电池效率

电池效率（通用8篇）

电池效率 篇1

1 概述

从氢和空气中含有的氧产生电能和纯水的燃料电池,对其作为清洁和高效发动机的作用,近来引起人们的关注。日本铁道综合技术研究所(RTRI)开发出一种新型燃料电池作动力的铁道车辆,以便将来替代在非电气化区段运营的传统燃油车辆和电动车辆。已经对动力至少足以驱动单个车辆,安装在试验车辆进行运营试验的100 kW燃料电池系统(称之为FC系统)做过介绍。结果确认可达到42 km/h的最高速度,FC系统在波动荷载下能持续发电[1]。然而,在实际运用中却发现一些限定,如输出功率不足,无法达到传统车辆的加速能力,再生能量也无法应用。

在这次研究中,开发一种锂离子电池系统(称之为锂电池),电池用DC/DC变流器(电池变流器)和燃料电池/电池混合系统检测器(混合检测器),将它们与FC系统一起安装在R291系试验车辆上以建立一种混合系统。为提高加速能力、利用再生能量、提供辅助电力,制作了一列由2辆装有这种混合系统的车辆组成的车组。下面介绍这些开发和在不同运行情况下的能量效率和燃料耗量进行评定的结果。

2 燃料电池/电池混合系统的开发2.1

2.1装有这种燃料电池/电池混合系统试验车辆的技术条件

混合前,只用FC系统产生牵引动力,仅用单辆试验车辆组成的车组进行了运行试验。然而,在这次研究中,准备了一种燃料电池/电池混合系统,并用一列由2辆试验车辆组成的车组进行运行试验。图1示出所用的燃料电池/电池混合试验车辆,表1列出它们的主要技术参数,表2示出混合改变和改进的地方。与计划在不久的将来要替代的2辆传统燃油车辆(Kiha-40系,220 hp/车)的输出相比,这些试验车辆的输出得到改善。

2.2 燃料电池/电池混合系统的结构

这里示出各类燃料电池/电池混合结构。图2列出其主要类型。由于A类结构的燃料电池和电池都需要输出功率控制功能,所以,目前不选用这类结构。至于B类和C类结构,牵引逆变器的输入电压随燃料电池和电池的情况而波动,这会影响加速度能力。D类结构在图2所示所有结构中需要的设备最多,而它具有传统牵引系统适应的优点。而E类结构混合控制方法极为简单,但有一些缺点:功率再生只及感应电机的一半,电池不能从燃料电池充电。因此,为从使用普通牵引系统的传统电动车辆开发装有燃料电池/电池混合系统的车辆,就需要D类结构。表3对这些结构做了比较。由于RTRI的感应主电机和静态逆变器(SIV)是为传统牵引系统制作的,所以,有必要选用D类结构。图3示出RTRI的燃料电池/电池混合系统的结构。

2.3 为混合系统开发的锂电池

作为混合系统的电池类型,选用性能更高、可靠性得到改善、目前价格较低的锂离子电池。表4示出锂电池的主要技术参数。所选用的电池模件与Hi-电车(RTRI开发的接触网/电池混合轻轨车辆)所用尺寸和能量相同(图4)。然而,设计了模件的充放电电流密度,以便进行十倍率充放电。采用 1 组 168 节串联连接、2组并联连接的锂离子电池。为抑制这些电池在夏季的温升,设计了安装在轨道上带温度计控制冷却风机的冷却系统。此外,为获得如电池最大电压、最小电压、平均电压、电流、SOC(充电状态)、故障信号和电池温度等电池信息,在各个模件设一个电池观测装置。选择30 Ah电池容量,允许以360 kW功率进行充放电。

2.4 电池变流器的开发

为将锂电池用于混合系统,开发出可将锂电池的电压从600 V转化为1 500 V,且反过来也是一样相互作用的电池变流器。图5为电池变流器,表5列出主要技术参数。对为稳定接触网电压而设计的现场类DC/DC变流器进行了改进,开发出电池变流器安装在车辆地板上。为实际应用,有可能通过特别的设计而制作出尺寸较小的装置。将信号集中于电池变流器以便混合控制,但在将来可将混合控制装置从电池变流器中分开。

2.5 混合设备在试验车辆上的布置

图6示出包括上述FC系统、高压氢气罐系统和其他元件的混合设备在试验车辆上的布置。由于这里的重点是确认混合功能,所以,没有考虑减小尺寸、减轻质量和设备的优化布置。混合系统的所有设备(除高压氢气罐外)都安装在试验车辆的地板上。

2.6 混合监视器的开发

开发出混合监视器用来检测电流量/作业状态并记录测试参数。图7示出试样显示屏。混合监视器与电池管理装置采用RS-485方式进行通信,锂电池寿命的测量和计算采用SOC信号输出的功能。

3 燃料电池/电池混合系统的控制方法

3.1 燃料电池/电池混合控制方法

电池变流器接收牵引逆变器(INV)、锂电池、FC系统和FC变流器的信号,来控制燃料电池变流器(FC变流器)的功率输出和锂电池的充放电。锂电池控制方法使连接到FC变流器、电池变流器、INV和SIV的母线保持稳定电压。如果母线电压超过1 500 V,电池变流器给锂电池充电;如果低于1 500 V,电池变流器使锂电池放电。

