第12章 電源和能量?jī)?chǔ)存技術(shù)-《物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)教程》

1、第第 12 章章 電源和能量電源和能量 儲(chǔ)存技術(shù)儲(chǔ)存技術(shù) 學(xué)習(xí)任務(wù)學(xué)習(xí)任務(wù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù) 能量?jī)?chǔ)存（電池）技術(shù)能量?jī)?chǔ)存（電池）技術(shù) 無(wú)線供電技術(shù)無(wú)線供電技術(shù) Click to add title in here 123本章主要涉及：本章主要涉及：第第12章章 電源和能量?jī)?chǔ)存技術(shù)電源和能量?jī)?chǔ)存技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)的能源技術(shù)研究?jī)?nèi)容中：首當(dāng)其沖的是能在物聯(lián)網(wǎng)的能源技術(shù)研究?jī)?nèi)容中：首當(dāng)其沖的是能量存儲(chǔ)技術(shù)。量存儲(chǔ)技術(shù)。從現(xiàn)在的情況看，能量存儲(chǔ)已經(jīng)成為電子設(shè)備小型從現(xiàn)在的情況看，能量存儲(chǔ)已經(jīng)成為電子設(shè)備小型化以及精巧化過(guò)程中最受重視的技術(shù)障礙之一?；约熬苫^(guò)程中最受重視的技術(shù)障礙之一。當(dāng)

2、今的嵌入式無(wú)線技術(shù)，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及當(dāng)今的嵌入式無(wú)線技術(shù)，例如無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及主動(dòng)式主動(dòng)式RFID標(biāo)簽，都在忍受著笨重的大容量電池標(biāo)簽，都在忍受著笨重的大容量電池組所帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，并且在容忍著短暫生命周期內(nèi)頻組所帶來(lái)的負(fù)擔(dān)，并且在容忍著短暫生命周期內(nèi)頻繁充電或者頻繁更換電池所帶來(lái)的種種尷尬。繁充電或者頻繁更換電池所帶來(lái)的種種尷尬。第第12章章 電源和能量?jī)?chǔ)存技術(shù)電源和能量?jī)?chǔ)存技術(shù)未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)要想成功的實(shí)現(xiàn)讓真正的嵌入式、未來(lái)的物聯(lián)網(wǎng)要想成功的實(shí)現(xiàn)讓真正的嵌入式、數(shù)字化物品參與其中，就必須在微型高容量能量數(shù)字化物品參與其中，就必須在微型高容量能量存儲(chǔ)技術(shù)上取得突破。存儲(chǔ)技術(shù)上取得突破。而從

3、實(shí)現(xiàn)方式上，一種解決方案就是跳過(guò)存儲(chǔ)能而從實(shí)現(xiàn)方式上，一種解決方案就是跳過(guò)存儲(chǔ)能量的諸多問(wèn)題，直接從環(huán)境中汲取能源，從而使量的諸多問(wèn)題，直接從環(huán)境中汲取能源，從而使物品的電池可以更加小巧，并且有能力進(jìn)行自動(dòng)物品的電池可以更加小巧，并且有能力進(jìn)行自動(dòng)的充電行為。的充電行為。第第12章章 電源和能量?jī)?chǔ)存技術(shù)電源和能量?jī)?chǔ)存技術(shù) 在能源技術(shù)領(lǐng)域的道路還很漫長(zhǎng)。不過(guò)，今天在能源技術(shù)領(lǐng)域的道路還很漫長(zhǎng)。不過(guò)，今天的工作正為我們明確前進(jìn)的方向：的工作正為我們明確前進(jìn)的方向： 首先，能量采集技術(shù)應(yīng)該不僅僅局限在原有的首先，能量采集技術(shù)應(yīng)該不僅僅局限在原有的能量源上，像震動(dòng)、太陽(yáng)輻射、熱能等等，都能量源上，像震

