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太阳能半导体光伏照明系统的研究
1绪论
1.1人类面临的能源问题和新能源的发展背景
人类的发展离不开能源的物质基础,能源是自然和社会运作的动力。
没有能源作保障,社会就难以发展。
随着石油,煤炭的日益耗尽,能源问题越来越突出。
有的国家为了石油等能源,打起了能源争夺战,抢占石油资源。
能源危机日益突出,寻找新能源成为一个一个国家的重要大事。
能源如煤、石油等的贮藏量有限,根据目前所探明的储量和消费量计算,石油可用40多年,天然气可用60多年,煤可用200年左右。
我国一次能源状况也和世界相仿,国家1999年政府白皮书估计,目前我国石油剩余可采储量为32.736亿吨,可供开采20年;天然气剩余可采储量11704亿m3可供开采60年;煤炭剩余可采储量为1145亿吨,可供开采不足百年[l]。
随着科技的发展、人口的增长等,整个世界面临着能源需求量成倍增长的挑战。
另一方面,这些化石能源的大量开采和利用是造成大气和其它类型污染与人类生存环境恶化的主要原因之一,如燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了地球温室效应和酸雨的产生。
如何在开发和利用能源的同时保护好人类赖以生存的地球生态环境,已经成为一个全球性的大问题。
自从工业革命以来,约80%温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的,其中CO2的作用约占60%,而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源[2]。
形势是非常严峻的,在有限资源和环境保护要求的双重制约下发展经济,这就要求我们所寻求的替代能源必须是可再生的清洁能源。
因此,开发利用风能、太阳能等可再生的绿色能源,研究风力发电、太阳能发电、垃圾发电、燃料电池等环保型发电新技术,在世界范围内迅速发展。
随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题,开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。
新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。
研究和实践表明,新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境,是国际社会公认的理想替代能源[3]。
新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题,还可以解决与能源利用相关的环境污染问题,促进社会和经济可持续性发展。
1.2太阳能的发展
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。
太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。
在新实际中,各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。
而光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、制约少、故障率低、维护简便等优点,在我国西部广袤严寒、地形多样和居住分散的现实条件下,有着非常独特的作用。
我国太阳能资源十分丰富,全国有2/3以上的地区,年日照时数在2000h以上,太阳能作为一种新能源,它与常规能源相比有三大优点。
(1)太阳能是人类可以利用的最丰富的能源。
据估计,在过去漫长的十一亿年中,太阳仅消耗了它本身能量的2%,可以说取之不尽,用之不竭。
(2)地球上,无论何处都有太阳能,可以就地开发利用,不存在运输问题,尤其对不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用价值。
(3)太阳能是一种洁净能源,在开发和利用时,不会产生废渣、废水、废气、也没有噪声,更不会影响生态平衡。
表1-1我国各地区太阳能资源情况:
类型
地区
年日照时数/h
年辐射总量/kcal/cm2·a
1
西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部
2800~3300
160~200
2
西藏东南部、新疆东南、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部
3000~3200
140~160
3
新疆北部、甘肃东南部、山西南部、山西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、新疆南部、江苏北部、安徽北部
2200~3000
120~140
4
湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、山西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江
1400~2200
100~120
5
四川、贵州
1000~1400
80~100
1.2.1国外太阳能利用概况