对FC变流器的控制方法,预先设定SOC(CEO)的充电指标和SOC(CSO)的放电指标,而后,电池变流器控制FC变流器的输出,以将锂电池的SOC信号保持在CEO值和CSO值之间。车辆速度高于5 km/h 时,视为运行,为接收到随速度而生的再生能量,电池变流器则降低CEO值和CSO值。因此,运行中的SOC值低于静止时(车辆速度低于5 km/h)的值。当车辆在高SOC情况下进行运行试验时,锂电池可提供加速功率。

为接收再生制动的最大功率,将CEO值设定在70%。为避免SOC信号振动产生共振,将CSO值设定在60%(即比CEO值低10%)。确定在30%锂电池情况下,可以在最高速度达到45 km/h时进行运行试验。这些电池变流器的参数也可以改变。

3.2 混合控制用INV的改进

对紧急情况下的混合控制,要求INV具有若干功能(如降低功率)。在这种情况下的混合控制,可对INV增加下列功能:

(1) 如果接收到“电池过充电”信号,INV停止再生制动;

(2) 如果接收到“电池过放电”信号,INV作业降低2个刻度,只用FC系统供电;

(3) 如果INV的输入电压降低,INV降低输出功率,以便保持输入电压接近DC1 500 V。

3.3 从运行试验结果对混合控制的确定

图8示出使用上述混合控制装置进行运行试验的结果。首先,对静止车辆,控制FC变流器以增加60%以上的SOC。第二,车辆开始运行时,根据速度和SOC,控制FC变流器来降低输出功率,以接收再生能量。第三,根据车辆的惯性速度,与实际SOC和目标SOC间的差别相一致控制FC变流器。第四,车辆制动和再生时,控制FC变流器以尽可能小地降低输出功率,用再生能量给锂电池充电。最后,按上述说明,控制FC变流器来增加输出功率,以保持初始控制状况下(高于60%)的SOC值。

4 燃料电池/电池混合系统燃料耗量和效率的评定

依据用如上所述的燃料电池/电池混合试验车辆在试验线路进行运行试验的结果,评定了混合系统的燃料耗量和效率。由于试验线路的长度只有615 m,所以,营业线路的惰行长度并不可靠。因此,用往返作业进行运行试验。此外,由于铁路道口要用1 min以上的时间关闭,所以,运行试验要用很长的时间,这会造成辅助能量的增加。由于这些原因,平均速度(包括停车时间)和燃料耗量往往会低于在营业线路上的。使用上述混合结构和控制方法时,似乎评定燃料耗量和效率的结果随如何进行运行试验和辅助能量而变化较大。对等待SOC恢复情况的结果与无SOC恢复情况的结果进行了对比,还对开启空调作为辅助功率与关闭空调的结果进行了比较。

4.1 对关闭空调时的燃料耗量和各种效率的评定

图9示出用SOC恢复并关闭空调(工况1)进行连续运行试验的结果。在SOC恢复情况下,运行试验可持续的时间可与燃料达到的时间一样长。这里,除第一结果外,依据将SOC保持在60%、进行30次连续运行试验的结果,对燃料耗量和各种效率进行了评定。图10示出无SOC恢复和关闭空调(工况2)试验的结果。在无SOC恢复情况下,SOC值随运行试验的进程而逐渐下降,所以,当SOC值降到30%以下时终止试验。在这种情况下,SOC值从60%降到30%可进行22次运行试验。

在评定中,使用下列公式对燃料耗量和各种效率进行了定义:

燃料耗量undefined

燃料电池效率(净)undefined

再生效率undefined

车辆能量效率undefined

式中:A——加速能量;B——辅助能量;C——电池放电能量,氢能量耗量由低热值(LHV:237 kJ/mol)转换。对工况1和工况2, 表6示出对燃料耗量的评定,表7示出对各种能量的评定,表8示出对各种效率的评定。

注:*氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。

4.2 开启空调时对燃料耗量和各种效率进行的评定

图11示出无SOC恢复而空调开启(只在1辆车)(工况3)进行连续运行试验的结果。在这种情况下,SOC值从60%下降到30%可进行16次试验。对工况3,表9示出对燃料耗量的评定,表10示出对各种能量的评定,表11示出对各种效率的评定。由于辅助能量最少,所以,工况2的燃料耗量和车辆能量效率高于其他工况的。在每种工况下,FC系统效率只有约50%。在只有空调开、关状态这一差别的工况2和工况3,可以看到燃料耗量只相差1.07(km/kg-H2),而车辆能量效率只相差7.4%。在工况2,SOC从30%恢复到60%要用12 min。而在工况3,则要用15 min。在工况1的每次运行试验,SOC恢复到60%则要用约3 min。RTRI试验车辆的高压氢气罐系统装有约17 kg的氢,所以,车辆可以在不充氢的工况1～工况3的燃料耗量运行55 km～74 km(2辆车)。

注:* 氢能量由LHV转换,能量单位(kW·h)。

5 结论

对安装燃料电池/电池混合系统的2辆车进行运行试验,对各种运行情况的SOC 60%恢复情况和无SOC恢复情况间的燃料耗量和各种效率进行评定。结果确定,后一种情况的燃料耗量和各种效率分别比前种情况好0.8 km/kg-H2和10%。此外,检查空调开、关状态间的差别,确定开启状态比关闭状态的燃料耗量优1 km/kg-H2,车辆能量效率优7%。在运营线,这些值似乎得到提高。正如所预计的,简单确定了车辆能量效率约65%的高性能。在将来的工作中,计划为燃料电池/电池混合系统开发尺寸小的装置,为实际使用确定燃料电池的寿命确定跨度。

参考文献

[1] Yamamoto,T.,Furuya,T.,Yoneyama,T.,Ogawa,K..Evaluation of Fuel Consumption and Energy Efficiency with a Railway Test Vehicle Powered by Fuel Cells[J].RTRI Report,2008,22(2):53-58(in Japanese).