4、動(dòng)、太陽(yáng)輻射、熱能等等，都應(yīng)該成為我們接下來(lái)嘗試的方向。應(yīng)該成為我們接下來(lái)嘗試的方向。 其次，微型發(fā)電技術(shù)將成為我們下一個(gè)新興的其次，微型發(fā)電技術(shù)將成為我們下一個(gè)新興的能源技術(shù)領(lǐng)域，將為下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供全能源技術(shù)領(lǐng)域，將為下一代物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供全新的發(fā)展機(jī)遇。新的發(fā)展機(jī)遇。 12.1 能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)從廣義上講，采集能源包括各種來(lái)源，比如從廣義上講，采集能源包括各種來(lái)源，比如:動(dòng)能（風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等）、動(dòng)能（風(fēng)、波、重力、振動(dòng)等）、電磁能（光伏、電磁波）、電磁能（光伏、電磁波）、熱能（太陽(yáng)熱能、地?zé)帷囟茸兓?、燃燒等）、熱能（太?yáng)熱能、地?zé)?、溫度變化、燃燒等）、原子能（?/p>

5、子核能、放射性衰變等）原子能（原子核能、放射性衰變等）生物能（生物燃料、生物質(zhì)能等）。生物能（生物燃料、生物質(zhì)能等）。12.1 能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)1. 能量采集能量采集（1）從體熱采集能量：）從體熱采集能量： 典型的能源采集系統(tǒng)包括眾多組件，如轉(zhuǎn)換、薄膜典型的能源采集系統(tǒng)包括眾多組件，如轉(zhuǎn)換、薄膜電池中的暫存器、大量復(fù)雜的能源管理電路、模擬電池中的暫存器、大量復(fù)雜的能源管理電路、模擬轉(zhuǎn)換器以及超低功耗微處理器轉(zhuǎn)換器以及超低功耗微處理器 (MCU)。 （2） 太陽(yáng)能光伏收集：太陽(yáng)能光伏收集： 采用大型太陽(yáng)能電池板進(jìn)行。采用大型太陽(yáng)能電池板進(jìn)行。 每每 100 平方毫米光伏電池可產(chǎn)生

6、大約平方毫米光伏電池可產(chǎn)生大約 1 MW 電能。電能。能源效率約為能源效率約為 10%，容量比約為，容量比約為 15% 20%。12.1 能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)（3）動(dòng)能收集系統(tǒng)：）動(dòng)能收集系統(tǒng)： 可產(chǎn)生毫瓦級(jí)的電能?？僧a(chǎn)生毫瓦級(jí)的電能。 基本動(dòng)能收集技術(shù)包括：基本動(dòng)能收集技術(shù)包括： 一個(gè)彈簧上的物體；一個(gè)彈簧上的物體； 將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備；將線性運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的設(shè)備； 壓電電池。壓電電池。（4）熱電收集技術(shù)：）熱電收集技術(shù)： 使用賽貝克使用賽貝克 (Seebeck) 效應(yīng)，即在兩個(gè)金屬或半導(dǎo)效應(yīng)，即在兩個(gè)金屬或半導(dǎo)體之間存在溫差的情況下而產(chǎn)生電壓。體之間存在溫差的情

7、況下而產(chǎn)生電壓。 熱電發(fā)電機(jī)熱電發(fā)電機(jī) (TEG) 由熱并聯(lián)與電串聯(lián)的熱電堆構(gòu)成。由熱并聯(lián)與電串聯(lián)的熱電堆構(gòu)成。 12.1 能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)上述幾種主流微能量采集來(lái)源都有幾個(gè)共同之上述幾種主流微能量采集來(lái)源都有幾個(gè)共同之處。他們都通常產(chǎn)生不穩(wěn)定電壓，而并非目前處。他們都通常產(chǎn)生不穩(wěn)定電壓，而并非目前電子電路仍廣泛使用的電子電路仍廣泛使用的 3.3V 穩(wěn)定電壓。穩(wěn)定電壓。此外，這三種技術(shù)所提供的都是間斷電源，甚此外，這三種技術(shù)所提供的都是間斷電源，甚至有時(shí)根本就不能提供電源。至有時(shí)根本就不能提供電源。因此，設(shè)計(jì)工程師需要使用電源轉(zhuǎn)換器與混合因此，設(shè)計(jì)工程師需要使用電源轉(zhuǎn)換器與混合