常规能源资源的有限性和环境压力的增加,使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。
近几年,国际光伏发电迅猛发展。
1973年,美国制定了政府级阳光发电计划;1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划,累计投资达8亿多美元;1994年度的财政预算中,光伏发电的预算达7800多万美元,比1993年增加了23.4%;1997年美国和欧洲相继宣布"百万屋顶光伏计划",美国计划到2010年安装1000~3000MW太阳电池。
日本不甘落后,1997年补贴"屋顶光伏计划"的经费高达9200万美元,安装目标是7600Mw。
印度计划1998-002年太阳电池总产量为150MW,其中2002年为50MW。
国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展,光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。
到目前为止,世界太阳电池年销售量超过60兆瓦,电池转换效率提高到15%以上,系统造价和发电成本已分别降至4美元/瓦和25美分/度电;在太阳热利用方面,由于技术日趋成熟,应用规模越来越大,仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。
太阳能热发电在技术上也有所突破,目前已有20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。
1.2.2国内现状太阳能利用概况
煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。
我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源,开发利用前景广阔。
太阳能光伏发电应用始于70年代,真正快速发展是在80年代。
在1983年—1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线,使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4.5兆瓦。
目前太阳电池主要应用于通信系统和边远无电县、无电乡村、无电岛屿等边远偏僻无电地区,年销售约1.1兆瓦,成效显著。
(1)建成了40多座县、乡级小型光伏电站,光伏电池总装机容量约600kw,其中西藏最多,达450多kw;1998年10月建成我国最大的西藏那曲安多县光伏电站的光伏电池装机容量高达100kw。
(2)家用光伏电源在青海、内蒙古、新疆、甘肃、宁夏、西藏以及辽宁、吉林、河北、海南、四川等地广泛应用。
据不完全统计,至今全国已累计推广家用光伏电源约15万台,光伏电池总功率约达2.9MW。
(3)在22所农村学校建立了光伏电站,光伏电池组件的总装机容量为57kw。
(4)1998年中国通信史上建成难度最大的兰一西一拉光缆干线工程,有26个光缆通信站采用光伏电池作电源,其海拔高度多在4500m以上,光伏电池组件的总功率达100kw。
(5)1996年建成了塔中4--轮南输油输气管道阴极保护先伏电源系统,总功率为40kw。
该系统横贯环境恶劣复杂的塔克拉玛干大沙漠,总长达300Km。
(6)1995年,63个国家重点援藏项目一西藏广播电视发射接收工程采用光伏电池供电,共建成216套卫视接收站和5套调频发射站光伏电池供电系统,总功率为300多kw。
在2004年全球安装的光伏系统太阳电池用量中,离网住宅供电的容量有100Mw,离网工业应用也是100MW,消费产品为3MW,另外有760blW用于并网光伏发电。
根据预测,到2030年离网住宅供电的太阳电池用量将达到70GW,离网工业应用为60GW,消费产品为20GW,并网光伏发电的太阳电池用量为150GW,市场销售额将达到2000亿欧元。
1.3太阳能半导体光伏照明系统概述
1.3.1太阳能独立光伏发电系统的原理
一般来说,太阳能独立光伏发电系统[5]主要包括太阳能电池阵列、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。
太阳能电池阵列是整个系统能源的来源,它把照射到其表面的太阳能转化为电能;控制器是整个系统的核心部件之一,其运行状态决定着系统的运行状态,系统在控制器的管理下运行;蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时向负载供电[6];逆变器是将直流电变换为交流电的设备,由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电,因此当系统向交流负载供电时,逆变器是不可缺少的。
常用的太阳能半导体光伏照明系统如图1.1所示。
图1.1带有最大功率跟踪系统的太阳能光伏照明系统
太阳能光伏电池是光伏照明系统的核心组件,它负责收集太阳能,白天阳光照在光电池板上,通过光生伏打效应产生电能,把太阳辐射能转变成电能,存储到蓄电池中,电能转变为化学能。
当夜晚时,蓄电池就释放电能,供给电光源电能,化学能有转变为电能,之后又变为光反射。
在整个系统的运转中,控制器是整个系统的核心,它控制着整个系统的运行。
