太阳能发电原理

1、太阳能光伏发电应用原理第五章 太阳能电池材料及加工工艺n制作太阳能电池的材料是近些年来发展最快、最具活力的研究领域，是最受瞩目的项目之一。制作太阳能电池材料主要是以半导体材料为基础 。n其产量占到当前世界太阳能电池总产量的90以上。它们工艺技术成熟，性能稳定可靠，光电转换效率高，使用寿命长。 ？51 硅太阳能电池材料的优异性能n晶体硅是目前应用最成熟、最广泛的太阳能电池材料，占光伏产业的85以上，集成电路的99是用si材料制造的，全球si半导体销售额占90以上。 n美国sunPower公司最近开发出了一种新的制作太阳能电池的技术。其光电转换效率达到20，光电转换效率远远超过目前已经产业化的单晶

2、硅太阳能电池(光电转换效率为15)和多晶硅太阳能电池(光电转换效率为12)。 n硅具有以下优异的性能 ：n 易于提纯到极纯的纯度 目前Si材料可以提纯原子浓度达12个9，是地球上最纯的材料。这是很重要的问题，因为Si材料的纯度愈高，制作的太阳能电池材料发电效率愈高。n 由于硅晶体内部硅原子仅占晶格(晶格形式与金刚石一样，见图51)空间的34，所以硅晶体内部大部分是空的。正因为如此，电子很容易在晶体内运动，掺杂剂也易存在于晶体内，也不影响Si的晶格完整性，有利于形成浅结。 n 金属硅的原子核外有四个电子，在被某些外来杂质渗入后，容易形成自由电子和空穴。在太阳能量的作用下，易于形成P区和N区。对S

3、i进行可控掺杂，可达到很宽的浓度范围，其主要掺杂剂硼、磷、锑的离化能都较小，使它们在室温下可全部电离。n 较易生长出大直径无位错的单晶体。 n 易于通过沉积工艺制备出单晶Si、多晶Si和非晶Si薄层材料。n 易于进行腐蚀加工，包括湿化学腐蚀或干腐蚀。 n带隙大小适中”，在一般实用条件下，不致因本征激发而影响半导体器件的性能。nsi有相当好的力学性能：大直径的硅晶体可以被切出很薄的晶片。nSi是一种物理化学性能稳定。n可利用多种金属掺杂在Si材料上，制作低阻值欧姆接触，从而降低所制器件的寄生电阻。n将Si材料切成薄片，哪怕切成非常薄，也不会使Si片表面造成较大的损伤，易于进行可控钝化。n在Si的

4、表面上制备的一层高质量SiO2层，其制作工艺简单、价格低廉。 SiO2是良好的(层与层之间)掩膜材料。对于杂质扩散、离子注入，囊商又是一层很好的阻挡层。 52硅太阳能电池的制备n 晶体硅太阳能电池生产制造过程是：硅材料的制备、太阳能电池的制造和太阳能电池组件的封装三个部分。图52 硅太阳能电池的制备521冶金级硅的生产n硅如同碳一样是钢铁的最基本成分，硅的存在可以明显提高钢的强度、硬度、耐磨性和淬透性，因此硅是钢铁工业最主要的材料之一，生产量非常大。n冶金级硅是利用二氧化硅(如石英或砂子)与碳(木材、焦炭和煤的混合物)作为原材料，在大型电弧炉中进行冶炼。温度在1500时，液态硅(纯度为9899

5、)出炉，并经吹氧或氧氯混合气体进一步提纯到995，然后将这样的液态硅倾倒入浅槽，凝固并分成碎块。典型的电弧炉生产能力为1th冶金级硅。采用新的原料填充方式(石英块和砂子坯块混合物)，电能耗可降低到13kWhkg。 522硅太阳电池材料的分类 硅基太阳电池 晶体硅材料 薄膜材料硅 单晶硅 多晶硅 带状硅 -Si多晶 微晶 n(1)多晶硅电池 多晶硅太阳电池是光伏电池市场主要产品之一。商品多晶硅电池组件转换效率一般为1214，目前已制出转换效率达1719.8的多晶硅。n(2)单晶硅电池 单晶硅不仅是现代电子工业基础材料，也是最重要的光伏电池材料，现阶段单晶硅电池的转换效率为1417。单晶硅材料虽然

6、光电转换率比较高，但价格昂贵。 n(3)带状电池 硅带又称片状硅，是从熔体中直接生长出来的。其最大的优势是：制备带状硅，无需切片，可以明显减少切片的损失，由此材料利用率大大提高。随着规模扩大，自动化程度提高，材料成本将占电池总成本的5070。n (4)非晶硅电池 非晶硅薄膜电池造价低廉，易形成大规模生产，但光电转换率低，稳定性不如晶体硅。n(5)太阳能级硅的研发 n按我国光伏产业现在的生产技术水平，生产1Mw硅太阳能电池约需15t硅材料。如果我国到2010年生产100Mw硅太阳能电池，那么就需要1000t左右硅材料，远远大于我国硅材料的供应能力。 如能将其用简单的化学或物理方法提纯，就能够用于

7、制造太阳能电池，那将明显地降低太阳能电池的成本，用这种方法制成的硅，称为太阳能级硅。一般认为，能够廉价地制造出光电转换效率达到10的硅材料，就可称为太阳能级硅。 523 多晶硅n多晶硅是单质硅的一种形态。熔融的单质硅在过冷条件下凝固时，硅原子以金刚石晶格形态排列成许多晶核，如这些晶核长成晶格取向不同的许多晶粒，就成了多晶硅。 多晶硅n多晶硅的优点：能直接拉制出方形硅锭，设备比较简单，并能制出大型硅锭以形成工业化生产规模，材质、电能消耗较省，并能用较低纯度的硅作投炉料；可在电池工艺方面采取措施降低晶界及其他杂质的影响。n缺点：生产出的多晶硅电池的转换效率要比单晶硅电池稍低。n多晶硅的铸锭工艺主要