8、能源系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題。能源系統(tǒng)來(lái)解決這些問(wèn)題。12.1 能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)2. 電源管理電源管理在輸入電壓不穩(wěn)定且較低的情況下，實(shí)現(xiàn)低成本在輸入電壓不穩(wěn)定且較低的情況下，實(shí)現(xiàn)低成本和低能耗濾波的基本方法有幾種。當(dāng)然，選擇哪和低能耗濾波的基本方法有幾種。當(dāng)然，選擇哪種方法需要權(quán)衡利弊。種方法需要權(quán)衡利弊。比如，采用較大的開關(guān)可以減少電阻損耗，但更比如，采用較大的開關(guān)可以減少電阻損耗，但更大的開關(guān)會(huì)要求更大的開啟電源，不過(guò)該開關(guān)可大的開關(guān)會(huì)要求更大的開啟電源，不過(guò)該開關(guān)可能無(wú)法提供。能無(wú)法提供。再比如，通過(guò)降低開關(guān)頻率可以提高效率，但這再比如，通過(guò)降低開關(guān)頻率可以提高效率，但這要求

9、使用較大的濾波器。要求使用較大的濾波器。 12.1 能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù)能源采集轉(zhuǎn)換技術(shù) 重要的一點(diǎn)是，對(duì)于僅能產(chǎn)生幾毫瓦功率的系統(tǒng)重要的一點(diǎn)是，對(duì)于僅能產(chǎn)生幾毫瓦功率的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，管理電源所消耗的開銷可能等于甚至大于來(lái)說(shuō)，管理電源所消耗的開銷可能等于甚至大于系統(tǒng)所產(chǎn)生的。通常，像給系統(tǒng)所產(chǎn)生的。通常，像給MOSFET 柵極電容充柵極電容充電這樣簡(jiǎn)單的任務(wù)可能消耗大量的電能。電這樣簡(jiǎn)單的任務(wù)可能消耗大量的電能。 在上述這些情況下，可以考慮使用電流源柵極充在上述這些情況下，可以考慮使用電流源柵極充電，而不是電壓源柵極沖電。這種方案的結(jié)果是，電，而不是電壓源柵極沖電。這種方案的結(jié)果是，電路將變得更加復(fù)雜

10、，但電能損耗和電路泄漏將電路將變得更加復(fù)雜，但電能損耗和電路泄漏將得到更好的控制。得到更好的控制。12.1.2 光伏技術(shù)光伏技術(shù)太陽(yáng)能是一種輻射能，太陽(yáng)能發(fā)電意味著將太陽(yáng)太陽(yáng)能是一種輻射能，太陽(yáng)能發(fā)電意味著將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換成電能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才光直接轉(zhuǎn)換成電能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。能轉(zhuǎn)換成為電能。將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程確切地說(shuō)應(yīng)叫光伏將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)程確切地說(shuō)應(yīng)叫光伏效應(yīng)。效應(yīng)。不需要借助其它任何機(jī)械部件，光線中的能量被不需要借助其它任何機(jī)械部件，光線中的能量被半導(dǎo)體器件的電子獲得，于是就產(chǎn)生了電能。這半導(dǎo)體器件的電子獲得，于是就產(chǎn)生了電能。這種把光能

11、轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽(yáng)種把光能轉(zhuǎn)換成為電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是太陽(yáng)能電池。能電池。12.1.2 光伏技術(shù)光伏技術(shù)太陽(yáng)能電池的主要材料是高純硅，是經(jīng)過(guò)特殊的提太陽(yáng)能電池的主要材料是高純硅，是經(jīng)過(guò)特殊的提純處理制作。純處理制作。太陽(yáng)能電池只要受到陽(yáng)光或燈光的照射，能夠把光太陽(yáng)能電池只要受到陽(yáng)光或燈光的照射，能夠把光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使電流從一方流向另一方，一般就能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，使電流從一方流向另一方，一般就可發(fā)出相當(dāng)于所接收光能可發(fā)出相當(dāng)于所接收光能1020% 的電來(lái)。的電來(lái)。一般光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的電能就越多。為了使太陽(yáng)能一般光線越強(qiáng)，產(chǎn)生的電能就越多。為了使太陽(yáng)能電池板最大限度地減少光反射，將

