第9章 通信用新型电源电池

电源技术教程张建生主编第九章通用新型电源电池9.1通用电源系统中蓄电池的分类及作用9.2铅酸蓄电池的基本工作原理和应用9.3镉－镍蓄电池9.4金属氢化物－镍电池9.5锂离子电池9.6太阳能电池9.1通信电源系统中

蓄电池的分类及作用9.1.1蓄电池的分类电池是把其他形式的能量转换为电能的一种电源装置，可以分为化学电源和物理电源两大类。将化学能直接转换为电能的贮能或换能装置称为化学电源。通过物理变化将其他形式的能量直接转换为电能的装置称为物理电源9.1.1蓄电池的分类化学电源的优点:既能释放电能又能储存电能。能量转换效率较高，工作时无噪音。携带方便，因而适用于移动式的装置或交通工具。工作范围广，环境适应能力强。9.1.1蓄电池的分类根据化学能与电能能否可逆转换，化学电源可以分为一次电池和二次电池，不可逆转换的称为一次电池，如锌锰电池；可逆转换的称为二次电池，如铅酸蓄电池。9.1.1蓄电池的分类1.铅酸蓄电池根据工作环境，铅酸蓄电池可分为移动式和固定式两大类。按电池槽结构，固定式铅酸蓄电池又可分为半密封式及密封式，半密封式又有防酸式及消氢式。铅酸蓄电池按照电解液数量还可分为贫液式和富液式，密封式电池均为贫液式，半密封式电池均为富液式。9.1.1蓄电池的分类1.铅酸蓄电池(1)半密闭式铅酸电池①GGF型电池②GGX型电池③GAX型电池④湿荷式电池9.1.1蓄电池的分类1.铅酸蓄电池(2)移动型铅酸电池其特点为：①额定容量小（300Ah）以下，体积小，便于携带，故又称为移动型电池。②结构简单，品种类型少。③适用于大电流放电场合。④能满足高温和低温工作环境的需要:动力设备运行环境恶劣，要求能低温或高温起动。9.1.1蓄电池的分类1.铅酸蓄电池(3)阀控式密封铅酸电池其结构特点为：①负极容量相对于正极容量过剩，使其具有吸附氧气并将其化合成水的功能，以抑制氢氧气体发生速率。②固定电解液采用吸液能力强的材料作隔膜，使较大浓度的电解液全部被其贮存，而电池内无游离酸(即贫液)，或者使电解液与硅溶胶组合为触变胶体。9.1.1蓄电池的分类1.铅酸蓄电池(3)阀控式密封铅酸电池其结构特点为：③改进板栅材料采用无锑(或低锑)铅钙多元合金制作正极板栅，以提高抗腐蚀能力。采用铅钙合金制作负极板，以提高析氢过电位。④电池盖上装设单向排气阀(阀控帽)如遇电池在异常情况析出盈余气体，或长期运行中残存有气体，经过排气阀泄放，之后减压关闭。9.1.1蓄电池的分类2.镉镍电池镉镍蓄电池按照不同的分类标准可以分为：按照密封性分类，分为：分开口式、全密封式、液密式。按照外壳的形状划分，分为：扣式、圆柱型、矩形。按照极板工艺划分，分为：有极板盒式(袋式)、压成式、烧结式、半烧结式。9.1.1蓄电池的分类2.镉镍电池(1)传统镉镍蓄电池命名(2)阀控式密封镉一镍蓄电池命名9.1.2蓄电池在

通信电源系统中的作用通信电源设备和装置包括交流市电、高低压配电和变电站设备、柴油发电机组、整流器、蓄电池组、交流逆变器、直流变换器等。蓄电池是必不可少的设备，既作为直流电源系统备用电源，又作为起动动力电源，还作为交流配电设备操作电源。9.1.2蓄电池在