8、有定向凝固法和浇铸法两种。 n硅提纯的方法：n(1)改良西门子法n(2)硅烷法硅烷热分解法n 硅烷气是用四氯化硅氢化法、硅合金分解法、氢化物还原法、硅的直接氢化法等方法制取的材料。然后将制得的硅烷气提纯后在热分解炉生产纯度较高的棒状多晶硅。 n3)流化床法n 将四氯化硅、氢气、氯化氢和工业硅为原料放在流化床(沸腾床)内，在高温高压下生成三氯氢硅。再将三氯氢硅和氢反应生成二氯二氢硅，从而生成硅烷气。制得的硅烷气通人加有粒度小的硅粉反应炉内进行连续加热，使之产生分解反应，便生成形状呈粒状的多晶硅产品。 524 单晶硅n 单晶硅具有基本完整的点阵结构的晶体，即晶格取向基本上完全相同的晶体。但不同的晶

9、面方向具有不同的性质，是一种良好的半导材料。纯度要求达到999999以上。目前是用于制造太阳能电池的最好材料。 n 世界单晶硅材料发展趋势： n (1)单晶硅产品向300mm过渡，大直径化趋势明显。n(2)硅材料工业发展日趋国际化，集团化，生产高度集中 。n(3)硅基材料成为硅材料工业发展的重要方向 。525 非晶硅太阳电池n1976年卡尔松和路昂斯基报告了非晶硅(又称-Si)薄膜太阳电池的诞生。非晶硅太阳电池现在已发展成为最实用、最廉价的太阳电池品种之一，当然也是目前产业规模较大的薄膜电池。n (1)非晶硅太阳电池的基本结构n 由于非晶硅具有多缺陷的特点，非晶硅太阳电池基本结构不是PN结而是

10、PIN结。 nI区是光敏区，对光子的吸收系数很高，对敏感谱域畸光吸收殆尽。所以，PIN结构的非晶硅电池的厚度是作为死光吸收区的P、N层的厚度的50倍左右。n(2)非晶硅太阳电池的独特优势 n 原材料消耗少和制造工艺成本低 n 易于形成大规模生产能力 n品种多，用途广 n 性能好 53硅片的切割n硅片的加工是将表面经过整形、定向、切割、研磨、腐蚀、抛光、清洗等工艺的硅锭。n硅锭特点：具有一定直径、厚度、晶向和高度、表面平行度、平整度、粗糙度，表面无缺陷、无崩边、无损伤层，高度完整、均匀、光洁的镜面硅片。 n切片工具：高速旋转的刀片 n切片工艺要求：n 断面完整，无拉丝、刀痕和微裂纹。n 切缝要小

11、，原材料损耗要少。n 切割精度高、表面平行度高、翘曲度和厚度公差小。n 切割速度高，实现自动化切割。n切片的方法：外圆切割、内圆切割、多线切割以及激光切割。 n要求：切割成的硅片，首先要保证硅晶体的晶向，尤其是单晶硅。 54太阳能电池片的制造n(1)硅片的选择n 硅片的选择就是把性能一致的硅片选择出来，若将性能不一致的硅片电池组合起来形成单体太阳能电池，其输出的功率就会降低。n(2)硅片的清洗n硅片的清洗就是用高纯水或者有机溶剂(如三氯乙烯、丙酮、甲苯等)将硅片上沾污的尘埃、金属切屑、油脂等去除掉。n(3)硅化的表面腐蚀n 为了使硅片表面光亮平整，必须将机械切削造成的损伤层去掉。 n方法：碱性

12、腐蚀和酸性腐蚀。 n(4)扩散制作 n太阳能电池之所以能够在太阳光作用下发出电来，关键是太阳能电池片内有PN结。因此PN结的制作是生产太阳能电池片的一道最重要的工序。n方法：以氯化硼为原料，最终生成氮化硼并扩散生成PN结。n(5)去除背结n 去除背结就是去除硅片表面形成的PN结。 n方法：磨片法、化学腐蚀法、蒸铝或丝网印刷铝浆烧结法。 n6)制作正负电极n 与电池PN结形成紧密欧姆接触的导电材料，叫做电极。制作电池光照面的电极称为上电极，把制作在电池背面的电极称为下电极或背电极。n方法：真空蒸镀法、化学蒸镀镍法、银(铝)浆印刷烧结法。 n(7)腐蚀周边n 硅片四周的扩散层会使上下电极短路，所以

13、必须去除。 n(8)蒸镀膜n 此法是在电池正面上蒸镀一层或多层二氧化硅膜，这层膜不但对电池起保护作用，而且还具有减少光反射的作用。 n(9)检验测试n 通过测试电池的开路电压、短路电流、最大输出功率等数产后，便于知道太阳能电池质量的优劣。 55太阳能电池组和光伏方阵n太阳能电池方阵是由许多单个太阳能电池(也叫单体太阳能电池)通过串联或是并联，或同时串联组成。这是因为一个电池所能提供的电流和电压毕竟有限，于n是人们又将很多电池(通常是36个)并联或串联起来使用。 n551太阳电池组结构及其作用552太阳能电池(组件)生产工艺流程n封装是太阳能电池生产中的关键步骤，没有良好的封装工艺，多好的电池也

14、生产不出好的组件板。 n(1)流程n 电池检测正面焊接检验背面串接检验敷设(玻璃清洗、材料切割、玻璃预处理、敷设)层压去毛边(去边、清洗)装边框(涂胶、装角键、冲孔、装框、擦洗余胶) 焊接接线盒高压测试组件测试外观检验包装入库。n(2)组件高效和高寿命的保证措施 n (3)太阳电池组装工艺简介n电池测试 n焊接 一般将612个光伏电池串联起来形成光伏电池串。n背面串接 是将36片电池串接在一起形成一个组件串。 n层压敷设背面串接好且经过检验合格后，将组件按照一定的层次敷设好，准备层压。n组件层压 n修边 n装框 n焊接接线盒 n高压测试 n组件测试n 要求检测并列出以下参数：开路电压、短路电流

