可达到数微米，如此大的长径比使得很小的力便可将纳米线弯曲而产生电势差。

27、这意味着只要动就将纳米线弯曲而产生电势差。这意味着只要动就能发电，无须行走，微弱的肌肉运动也可以带动能发电，无须行走，微弱的肌肉运动也可以带动纳米发电机。纳米发电机。12.1.5 能量转换装置能量转换装置 1. 能量的形式能量的形式 能量以多种形式出现，包括辐射、物体运动、处能量以多种形式出现，包括辐射、物体运动、处于激发状态的原子、分子内部及分子之间的应变于激发状态的原子、分子内部及分子之间的应变力。力。 能量的形式可以用不同的方法来描述。声能主要能量的形式可以用不同的方法来描述。声能主要是分子前后有规律的运动；热能是分子的无规则是分子前后有规律的运动；热能是分子的无规则运动；重力能产生于分

28、隔物体的相互吸引；储存运动；重力能产生于分隔物体的相互吸引；储存在机械应力中的能量，则是由于分离的电子相互在机械应力中的能量，则是由于分离的电子相互吸引的结果。吸引的结果。 12.1.5 能量转换装置能量转换装置 能量即不能产生也不能消失，能量转换是指从一能量即不能产生也不能消失，能量转换是指从一种形式转化为另一种形式或是从一个物体转移到种形式转化为另一种形式或是从一个物体转移到另一个物体。另一个物体。不论什么时候，一个地方或一种形式的能量减少不论什么时候，一个地方或一种形式的能量减少了，另一个地方或另一种形式就会增加同样数量了，另一个地方或另一种形式就会增加同样数量的能量。的能量。在一个系统

29、中不论发生渐变还是骤变，只要没有在一个系统中不论发生渐变还是骤变，只要没有能量进入或者离开这个系统，那么系统内部各种能量进入或者离开这个系统，那么系统内部各种能量立和将不发生变化。能量立和将不发生变化。12.1.5 能量转换装置能量转换装置 所有这些形式的重要意义在于其能量是相等的，所有这些形式的重要意义在于其能量是相等的，也就是说一种形式的能量可以转变成另一种形也就是说一种形式的能量可以转变成另一种形式。式。 宇宙中发生的绝大部分事件，例如，恒星的崩宇宙中发生的绝大部分事件，例如，恒星的崩溃和爆炸、生物的生长和毁灭、机器和计算机溃和爆炸、生物的生长和毁灭、机器和计算机的操作中都包括能量由一种

30、形式转化为另一种的操作中都包括能量由一种形式转化为另一种形式。形式。 12.1.5 能量转换装置能量转换装置 2. 能量之间转换的各种类型及方法能量之间转换的各种类型及方法 电能转化热能电能转化热能 电能转化热能一般通过热电阻或热辐射，例如家电能转化热能一般通过热电阻或热辐射，例如家用的电热炉，是在热阻丝内通过大量电流使热阻用的电热炉，是在热阻丝内通过大量电流使热阻丝产生大量热能，通过热辐射传导给周围环境。丝产生大量热能，通过热辐射传导给周围环境。 也可以通过微波装置，使电能转化成微波，通过也可以通过微波装置，使电能转化成微波，通过直接的热辐射转为热能直接的热辐射转为热能12.1.5 能量转换

31、装置能量转换装置 热能转化电能热能转化电能 至今为止，人们还没想出很有效率的方法可以至今为止，人们还没想出很有效率的方法可以让热能直接转化为电能，似乎人们只发明了电让热能直接转化为电能，似乎人们只发明了电能和机械能转化的装置，所以，如果想任何形能和机械能转化的装置，所以，如果想任何形式能量转换为电能，必须先转换为机械能。式能量转换为电能，必须先转换为机械能。 但是，有的物质如陶瓷等，在温度变化时可以但是，有的物质如陶瓷等，在温度变化时可以产生电势差，进而产生微弱电能，但无法用于产生电势差，进而产生微弱电能，但无法用于发电。发电。 12.1.5 能量转换装置能量转换装置 机械能转化电能机械能转化