贴纸使太阳能电池板效率更高 篇2

该技术成本低廉，且可以降低每瓦特太阳能发电的成本。此外，不像其他用以提高太阳能电池板性能的技术，这一技术可以用到已安装好的电池板上。

位于科罗拉多州恩格尔伍德(Englewood)的GenieLens公司的首席执行官和联合创始人赛思·韦斯(Seth Weiss)说，聚合物薄膜主要有三个作用：可以防止阳光从太阳能电池板表面反射；可以在半导体材料中捕捉阳光，吸收阳光并把光能转换为电能；还可以改变入射光的方向，而不通过薄型半导体材料，阳光沿着表面传播，增加了阳光被吸收的几率。

研究人员设计的微观结构，通过使用算法模拟光线在白天进入薄膜和遇到太阳能电池板内的各种不同表面(防护玻璃覆盖物、半导体材料，以及电池板的背面)时的表现来达到这些目的。这其中的关键之处就在于折射阳光的量，角度足够的话阳光射八太阳能电池，但角度不够的话阳光就会反射出去并损失。假如阳光反射到玻璃或半导体表面，薄膜重新改变大多数阳光的方向，使其回到太阳能电池板中。

国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory)的测试表明，这种薄膜可以使输出功率平均增加4％～12.5％，在多云条件下，入射光呈漫射状时增加量最多。无论是在工厂生产时贴膜(当然这是最理想的)，还是对已在使用的太阳能板贴膜，贴膜将增加太阳能板1％～10％的总成本。但电池板可以生成足够多额外的电力证明这种投入是值得的。另外，太阳能产业分析师、普罗米修斯研究院(PrometheusInstitute)负责人特拉维斯·布拉德福德(Travis Bradford)表示，增加太阳能电池板输出功率的同时降低了其他成本，比如运输成本和安装成本，因为每次安装时需要的太阳能电池板越来越少了。

然而，总体的收益取决于聚合物薄膜的使用时间。通过估算太阳能电池板20～25年保修期间的总输出功率，可以得到每千瓦小时太阳能的成本。假如薄膜被划损、表面覆盖灰尘，或者曝晒在阳光下几年或几十年后褪色了，它确实会随着时间的推移降低输出功率。布拉德福德说：“耐久性是一个大问题，”如今，太阳能电池板中使用的材料已经经历了数十年的测试，虽然韦斯表示其公司的薄膜将能使用20年，但其耐久性仍未被核实。

电池效率 篇3

美国加利福尼亚州斯坦福大学的科学家7日在报告中说，他们已经成功地把涂上一层银碳纳米材料的纸转变成“纸电池”，有望成为一种全新的轻型和镀银纳米线薄膜上。初步的研究发现，利用硅纳米线制成的电池，效率是现在用来给笔记本电脑等装置供电的锂离子电池的10倍。

科学家在发表在《美国国家科学院院刊》上的一篇论文中说：“利用成熟的造纸技术，通过把具有传导性的纸作为集电器和电极，可以制成低成本、轻薄和高效的蓄电仪器。”

人们可以利用这种电池为电子仪器或者混合动力车供能。利用这种电池，电子仪器会变得更轻，持续时间更长，而且有一天可能会产生纸电子产

电池效率 篇4

关键词：胶体铅酸蓄电池,氧复合效率,胶体电解质,传输方式

随着科学技术和市场需求的不断发展,人们对胶体铅酸蓄电池性能的要求越来越高。胶体铅酸蓄电池与吸附式阀控铅酸蓄电池相比,具有自放电小、充电时不易产生酸雾、可消除电解液分层、能避免热失控现象、工作温度范围宽的特点,胶体电解液还可防止活性物质脱落,延长蓄电池使用寿命,因而在市场上得到广泛关注和应用。

胶体铅酸蓄电池的性能很大程度上取决于氧气复合反应效率[1],即蓄电池充电时正极产生的氧气被负极吸收复合的比率。氧气复合效率高,胶体铅酸蓄电池电解液水损失少,电解液温升小,电池使用寿命长;氧气复合效率低,从电池中逸出的气体较多,胶体电解质失水严重,气体在电池内不能及时排出,电解液温度将急速上升,胶体会发硬、龟裂、触变性急剧变差,这样就会严重影响电池的循环寿命性能。

1 工作原理

胶体铅酸蓄电池充电过程可分为三个阶段:第一阶段,电池的有效充电阶段,即电池正负极的充电反应;第二阶段,水的分解同充电反应同时进行;第三阶段,水的分解反应为主,并伴随氧气复合反应。

电池充电阶段:

正极:$\text{Ρ}\text{b}\text{S}\text{Ο}{}_4+2\text{Η}{}_2\text{Ο}\stackrel{\text{充}\text{电}}{\to }\text{Ρ}\text{b}\text{Ο}{}_2+\text{Η}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4+2\text{Η}{}^{+}+2\text{e}(1)$

负极:$\text{Ρ}\text{b}\text{S}\text{Ο}{}_4+2\text{Η}{}^{+}+2\text{e}\stackrel{\text{充}\text{电}}{\to }\text{Ρ}\text{b}+\text{Η}{}_2\text{S}\text{Ο}{}_4(2)$

当正极板的荷电状态达70%左右时,水分解阶段:

$\text{Η}{}_2\text{Ο}\to \frac{1}{2}\text{Ο}{}_2+2\text{Η}{}^{+}+2\text{e}(3)$

内部氧循环反应阶段:

$\text{Ρ}\text{b}+\frac{1}{2}\text{Ο}{}_2\to$PbO (4)

PbO+H2SO4 → PbSO4+H2O (5)

当电池电压达到2.3 V时氧气开始明显析出,正极析出的氧气,经过胶体的裂缝到达负极表面的电解液膜,并与负极上硫酸铅还原的金属铅反应生成氧化铅,氧化铅再同硫酸反应生成硫酸铅和水,接着硫酸铅在充电过程中再次还原成金属铅。在整个反应过程中,从正极上水电解析出的氧气,扩散到负极周围形成铅氧化物后,又与酸反应生成液相水,经历了一次大循环。此过程中,外电源给电池充入的电能变成热从电池发散出去。

胶体铅酸蓄电池充电过程中产生的氧气也可能在催化剂存在的条件下发生电化学反应,反应如下:

$\frac{1}{2}\text{Ο}{}_2+2\text{Η}{}^{+}+2\text{e}\to \text{Η}{}_2\text{Ο}(6)$

在电化学反应中,到达负极板的氧气直接在铅表面通过电化学方式被还原为液态水。目前,对于氧气复合反应主要以哪种方式进行还仍然存在争论。

2 影响复合效率的因素

胶体电解质、隔板孔径、负极特性和氧气到达负极的速度等因素,均会影响胶体铅酸蓄电池的氧气复合反应效率。

2.1 胶体电解质

胶体铅蓄电池的硅凝胶是以SiO2质点作为骨架构成的三维多孔网状结构,它将电解液包裹在里边。制备胶体电解质的硅溶胶与硫酸混合形成凝胶后,骨架结构会一步收缩,使凝胶出现裂缝,并贯穿于正、负极板之间,给正极析出的氧提供了到达负极的通道。因此,胶体电解质自身的结构及添加剂很大程度上会影响电池的复合反应效率。

池田章一郎等人通过研究发现[2],在电解液中添加铟(In)能提高胶体铅酸蓄电池负极板的氢析出过电位,提高氧气复合效率,减少电解液失水。还发现铟与分子中含有羟基的直链有机高分子化合物同时使用时,负极的硫酸铅还原和负极的结晶微细化平行进行,可以使胶体铅酸蓄电池的特性迅速恢复。

胶体电解液中掺入适量的碳素,有利于延长蓄电池的使用寿命[3]。碳素颗粒附在负极板上,可以促进氧气在负极板上的吸收反应,提高氧气复合反应效率;胶体电解液中的碳素颗粒向正极板移动,会使正极板易于发生反应,提高了正极板栅和正极活性物质的紧密接触性。

2.2 隔板孔径

在胶体电解液阀控式铅酸蓄电池中,氧的传输通道不仅取决于胶体电解液中微裂缝的形成,还取决于所用隔板孔径的大小。

郭永榔等[4]对隔板孔径分别为0.25 μm、0.5 μm和0.8 μm的电池做氧气复合效率对比实验,得出结论,隔板孔径为0.8 μm的电池中气室总压要高于隔板孔径为0.25 μm的电池,说明在某种程度上增加胶体电解液密封式铅酸蓄电池中的隔板的孔径能加快氧的传输速率,提高氧气复合反应速率;但当隔板孔径为0.5 μm时,电池内气室总压明显高于另外两种电池,这说明随隔板孔径的增大,氧的传输速率不一定加快。如果隔板孔径过小,则胶体电解液难以渗入,不利于氧的传输;反之,如果隔板孔径过大,胶体电解液胶凝后,容易堵塞隔板中的微孔,也不利于氧的传输。适当孔率的隔板,能够保证较为畅通的通道以供氧气传输到负极板进行再复合反应,提高要求复合反应速率,才能延长蓄电池的循环寿命。

目前,市场上胶体电池大多采用微孔PVC-SiO2隔板。微孔PVC-SiO2隔板表现出很强的亲水性和亲胶体性,同时该隔板表面有凸起的筋条,筋条之间形成的空间可使隔板不易被胶体堵塞,利于氧气的传输,可有效提高氧气复合反应速率。

2.3 负极特性

由于电解水产生的氢气再化合效率较低,若不能及时与氧气复合反应生成水,会促使胶体电解液温度急速上升,水份损耗量增加,影响电池循环使用寿命。因此,要通过改变负极特性,提高负极板氢析出过电位,防止氢析出过电位降低,尽量减少氢气的析出。