15、、工作电压、工作电流、最大输出功率、填充因子、光电转换效率、串联电阻、并联电阻及I-u曲线等。n 贴标牌 56太阳能电池方阵的设计和安装n太阳能电池方阵可分为平板式和聚光式两大类。n平板式方阵：只需把一定数量的太阳能电池组件按照电性能的要求串、并联起来即可，不需加装汇聚阳光的装置，结构简单，多用于固定安装的场合。n聚光式方阵：加有汇聚阳光的收集器，通常采用平面反射镜、抛物面反射镜来聚光，以提高入射光谱辐照度。 561 太阳能电池阵列的角度的设计n(1)方位角n 太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些，就可以获得最大发电量机会。 n方

16、位角=一天中负荷的峰值时刻（24h）-1215+（经度-116） n(2)倾斜角 n 倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。n 倾斜角从水平(倾斜角为0)开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于5060以后，日射量急剧下降，直到最后垂直放置时，发电量下降到最小。 n(3)阴影对发电量的影响n 一般情况下，在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。太阳出来后，高大树木、建筑物及山的周围会存在阴影，因此在选择铺设方阵的地方时应尽量避开阴影。 n有一个高为L1的

17、竹竿，其南北方向的阴影长度为L2，太阳高度(仰角)为A，在方位角为B时，假设阴影的倍率为尺。则：n R=L2/L1=cotAcosBn 此式应按冬至那一天进行计算，因为，那一天的阴影最长。例如方阵的上边缘的高度为h1，下边缘的高度为h2，则n方阵之间的距离n =(h1一h2)R562太阳能电池方阵的安装与维护n 太阳能电池方阵应安装在周围没有高建筑物、树木、电杆等遮挡太阳光的处所；太阳能电池方阵支架安装应考虑当地纬度和日照资源等因素设计，也可设计成按照季节变化以手动方式调整太阳能电池方阵的向日倾角和方位角，以更充分地接受太阳辐射能，增加发电量。 n 太阳能电池方阵的采光面应经常保持清洁；输出连

18、接要注意正、负极性；定期检测、及时排除故障、防止蓄电池老化。 57最大功率点跟踪控制n 在一般电气设备中，如果使负载电阻等于供电系统的内电阻时，此时可以在负载上获得最大功率。n 目前所采用的最大功率点控制(MPPT)方法是通过DCDC变换器中功率开关来控制太阳能电池阵列工作存在最大功率点，从而实现最大功率跟踪控制的。 第六章 太阳能光伏发电储能装置n 由于组成蓄电池的正极是氧化铅，负极是铅，而电解液主要是稀硫酸，所以称为铅酸蓄电池。 61铅酸蓄电池分类n以产品的结构形式分类，可以分为开口式、富液免维护式、玻璃丝棉隔板吸附式阀控密封型(AGM)、阀控胶体型。n国内铅酸蓄电池主要是AGM吸附式和胶

19、体两类阀控密封型蓄电池产品。 62铅酸蓄电池的组成 n 铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液组成。n (1)正极板n 阳极指发生氧化反应的电极。铅酸蓄电池的阳极板就是正极。n (2)负极板(阴极)n 负极指发生还原反应的电极。负极板是放电时的正极，充电时的负极。 n(3)隔板n 由防止渗透离子的材料制成，能防止电池内极性相反的离子接触的组件。n(4)电池槽n 硬橡胶式及塑料槽。n(5)电解液n 含有可移动离子，具有离子导电性的液体或固体物质叫做电解液。 63铅酸蓄电池的基本概念n(1)电池充电n 电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反应，从而把电能转化成化学能而储藏起来的操作

20、。n(2)过充电n 过充电是对完全充电的蓄电池或蓄电池组继续充电。n(3)放电n 放电是在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。n(4)自放电n 电池的能量未通过放电就进入外电路，像这种损失能量的现象称为自放电。n(5)活性物质n 在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。n(6)放电深度n 放电深度是指蓄电池使用过程中放电到何程度开始停止。 n(7)板极硫化n 在使用铅酸蓄电池时要特别注意的是：电池放电后要及时充电如果长时期处于半放电或充电不足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成PbSO4晶体。这种大块晶体很难溶解，无法恢复原来

21、的状态，导致板极硫化以后充电就困难了。n(8)容量n 容量是在规定的放电条件下电池输出的电荷。n单位：安时(Ah)n(9)相对密度n 相对密度是指电解液与水的密度的比值，来检验电解液的强度。相对密度与温度变化有关。 n(10)运行温度n 电池运行一段时间，就感到烫手，由此可知，铅酸电池具有很强的发热性。当运行温度超过25，每升高10，铅酸电池的使用寿命就减少50%。 64蓄电池充、放电n641 蓄电池充、放电的原理n 在蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如下：n 正极：Pb02+He804PbS04+H20n 负极：Pb+H2S04

22、PbS04+H2n 总反应：Pb02+2HeS04+Pb2PbS04+H20642充电时的管理n(1)蓄电池温度n 充完电后，马上用手摸蓄电池的外壳就有发烫的感觉，这说明充电时温度会上升。但是，温度(电解液温度)升得过高，蓄电池寿命会明显缩短，这是因为蓄电池温度升高，阴阳n极板上的活性物质就会劣化，阳极格子受到腐蚀。电池寿命缩短。蓄电池温度也不能太低，温度过低，会使蓄电池容量减少，容易过度放电，电池寿命缩短。通常蓄电池的电解液温度应维持在1555为理想使用状态，特殊情况，也不可超过放电时一1555这个温度范围，充电时O60的范围。放电终了时，电解液温度维持在40以下最好。 n(2)充电量n 蓄

23、电池的充电量与放电量之比不能过高，若过高易使水分解，气体产生，电解液明显减少，会使充电时温度上升，蓄电池寿命缩短。假设充电量为放电量120时的电池，使用寿命有4年；当电池的充电量与放电量之比达到150时，该电池的寿命为4120150=3.2(年)n此外，充电不足又重复放电使用，则会严重影响电池寿命。 n(3)气体n 充电场所必须通风良好，注意远离火源，避免触电。充电中产生的气体是氧气与氢气，氢气具有可燃性和爆炸性，若空气中的氢气达到38以上，又离火源近，就会发生爆炸。643放电时的管理n应当注意的问题：n1、电池电压若已达到厂家规定的最高电压时，则应停止使用，马上充电。n2、定期地测定使用后的