32、电能 通过切割电磁圈的磁感线，可以使机械能转化通过切割电磁圈的磁感线，可以使机械能转化为电能。在电机中，机械能和电能可以互逆转为电能。在电机中，机械能和电能可以互逆转换。换。 光能转化电能光能转化电能 可以通过光电效应使光照射在金属表面而辐射可以通过光电效应使光照射在金属表面而辐射出电子，通过这种方法，人们设计了太阳能板，出电子，通过这种方法，人们设计了太阳能板，太阳能板是通过阳光照射硅晶体的太阳能板是通过阳光照射硅晶体的PN结产生结产生空穴电压产生电能的，光能就是最受关注的清空穴电压产生电能的，光能就是最受关注的清洁能源之一。洁能源之一。 12.1.5 能量转换装置能量转换装置 化学能转化电

33、能化学能转化电能 通过化学反应使得正电子和负电子分别在阳极通过化学反应使得正电子和负电子分别在阳极和阴极汇聚，其实这也是电池的充电过程。和阴极汇聚，其实这也是电池的充电过程。 电能转化机械能电能转化机械能 借助电磁感应效应，人们设计了电机，可以使借助电磁感应效应，人们设计了电机，可以使电能轻松转化为机械能。在电机中，电能和机电能轻松转化为机械能。在电机中，电能和机械能可以互逆转换。械能可以互逆转换。12.1.5 能量转换装置能量转换装置 化学能转化热能化学能转化热能 可以通过核裂变使得熵值大量增加，进而产生可以通过核裂变使得熵值大量增加，进而产生大量热能传导出去。在核裂变过程中，不仅产大量热能

34、传导出去。在核裂变过程中，不仅产生大量热能，还产生大量光能及机械能等。生大量热能，还产生大量光能及机械能等。 还有一种方法就是通过可燃物的燃烧，伴随着还有一种方法就是通过可燃物的燃烧，伴随着光能的同时也产生大量热能。光能的同时也产生大量热能。 12.1.5 能量转换装置能量转换装置 热能转化机械能热能转化机械能 至今人们想到的最好方法，只有通过加热水进而至今人们想到的最好方法，只有通过加热水进而通过水蒸气驱动机械做功，自从瓦特发明蒸汽机通过水蒸气驱动机械做功，自从瓦特发明蒸汽机以来，人们一直沿用这个方法进行转换。以来，人们一直沿用这个方法进行转换。 机械能转化热能机械能转化热能 机械做功摩擦可

35、以产生热能，但一般效率不高，机械做功摩擦可以产生热能，但一般效率不高，而且在实际应用中无法通过这样的转化大量提供而且在实际应用中无法通过这样的转化大量提供热能，只作为机械能的能量损耗而已。热能，只作为机械能的能量损耗而已。 光能转化热能光能转化热能 光能在照射到物体时，自然就会伴随热能的传导，光能在照射到物体时，自然就会伴随热能的传导，但不同波段的光波导热能力不同。但不同波段的光波导热能力不同。 12.2.1 薄膜电池薄膜电池薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳薄膜电池顾名思义就是将一层薄膜制备成太阳能电池，其用硅量极少，更容易降低成本，目能电池，其用硅量极少，更容易降低成本，目前已经能进

36、行产业化大规模生产的薄膜电池主前已经能进行产业化大规模生产的薄膜电池主要有要有3种：种：硅基薄膜太阳能电池、硅基薄膜太阳能电池、铜铟镓硒薄膜太阳能电池（铜铟镓硒薄膜太阳能电池（CIGS）、）、碲化镉薄膜太阳能电池（碲化镉薄膜太阳能电池（CdTe）。）。 12.2.1 薄膜电池薄膜电池1. 薄膜电池发电原理薄膜电池发电原理 薄膜电池发电原理与晶硅相似，当太阳光照射薄膜电池发电原理与晶硅相似，当太阳光照射到电池上时，电池吸收光能产生到电池上时，电池吸收光能产生”光生电子光生电子空穴对空穴对” 在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，空穴漂移到分离，空穴