通信电源系统中的作用1.与整流设备组合为直流浮充供电系统

2.在UPS系统中作后备电源

3．在动力设备中作起动电源

图9.1通信站直流供电系统的方框9.2铅酸蓄电池的

基本工作原理和应用阀控式密封铅酸蓄电池的特点:①在电池整个使用寿命期间，无需添加水，调整酸比重等维护工作，具有免维护功能(相对于传统铅酸蓄电池的维护而言);②不漏液、无酸雾、不腐蚀设备;③自放电小，250C下自放电率小于3％(每月);④电池寿命长，250C下浮充状态使用可达10年以上;⑤结构紧凑，密封良好，抗震动，比容量高;⑥电池的高低温性能较好，可在－400˚C～＋500˚C范围内使用;⑦不存在镉镍电池时。记忆效应(指浅循环工作时容量损失)。9.2.1铅酸蓄电池基本工作原理1.电动势的产生铅酸蓄电池由正、负极极板组、电解液和电池槽等部分组成。正极板上的活性物质是二氧化铅(PbO2)，负极板上的活性物质为海绵状纯铅(Pb)。电解液由蒸馏水和纯硫酸按一定的比例配制而成。9.2.1铅酸蓄电池基本工作原理1.电动势的产生Pb→Pb2++2ePbO2+2H2O→Pb(OH)4

Pb(OH)4→Pb4++4(OH)–

E=0.85+d(15˚C)9.2.1铅酸蓄电池基本工作原理2.放电过程中的电化学反应Pb4++2e→Pb2+

H2SO4→2H++SO42–

Pb2++SO42–→PbSO4

4(OH)–+4H+→

4H2OPb2++SO42–→PbSO4

PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4

9.2.1铅酸蓄电池基本工作原理3.充电过程中的电化学反应负极板4H2O→4(OH)–+4H+

PbSO4→Pb2++SO42–Pb2++2e→PbSO42–+2H+→H2SO49.2.1铅酸蓄电池基本工作原理3.充电过程中的电化学反应正极板Pb2+–2e→Pb4+Pb4++4(OH)–→Pb(OH)4Pb(OH)4→PbO2+2H2OPbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性1.阀控式免维护铅酸蓄电池的基本结构和免维护机理图9.2阀控式免维护铅酸蓄电池的结构9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性2.免维护阀控铅酸蓄电池的充电特性图9.3充电特性曲线

9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性图9.4气体再化合率曲线9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性3.免维护阀控铅酸蓄电池放电特性图9.512V免维护蓄电池组放电特性曲线9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性图9.6温度和放电速率对电池放出容量的影响9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性4.免维护阀控铅酸蓄电池的寿命⑴循环寿命(充放电循环次数)⑵浮充寿命⑶存放寿命(容量与存放时间的关系)

9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性图9.7循环寿命与放电深度的关系9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性图9.8浮充寿命与温度的关系9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性图9.9剩余容量与存放时间的关系9.2.2阀控式免维护铅酸蓄电池

的结构与特性5.免维护阀控铅酸蓄电池的应用免维护电池目前己广泛应用于电话交换机、微波通信设备、不间断电源系统(UPS)、计算机和控制设备、消防和安全防护系统、发动机起动、应急照明和太阳能供电系统等方面。9.2.3铅酸蓄电池

的运行方式与充电方法1.铅酸蓄电池的运行方式⑴充、放电运行方式⑵浮充运行方式①全浮充运行方式②半浮充运行方式9.2.3铅酸蓄电池

的运行方式与充电方法2.调整输出电压的方法

⑴尾电池调压法若N主是按浮充时蓄电池组端电压与负载要求电压一致的原则来决定的，则蓄电池独立供电时，应串入适当数量的尾电池来升高电压，以达到负载要求的电压。⑵硅二极管调压法若N主为独立供电所需铅酸蓄电池数，则浮充供电时，蓄电池组两端电压高于负载要求电压，可利用硅二极管的0.7V正向压降来降低电池组输出电压。9.2.3铅酸蓄电池

的运行方式与充电方法3.铅酸蓄电池的充电方法⑴常规充电法①初次充电方法新蓄电池初次使用时，必须充电，这种充电一般称为初次充电。②正常充电方法蓄电池放完电后，应立即充电。这种充电通常称为正常充电，也称为补充充电。9.2.3铅酸蓄电池