24、比重，以避免过度放电。测比重的同时，也要测电解液的温度，以20所换算出的比重为准。 n蓄电池的电解液比重几乎与放电量成比例。因此，根据蓄电池完全放电时的比重及10放电时的比重，即可推算出蓄电池的放电量。测定铅酸蓄电池的电解液比重为得知放电量的最佳方式。n3、放电后，务必马上充电，若任其持续放电状态，则硫酸铅形成安定的白色结晶后(即硫化现象)，即使充电，极板的活性物质也无法恢复原状，而将缩短电瓶的使用年限。因为内部阻抗会因放电量 n增加而加大，尤其放电终点时，阻抗最大，主要因为放电的进行，使得极板内产生电流的不良导体硫酸铅及电解液比重的下降，都导致内部阻抗增强。n4、将放电终了时的温度控制在40

25、以下最好。 因为当电池过度放电，内部阻抗即显著增加，因此蓄电池温度也会上升。放电时的温度高，会提高充电完成时的温度。 n严禁：n1、严禁到达额定电压时还继续放电，因为放电愈深，电瓶内温度会升高，则活性物质劣化愈严重，进而缩短蓄电池寿命。n2、严禁每日反复充放电以供使用时，则电池寿命将会因放电量的深浅，而受到影响。 n3、切勿使蓄电池的比重降到80放电量的数值以下。 644蓄电池自放电n 蓄电池在开路不用时，其容量会自行逐渐下降，这就是自放电现象。蓄电池正极和负极在开路不用时都会产生自放电，究其原因如下：n(1)正极的自放电原因n 正极活性物质中若存在二价的铁离子，会被氧化为三价的铁离子而造成正

26、极活性物质的还原。n正极板栅中金属铅、锑、银等的氧化，造成的正极自放电。Pb02+Pb+2H2S04=2PbS04+2H2OPb02+2Ag+2H2S04=PbS04+Ag2S04+2H2O5PbO2+2Sb+6H2S04=(sbO2)2S04+5PbS04+6H2O n极板孔隙深处和极板的外表面硫酸浓度之差会引起浓差电池也一样会造成正极的自放电。n负极氧气的产生。n Pb02+ H2+H2S04=PbS04+2H2O n 电解质中杂质的存在 隔板或电解质中若存在容易被氧化的杂质，会引起正极活性物质的还原。n(2)负极产生自放电的原因n 负极处的活性物质(Pb粉)，电极电位比氢负，于是会在硫酸

27、溶液中产生以下的置换氢气的反应(这种现象叫作铅自溶)：n Pb02+ H2S04 PbS04+H2n 影响铅自溶的原因如下。 n氧气从正极处溢出 正极Pb02反应产生的氧气容易在负极被还原，即：Pb02+1/2 O2+H2S04= H2O + PbS04n 负极表面存在着金属杂质若这些杂质(铅、锑、银)的氢超电势值(氢析出的超电势)低时，就能与负极处的活性物质形成储能微电池，从而加速铅的自溶速度。 n 电解质中杂质的影响 与负极活性物质产生的微电池也一样促使负极铅自溶。蓄电池在放电状态下生成PbS04 总会有一部分下沉，从而变成不能还原的PbS04 (只有PbS04 在充电时能顺利地还原成Pb

28、与Pb02，电池的寿命才会长)，从而缩短了蓄电池的寿命。另外，PbS04的下沉，往往还会造成电池内部的短路。65蓄电池的深度放电66铅酸蓄电池的容量容量理论容量实际容量最低电量n1、理论容量，它是依据活性物质的量按法拉第定律计算求得的；理论容量是假设极板上的活性物质全部用于放电时的电量，这实际上是不可能的；n2、实际容量，由于不可能全部的活性物质都参加反应，所以在一定条件下实际放出的电量，总是低于理论容量； n3、在设计电池时，在规定放电条件下应该放出的最低限度的电量。n实际容量与理论容量之比叫做活性物质的利用率。 n提高铅酸蓄电池的实际电容量的方法：n(1)增加活性物质的数量n 而活性物质参

29、加反应量的多少又与极板的厚度有关。由于小电流长时间放电时，电解液能渗透到极板深层的活性物质孔隙中，活性物质利用率高，放电容量就大。反之，即短时间内，放电电流过大，极板表面生成的硫酸铅易堵塞活性物质的孔隙，导致极板深层的活性物质得不到电解液的及时补充而中断反应。因此，采用大电流短时间放电，放电容量只取决于极板面积的大小。 n(2)活性物质的孔隙率的影响n 活性物质中孔洞所占的总体积(容积)与活性物质总的体积(容积)之比，叫做活性物质的孔隙率(又称孔度)。由定义可知，活性物质的孔隙率愈大，实际孔洞就愈多，活性物质就少。虽然孔隙率大，电解液与活性物质接触面积大，铅酸蓄电池放电量大，但因孔洞过多，活性

30、物质太少，铅酸蓄电池放电量反而减n少，因此，一定存在一个最佳的孔隙率，一般正极板孔隙率为55%，负极板孔隙率约为60%。此外，当活性物质组成中二氧化铅中的霄渺多时，放电容量就大。n(3)电解液的温度、密度和纯度都对铅酸蓄电池的容量有影响 n温度低，硫酸电解液的黏度和电阻都增大，扩散困难，浓度差急剧增加，电阻增大，使活性物质内部的化学反应难以进行。电解液密度低了，参加反应的硫酸量不够，密度太高了也不行，因为电解液的黏度和电阻也会增加。起初用的铅酸蓄电池一般采用1.27-1.290g/cm3的电解液。此外，放电电流也会影响铅酸蓄电池的容量。利用较小电流放电时，电流密度小，铅离子的数量在电极附近少，