37、漂移到P 侧，电子漂移到侧，电子漂移到N 侧，形侧，形成光生电动势，外电路接通时，产生电流。成光生电动势，外电路接通时，产生电流。 12.2.1 薄膜电池薄膜电池薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、薄膜太阳电池可以使用在价格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，陶瓷、石墨，金属片等不同材料当基板来制造，形成可产生电压的薄膜厚度仅需数形成可产生电压的薄膜厚度仅需数m，因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池因此在同一受光面积之下可较硅晶圆太阳能电池大幅减少原料的用量大幅减少原料的用量(厚度可低于硅晶圆太阳能电厚度可低于硅晶圆太阳能电池池90%以上以上)，目前转换效

38、率最高以可达，目前转换效率最高以可达13%。12.2.1 薄膜电池薄膜电池薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有薄膜电池太阳电池除了平面之外，也因为具有可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可挠性可以制作成非平面构造其应用范围大，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，可与建筑物结合或是变成建筑体的一部份，在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的在薄膜太阳电池制造上，则可使用各式各样的沉积沉积(deposition)技术，一层又一层地把技术，一层又一层地把p-型型或或n-型材料长上去，型材料长上去，常见的薄膜太阳电池有非晶硅、常见的薄膜太阳电池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInG

39、aSe2 (CIGS)、和、和CdTe.等。等。 12.2.1 薄膜电池薄膜电池2. 薄膜电池的优点薄膜电池的优点 （1）成本低）成本低 （2）弱光性好）弱光性好 （3）适合与建筑结合的光伏发电组件）适合与建筑结合的光伏发电组件(BIPV) 3. 薄膜电池的缺点薄膜电池的缺点 （1）效率低）效率低 （2）稳定性差）稳定性差 （3）相同的输出电量所需太阳能电池面积增加）相同的输出电量所需太阳能电池面积增加 12.2.1 薄膜电池薄膜电池4. 发展趋势发展趋势 近年来近年来,业界对以薄膜取代硅晶制造太阳业界对以薄膜取代硅晶制造太阳能电池在技术上已有足够的把握。能电池在技术上已有足够的把握。 日本产

40、业技术综合研究所于去年日本产业技术综合研究所于去年2月已经研制月已经研制出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太出目前世界上太阳能转换率最高的有机薄膜太阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳阳能电池，其转换率已达到现有有机薄膜太阳能电池的能电池的4倍。倍。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，在充放电过程中，Li+ 在两个电极之间往返嵌入在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：和脱嵌：充电池时，充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负从正极脱嵌，

41、经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池。是现代高性能电池的代表。电极的电池。是现代高性能电池的代表。12.2.2 锂离子电池锂离子电池锂离子电池原理结构锂离子电池原理结构 12.2.2 锂离子电池锂离子电池1. 锂系电池概述锂系电池概述 锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机锂系电池分为锂电池和锂离子电池。目前手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险

42、性大，很少应用于日常电子产品。很少应用于日常电子产品。 锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放锂离子电池能量密度大，平均输出电压高。自放电小，每月在电小，每月在2%以下。没有记忆效应。循环性能以下。没有记忆效应。循环性能优越、可快速充放电、充电效率高达优越、可快速充放电、充电效率高达100%，而且，而且输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，输出功率大。使用寿命长。不含有毒有害物质，被称为绿色电池。被称为绿色电池。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池2. 作用机理作用机理 锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，

43、锂合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。池的总称。 锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。脱嵌过程。12.2.2 锂离子电池锂离子电池 在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。 在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入在充放电过程中，