目前,一般采用不含锑的铅-钙二元或多元合金制造负极板栅,可有效的提高负极板析氢过电位。例如铅-钙合金,过充电过程中,当在负极板尚未析出氢气时,正极析出的氧气一部分在负极板上发生化学复合反应,另一部分则与未析出的氢复合成水并返回到电解液中,使电解液水损失减到最少。

胶体铅酸蓄电池中,由于负极活性物质有部分需要参与氧气复合反应,胶体铅酸蓄电池负极活性物质需要比普通铅酸蓄电池负极活性物质多10%～20%[5]。在正极板的充电状态达到70%～75% SOC (slate of charge) 时,氧气开始析出;在负极板的充电状态需达到90%～95% SOC时,氢气开始析出。因此,胶体铅酸蓄电池中含有过量的负极极板活性物质能够有效抑制氢气过早析出,使氧气复合反应更加充分,提高氧气复合反应速率。

2.4 氧气传输方式及速度

在密封式铅酸蓄电池的过充电过程中,氧气的传输路径主要有两种:①氧气从电池正极板通过隔板和正极板之间的空隙垂直传输到电池气室,再由电池气室通过隔板与负极板之间的空隙垂直传输到负极板进行还原反应;②氧气透过隔板直接由正极板传输到负极板进行还原反应[6]。两种传输方式如图1所示。

从图1可以看出,氧气通过水平传输,传输距离短,传输速度快,复合效率较高;氧气通过垂直传输,传输距离长,传输速度慢,复合效率低,同时会引起电解液温度上升。

胶体电解液饱和度对密封蓄电池中氧气的传输方式有着重要影响[4]。当饱和度高于91.5%,氧气主要是通过隔板和极板间的空隙垂直传输,氧气传输速率较低;而当饱和度低于91.5%时,氧主要是通过微裂缝和隔板微孔水平传输,氧气传输速率较大。

根据介绍[7],德国阳光公司提供的胶体密封铅蓄电池使用初期,氧复合效率较低,大约在70%左右,但运行数月之后,复合效率可达90%以上。这种现象也可以从电池的失水速度得到验证,胶体密封铅蓄电池运行第一年失水速度较大,达到4%～5%,以后逐渐减少。造成上述特性的主要原因,胶体电解质在形成初期,内部没有或极少有裂缝,没有给正极析出的氧提供足够的通道,氧气以垂直传输为主,复合效率较低,但随着胶体的逐渐收缩,则会形成越来越多的通道,氧气则以水平传输为主,复合效率提高,水损耗减少。因此,胶体电池的氧气复合效率随着循环的进行和氧气传输方式的改变而逐渐增加,最后可达90%以上。

3 结语

综观各影响因素,提高胶体铅酸蓄电池氧气复合效率的途径有两种:①提高析氢过电位,减少析氢量,延长氧气复合反应时间,让氧气复合反应更加充分;②提高氧气传输速度,氧气能够均匀的覆在负极表面,提高氧气复合反应速率。目前,可探寻一种既能提高负极析氢过电位,又能提高氧气传输速度的方法,从而提高氧气复合反应效率,减少蓄电池水分损耗,延长蓄电池循环使用寿命。

参考文献

[1]包有富,余四红,俞美雯.VRLA电池密封反应效率影响因素的探讨[J].蓄电池,2002(2):11-13.

[2]池田章一郎,小泽昭弥,芳尾真辛.铅蓄电池及铅蓄电池用添加剂[P].日本公开特许公报:特开2003-151618,2003-05-23.

[3]孙成.浅谈混合式阀控铅蓄电池技术[J].电池工业,2005,10(2):93-95.

[4]宫辛玲,赵乐,郭永榔,等.胶体阀控式铅酸蓄电池中氧传输的研究[J].电池,2004,34(5):331-333.

[5]桂长清.两类阀控密封铅蓄电池[J].通信电源技术,2006,23(2):60-62.

[6]Woodrow W McGil1.Gel versus AGM VRLA Lift Truck Batteries.GelTechnology’s Advantages in VRLA Truck Batteries[J].The BatteryMan,2000(2):34-38.

电池效率 篇5

三洋公司此款N系列的太阳能电池板HIT-N230在日本制造, 由带有本征薄层的异质结 (HIT) 太阳能电池组成。

HIT太阳能电池是一种利用晶体硅基板和非晶硅薄膜制成的混合型太阳能电池。这种太阳能电池按单位面积计算的发电量保持着世界领先水平。HIT具有制备工艺温度低、转换效率高、高温特性好等特点, 是一种低价高效电池。HIT的转化效率越高, 意味着它更加具有可与传统的硅晶太阳能电池相匹敌的优势。

今年2月, 荷兰生命科学和材料科学公司帝斯曼集团旗下的帝斯曼功能涂料部曾宣布, 其KhepriCoat太阳能防反射涂层系统在进一步优化后, 使全球多晶硅太阳能电池板首次实现了17%的转换效率。三洋公司表示, 新的N230太阳能电池板的光电转化效率为20.7%, 从而使其成为迄今为止转化效率最高的太阳能电池板。

N230太阳能电池板效率的提高, 得益于研究人员将其中的太阳能电池块由2块增加到3块, 且每块太阳能电池都做得更薄。研究人员还在电池上镀上了AG (抗反射) 玻璃, 大大减少了光线的散射和反射。提高光电转化效率使太阳能电池组件在阳光并不充分的地方同样可以使用。