12、光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，電池板最大限度地減少光反射，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，一般在它的上面都蒙上一層防止光反射的膜，使太一般在它的上面都蒙上一層防止光反射的膜，使太?yáng)能板的表面呈紫色。陽(yáng)能板的表面呈紫色。 12.1.2 光伏技術(shù)光伏技術(shù)它的工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體它的工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體PN結(jié)的光生伏打結(jié)的光生伏打效應(yīng)。效應(yīng)。所謂光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體所謂光生伏打效應(yīng)就是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。流的一種效應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體的當(dāng)太陽(yáng)光或其他光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，就會(huì)結(jié)時(shí)，就會(huì)在在PN結(jié)的兩邊出

13、現(xiàn)電壓結(jié)的兩邊出現(xiàn)電壓,叫做光生電壓。這種現(xiàn)叫做光生電壓。這種現(xiàn)象就是著名的光生伏打效應(yīng)。使象就是著名的光生伏打效應(yīng)。使PN結(jié)短路，就結(jié)短路，就會(huì)產(chǎn)生電流。會(huì)產(chǎn)生電流。 12.1.3 生物發(fā)電生物發(fā)電生物發(fā)電就是人類利用能夠產(chǎn)生強(qiáng)生物電的生生物發(fā)電就是人類利用能夠產(chǎn)生強(qiáng)生物電的生物，并收集、轉(zhuǎn)化利用其產(chǎn)生的生物電的一種物，并收集、轉(zhuǎn)化利用其產(chǎn)生的生物電的一種發(fā)電方式。發(fā)電方式。生物發(fā)電原理生物發(fā)電原理 12.1.3 生物發(fā)電生物發(fā)電1. 基本概念基本概念 生物質(zhì)是植物通過(guò)光合作用生成的有機(jī)物，包括植生物質(zhì)是植物通過(guò)光合作用生成的有機(jī)物，包括植物、動(dòng)物排泄物，垃圾及有機(jī)廢水等，是生物質(zhì)能物、動(dòng)物

14、排泄物，垃圾及有機(jī)廢水等，是生物質(zhì)能的載體，是唯一的可儲(chǔ)存和可運(yùn)輸?shù)目稍偕茉础５妮d體，是唯一的可儲(chǔ)存和可運(yùn)輸?shù)目稍偕茉础?從化學(xué)的角度上看，生物質(zhì)的組成是從化學(xué)的角度上看，生物質(zhì)的組成是CH化合物，化合物，它與常規(guī)的礦物能源如石油、煤等是同類，（煤和它與常規(guī)的礦物能源如石油、煤等是同類，（煤和石油都是生物質(zhì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期轉(zhuǎn)換而來(lái)的），所以它的石油都是生物質(zhì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期轉(zhuǎn)換而來(lái)的），所以它的特性和利用方式與礦物燃料有很大的相似性。特性和利用方式與礦物燃料有很大的相似性。 12.1.3 生物發(fā)電生物發(fā)電2. 能源意義能源意義 生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四生物質(zhì)是僅次于煤炭、石油、天然氣的第四大

15、能源，在整個(gè)能源系統(tǒng)占有重要地位生物質(zhì)能大能源，在整個(gè)能源系統(tǒng)占有重要地位生物質(zhì)能一直是人類賴以生存的重要能源之一，一直是人類賴以生存的重要能源之一， 就其能源當(dāng)量而言，是僅次于煤、油、天然氣而就其能源當(dāng)量而言，是僅次于煤、油、天然氣而列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物質(zhì)能列第四位的能源，在世界能源消耗中，生物質(zhì)能占總能耗的占總能耗的14%，但在發(fā)展中國(guó)家占，但在發(fā)展中國(guó)家占40%以上。以上。 采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料，主要用采用新技術(shù)生產(chǎn)的各種生物質(zhì)替代燃料，主要用于生活、供熱和發(fā)電等方面。于生活、供熱和發(fā)電等方面。 12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù) 說(shuō)到壓電發(fā)電技術(shù)，我們先要回