44、锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入脱嵌和插入/脱插，被形象地称为脱插，被形象地称为“摇椅电池摇椅电池”。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池（1）充电）充电 锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充锂离子电池的充电过程分为两个阶段：恒流快充阶段和恒压电流递减阶段。阶段和恒压电流递减阶段。 恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准恒流快充阶段，电池电压逐步升高到电池的标准电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不电压，随后在控制芯片下转入恒压阶段，电压不再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的再升高以确保不会过充，电流则随着电池电量的上升逐步减弱到设定的值，而最终完成充电。上升逐步减

45、弱到设定的值，而最终完成充电。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池 锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性锂离子电池过度充放电会对正负极造成永久性损坏。损坏。 过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌过度放电导致负极碳片层结构出现塌陷，而塌陷会造成充电过程中锂离子无法插入；陷会造成充电过程中锂离子无法插入； 过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而过度充电使过多的锂离子嵌入负极碳结构，而造成其中部分锂离子再也无法释放出来。造成其中部分锂离子再也无法释放出来。12.2.2 锂离子电池锂离子电池 充电量等于充电电流乘以充电时间，在充电控充电量等于充电电流乘以充电时间，在充电控制电压一定的情况下，

46、充电电流越大（充电速度制电压一定的情况下，充电电流越大（充电速度越快），充电电量越小。越快），充电电量越小。 电池充电速度过快和终止电压控制点不当，同样电池充电速度过快和终止电压控制点不当，同样会造成电池容量不足，实际是电池的部分电极活会造成电池容量不足，实际是电池的部分电极活性物质没有得到充分反应就停止充电，这种充电性物质没有得到充分反应就停止充电，这种充电不足的现象随着循环次数的增加而加剧。不足的现象随着循环次数的增加而加剧。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池（2）放电）放电 第一次充放电，如果时间能较长第一次充放电，如果时间能较长(一般一般3-4小小时足够时足够)，那么可以使电极尽可能

47、多的达到最高氧，那么可以使电极尽可能多的达到最高氧化态（充足电），放电（或使用）时则强制放到化态（充足电），放电（或使用）时则强制放到规定的电压、或直至自动关机，如此能激活电池规定的电压、或直至自动关机，如此能激活电池使用容量。使用容量。 但在锂离子电池的平常使用中，可以随时根但在锂离子电池的平常使用中，可以随时根据需要充电，充电时既不必要一定充满电为止，据需要充电，充电时既不必要一定充满电为止，也不需要先放电。象首次充放电那样的操作，只也不需要先放电。象首次充放电那样的操作，只需要每隔需要每隔3-4个月进行连续的个月进行连续的1-2次即可。次即可。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池3. 锂

48、离子电池锂离子电池(Li-ion) 可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑可充电锂离子电池是目前手机、笔记本电脑等现代数码产品中应用最广泛的电池，但它较为等现代数码产品中应用最广泛的电池，但它较为“娇气娇气”，在使用中不可过充、过放，在使用中不可过充、过放(会损坏电会损坏电池或使之报废池或使之报废)。 因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止因此，在电池上有保护元器件或保护电路以防止昂贵的电池损坏。锂离子电池充电要求很高，要昂贵的电池损坏。锂离子电池充电要求很高，要保证终止电压精度在保证终止电压精度在1%之内，之内， 目前各大半导体器件厂已开发出多种锂离子电池目前各大半导体器件厂已开发出多种

49、锂离子电池充电的充电的IC，以保证安全、可靠、快速地充电。，以保证安全、可靠、快速地充电。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池锂离子电池的额定电压，因为近年材料的变化，锂离子电池的额定电压，因为近年材料的变化，一般为一般为3.7V，磷酸铁锂（以下称磷铁）正极的则，磷酸铁锂（以下称磷铁）正极的则为为3.2V。充满电时的终止充电电压一般是。充满电时的终止充电电压一般是4.2V，磷铁磷铁3.65V。锂离子电池的终止放电电压为锂离子电池的终止放电电压为2.75V3.0V(电池电池厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参厂给出工作电压范围或给出终止放电电压，各参数略有不同，一般为数略有不同，一般为3.