31、即铅离子过饱和度小，容易形成疏松的晶粒粗大的硫酸铅盐层，有利于硫酸电解液通过孔隙扩散到极板深处与活性物质接触，放电容量也提高了。n(4)铅酸蓄电池不能闲置时间太长n 铅酸蓄电池闲置时间长，会造成容量越来越低，如图 6.7 极板化成n极板化成是利用化学和电化学反应使极板转化成具有电化学特征的正、负极的过程。极板化成时需要用直流电源在正、负极板间施加电压，形成电流通过电极而实现电极物质的氧化还原反应，这个过程就叫做电化学反应过程。在极板化成的中后期将会有氧气和氢气排出。这是由于电解液分解成水的原因。而水又进一步分解为氧气和氢气。因此，极板化成，肯定有少量的气体排出，如果有大量的气体排出则表明电池被

32、过充电。这是往往有火花产生，将可能导致电池爆炸。 68铅酸蓄电池的电动势n铅酸蓄电池的电动势与端电压是不同的，铅酸蓄电池的电动势是开路电压，端电压是闭路电压。电池的电动势与硫酸密度的关系如图所示。由图可知，硫酸密度增加(在硫酸密度为1.051.300g/cm3范围时)，蓄电池电动势的值也相应增加，呈线性关系。温度对铅酸蓄电池的电动势影响不大。69铅酸蓄电池的功率和效率n铅酸蓄电池的功率和效率表示在一定的放电条件下，在单位时间内它能输出的能量的大小。功率大小是铅酸蓄电池非常重要的一个特征，因为某一个铅酸蓄电池功率越大，表明这种电池可在比较大电流下放电。n这里单从能量效率角度讨论铅酸蓄电池的效率问

33、题，铅酸蓄电池效率有以下公式表示：n w=W(放)/W（充）100%n 铅酸蓄电池是可逆电池，因为它充电时把电能转化为化学能，放电时又把化学能转化为电能。但是它在充电时有一部分电能消耗在电解水上，又因为发生自放电和活性物质脱落以及电阻的热效应，所以都会造成铅酸蓄电池效率降低。6.10 铅酸蓄电池的内电阻n当铅酸蓄电池在放电时，所表现出来的电阻为铅酸蓄电池的内电阻。铅酸蓄电池的内电阻与下列因素有关。n 极板的面积越大，正负极板极之间的距离越小，内阻越小。n铅酸蓄电池在充电后，内阻变小，放电后，内阻变大。这是因为板细孔内的电解液在放电时密度减小，放电后内阻变大，特别是随着放 n电的时间增长，到放电

34、终了，有效物质变为硫酸铅。硫酸铅变为不良导体，因此随着硫酸铅的增多，内电阻逐渐增大。n温度对铅酸蓄电池的内电阻的影响也是比较明显的。当铅酸蓄电池的温度下降时，电导率下降，内阻增加。611 铅酸蓄电池的失效原因及其修复方法 n 目前将来自于太阳能电池发的电储存起来最好的方式是用铅酸蓄电池。因为铅酸蓄电池有许多优异的性能，特别是容量大、能大电流放电等特性，是其他电池暂时还无法取代的。但铅有毒，价格较高，使用寿命较短，这些突出的毛病至今还没有很好地解决。如果能找到铅酸蓄电池失效的原因，使铅酸蓄电池使用寿命延长，这样成本可以相对降低，而且还有利于环保。6111铅酸蓄电池失效的原因n(1)正极板的腐蚀变

35、型n 用铅合金制成的正极板栅，在蓄电池充电过程中会被氧化成硫酸铅和二氧化铅。当蓄电池放电以后，如果在较长时间内不充电，电池内的活性物质很快就会失去活性。使蓄电池内部产生不可逆转的化学反应，最终活性物质失去作用，而使电池失效。此外，形成的二氧化铅腐蚀层，使正极板栅产生应力，长大变形。一旦这种变形超过4时将使极板整体遭到破坏活性物质与板栅接触不良而脱落。 n(2)正极板活性物质脱落、软化n 除板栅长大引起活性物质脱落之外，随着充放电反复进行，三氧化铅颗粒之间的结合也会松弛、软化，从板栅上脱落下来。板栅制造、装配的松紧和充放电条件等一系列因素，都对正极板活性物质的软化、脱落有影响。n(3)不可逆硫酸

36、盐化 n蓄电池过放电并且长期在放电状态下储存时，其负极将形成一种粗大的、难以接受充电的硫酸铅结晶，此现象称为不可逆硫酸盐化。轻微的不可逆硫酸盐化，尚可用一些方法使它恢复，严重时，则电极失效，充不进电。n (4)容量过早的损失n用低锑或铅钙制成的板栅合金，在蓄电池使用初期(大约20个循环)出现容量突然下降的现象，使电池失效。原因是正极板栅上的锑随着循环，就会有一部分转移到负极活性物质的表面上，致使充电电压降低，大部分电流均用于水分解电池不能正常充电因而失效。因此，对充电电压只有2.3V而失效的铅酸蓄电池负极活性物质的锑含量要进行化验。n(5)热失效n 铅酸蓄电池在实际使用中，如果充电电压过高，那

37、么充电电流就会过大，放出的热量也会过多，电池内电解液温度就会升高，致使电池内阻下降。内阻的下降又使充电电流升高。即电池的温升和电流过大互相加强，最终不可控制，使电池变形、开裂而失效。因此在充电时，不要使充电电压过高，电池发热不要太严重。n(6)负极汇流排的腐蚀n 若在阀控式密封蓄电池中建立了氧循环，电池上部空间就会充满氧气，当电解液沿极耳上升至汇流排，汇流排的合金会被氧化，形成硫酸铅。如果汇流排焊条合金选择不当，汇流排有夹杂渣及缝隙，那么沿着缝隙处的腐蚀会加深，致使极耳与汇流排脱开，负极板失效。不过，一般情况下，负极板栅及汇流排不存在腐蚀问题。n(7)隔膜穿孔造成短路n 个别品种的隔膜(用聚丙