16、溯到說(shuō)到壓電發(fā)電技術(shù)，我們先要回溯到1880年。年。當(dāng)年居里兄弟在石英晶體中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)年居里兄弟在石英晶體中發(fā)現(xiàn)：晶體受到機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷；晶體受到機(jī)械應(yīng)力的作用時(shí)，其表面會(huì)產(chǎn)生電荷；反之，當(dāng)外加電場(chǎng)于晶體時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生形變。反之，當(dāng)外加電場(chǎng)于晶體時(shí)，晶體會(huì)產(chǎn)生形變。前者被命名為正壓電效應(yīng)，后者則被稱之為逆壓電前者被命名為正壓電效應(yīng)，后者則被稱之為逆壓電效應(yīng)。效應(yīng)。12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)100多年過(guò)去，壓電學(xué)和壓電材料經(jīng)過(guò)了石英多年過(guò)去，壓電學(xué)和壓電材料經(jīng)過(guò)了石英晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、弛豫鐵電晶體、鈦酸鋇陶瓷、鋯鈦酸鉛陶瓷、弛豫鐵電單晶等幾個(gè)里程碑的發(fā)展，各種

17、壓電傳感器、單晶等幾個(gè)里程碑的發(fā)展，各種壓電傳感器、換能器和驅(qū)動(dòng)器在水聲、超聲、激光、紅外、換能器和驅(qū)動(dòng)器在水聲、超聲、激光、紅外、電光等技術(shù)領(lǐng)域中成為不可替代的重要器件。電光等技術(shù)領(lǐng)域中成為不可替代的重要器件。 12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)壓電發(fā)電正是這樣一種技術(shù)壓電發(fā)電正是這樣一種技術(shù)利用壓電材料利用壓電材料的正壓電效應(yīng)將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，的正壓電效?yīng)將機(jī)械振動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，從而將如人體走路的踩踏、機(jī)械振動(dòng)，甚至噪從而將如人體走路的踩踏、機(jī)械振動(dòng)，甚至噪音等形式的振動(dòng)能量收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換音等形式的振動(dòng)能量收集起來(lái)，經(jīng)過(guò)能量轉(zhuǎn)換-整流整流-存儲(chǔ)存儲(chǔ)-供電等諸多環(huán)節(jié)，應(yīng)用于生活。供

18、電等諸多環(huán)節(jié)，應(yīng)用于生活。這種能量收集系統(tǒng)幫助我們利用曾被白白耗費(fèi)這種能量收集系統(tǒng)幫助我們利用曾被白白耗費(fèi)的能源。的能源。 12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)1. 壓電效應(yīng)及其理論解釋壓電效應(yīng)及其理論解釋 當(dāng)壓電體發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其極化強(qiáng)度發(fā)生變化，當(dāng)壓電體發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其極化強(qiáng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致表面吸附的自由電荷隨之而變。導(dǎo)致表面吸附的自由電荷隨之而變。如果將兩個(gè)表面裝上電極并用導(dǎo)線接通，變化的自如果將兩個(gè)表面裝上電極并用導(dǎo)線接通，變化的自由電荷便從一個(gè)極板移至另一極板，形成電流。由電荷便從一個(gè)極板移至另一極板，形成電流。如果壓電體上加交變電場(chǎng)，則壓電體就會(huì)交替出現(xiàn)如果壓電體上加交變電場(chǎng)，則壓電

19、體就會(huì)交替出現(xiàn)伸長(zhǎng)和壓縮，即發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。伸長(zhǎng)和壓縮，即發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。 12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)壓電效應(yīng)的解釋：壓電效應(yīng)的解釋：在離子性的晶體中，正、負(fù)離子有規(guī)則地交錯(cuò)在離子性的晶體中，正、負(fù)離子有規(guī)則地交錯(cuò)配置，構(gòu)成結(jié)晶點(diǎn)陣。這樣就形成了固有電矩，配置，構(gòu)成結(jié)晶點(diǎn)陣。這樣就形成了固有電矩，在晶體表面出現(xiàn)了極化電荷，又由于晶體暴露在晶體表面出現(xiàn)了極化電荷，又由于晶體暴露在空氣中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，這些電荷便被降落在空氣中，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，這些電荷便被降落到晶面上的、空氣中的異號(hào)離子所中和，因此到晶面上的、空氣中的異號(hào)離子所中和，因此極化面電荷和電矩都不會(huì)顯現(xiàn)。極化面電荷和電矩都不會(huì)顯現(xiàn)。12.