50、0V，磷铁为，磷铁为2.5V)。低于。低于2.5V（磷铁（磷铁2.0V）继续放电称为过放，过放对电）继续放电称为过放，过放对电池会有损害。池会有损害。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池锂离子电池的主要优点是：锂离子电池的主要优点是： 1）电压高）电压高 2） 比能量大比能量大 3）循环寿命长）循环寿命长 4）安全性能好：）安全性能好： 无公害，无记忆效应无公害，无记忆效应 5）自放电小）自放电小 6) 可快速充放电可快速充放电 7) 工作温度范围高工作温度范围高 ， 12.2.2 锂离子电池锂离子电池4. 新发展新发展 聚合物锂离子电池聚合物锂离子电池 聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础

51、上聚合物锂离子电池是在液态锂离子电池基础上发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负发展起来的，以导电材料为正极，碳材料为负极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，极，电解质采用固态或凝胶态有机导电膜组成，并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子并采用铝塑膜做外包装的最新一代可充锂离子电池。电池。 由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂由于性能的更加稳定，因此它也被视为液态锂离子电池的更新换代产品。离子电池的更新换代产品。12.2.2 锂离子电池锂离子电池 动力锂离子电池动力锂离子电池 动力锂离子电池指容量在动力锂离子电池指容量在3AH以上的锂离子电池。以上的锂离子电池。 动力锂离子电池分高

52、容量和高功率两种类型。动力锂离子电池分高容量和高功率两种类型。 高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿高容量电池可用于电动工具、自行车、滑板车、矿灯、医疗器械等；灯、医疗器械等； 高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电高功率电池主要用于混合动力汽车及其它需要大电流充放电的场合。流充放电的场合。 根据内部材料的不同，相应地分为液态动力锂离子根据内部材料的不同，相应地分为液态动力锂离子电池和聚合物理离子动力电池两种。电池和聚合物理离子动力电池两种。 12.2.2 锂离子电池锂离子电池 高性能锂电池高性能锂电池 为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一种能为了突破传统锂电池的储电瓶颈，研制一

53、种能在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳在很小的储电单元内储存更多电力的全新铁碳储电材料。储电材料。 但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳但是此前这种材料的明显缺点是充电周期不稳定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。定，在电池多次充放电后储电能力明显下降。12.2.2 锂离子电池锂离子电池 为此，改用一种新的合成方法。用几种原始材料为此，改用一种新的合成方法。用几种原始材料与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含与一种锂盐混合并加热，由此生成了一种带有含碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米碳纳米管的全新纳米结构材料。这种方法在纳米尺度材料上创建了储电单元和导电电路。尺度材料上

54、创建了储电单元和导电电路。 目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到目前这种稳定的铁碳材料的储电能力已达到现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本现有储电材料的两倍，而且生产工艺简单，成本较低，而其高性能可以保持很长时间。较低，而其高性能可以保持很长时间。 12.2.3 印刷电池印刷电池 研究人员通过利用纳米技术将普通锂离子电池研究人员通过利用纳米技术将普通锂离子电池缩小并封闭到一张纤维素纸张上，采用丝网印缩小并封闭到一张纤维素纸张上，采用丝网印刷方式生产，类似于制造刷方式生产，类似于制造T恤衫。恤衫。 单层比头发丝还薄。单层比头发丝还薄。 印刷电池与普通电池有很大的不同。由于其轻印刷电池与普

55、通电池有很大的不同。由于其轻薄的特性，可以将其嵌入银行卡。薄的特性，可以将其嵌入银行卡。 电池不含有汞，十分环保。电池不含有汞，十分环保。12.2.3 印刷电池印刷电池 其电压为其电压为1.5伏，属于正常电压范围。可以将伏，属于正常电压范围。可以将电池堆叠起来提高电压，得到电池堆叠起来提高电压，得到3伏、伏、 4.5伏和伏和6伏的电池，为任何电子产品提供电能。伏的电池，为任何电子产品提供电能。 薄膜和印刷电池灵活的形状和超低的重量将使薄膜和印刷电池灵活的形状和超低的重量将使这种新功能广泛应用于智能卡、这种新功能广泛应用于智能卡、RFID和传感和传感器等电子产品中，提高这些产品的有用性和市器等电