的运行方式与充电方法⑵低压恒压充电法图9.10充电电流电压特性曲线图9.11低压恒流恒压充电电压电流特性曲线9.2.3铅酸蓄电池

的运行方式与充电方法⑶快速充电法①影响充电速度的重要因素----极化电压电阻极化浓差极化电化学极化。②脉冲充电、放电去极化快速充电法9.2.3铅酸蓄电池

的运行方式与充电方法⑶快速充电法②脉冲充电、放电去极化快速充电法图9.12蓄电池可接受的充电电流曲线9.2.3铅酸蓄电池

的运行方式与充电方法⑶快速充电法③快速充电法的主要优点充电时间大大缩短。节约大量的电能。蓄电池的寿命显著提高。蓄电池的容量显著增加。9.3镉--镍蓄电池(Cd-NiBattery)镉一镍电池与传统的铅酸蓄电池相比，具有比能量大、自放电小、低温性能好、耐过充电和耐过放电能力强、寿命长等优点。不足之处是材料利用率低、成本较高、长期浅充放循环有“记忆效应”。9.3.1镉--镍蓄电池的基本工作原理

镉镍蓄电池的正极板上的活性物质由氧化镍粉和石墨粉组成。石墨不参加化学反应，它的主要作用是增强导电性。负极板上的活性物质由氧化镉粉和氧化铁粉组成。氧化铁粉的作用是使氧化镉粉具有较高的扩散性，防止结块，并增加极板的容量。9.3.1镉--镍蓄电池的基本工作原理

充电时，蓄电池将电能变为化学能储存起来，放电时，蓄电池又将化学能变为电能送到负载。镉镍蓄电池总的化学反应式为:Cd+2KOH+2Ni(OH)3Cd(OH)2+2KOH+2Ni(OH)2

9.3.1镉--镍蓄电池的基本工作原理

图9.14镉镍畜电池充放电特性9.3.2密封镉镍蓄电池

工作原理和特性

密封式镉镍蓄电池，有液密封式和气密封式两种。密封蓄电池的电解液，分贫电解液(每Ah5mL)和富电解液(液面高于极板15mm左右)两种。9.3.2密封镉镍蓄电池

工作原理和特性

1.贫电解液镉镍蓄电池的密封原理镉镍蓄电池充电时电化学反应式为:负极:Cd(OH)2+2e→Cd+2OH–正极:2Ni(OH)2+2OH––2e→2NiOOH+2H2O充电电流分解水电化学反应式为:负极:2H2O+2e→H2↑+2OH–正极:4OH––4e→2H2O+O2↑9.3.2密封镉镍蓄电池

工作原理和特性

1.贫电解液镉镍蓄电池的密封原理充电后期化学反应式如下:2Cd+O2+2H2O→2Cd(OH)2

O2+2H2O+4e→4OH–

9.3.2密封镉镍蓄电池

工作原理和特性2.氧显示电极的工作原理⑴氢电极：这是一种多微孔金属电极，具有吸附氢原子的特性。氢电极上的反应:4H+O2→2H2O2H2O+2e→2H+2OH-镉电极上的反应:Cd+2OH--2e→Cd(OH)2

9.3.2密封镉镍蓄电池

工作原理和特性2.氧显示电极的工作原理⑵氧电极：是一种微孔中能够吸附氧气的多微孔金属电极。电极下部浸人电解液中，上端用导线引出容器外部，与镉负极之间接一负载电阻，形成镉一氧电池闭合回路。氧电极上的反应:O2+2H2O+4e→4OH-镉电极上的反应:Cd+2OH--2e→Cd(OH)2

9.3.2密封镉镍蓄电池

工作原理和特性3.富电解液蓄电池密封原理

过量充电时，各电极上的化学反应如下:氧生成电极:40H--4e→2H20+O2↑氧离子化电极:O2+2H20+4e→40H-镉负极板:2Cd+40H-→2Cd(OH)29.3.2密封镉镍蓄电池

工作原理和特性4.镉镍蓄电池的记忆效应镍镉电池使用过程中，如果电量没有全部放完就开始充电，下次再放电时，就不能放出全部电量。比如，镍镉电池只放出80％的电量后就开始充电，充足电后，该电池也只能放出80%的电量，这种现象称为记亿效应。9.4金属氢化物--镍电池

Ni/MH电池正极的活性物质为NiOOH(放电时)和Ni(OH)2(充电时)，负极板的活性物质为H2(放电时)和H20(充电时)，电解液采用30%的氢氧化钾溶液，电化学反应如下:

正极:Ni(OH)2+OH--e

NiOOH+H20

负极:H20+e(H2)/2+OH-

总反应:Ni(OH)2

NiOOH+(H2)/2从方程式看出，蓄电池过量充电时，正极板析出氧气，负极板析出氢气。由于有催化剂的氢电极面积大，而且氧气能够随时扩散到氢电极表面，因此，氢气和氧气能够很容易在蓄电池内部再化合生成水，使容器内的气体压力保持不变，这种再化合的速率很快，可以使蓄电池内部氧气的浓度，不超过千分之几。β-Ni(OH)2单元晶胞Ni(OH)2存在α、β两种晶型，NiOOH存在β、γ两种晶型。目前生产Ni/MH电池使用的Ni(OH)2均为β晶型。密封Ni/MH电池的结构

圆柱型密封镍氢电池的结构由正极板、负极板、隔板、安全排气孔等部分组成。正极板的材料为NiOOH，负极板的材料为储氢合金。当镍氢电池过充电时，金属壳内的气体压力将逐渐上升。该压力达到一定数值后，顶盖上的限压安全排气孔打开，因此可以避免电池因气体压力过大而爆炸。Ni/MH电池的主要特性

在常温(20oC)下，采用1C、0.2C和0.5C充电速率时，电池电压随充入电量的变化而变化。镍氢电池充足电后，电压基本上保持不变，开始过充电时，电池电压出现很小负增量。通常，采用1C充电速率时，70分钟以内，镍氢电池可以充足电，采用0.2C充电速率时，充电时间约为7小时。Ni/MH电池的充电特性曲线Ni/MH电池的放电特性曲线镍氢电池具有较好的低温放电特性。当环境温度为-20oC时，镍氢电池的放电特性如图所示。采用0.2C放电速率时，镍氢电池放出的容量可达到标称容量的90％，采用大电流(放电速率为1C)放电时，镍氢电池放出的容量也能达到标称容量的85％以上。应当说明，镍氢电池的自放电率很小，在常温下，镍氢电池充足电后，放置28天，电池容量仍能保持在标称容量的75％-80％之间。Ni/MH电池低温放电特性9.4.4Ni/MH、Ni/Cd电池快速充电方法采用快速充电法时，充电电流为常规充电电流的几十倍。充足电后，如果不及时停止快速充电，电池的温度和内部压力将迅速上升。内部压力过大时，密封电池将打开放气孔，从而使电解液逸散，造成电解液的粘稠度增大，电池的内阻增大，容量下降。

充足电后，电池电压开始下降，电池的温度和内部压力迅速上升。为了保证电池充足电又不过充电，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法。

(1)定时控制采用1.25C充电速率时，电池1小时可充足;采用2.5C充电速率时，30分钟可充足。因此，根据电池的容量和充电电流，很容易确定所需的充电时间。这种控制方法最简单，但是由于电池的起始充电状态不完全相同，有的电池充不足，有的电池过充电，因此，只有充电速率小于0.3C时，才允许采用这种方法。镍镉电池快速充电特性

(2)电压控制在电压控制法中，最容易检测的是电池的最高电压。①最高电压(Um):从充电特性曲线可以看出，电池电压达到最大值时，电池即充足电。充电过程中，当电池电压达到规定值后，应立即停止快速充电。这种控制方法的缺点是:电池充足电的最高电压随环境温度、充电速率而变，而且电池组中各单体电池的最高充电电压也有差别，因此采用这种方法不可能非常准确地判断电池己充足电。

②电压负增量(-△U):由于电池电压的负增量与电池组的绝对电压无关，而且不受环境温度和充电速率等因素影响，因此可以比较准确地判断电池已经充足电。这种控制方法的缺点是:电池电压出现负增量后，电池已经过充电，因此电池的温度较高。此外镍氢电池充足电后，电池电压要经过较长时间，方出现负增量，过充电较严重。因此，这种控制方法主要适用于镍镉电池充电。