20、1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)但是，當(dāng)晶體發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，晶格就會(huì)發(fā)生但是，當(dāng)晶體發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，晶格就會(huì)發(fā)生變化。這樣，電矩產(chǎn)生變化，表面極化電荷數(shù)變化。這樣，電矩產(chǎn)生變化，表面極化電荷數(shù)值也發(fā)生改變。值也發(fā)生改變。于是，面上正電荷或負(fù)電荷都有了可以測(cè)出的于是，面上正電荷或負(fù)電荷都有了可以測(cè)出的增量增量(增加或減少增加或減少)，這種增量就是壓電效應(yīng)的，這種增量就是壓電效應(yīng)的電量。電量。12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)2. 壓電效應(yīng)的應(yīng)用壓電效應(yīng)的應(yīng)用 我們把根據(jù)壓電效應(yīng)制作出的材料叫壓電陶瓷，我們把根據(jù)壓電效應(yīng)制作出的材料叫壓電陶瓷， 利用它可以制作石英諧振器，陶瓷濾波器、陷波利用它可以制作石英諧振

21、器，陶瓷濾波器、陷波器、鑒頻器、拾音器、發(fā)聲器，超聲波發(fā)聲器等器、鑒頻器、拾音器、發(fā)聲器，超聲波發(fā)聲器等器件，還可以作為電子打火機(jī)、煤氣點(diǎn)火栓的電器件，還可以作為電子打火機(jī)、煤氣點(diǎn)火栓的電源。源。12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)（1）石英晶體諧振器）石英晶體諧振器 在石英晶體上加一交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變?cè)谑⒕w上加一交變電壓，就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變的電形振動(dòng)，同時(shí)機(jī)械變形振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)。場(chǎng)。 由于石英晶片具有固有的振動(dòng)頻率由于石英晶片具有固有的振動(dòng)頻率(稱為石英稱為石英晶體的諧振頻率晶體的諧振頻率)，因此，當(dāng)交變電壓的頻率，因此，當(dāng)交變電壓的頻率等于石英晶

22、片的諧振頻率時(shí)，這種振動(dòng)就會(huì)突等于石英晶片的諧振頻率時(shí)，這種振動(dòng)就會(huì)突然增加，而在電路中反映出諧振特性。這種現(xiàn)然增加，而在電路中反映出諧振特性。這種現(xiàn)象稱為壓電諧振效應(yīng)。象稱為壓電諧振效應(yīng)。12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù) 根據(jù)壓電諧振效應(yīng)可以制作出石英諧振器，這根據(jù)壓電諧振效應(yīng)可以制作出石英諧振器，這種諧振器因具有極高的品質(zhì)因數(shù)和極高的穩(wěn)定種諧振器因具有極高的品質(zhì)因數(shù)和極高的穩(wěn)定性。性。 已經(jīng)被應(yīng)用于對(duì)講機(jī)，電子手表、電視機(jī)、電已經(jīng)被應(yīng)用于對(duì)講機(jī)，電子手表、電視機(jī)、電子儀器等產(chǎn)品中作壓控振蕩器使用。子儀器等產(chǎn)品中作壓控振蕩器使用。 用石英諧振器來(lái)控制振蕩頻率的振蕩器稱為晶用石英諧振器來(lái)控制振蕩

23、頻率的振蕩器稱為晶體振蕩器，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到體振蕩器，它的頻率穩(wěn)定度可達(dá)到10 數(shù)量級(jí)。數(shù)量級(jí)。12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)（2） 發(fā)電地板、發(fā)電公路、發(fā)電行囊和其他發(fā)電地板、發(fā)電公路、發(fā)電行囊和其他2010年上海世博會(huì)上，日本館展示了壓電發(fā)電地板，年上海世博會(huì)上，日本館展示了壓電發(fā)電地板，參觀者輕輕幾步就可將電燈點(diǎn)亮參觀者輕輕幾步就可將電燈點(diǎn)亮. 日本的日本的NEC等公司等公司聯(lián)合開發(fā)了新型發(fā)光道路標(biāo)識(shí)，在公路下埋有壓電發(fā)聯(lián)合開發(fā)了新型發(fā)光道路標(biāo)識(shí)，在公路下埋有壓電發(fā)電裝置，使其驅(qū)動(dòng)電裝置，使其驅(qū)動(dòng)LED發(fā)光指示牌，基本達(dá)到可自供發(fā)光指示牌，基本達(dá)到可自供電的實(shí)用水平。電的實(shí)用水平。以