控制器使太阳能电池和蓄电池高效、安全、可靠的工作,以获得最高效率并延长蓄电池的使用寿命。
1.3.2带有最大功率跟踪功能的光伏发电系统的基本组成
如果把光伏电池与蓄电池直接连接起来,由于光伏电池阵列的输出特性与日照强度和温度等因素有关,一方面蓄电池的内阻不会随着光伏电池输出的最大功率点的变化而变化,致使无法对光伏电池的输出进行调节,造成资源的浪费;另一方面蓄电池的充电电压随外界环境的变化而变化,不稳定的电压对蓄电池进行充电,只会影响蓄电池的寿命。
因此需要在光伏电池和蓄电池之间加入最大功率跟踪环节,它既可以跟踪光伏电池的最大输出功率,又可以输出稳定的电压对蓄电池进行充电。
带有最大功率跟踪功能的光伏电源系统框图如图1.1所示。
充电控制方式采用脉冲宽度调制技术(PWM控制方式),使整个系统始终运行于最大功率点Pm附近区域。
1.4本文主要研究的内容和任务
太阳能光伏照明系统也不断取得进展,但是现在的系统仍然存在很多不足,仍然有很多需要改进的地方。
主要是目前的太阳能电池的光伏转换效率低,造价昂贵,普通光源的能耗高,亮度不够,不能持续供电,所以我们必须想办法改进系统,降低造价,提高光电转化效率,提高使用寿命,提高光能利用率。
本文主要研究内容仔细研究光伏照明系统的工作原理,研究系统各个模块的功能与工作原理;研究设计控制器的MPPT控制方式,提高整个系统的转换效率;设计光源的智能驱动器,使光源根据需要自动开关,降低光源能耗。
2太阳能电池
2.1太阳能电池原理及分类
2.1.1太阳能电池原理
太阳能电池是利用光电转换原理使太阳能辐射的光通过半导体物质转变为电能的器件,这种光电转换过程叫做“光生伏打效应”,简称为光伏效应[7],是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。
所有的物质是有原子组成的,原子包括原子核和围绕原子核旋转的电子。
半导体在一般状态是原子核和电子紧密结合的,即电子紧密围绕在原子核周围处于非游离状态。
这是半导体的导电能力很差。
当有外界某种因素刺激时,电子获得足够的能量会挣脱原子核的束缚,成为自由电子。
例如当太阳光照射到半导体上时,光子将能量传递给电子,电子跃迁到高能级状态,成为自由电子,同时也形成一个带正电的空穴,也能参与导电,如图2.1所示。
所以在实际使用中的光电器件可利用的载流子有,价电子、自由电子和空穴、存在于杂质能级上的电子。
图2.1太阳能辐射跃迁
在太阳能光伏发电系统中,实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体。
太阳能电池单体实际上是一个PN结,PN结在光照下会产生电动势。
当PN结处于平衡状态时,PN结处有一个耗尽层,耗尽层中存在着势垒电场,电场方向由N区指向P区,如图2.2所示。
当PN结受到光照时,硅原子受光激发而产生电子空穴对,在势垒电场的作用下,空穴向P区移动,电子向N区移动,从而P区就有过剩的空穴,N区就有过剩的电子,这样便在PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。
光生电动势的一部分抵消势垒电场,另一部分使P区带正电,N区带负电,从而在P区与N区之间产生光生伏特效应,如图2.2所示。
若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载,则负载就有“光生电流”流过,从而获得功率输出。
由上可知,太阳能电池单体将光能转换成电能的工作原理可概括为以下四个过程:
(l)太阳能电池单体吸收光子,在PN结两侧产生称为“光生载流子”的电子一空穴对,两者的电性相反,电子带负电,空穴带正电;
(2)在太阳能电池单体PN结光生载流子,通过扩散作用到达空间电荷区;
(3)到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离,电子被分离到N区,空穴被分离到P区;
(4)被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集,若在太阳能电池单体正负极之间接入负载,则有光生电流流过,从而获得电能。
图2.2PN结热平衡时图2.3PN结受光刺激时
因为太阳能电池单体的输出电流太小,功率太小,不能满足一般的应用需求。
所以,实际中使用的太阳能电池是由若干个太阳能光伏电池单体经过串并联并封装后形成的太阳能电池组件,是可以单独作为电源使用的最小单元,其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦。
太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列以满足负载功率要求。
2.1.2太阳能光伏电池的分类
太阳能电池多为半导体材料制造,种类繁多,形式各样,从材质上可分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能光伏电池,非晶硅电池等,下面按照太阳能电池的材料进行分类介绍:
(1)单晶硅太阳能电池
硅系列太阳能电池中,单晶硅大阳能电池转换效率最高[8],技术也最为成熟。
高性能单晶硅电池是建立在高质量单晶硅材料和相关的成热的加工处理工艺基础上的。