56、子产品中，提高这些产品的有用性和市场规模。场规模。12.2.4 光电池光电池 晶体硅光电池晶体硅光电池 晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用晶体硅光电池有单晶硅与多晶硅两大类，用P型（或型（或n型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成型）硅衬底，通过磷（或硼）扩散形成Pn结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主结而制作成的，生产技术成熟，是光伏市场上的主导产品。导产品。 采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、采用埋层电极、表面钝化、强化陷光、密栅工艺、优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流优化背电极及接触电极等技术，提高材料中的载流子收集效率，优化抗反射膜、子收集效率，优化抗反射膜

57、、 凹凸表面、高反射凹凸表面、高反射背电极等方式，光电转换效率有较大提高。背电极等方式，光电转换效率有较大提高。 12.2.4 光电池光电池单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为单晶硅光电池面积有限，目前比较大的为10至至20cm的圆片，年产能力的圆片，年产能力46MW/a。目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状目前主要课题是继续扩大产业规模，开发带状硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最硅光电池技术，提高材料利用率。国际公认最高效率在高效率在AM1.5条件下为条件下为24%，空间用高质量，空间用高质量的效率在的效率在AM0条件约为条件约为13.5-18%，地面用大，地面用大量生产的在量生产

58、的在AM1条件下多在条件下多在11-18%之间。之间。 12.2.4 光电池光电池 非晶硅光电池非晶硅光电池 a-Si（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放（非晶硅）光电池一般采用高频辉光放电方法使硅烷气体分解沉积而成的。电方法使硅烷气体分解沉积而成的。 由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、由于分解沉积温度低，可在玻璃、不锈钢板、陶瓷板、柔性塑料片上沉积约陶瓷板、柔性塑料片上沉积约1m厚的薄膜，易厚的薄膜，易于大面积化（于大面积化（0.5m1.0m），成本较低，多采用），成本较低，多采用pin结构。结构。 其商品化产量连续增长，全球市场用量每月在其商品化产量连续增长，全球市场用量每月在1千千万

59、片左右，居薄膜电池首位。万片左右，居薄膜电池首位。 12.2.4 光电池光电池 多晶硅光电池多晶硅光电池 p-Si（多晶硅，包括微晶）光电池没有光（多晶硅，包括微晶）光电池没有光致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致致衰退效应，材料质量有所下降时也不会导致光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究光电池受影响，是国际上正掀起的前沿性研究热点。热点。 在单晶硅衬底上用液相外延制备的在单晶硅衬底上用液相外延制备的p-Si光电池光电池转转 换效率为换效率为15.3%，经减薄衬底，加强陷光等，经减薄衬底，加强陷光等加工，可提高到加工，可提高到23.7%. 12.2.4 光电池光电池铜铟硒光电池铜铟硒光

60、电池 CIS（铜铟硒）薄膜光电池已成为国际光伏（铜铟硒）薄膜光电池已成为国际光伏界研究开发的热门课题，它具有转换效率高界研究开发的热门课题，它具有转换效率高（已达到（已达到17.7%），性能稳定，制造成本低的特），性能稳定，制造成本低的特点。点。 CIS光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别光电池一般是在玻璃或其它廉价衬底上分别沉积多层膜而构成的，厚度可做到沉积多层膜而构成的，厚度可做到2-3m，吸，吸收层收层CIS膜对电池性能起着决定性作用。膜对电池性能起着决定性作用。 12.2.4 光电池光电池 碲化镉光电池碲化镉光电池 CdTe（碲化镉）也很适合制作薄膜光电池，（碲化镉）也很适合制作薄膜