38、烯制成的)孔径较大，而且在使用过程中聚丙烯熔丝会发生位移，从而造成大孔，活性物质可在充放电过程中穿过大孔，造成微短路，使电池失效。 6112影响铅酸蓄电池寿命的因素 n 铅酸蓄电池的失效是许多因素综合的结果，既决定于极板的内在因素，诸如活性物质的组成。晶型、孔隙率、极板尺寸、板栅材料和结构等，也取决于一系列外在因素，如放电电流密度、电解液浓度和温度、放电深度、维护状况和储存时间等。 n(1)主要的外部因素n 放电深度 即使用过程中放电到何程度开始停止。100深度指放出全部容量。铅酸蓄电池寿命受放电深度影响很大。设计考虑的重点就是深循环使用、浅循环使用还是浮充使用。若把浅循环使用的电池用于深循环

39、使用时，则铅酸蓄电池会很快失效。n 因为正极活性物质二氧化铅本身的互相结合不牢，放电时生成硫酸铅，充电时又恢复为二氧化铅，硫酸铅的摩尔体积比氧化铅大，则放电时活性物质体积膨胀。若1mol氧化铅转化为1mol硫酸铅，体积增加95。这样反复收缩和膨胀，就使二氧化铅粒子之间的相互结合逐渐松弛，易于脱落。若1mol二氧化铅的活性物质只有20放电，则收缩、膨胀的程度就大大降低，结合力破坏变缓慢，因此，放电深度越深，其循环寿命越短。n过充电程度 过充电时有大量气体析出，这时正极板活性物质遭受气体的冲击，这种冲击会促进活性物质脱落；此外，正极板栅合金也遭受严重的阳极氧化而腐蚀，所以电池过充电时会使应用期限缩

40、短。n温度的影响 铅酸蓄电池寿命随温度升高而延长。在10-35间，每升高1，大约增加5-6个循环，在35-45之间，每升高1可延长寿命25个循环以上；高于50则因负极硫化容量损失而降低了寿命。 n电池寿命在一定温度范围内随温度升高而增加，是因为容量随温度升高而增加。如果放电容量不变，则在温度升高时其放电深度降低，故寿命延长。n 硫酸浓度的影响 酸密度的增加，虽对正极板容量有利，但电池的自放电增加，板栅的腐蚀也加速，促使二氧化铅的松散脱落，随着蓄电池中使用酸密度的增加，循环寿命下降。n放电电流密度的影响 随着放电电流密度增加，电池的寿命降低，因为在大电流密度和高酸浓度条件下，促使正极二氧化铅松散

41、脱落。n失水的影响 对于开口电池来说，失水属于正常现象，但对于密封电池来说，在严格的控制之下不应该出现。不过有时充电的恒压值过高，密封电池有可能失水。 n低锑为板栅合金时的影响 当低锑为板栅合金时，在蓄电池使用初期(大约20个循环)出现容量突然下降的现象，使电池失效。差不多每一个循环电池容量会下降5，容量下降的速度比较快和早。n(2)解决方法n控制正极板锡的含量，对于深循环的电池基本上采用1.52的锡的含量。 n铅酸蓄电池不能闲置时间太长。n电解液浓硫酸的含量不宜过高。n避免过充电次数太多，起始充电电流连续过低。n减少深度放电。n提高装配压力。n活性物质利用率高，放电容量就大，但也不要通过过高

42、的活性物质利用率来提高电池容量。早期容量产生损失的电池，可以恢复。n首先是要使起始充电电流增加，然后采用小电流补足充电；其次充满电的电池，最好搁置在4060条件下储存。反复采用几次小电流放电(电池电压达到标称电压12以后的放电会很慢)，电池的容量还可以恢复。n (3)注意事项n 出现电池容量下降的现象，一定要鉴别是否是在前20个循环发生。如果对于中后期发生容量下降的电池，采用以上方法只能够破坏电池的正极板，而导致正极板软化。n铅钙合金系列的电池经常莫名其妙地出现几只电池容量下降的主要原因是电池失衡引起的，铅钙合金系列电池的充足电压较高，一般12V的电池，充电电压要大于16v。当充电机的电压过低

43、时，就易引起电池失衡。当一组电瓶装在一起用时，电瓶的每格自放电不可能绝对相等，自放电大一点的电瓶，每次用恒压充电机都不能完全充足电，未充足电的格未出现析气反应，极板接触电解液的相对面积就大，自放电就大。而自放电小的格，每次都能充足电，当充足电后再过充一点电时，即出现析气反应 n生成气体，极板接触电解液面相对减小，自放电就减小，同时充电电压升高，关断充电机，结果自放电小，电压高的格自放电越来越小，每次都能充足电，而自放电大的格自放电越来越大，每次都不能充足电，而且电量越用越小，长期不充足就会硫化而失效。问题的根源就是不能使用恒压充电机，采用恒压充电机，恒压值过低就会出现以上现象，恒压值过高就会使

44、电池热失控，最好的办法是采用多种电流，多种电压的多段式充电机，而且充电终了时要有一个电压较高而电流较小的小电流长充来平衡电池电量。 n过充电往往需要大电流和高电压而大电流和高电压都会形成强烈的副反应而损伤电池的正极板，还会形成电池的失水。如何实现过充电修复呢?现在找到了一种非常行之有效的方法脉冲的方法。n 其基本原理如下：采用高电压、大电流的脉冲，克服电池多种原因形成的电池接受能力下降的问题，由于是采用脉冲形式，在大电流脉冲消失以后，通过电池本身的(或者外加的条件)去极化能力，而不形成严重的副反应。这种脉冲过充电修复方法的诞生，使得无损伤的过充电得以实现，经过数年的试验证明，这种方法大大延长了