现在单晶硅的电子工艺己经相当成熟,在电池制作中,一般都采用表面织构化、发射区钝化、分区掺杂等技术,开发的电池主要有平面单晶硅电池和刻槽埋栅电极单晶硅电池。
提高转化效率主要是靠单晶硅表面微结构处理和分区掺杂工艺。
在此方面,德国夫朗霍费费莱堡太阳能系统研究所保持着世界领先水平。
该研究所采用光刻照相技术将电池表面织构化,制成倒金字塔结构。
并在表面把一13nm厚的氧化物钝化层与两层减反射涂层相结合.通过改进了的电镀过程增加栅极的宽度和高度的比率:
通过以上制得的电池转化效率超过23%,是大值可达23.3%。
单晶硅太阳能电池转换效率无疑是最高的,在大规模应用和工业生产中仍占据主导地位,但由于受单晶硅材料价格及相应的繁琐的电池工艺影响,致使单晶硅成本价格居高不下,要想大幅度降低其成本是非常困难的。
为了节省高质量材料,寻找单晶硅电池的替代产品,现在发展了薄膜太阳能电池,其中多晶硅薄膜太阳能电池和非晶硅薄膜太阳能电池就是典型代表。
(2)多晶硅薄膜太阳能电池
多晶硅太阳能光伏电池是目前应用最广的光伏电池,因为多晶硅电池相对于单晶硅电池更易于制造,效率更高,成本更低,而且稳定性好,使用寿命长,受到广泛的应用。
在以后的一段很长的时间内,还是以多晶硅电池的应该为主。
多晶硅薄膜太阳能电池成本低,而效率高于非晶硅薄膜电池,其实验室最高转换效率为19%,工业规模生产的转换效率为10%
通常的晶体硅太阳能电池是在厚度350-450μm的高质量硅片上制成的,这种硅片从提拉或浇铸的硅锭上锯割而成。
因此实际消耗的硅材料更多。
为了节省材料,人们从70年代中期就开始在廉价衬底上沉积多晶硅薄膜,但由于生长的硅膜晶粒大小,未能制成有价值的太阳能电池。
为了获得大尺寸晶粒的薄膜,人们一直没有停止过研究,并提出了很多方法。
目前制备多晶硅薄膜电池多采用化学气相沉积法,包括低压化学气相沉积(LPCVD)和等离子增强化学气相沉积(PECVD)工艺。
此外,液相外延法(LPPE)和溅射沉积法也可用来制备多晶硅薄膜电池。
化学气相沉积主要是以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上,衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等。
但研究发现,在非硅衬底上很难形成较大的晶粒,并且容易在晶粒间形成空隙。
解决这一问题办法是先用LPCVD在衬底上沉炽一层较薄的非晶硅层,再将这层非晶硅层退火,得到较大的晶粒,然后再在这层籽晶上沉积厚的多晶硅薄膜,因此,再结晶技术无疑是很重要的一个环节,目前采用的技术主要有固相结晶法和中区熔再结晶法。
多晶硅薄膜电池除采用了再结晶工艺外,另外采用了几乎所有制备单晶硅太阳能电池的技术,这样制得的太阳能电池转换效率明显提高。
德国费莱堡太阳能研究所采用区馆再结晶技术在FZSi衬底上制得的多晶硅电池转换效率为19%,日本三菱公司用该法制备电池,效率达16.42%。
(3)化合物半导体太阳能电池
指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池,如碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。
化合物半导体太阳能电池具有转换效率高,抗辐射性好,可在聚光条件下使用等特点,但蹄化镉太阳能电池带有毒性,易对环境造成污染,一般用于特定场合,如空间飞行器和航空系统。
(4)有机半导体太阳能电池
指用含有一定数量的碳一碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。
该种电池虽然转换率低,但价格便宜、轻便、易于大规模制造。
(5)薄膜太阳能电池
指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的太阳能电池。
目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池等。
其特点是转换效率相对较高、成本降低(尤其是大大降低了晶体硅类太阳能电池的硅材料用量)、且适合规模生产,因此薄膜太阳能电池是未来太阳能电池的一个重要发展方向。
2.2太阳能电池输出特性
2.2.1标准测试条件下太阳能电池的输出特性
太阳能电池的输出特性[9]是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的伏安特性,即输出电压和输出电流之间的对应关系,常简称为I-V特性。
由于日照强度、电池温度等都会影响太阳能电池的特性,因此需要定义标准测试条件用于地面测试太阳能电池性能。
我国应用的准测试条件定义为日照强度为1000w/m2,太阳能电池温度为25℃,太阳辐射光谱为AMI.5。
图2.4所示为一太阳能电池组件在标准测试条件下的电流—电压(I-V)和功率—电压(P—V)输出特性。
图2.4在标准条件下太阳能电池的输出特性曲线
图中的参数定义如下:
开路电压(Voc):
给定温度和日照强度下所能输出的最大电压;
短路电流(Isc):
给定温度和日照强度下所能输出的最大电流;
最大功率点电压(Vm):
给定温度和日照强度下最大功率点的电压;
最大功率点电流(Im):
给定温度和日照强度下最大功率点的电流;
2.2.2温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响