③电压零增量(0△U):镍氢电池充电器中，为了避免等待出现电压负增量的时间过久而损坏电池，通常采用O△U控制法。这种方法的缺点是:充足电以前，电池电压在某一段时间内可能变化很小，从而造成过早地停止快速充电。为此，目前在大多数镍氢电池快速充电器中，都采用高灵敏-△U检测，当电池电压略有降低时，立即停止快速充电。(3)温度控制为了避免损坏电池，电池温度过低时不能开始快速充电。电池温度上升到规定数值后，必须立即停止快速充电。常用的温度控制方法有:①最高温度(Tmax):充电过程中，通常当电池温度达到450C时，应立即停止快速充电。电池的温度可通过与电池装在一起的热敏电阻来检测。这种方法的缺点是热敏电阻的响应时间较长，温度检测有一定滞后，同时，电池的最高工作温度与环境温度有关。当环境温度过低时，充足电后，电池的温度也达不到450C。②温升(△T):为了消除环境温度的影响，可采用温升控制法。当电池的温升达到规定值后，立即停止快速充电。为了实现温升控制，必须用两只热敏电阻，分别检测电池的温度和环境温度。③温度变化率(△T/△t):镍氢和镍镉电池充足电后，电池的温度迅速上升，速率△T/△t由基本相同。当电池的温度每分钟上升10C时，应立即停止快速充电。这种快速充电控制方法，近年来被世界各国普遍采用。应当说明，由于作为温度传感器的负温度系数热敏电阻的阻值与温度的关系是非线性的，所以，为了提高温度变化率检测精度，应设法减小热敏电阻非线性的影响。

④最低温度(Tmin):当电池温度低于100C时，采用大电流快速充电，会影响电池的寿命。在这种情况下，充电器应自动转入限流充电，待电池的温度上升到100C后，再转人快速充电。(4)综合控制上述各种控制方法各有优缺点。为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，目前快速充电器中通常采用包括定时控制、电压控制和温度控制的综合控制法。9.5锂离子电池锂离子电池的阳极为石墨晶体，阴极通常为二氧化钴锂(LiCoO2)。石墨晶体和LiCoO2都具有层状结构。充电时，阴极中的锂原子电离成锂离子和电子。得到外部输入能量的锂离子，在电解液中由能量较低的阴极向能量较高的阳极迁移，并且锂离子和电子在阳极上复合成锂原子。重新形成的锂原子插入到石墨晶体的晶状层之间。由bq2002T组成的镍氢、镍镉电池快速充电控制器

bq2002T是一种廉价的CMOS镍氢/镍镉电池充电控制器，电池充足电后，它能够可靠地终止快速充电。与可控限流源或恒流源配合，bq2002T不仅可以制成质优价廉的独立充电器，也能够作为机内充电器。该芯片可实现对单只或多只镍镉/镍氢电池的快速充电。充电过程中，当以下任一条件达到时，快速充电过程立即结束:-△U、最高温度、最长充电时间和温度变化率△T/△t。快速充电结束后，自动转入补足充电(可选择)和限流充电，限流充电的速率可以预先设定。为了减小功耗，充电器在备用工作状态下，bq2002T的功耗很低。bq2002T组成的Ni/MH、Ni/Cd电池快速充电器实际电路放电时，插入到石墨晶体晶状层中的锂原子从石墨晶体内部向阳极表面移动，并在阳极表面电离成锂离子和电子。锂离子和电子分别通过电解质和负载流向阴极，在阴极表面复合成锂原子，然后插入到二氧化锂的晶状层中。从以上反应可知，在该电池中，锂永远以离子的形态出现，不会以金属的形态出现，所以这种电池叫做锂离子电池。锂离子电池的基本结构

圆柱型锂离子电池的构造圆柱型锂离子电池用LiCoO2复合金属氧化物在铝板上形成阴极，用锂碳化合物在铜板上形成阳极，两极板间插入聚烯烃薄膜状隔板，为了使锂离子能通过隔板，隔板上有亚微米级的微孔，电解液为有机溶剂，阳极和阴极极板卷成螺旋状，插入圆筒形的容器中。为了确保埋离子电池安全工作，该电池中装有检测电池温度的正温度系数热敏电阻(PTC)。为了防止电池内压力过高，电池顶盖上留有安全放气孔。锂离子电池充放电特性

单体锂离子电池的充电电压必须严格保持在4.lV±5OmV，充电电流通常应限制在1C以下，若充电电压超过4.5V，可能造成锂离子电池水久性损坏。锂离子电池通常都采用恒流转恒压充电模式