太阳能电池板的薄型化则有助于削减硅材料的成本。对于量产产品来说, 如果能使高效率与低成本化两者兼顾, 可大幅提高HIT太阳能电池的竞争力。

电池效率 篇6

1954年贝尔实验室的研究人员偶然发现, p-n结在光照下产生了一个电压, 同年, 他们制作了效率为6%的硅p-n结太阳电池[1], 从此, 人类真正意义上的现代光伏时代开启。经过60多年的发展, 各类太阳能电池被开发出来, 相关产业也在政府支持下蓬勃发展。虽然太阳电池的效率在不断提高, 但目前这种方式的发电成本仍远高于传统化石燃料发电。显然, 未来能否广泛应用太阳能取决于能否继续提高光电转换效率, 同时降低太阳发电成本。

1. 光生伏特效应

将太阳能直接转化成电能的过程, 称为光生伏特效应 (photovoltaic effect) , 简称光伏效应。具体是:光照射到半导体p-n结上, 在p-n结的两端电极产生可输出功率的电压值。从半导体物理的知识可知, p-n结接面上存在一内建电场, 而当光照射到半导体上时, 会产生电子-空穴对, 称为载子, 载子会因p-n结接面的内建电场作用而分离, 电子和空穴向相反方向各自传输至两端电极来输出, 显然, 产生的电子-空穴对越多, 意味着电池吸收的太阳能越多。

是不是所有光子照射到半导体上都能产生电子-空穴对呢?事实上, 半导体材料中的电子大都处在“价带”中, 一般很难参与导电, 要使半导体导电就必须把电子的能量激发到一个比较高的位置, 使它们处在“导带”的位置。价带和导带之间存在一个能隙, 称为“禁带”, 禁带宽度记做Eg。只有当入射光子能量大于或等于Eg, 电子才能吸收并跃至导带。在硅中, Eg=1.1e V, 锗Eg=0.7e V。太阳的表面温度为5762K, 因此太阳光谱可以用5762K时的黑体辐射来描述 (见图1) 。

从图1中可以看出, 太阳光的波长分布很广泛, 能量大部分集中在红外区和可见光区。不论入射光子的能量有多高, 最终材料可获得的能量大小就是Eg, 故能隙Eg越高, 可被吸收的能量就越大。但若能隙过高, 则位于太阳光谱中长波段的光波将无法被吸收, 整体光电效率会下降。所以, 对太阳电池来说, 存在一个最恰当的Eg值, 可使得效率取得极大值。经计算, 当其能隙为1.35e V时, 其最高效率可达31%。反之, 若给定材料, Eg确定, 也可经理论计算, 得出一个该材料最大可能的效率值。对于硅晶, Eg=1.1e V, 理论上最高转换效率为28%。

这个简化的图像可以帮助人们了解能隙对太阳电池的重要性, 表明理想状态下, 单能隙、单p-n结接面的太阳电池, 即使是完美的材料, 由于传导的损失, 物理上的限制也使其效率仅能达到31%左右。

2. 多种太阳电池效率的实际情况

前面从理论上给出了单能隙、单p-n结接面的太阳电池的最大光电转换效率, 为了对太阳电池的效率有更直观的认识, 可以通过目前各种太阳电池的实际效率和理论值比较。实际效率受限于许多因素:工艺水平、电池结构、材料缺陷、负载等。事实上, 理论值和实际效率仍有不小的差距, 说明太阳电池效率可提高的潜力依然很大。

(1) 硅晶太阳电池。

目前, 市场上大量供应的单晶与多晶硅太阳电池平均效率大约15%, 这些电池是当前太阳能电池应用的主力。实验室产生的最高效率约为25%, 而理论上, 单接面单晶硅太阳电池为28%。

硅是地球上含量第二多的元素, 硅晶圆广泛应用于电子工业, 其生产供应已是成熟技术。同时, 硅的能隙比较适合吸收太阳光谱能量分布, 这些原因造成了硅晶太阳电池应用范围最广。受限于理论效率, 不可能再大幅提高硅晶电池效率, 因此降低硅晶圆造价是目前努力的主要方向。

(2) 薄膜太阳电池。

常见的薄膜太阳电池, 例如非晶硅、CIS、CIGS和Cd Te, 最大优点是耗材少, 重量轻, 生产成本较低。

非晶硅太阳电池是除了硅晶太阳电池以外产量最多的太阳电池, 但目前效率比较低, 为11%左右。由于存在光致衰退效应, 实际效率约只有8%。

CIGS太阳电池在70年代由贝尔实验室发展, 开始是使用CIS, 后来以一部分Ga取代In来提高能隙, CIGS的能隙可由Ga和In的相对比例来调整。CIS的能隙是1.02e V, 加入Ga后可提高至1.1~1.2e V。CIGS太阳电池的特点:其在各类薄膜电池中效率较高, 小面积元件效率达19%, 大面积模组效率达13%。但是大规模使用CIGS仍有一些问题, 首先是Cd的污染, 还有就是内含Ga、In、Se这些稀有元素, 限制了大规模使用CIGS电池的可能。

Cd Te直接能隙约为1.5e V, Cd Te太阳电池目前的效率可达17%。Cd Te太阳电池已有商业化产品, 面临的问题是长时间户外使用的稳定性有待验证, 还有就是Cd的污染。如果未来可以进一步降低成本, Cd Te太阳电池在一些小规模民生用途上仍然有前景。