45、铅酸蓄电池的循环寿命。 612铅酸蓄电池对环境的污染n 生产铅酸蓄电池存在着倾注硫酸、成品检验和测试环节挥发硫酸雾气等污染环境的大问题。世界环保专家将铅酸蓄电池列为世界三大公害之一。硫酸挥发物对生产工人和附近居民的身体健康影响很大。因此，科学工作者应该积极研究一种新的电解液，使之不腐蚀极板，不污染环境，充放电完全无酸雾产生。这种电解液的产生肯定不会对土地、河流和地下水等造成污染，此外还可以省掉净化空气的环保设备费用，也可省掉维护厂房、设备等免受酸腐蚀的费用。613控制器的几种基本电路和工作原理n 在太阳能光伏发电系统中，控制器是整个系统的核心部分。为了延长蓄电池的寿命，必须对它过放电、过充电、

46、深度充电、负载过流和反充电等情况加以限制。在温差较大的地区，性能良好的控制器应具备温度补偿功能，同时能依照负载的电源需求来控制太阳能电池和蓄电池对负载电能的输出。6131 单路旁路型充放电控制器6132单路串联型充放电控制器第七章 光伏逆变器n 逆变是针对顺变而言的，整流器把交流电能变换成直流电能的过程称为顺变。那么把直流电能变换成交流电能的过程就称为顺变了，把完成逆变功能的电路称为逆变电路，把实现逆变过程的装置称为逆变器。 n在太阳能光伏发电系统中为什么一定要采用光伏逆变器呢?目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳能电池发出的电给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较

47、多的太阳照明系统以及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但由于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等)，很难实现系统的标准化和兼容性。特别是家用电器，如日光灯、电视机、电冰箱、电风扇和大多数动力机械都是利用交流电工作的，即大多数为交流负载，所以利用直流电力供电的光伏电源，很难作为商品进入市场。太阳能光伏系统设置逆变器的目的就是将直流电转换为交流电，便于满足大多数用户负载的需要。 n 此外，如果电力线受到破坏或被迫关闭，逆变器就要停止向用电设备或电网供电。如果电力线电压偏低或欠压，或出现较大的扰动时，要采用一种用于“非孤岛”逆变器的传感器来感测这种情况。当出

48、现这种情况时，逆变器将自动地关闭向电网供电，或把电力传输到其他地方，从而防止它成为电力发电的“孤岛”。所谓孤岛效应，即电网出现故障后，并联在电网上的光伏并网发电系统依旧可以工作，处于独立运行状态。 72逆变器的分类 73波形逆变器 n 方波逆变器输出的交流电压波形为方波。此类逆变器所使用的逆变线路尽管不完全相同，但共同的优点是线路简单(功率开关管数量很少)、价格便宜、维修方便、设计功率一般在数百瓦至数千瓦之间。缺点是调压范围窄、噪声较大，方波电压中含有大量高次谐波，在带有铁芯电感或变压器的负载用电器中将产生附加损耗，因此效率低，电磁干扰大。732阶梯波逆变器 n 阶梯逆变器输出的交流电压波形为

49、阶梯波。这种波形比方波有明显的改善，主要表现在波的高次谐波含量少，当采用无变压器输出时，整机效率高。缺点是线路较为复杂。阶梯波逆变器为实现阶梯波输出有多种不同复杂线路，阶梯波叠加线路使用的功率开关管也较多，其中有些线路n还要求有多组直流电源输入，这给太阳电池方阵的分组、接线和蓄电池的均衡充电都带来了麻烦，并且这种阶梯波形不能上电网，同样有电磁干扰。 733正弦波逆变器 n正弦波逆变器输出的交流电压波形为正弦波。正弦波逆变器的优点是输出波形好、失真度低，干扰小、噪声低，保护功能齐全，整机性能高。缺点是线路复杂、维修困难、价格较贵。74逆变器的工作原理n 逆变器的工作原理是通过功率半导体开关器件的

50、开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的。逆变器尽管种类很多，线路不同，有的也很复杂，但是逆变的最基本原理还是相同的。下面用最简单的单相桥式逆变电路为例，来说明逆变器的逆变过程。 75对逆变器的基本要求n 逆变器也是光伏发电系统中的一个关键部件，光伏发电系统用的逆变器对可靠性和逆变效率有很高的要求，其中，如何提高逆变器的DCAc转换效率是目前企业和科技界面临的重要研究课题。n 独立光伏系统是指该系统不与公共电网连接，独自成为一个系统。逆变器是独立光伏发电系统中将直流电转换成交流电不可缺少的设备，是影响系统可靠性的主要因素。独立系统电路接线较为简单，工作比较可靠，电路集成度高，可靠性也很高。n

51、独立光伏系统对逆变器的基本要求如下。n (1)运行要良好n 这就要求所有组成独立光伏系统逆变器的零件性能要好，保护功能多，如对过热、过载、直流极性接反、交流输出短路等的保护。n (2)整机效率要高n 特别是在低负荷下供电时，仍须有较高的效率，这是独立光伏发电系统专用逆变器性能优于通用逆变器的特点。n(3)输出电压的失真度要低n 当逆变器的输出电压为方波或非正弦波时，在输出电压中除基波外还有高次谐波。高次谐波电流在电感性负载上产生涡流等附加损耗，导致部件严重发热，不利于电气设备的安全运行。为了与公共电网“合拍”，即波形、频率、周期等一致，逆变器的输出波形最好与电网正弦波相同。76逆变器的操作与维

52、护n7.6.1操作要点n严格按照逆变器使用维护说明书的要求进行设备的连接和安装。在安装时，应认真检查：线径是否符合要求；各部件及端子在运输中有否松动；绝缘处是否良好；系统的接地是否符合规定。n 应严格按照逆变器使用维护说明书的规定操作使用. n尤其是：在开机前要注意输入电压是否正常；在操作时要注意开关机的顺序是否正确，各表头和指示灯的指示是否正常。n 逆变器一般均有断路、过电流、过电压、过热等项目的自动保护，因此在发生这些现象时，无需人工停机；自动保护的保护点，一般在出厂时已设定好，无需再进行调整。n 逆变器机柜内有高压，操作人员一般不得打开柜门，柜门平时应锁死。n在室温超过30时，应采取散热