AA型锂离子电池充电特性放电特性

AA型锂离子电池放电电流通常不应超过3C。放电时，单体电池电压不得低于2.2V。电池电压低于2.2V，就会造成永久性损坏。采用0.2C放电速率(即放电电流为100mA)时，单体电池电压下降到2.7V时，可放出额定容量(500mAh)。采用1C放电速率(即放电电流为500mA)时，能够放出额定容量的90％左右。

锂离子电池放电特佳曲线环境温度与电池容量的关系环境温度对电池的放电容量有较大影响，如图9-5-5所示。采用0.2C放电速率时，当环境温度为250C时，可放出额定容量(500mAh)；当环境温度为-10℃时，电池容量下降约5％，当环境温度为-20℃时，电池容量下降约10％，锂离子电池放电时，允许环境温度范围为-20℃～+60℃。℃

锂离子电池的一个特点是比较容易显示剩余电量，因为锂离子电池的工作电压随时间徐徐下降，镍镐电池、镍氢电池则保持一定的电压值，直到放电末期，电压才急速下降。锂离子电池放电起始电压为4.1V或4.2V，放电终止电压约为2.5V。阳极采用结晶度较低的焦炭时，放电过程中电压下降较为明显；阳极采用结晶度较高的石墨时，放电特性比较平稳。9.5.3锂离子电池中的安全措施单体电池内的安全机构锂离子电池组保护电路

过充电或过放电检测电路锂离子电池发展前景⑴发展电动汽车用大容量锂离子电池⑵开发及使用新的高性能电极材料⑶加速聚合物锂离子电池的实用化进程9.6太阳能电池广义上说，地球上的二次能源都来自太阳能。使用他们发的电作为电源，都是太阳能电源。利用太阳向地球辐射的光能发电的电源当然也是太阳能。从侠义上说，太阳能电源仅指利用太阳辐射光能通过太阳电池发电的电源。利用太阳辐射光能发电，按照光－电转换器的不同，可以分为两类：光－伽伐尼电池和光生伏打电池。太阳能发电系统与其它发电系统相比，具有如下优点:

(1)能源取之不尽、用之不竭、清洁无公害(2)静止安全可靠

(3)维护简单、易于实现自动控制和无人值守(4)不论发电系统的规模大小，发电系统的效率都保持一定，并且发电系统的规模可以任意扩大。(5)太阳能电池具有微型组件结构，便于连续自动化生产。随着需要量大幅度增加，价格将会迅速下降。

(6)太阳散射光也可发电，系统的安装地点可自由选择。太阳能发电的缺点:(1)太阳能发电系统的输出功率与日照量有关，因此输出功率将随昼夜、季节而变化。另外，日照量强的时间与使用电力的时间也不完全一致

(2)太阳能电池是一种直流电源，而大部分用电设备都使用交流电源，因此必须通过逆变器将太阳能电池输出的直流电变换成交流电，才能供给负载使用。

(3)太阳能电池的输出能量密度较低，因此须占用较大的面积，和火力发电系统相比，占地面积约大500～600倍。9.6.1太阳能电池的工作原理太阳能是把太阳辐射光能通过光生伏打效应转换成电能的光－电转换器。结构是由P-N结构成的。P-N结可以产生电动势，P-N结光生伏特效应

在P-N结的交界面两侧的电子和空穴通过界面互相向对方做扩散运动，结果使得界面两侧形成正、负电荷区，构成一个阻挡层，因为阻挡层中的电子或者空穴几乎流失或者复合殆尽，而且阻挡层中充满固定电荷，必然存在由P区向n区的内建势垒。对于平衡的P-N结，在内建电场的作用下电子漂移形成的电流等于空穴扩散形成的电流，因而P-N结中净电流为零；若外加电压与内建电场方向相也有反时，由于结势垒高度减低，于是n区有大量电子流向p区，p区大量空穴扩散向n区，形成由p区指向n区的电流对于平衡的P-N结外加光照，则能量大于硅禁带宽度的光子，在n区、阻挡层和p区中激发出光生电子－空穴对。在阻挡层激发出光生电子－空穴对产生后，立即被内建电场分离：光生电子被送进n区，光生空穴则被推进p区；在n区激发出光生电子－空穴产生后，由于阻挡层边界处的载流子浓度近似为零，光生空穴便向对于平衡的P-N结边界扩散，一旦到达对于平衡的P-N结边界，便立即受到内建电场的作用，被电场力牵引作漂移运动，越过阻挡层进入p区，光生电子被留在n区；同样，在p区激发出光生电子－空穴对产生后，光生电子先扩散，后漂移而进入n区；光生空穴被留在p区。因此，在对于平衡的P-N结的两侧形成正、负电荷的积累，产生了光生电压。9.6.3太阳能电池的等效电路和伏-安特性当受到光照的太阳电池接上负载时，光生电流经过负载，并在负载两端建立电压，形成其等效的电路。