太阳能电池的I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关,图2.5和图2.6分别为不同日照光强和不同电池温度时,太阳能电池的输出特性曲线。
图2.5太阳能电池在一定温度不同日照强度下得输出特性曲线
图2.6太阳能电池在一定光照不同温度时的输出特性曲线
从图2.5中可以看出,当一定温度时,太阳能光伏电池的短路电流Isc随日照强度的增加而增加,与日照强度成正比。
而太阳能光伏电池的开路电压Voc,随日照强度的增加稍有增加,但增加量很小;从图2.6可以看出,当日照强度一定时,电池温度升高,太阳能光伏电池开路电压降低,而太阳能光伏电池的短路电流Isc有轻微的增加。
2.3太阳能电池的内部等效电路
为了弄清楚光伏电池工作的过程,以及影响光伏电池工作效能的因素,必须通过等效电路模拟来进行分析[5]。
光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。
当阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时,在一定条件下,光能被半导体吸收,在导带和价带中产生非平衡载流子—电子和空穴。
由于PN结势垒区存在着较强的内建静电场,因而能在光照下形成电流密度J、短路电流Isc、开路电压Voc。
若在内建电场的两侧引出电极并接上负载,则负载中就有“光生电流”流过,从而获得功率输出,这就是光伏电池的基本工作原理,它把太阳的光能直接变成了电能输出。
图2.7为光伏电池板的等效电路图:
图2.7太阳能光伏电池的等效电路图
图中电流源Iph表示太阳能光伏电池经由光照射后所产生的电流,Dj表示一个P-N接面的二极管,Rsh和Rs则分别表示材料内部的等效并联及串联电阻,通常一般在分析时Rsh的值很大,而Rs的值很小,因此为了简化分析过程,可将Rsn和RS忽略不计。
Ro表示外界负载,I,V则表示光伏电池板输出电流及电压。
根据等效电路和光伏电池的面接特性,可以用式2-1表示光伏电池的输出电流和电压关系
(2.1)
式中
V:
光伏电池板的输出电压(V);
I:
光伏电池板的输出电流(A)
ns:
伏电池板的串联个数
np:
伏电池板的并联个数
q:
电子所含的电荷量(1.6X10-19c)
T:
光伏电池板表面温度(K)
A:
光伏电池板的理想因数(A=1-5)
k:
波兹曼常数(1.38X10-23J/K)
Ist:
表示光伏电池板的逆向饱和电流,它的数学方程式可表示如下:
(2.2)
式中
Irr:
光伏电池板在温度Tr(K)时的逆向饱和电流
Tr:
光伏电池板的参考温度
Eg:
半导体材料跨越能间带间隙时所需能量
由(2-2)看出逆向饱和电流Ist也是温度T的函数。
其次光伏电池板所产生的电流Iph也是随着光照强度和环境温度的变化而变化,用数学表达式可以表示成:
(2.3)
式中Iscr是光伏电池工作在参考温度和1kW/m2的标准条件下,所测量到的短路电流值,Ki为光伏电池板短路电流的温度系数(mA/0C),Si是太阳的日照强度(kw/m2)。
从以上公式可以了解到光伏电池的的物理特性,另外可以得出太阳能光伏电池的功率公式P:
(2.4)
3蓄电池
因为一般太阳能光伏照明系统,是白天充电晚上照明,而且要保证连续阴雨天气时照明的应用,系统必须配置足够容量的蓄电池。
蓄电池是整个系统的最薄弱的环节,因为光伏电池的寿命可以达二十年左右,而一般的蓄电池寿命相对却短很多,才两三年,而且要按期维护,维护成本很高,不实用。
所以我们必须选着寿命足够长的,容量足够大的,而且不需要经常维护的蓄电池。
现在用的最多的最流行的就是阀控密封式铅酸蓄电池(VRLB),也成为免维护蓄电池。
3.1阀控蓄电池的原理、结构
3.1.1阀控蓄电池的结构机理
阀控蓄电池[10]由极板、隔板、防爆帽、外壳等部分组成,采用全密封、贫液式结构和阴极吸附式原理,在电池内部通过实现氧气与氢气的再化合,达到全密封的效果。
阀控蓄电池按固定硫酸电解液的方式不同而分为两类,即采用超细玻璃纤维隔板(AGM)来吸附电解液的吸液式电池和采用硅凝胶电解质(GEL)的胶体电池。
这两类阀控蓄电池都是利用阴极吸收原理使电池得以密封的。
所谓阴极吸收是让电池的负极比正极有多余的容量。
当蓄电池充电时,正极会析出氧气,负极会析出氢气,正极析氧是在正极充电量达到70%时就开始了,负极析氢则要在充电到90%时方开始,析出的氧到达负极,跟负极起下述反应:
2Pb+O2=2PbO(3.1)
2PbO+2H2SO4=2PbSO4+2H2O(3.2)
通过这两个反应,达到阴极吸收的目的。
再加上氧在负极上的还原作用及负极本身氢过电位的提高,从而避免了大量析氢反应。
AGM密封铅蓄电池使用纯的硫酸水溶液作电解液,隔膜保持有10%的孔隙不被电解液占有,正极生成的氧就是通过这部分孔隙到达负极而被负极吸收的。
Gel胶体密封铅蓄电池内的硅凝胶的电解液是由硅溶胶和硫酸配成的,电池灌注的硅溶胶变成凝胶后,骨架要进一步收缩,使凝胶出现裂缝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。
两种阀控蓄电池遵循相同的氧循环机理,所不同的仅是为氧达
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