(3) III-V族太阳电池。

III-V族太阳电池是直接能隙, 用料较硅晶要少, 电池效率高。另外, III-V族太阳电池可以制作出多接面、多能隙的太阳电池。所谓多接面、多能隙, 是指突破单个p-n结限制以提高效率。前面讲过, 太阳电池效率与能隙有绝对关系, 单接面、单能隙太阳电池理论上最高效率约为31%, 究其根本原因, 就是不能充分利用各个波段的光波能量。所以, 可以考虑将多个p-n结堆叠在一起, 形成多个能隙的太阳电池, 以提高效率。根据Ga In P/Ga As的能隙计算得出最佳理论效率约为45%, 目前实验室已达到该效率的80%左右。III-V族太阳电池制作过程复杂, 成本昂贵, 是太空中使用的太阳电池主力。

(4) 染料敏化太阳电池。

染料敏化太阳电池与之前介绍的无机半导体太阳电池不同, 它是一种有机材料, 运用光电化学原理, 而非传统意义上的光伏效应。作为一种新材料, 自20世纪90年代初由Gr?tzel研究发表以来, 有了长足进步。其优点是制程简单, 材料便宜, 模组具有可挠性, 最高效率记录也已达11%。如果未来其可靠性、稳定性问题得以解决, 则有机会大幅降低太阳电池的成本, 这是它近来受到很大关注的主要原因[2]。

3. 太阳电池效率大幅提高的可能性

正如前文所述, 市场上量产的晶硅太阳电池平均效率约在15%, 约85%的能量没有被利用, 所以有必要从理论上考察一下太阳电池的效率究竟有没有继续提高的空间。从理论上看, 要提高太阳能利用率, 就是要让太阳电池充分利用太阳光各个波段的能量。在物理上, 太阳电池面临三个效率限制: (1) 单能隙 (单接面) 太阳电池的限制 (最高效率约31%) 。 (2) 多能隙 (多接面) 太阳电池的限制 (最高效率约69%) 。 (3) 热力学限制 (最高效率约85%) 。

对单能隙 (单接面) 太阳电池而言, 入射光子能量小于能隙者完全不能被吸收;而光子能量大于能隙者, 其高于能隙的部分也被浪费, 这种浪费称为载子能带内的能量释放 (intraband energy relaxation) 。理论上单能隙 (单接面) 太阳电池最高效率约31%。

如何超越单能隙 (单接面) 太阳电池的限制, 很自然的想法就是用多能隙、多接面的结构 (见图2) 。这种结构在光谱上有多条禁带宽度线, 具体做法是用多层电池, 每一层的禁带宽度都略小于在它上方的电池。通过这种办法, 高能光子首先被第一层 (顶层) 吸收, 而较低能量的光子直接穿过, 然后第二层电池吸收次高能的光子, 更低能量的光子到达第三层, 如此下去。这样的好处是大大减少和降低了载子在能带内将能量释放给声子的几率, 充分利用了各个波段的光能, 减少了热损耗。即使采用多能隙多接面的太阳电池解决载子能带内的能量释放 (intraband energy relaxation) , 还是不能避免载子能带间的能量释放 (interband energy relaxation) , 也就是电子-空穴对的复合释放出的能量。理论上, 多能隙 (多接面) 太阳电池的最高效率约69%。

理想情况下, 在使用多能隙太阳电池解决载子能带内能量释放 (intra-band energy relaxation) 问题后, 如果还想进一步提高太阳电池效率, 就要想办法克服载子能带间能量释放 (interband energy relaxation) 的问题, 也就是要让电子和空穴保持各自自身的能量, 不参加电子-空穴对的复合。电子-空穴对的复合释放能量过程主要是光放射和多声子放射。

目前为止, 还没有任何明确的实验结果能够证实有效地解决该问题。不过, 在理论上, 已经有一些新颖的构想被提及, 例如, 利用光子晶体结构来有效抑制光自发发射, 或是利用声子晶体结构来有效抑制声子放射。如果可以成功地抑制载子能带间的光放射和声子放射这两个物理过程, 载子的平均能量就会增加, 而载子的温度也因此而提高, 形成热载子 (hot carrier) 。此时, 人们不禁会问, 如果可以把上述问题都解决, 这样的太阳电池的终极效率会是多少呢?热力学的计算答案是, 如果太阳能电池以理想二极管方式工作, 且除去能带内和能带间能量释放所能得到的最高效率为85%[3]。

4. 结论

理论上, 如果要大幅提高太阳电池的效率, 就要有效地避免太阳电池内无用热能的产生, 这就要能够有效地抑制载子能带内或能带间的能量释放。理论上的预言可以用不同的方法在技术上去探索、去实现。虽然目前太阳电池技术已经发展了半个多世纪, 但未来可供发掘的潜力仍然巨大, 这也说明了太阳电池技术发展的多样性与复杂性。超高效率的太阳电池的蓝图已经展现在我们面前, 而能否最终实现美好的愿景, 则有待于科技工作者不断地努力。

摘要：经过半个多世纪的光伏利用和发展, 人类已经开发出了大量不同种类的太阳电池, 但由于技术和成本的限制, 目前大部分商业化的太阳电池效率仅为15%左右, 还远远没有充分利用太阳能。进一步提高太阳电池的效率, 降低太阳能发电成本, 一直是人们追求的目标。文章从光伏效应原理出发, 结合物理的定性分析, 从理论上阐述太阳电池的效率限制, 并以此为基础, 论述了太阳电池效率在未来有大幅度提高的可能性。

关键词：太阳电池,光电转化效率,可能性,分析

参考文献

[1]Luque, A.and S.Hegedus.Handbook of photovoltaic[J]Wiley:science and engi-neering, 2010.