当太阳能电池在阳光照射下，太阳能电池接通负载并达到稳定状态后，流入负载的电流IR和负载两端的电压UR的关系为:

IR=IL-IO(eQU/KT-1)

太阳能电池的伏-安特性9.6.4太阳能电池的种类半导体材料的光吸收波长和太阳光光谱的峰值一致的材料，变换效率最高。硅的禁带宽度为1.1eV，理论变换效率≤20%；砷化镓的禁带宽度为1.4eV；硫化镉的禁带宽度为1.45eV；磷化铟的禁带宽度为1.25eV；硫化铜的禁带宽度为1.2eV,这些材料的禁带宽度都比硅高，所以这些化合物太阳能电池的理论变换效率都比硅太阳能电池高，一般在20％～24％之间。

理论变换效率η和禁带宽度Eg的关系硅太阳能电池

单晶硅、多晶硅、非晶硅都可以制作太阳能电池。单晶硅太阳能电池是目前应用最广的一种太阳电池，其效率可高达18%，但是目前价格仍较高。为了降低价格，可采用廉价的多晶硅或非晶硅制作硅太阳电池。目前多晶硅太阳能电池已投入批量生产，它的效率已达到14%；非晶硅太阳能电池也开始大量应用，效率已达到8-3%。

砷化镓太阳能电池

砷化镓的光吸收系数很大，因此它是制造薄膜太阳电池较理想的材料。砷化镓太阳能电池的抗辐射能力很强，适用于宇航及通信卫星等空间领域。另外，由于砷化镓太阳能电池的工作温度较高，因此可采用聚光照射技术以获得最大输出功率。硫化镉太阳能电池

硫化镉太阳能电池有两种结构：一种是将硫化镉粉末压制成片状电池；另一种是通过蒸发或喷涂制成薄膜电池。薄膜电池具有可挠性、携带包装方便、能量重量比大，而且工艺简单、成本低。但是，由于这种电池稳定性差、寿命短、最高效率只有9％，同时又会污染环境，所以发展较慢。9.6.5太阳能电池的组装方式太阳能电池的组装方式有平板式和聚光式两种。组合板为了降低硅太阳能电池供电系统的成本，除了采用成本较低的材料(如多晶硅、非晶硅)和简单的工艺制造太阳能电池外，还可以采用聚光式太阳能电池系统。聚光太阳能电池系统由聚光电池阵列、支承座和光电自动控制装置三大部分组成。聚光电池单元由菲涅耳透镜、太阳电池和散热器组成。菲涅耳透镜可采用有机玻璃、有机碳酸脂及聚氯乙烯等塑料，用滚压成型、模压成型、铸造成型等方法制成。9.6.6太阳能电池供电系统根据负载不同，太阳能电池供电系统可分为直流、交流、直一交混合供电系统三种。太阳能电池直流供电系统太阳能电池交流供电系统由太阳能电池阵列、储能装置、配电盘、逆变器和负载组成太阳能电池交流供电系统逆变器将直流电变换成交流电供给负载。如果再接入滤波器、交流开关等装置，该系统就可以和工频电源连网使用。太阳能电池直一交混合供电系统可以同时给直流负载和交流负载供电。与交流供电系统相同，该系统可以通过连网装置与工频电源连网使用。太阳能电池直-交混合供电系统太阳能电池供电系统的设计方法