53、降温措施，以防止设备发生故障，延长设备使用寿命。n 安装时要尽可能地避免阴影，安装逆变器的空间也应足够。将逆变器安装在组件的附近，可以使组件效率有所改进。762维护检修n 经过专门培训的维护检修人员，应严格定期按逆变器维护手册的规定步骤进行查看，如果发现逆变器各部分的接线有松动现象(如风扇、功率模块、输入和输出端子以及接地等)接线有松动现象，应立即修复。一旦停机，不准马上开机，应查明原因并修复后再开机。不易排除的事故，应及时上报并将事故发生的现象予以详细记录。 77主要技术参数的控制及保护n771 主要技术参数的控制n 评价逆变器性能的主要技术参数很多，下面只对一些主要的技术参数做简要说明。n

54、(1)额定输出电压n 逆变器在规定的输入直流电压允许的波动范围内，应能输出额定的电压值。一般对输出额定电压值有如下规定。n在稳态运行时，电压波动范围不能超过额定值的3%或5%.n在负载突变（额定负载050%100%）或者其他干扰因素影响的动态情况下，其输出电压偏差不应超过额定值的8%或10%。n 在正常工作条件下，逆变器输出的三相电压不平衡度应不超过5或8。n 输出电压的波形(正弦波)失真度或谐波含量，通常以输出电压的总波形失真度表示，其值不应超过5(单相输出允许10)。n 逆变器输出交流电压的频率在正常工作条件下其偏差应在1以内。 n(2)负载功率因数n 负载功率因数是表示逆变器带感性负载或

55、容性负载的能力。在正弦波条件下，负载功率因数为0.7-0.9(滞后)，额定值为09。n (3)额定输出电流(或额定输出容量)n 表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流。有些逆变器产品给出的是额定输出容量，其单位以VA或KVA表示。当输出功率因数为1(即纯阻性负载)时n 逆变器的额定容量=额定输出电压额定输出电流n(4)额定输出效率n 逆变器的效率是在规定的工作条件下，其输出功率与输入功率之比。逆变器在额定输出容量下的效率为满负荷效率，在10%额定输出容量的效率为低负荷效率772维护n 为防止负载免受输出过电压的损害，逆变器应有输出过电压防护措施；当负载发生短路或电流超过允许值时，逆

56、变器还应有过电流保护，免受过电流造成的损伤。逆变器还应保证在额定负载下可靠启动。逆变器正常运行时，其噪声应不超过80dB，小型逆变器的噪声应不超过65dB(噪声主要来自变压器、滤波电感、电磁开关及风扇等部件)。此外还应要求生产厂家在逆变器生产工艺、结构及元器件选型方面具有良好的可维护性。损坏的元器件容易买到，元器件的互换性好。这样，即使逆变器出现故障，也可迅速恢复正常。78逆变器的选用n 为了保证太阳能光伏发电系统正常运营，选好逆变器是非常重要的，因为根据过去使用情况，造成太阳能光伏发电系统无法正常运营的主要原因是逆变器的好坏。所以应对逆变器的技术性能进行评价。n(1)额定输出容量n 额定输出

57、容量表示逆变器向负载供电的能力。额定输出容量值高的逆变器可带更多的用电负载。选用逆变器时应首先考虑具有足够的额定 n容量，以满足最大负荷下设备对电功率的要求。当用电设备为纯阻性负载或功率因数大于0.9时，选取逆变器的额定容量为电设备容量的1.10-1.15倍即可。在逆变器以多个设备为负载时，逆变器容量的选取要考虑几个用电设备同时工作的可能性，即负载同时系数。n 但当逆变器的负载不是纯阻性时，也就是输出功率小于1时，逆变器的负载能力将小于所给出的额定输出容量值。n(2)输出电压的调压性能n 表示逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差()

58、，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由0向10O变化时，该逆变器输出电压的偏差()，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应3，负载调整率应6。n(3)整机效率n 整机效率表示逆变器自身功率损耗的大小。容量较大的逆变器还应给出满负荷效率值和低负荷效率值。kW级以下逆变器的效率应为8085%，lokW级逆变器的效率应为8590。逆变器效率的高低对光伏发电系统提高有效发电量和降低发电成本有重要影响。光伏发电系统专用逆变器在设计中应特别注意减少自身功率损耗，提高整机效率。这是因为10kW级的通用型逆变器实际效率只有7080，将其用于光伏发电系统时将带来总发电量2030的电能

59、损耗。 n(4)保护功能n 逆变器对外电路的过电电流及短路现象最为敏感。因此，过电压、过电流及短路保护是保证逆变器安全运行的最基本措施。功能完美的正弦波逆变器不但具有当温升超过规定的最高限度时的保护功能，而且还应有缺相保护等功能。n(5)启动性能n 逆变器应保证在额定负载下可靠启动。高性能的逆变器可做到连续多次满负荷启动而不损坏功率器件。小型逆变器为了自身安全，有时采用软启动或限流启动。 79产品简介n791 SQ系列太阳能逆变器n sQ系列产品是光伏发电控制、逆变一体机，将太阳能控制器和逆变器合二为一。n (1)控制逆变器型号说明n 代表型号：SQ 24 50C)。其中，SQ代表控制逆变器；

60、24代表额定直流电压；500代表额定功率500VA。n (2)性能特点n 采用高性能微处理器，具有可靠性、高效率，体积小，携带方便等特点。 n具备各种保护功能。n 太阳能充电采用PwM控制模式，大大提高了充电效率。n 数码或液晶可显示各种运行参数，配合触摸按键和指示灯可灵活设置定值参数。n 独特的经济运行模式更加节约能源。n 数据通讯功能(可送件，可方便组或篮控系统。n 可在海拔6000m使用。7.9.2离网发电光伏充电控制器设备产品简介n 离网型控制逆变器是将控制和逆变集成于一体的智能电源。即可控制太阳能电池对蓄电池进行智能充电，同时，将蓄电池的直流电能逆变成220v的方波交流电，供用户负载