[2]Goetzberger, A., J.Luther, and G.Willeke.Solar cells:past, present, future[J].Solar en-ergy materials and solar cells, 2002 (1-4) :1-11.

利用太阳能电池板的效率问题探讨 篇7

随着传统能源的日益枯竭，寻找新的替代能源一直是人们努力的目标。传统能源对环境污染日益严重，使近年世界气候变化异常，寻找洁净的替代能源问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它洁净无污染，并可持续利用，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注，随着光伏组件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的补充能源向替代能源过渡[1]。

太阳能发电在国内的利用相比发达国家还有很大差距，现在主要是太阳能路灯和信号灯的应用。现在国内的厂家主要是系统集成，买来电池、蓄电池、LED路灯，组装起来，中间的一些问题很少有人去关注。现在研发投入主要在上游，如何提高太阳能电池板的效率，这个难度很大。但是在具体应用过程中，太阳能电池板的效率问题没有被充分地重视。这样往往阻碍了太阳能的利用和推广。

本文从测量电池板的电流-功率输出曲线，以及电池板温度对输出功率的曲线，提出太阳能利用中需要注意的两个问题。

一、实验方法

采用额定电压为5 V的太阳能电池板、光源、照度计、电压电流表、温度计、加热器组成一套实验系统。

实验一：

变化光源的照度，测量电流-功率输出曲线。

实验二：

变化太阳能电池板的温度，测量温度-输出功率曲线。

二、结果与讨论

太阳能电池在同一光照条件下，存在最大输出功率点[2]，如图1和图2。图示曲线所示，两种照度条件下，对应着两个不同的最大功率点输出，曲线的最高点。在使用中如果能保证太阳能电池工作在最大功率输出状态下，将得到最高的光电转换效率。由于光照条件是实时变化的，所以最大功率点也在实时变化。只有进行实时跟踪最大功率点，才能最大限度的利用太阳能电池板的效率。

太阳能电池板输出功率随温度的升高会有一定程度的下降，其输出特性曲线如图3所示，当温度从25℃升至60℃时，太阳能电池板的输出功率下降了25%，在中原地区正午阳光下，此温度比实验值还要高，为此对太阳能电池板进行散热是十分必要的，可以采取一定的被动散热装置使电池板的温度降低，使其光电转换效率得到提高。

三、结论

1）.太阳能电池板的输出的最大功率点随光线照度的变化而实时变化的，所以用最佳的办法准确判定最大功率点是跟踪最大功率点的关键，其次采用最廉价的方法，切实有效的跟踪最大功率点是能否应用的关键。

2）.太阳能电池板输出功率随温度的升高会有一定程度的下降，当温度从25℃升至60℃时，太阳能电池板的输出功率下降了25%，因此有必要采取措施对太阳能电池板散热。只能利用自然条件，被动的散热是一种可行的方法。

摘要：太阳能是新型的绿色能源, 在应用中太阳能电池的效率是普遍关注的问题, 提高其效率, 一种办法是在上游解决光电转换效率, 这个很重要。同时利用太阳能电池中的使用效率也是很重要的问题, 本文研究了太阳能电池的电流-功率输出特性, 以及温度对其的影响, 为太阳能电池在实际的应用中提供一些参考。

关键词：太阳能电池,效率

参考文献

[1]黄可.各国半导体照明计划和我国的对策.中国科技论坛

电池效率 篇8

这个团队里的科学家来自德国卡尔斯鲁厄理工学院(Karlsruhe Institute of Technology/KIT)和巴登-符腾堡太阳能和氢研究中心(Center for Solar Energy and Hydrogen Research Baden-Württemberg)。

他们的研究始于对大量植物表皮细胞光学性质的观察。这些科学家尤为感兴趣的是植物外层吸收而不是反射光的能力。他们发现在被研究的植物中,玫瑰花瓣在这方面表现得最好。

据KIT的研究报告,玫瑰花瓣在电子显微镜下呈现一种无组织的复杂结构。这种结构不仅让玫瑰花能够吸收更多的光线,还能形成强烈的色彩吸引昆虫来授粉。

选定玫瑰之后,他们用硅基聚合物印下了花瓣外层的结构,由此制作出了花瓣外层结构的模具。接下来,他们给模具注入透明的光学胶水,再用紫外线进行固化。最后,他们得到了和玫瑰花瓣表面结构一样的透明薄膜。将这种薄膜覆盖在现有的太阳能电池上,研究人员发现太阳能电池对垂直照射的太阳光的转化率提升了12%。若太阳光从更锐利的角度照射,提升还更加明显。

2016年5月,这些科学家刷新了太阳能电池效率的新纪录,阳光-电能的转化率达到了34.5%。太阳能电池的实用性由此得到了提升。