太阳能电池供电系统包括太阳能电池阵列、储能装置、调压器、控制系统和指示器以及逆变器等。⑴硅太阳能电池阵列的设计硅太阳能电池阵列的设计依据:①硅太阳能电池的特性。②安装地点的年日照时数(根据十年以上的气象资料，以年日照时数最小值计算)。③年日照时数最少的一年中，连续阴雨天数。④安装地点的纬度。⑤负载要求的电压和电流，每日用电时数。(3)负载电阻特性太阳能电池的工作电压随负载电阻变化而变化。当负载电阻约为50欧姆时，太阳能电池可输出最大功率。根据这一特性，可设计出各种用途的太阳能电池供电系统。(4)温度特性开路电压以-20mV/℃的速率变化(负温度系数)，而短路电流则以2·10-3A/℃的速率变化(正温度系数)。当温度在0℃以上时，最大输出功率以0.3～0.4%/℃的速率递减。电压、电流与转出功率的关系负载电阻与输出功率、输出电压及输出电流的关系最大输出功率、开路电压、以及短路电流与温度的关系

(5)光灵敏度：最高光谱灵敏度在0.7～0.9μm之间，即在近红外线至红外线的光谱范围内。硅太阳能电池组合板的光谱特性太阳能电池阵列的功率计算根据太阳能电池组合板的串并联数，即可求出太阳能电池阵列的输出功率P:P=P0·N1·N2式中:P0----太阳能电池组合板的额定输出功率。S-224型硅太阳能电池组合板的P0为0.36W。在计算太阳能电池供电系统时，太阳能电池组合板的输出功率应比负载要求的功率高10％。太阳电池容量的计算

(a)串联数:由于电源电压为l2V，所以取Uf=l4V，S-224型硅太阳能电池的U输出=4.2V，防倒流二极管采用锗二极管，Ud=O.5V，根据(9-55)式，串联数N1=4。

(b)并联数:根据(9-58)式，串联数N2=K1·K2·Q1/Q2。其中每小时平均消耗能量Q1可以根据给定的工作条件计算。充电效率修正系数K1:

太阳能电池的安装地区，如果冬季白天气温在0оC以上，夜间在-8оC以上，则充电效率的修正系数K1可取1.1。其它修正系数:

假定入射光没有受到任何物体的遮隔，光入射倾斜角一年调整两次。由于在天然条件下，太阳能电池组合板的保护膜(丙烯树脂)的透明度将降到原来的95％，则

K2=1/0.95=1.05

因此，太阳能电池组合板的并联数N2为:N2=K1·K2·Q1/Q2=1.11·1.05·412mAh/12mAh=41个储能装置(蓄电池)的设计方法

在太阳能电池供电的通信电源系统中，都采用蓄电池储存电能。选择蓄电池时;考虑的主要因素有:蓄电池的类型、容量、寿命、价格、工作环境、维护性能等。

(1)蓄电池的类型目前广泛采用的是镍一镉蓄电池和铅酸蓄电池。镍一镉蓄电池具有寿命长、低温特性好、自放电率低、过放电不会损坏、结构坚固、使用方便等优点，但其价格较高。铅蓄电池的价格远比镍一镉电池低，但其自放电率高、维护工作量大。

(2)温度与湿度由太阳能电池蓄电池组成的电源系统，通常都在特殊环境中工作，季节温度偏差一般可达50оC以上，相对湿度可以从干燥地区的接近于零到密林深处的100％。因此，要求蓄电池的工作温度和湿度的范围比较宽。此外，为防止细砂、灰尘以及沿海地区盐雾的影响，蓄电池最好采用密封结构。

(3)容量蓄电池的容量BC可由下式表示:BC=(bc+bc/2+20Q1′)at

(4)充电在充电过程中，当蓄电池达到总容量的80%以前，太阳电池一般以恒定电流对蓄电池连续充电。因此，设计太阳电池供电系统时，只需考虑蓄电池的安时充电效率。在正常温度下，该效率在95%以上。当蓄电池的温度下降时，充电电压增高。

当太阳电池阵列的输出功率超过负载所需功率的20%以上时，为了避免蓄电池过充电，必须安装调压器

(5)维护性能与太阳电池配套使用的蓄电池经常放置在遥远的或不能经常到达的地方，因此必须选用不需经常维护的蓄电池，最好选用密封式免维护