24、色列技術(shù)研究院也在普通路面的瀝青中植入大量的以色列技術(shù)研究院也在普通路面的瀝青中植入大量的壓電晶體，通過(guò)汽車駛過(guò)時(shí)的壓電轉(zhuǎn)換來(lái)發(fā)電。據(jù)測(cè)壓電晶體，通過(guò)汽車駛過(guò)時(shí)的壓電轉(zhuǎn)換來(lái)發(fā)電。據(jù)測(cè)算，算，1公里的路面能產(chǎn)生約公里的路面能產(chǎn)生約100400千瓦的電力。千瓦的電力。 12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)此外，為了提高能量獲得效率，研發(fā)人員一般此外，為了提高能量獲得效率，研發(fā)人員一般在設(shè)計(jì)時(shí)將壓電、熱電、光伏等多種能量同時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)將壓電、熱電、光伏等多種能量同時(shí)收集利用。收集利用。如美國(guó)軍方正在開發(fā)一種士兵邊行軍邊發(fā)電的如美國(guó)軍方正在開發(fā)一種士兵邊行軍邊發(fā)電的裝置。士兵們可對(duì)所攜帶的電子設(shè)備進(jìn)行自助裝置

25、。士兵們可對(duì)所攜帶的電子設(shè)備進(jìn)行自助供電，從而不必?cái)y帶重達(dá)供電，從而不必?cái)y帶重達(dá)10公斤的儲(chǔ)能電池，公斤的儲(chǔ)能電池，大幅度減少行軍負(fù)重。大幅度減少行軍負(fù)重。 12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)目前壓電換能器大多采用目前壓電換能器大多采用PZT-5H型壓電陶瓷，結(jié)型壓電陶瓷，結(jié)構(gòu)形狀有陶瓷片、陶瓷懸臂梁、壓電鼓、壓電鐃構(gòu)形狀有陶瓷片、陶瓷懸臂梁、壓電鼓、壓電鐃鈸以及多層陶瓷結(jié)構(gòu)等。鈸以及多層陶瓷結(jié)構(gòu)等。單個(gè)壓電發(fā)電單元一般可輸出電壓?jiǎn)蝹€(gè)壓電發(fā)電單元一般可輸出電壓520伏，電流伏，電流為毫安級(jí)，功率達(dá)到幾十毫瓦級(jí)，能滿足網(wǎng)絡(luò)傳為毫安級(jí)，功率達(dá)到幾十毫瓦級(jí)，能滿足網(wǎng)絡(luò)傳感器等低耗能電子產(chǎn)品的供能需求。感

26、器等低耗能電子產(chǎn)品的供能需求。為了增大發(fā)電功率，必須采用多個(gè)元件并聯(lián)方式，為了增大發(fā)電功率，必須采用多個(gè)元件并聯(lián)方式，以提高裝置的輸出電流。以提高裝置的輸出電流。12.1.4 壓電技術(shù)壓電技術(shù)3）納米發(fā)電機(jī)）納米發(fā)電機(jī) 科學(xué)家研究了一種壓電納米發(fā)電機(jī)，以氧化鋅納科學(xué)家研究了一種壓電納米發(fā)電機(jī)，以氧化鋅納米線為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上把機(jī)械能轉(zhuǎn)化米線為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了在納米尺度上把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。為電能。 納米線的直徑一般小于納米線的直徑一般小于100 納米，但其長(zhǎng)度可以納米，但其長(zhǎng)度可以達(dá)到數(shù)微米，如此大的長(zhǎng)徑比使得很小的力便可達(dá)到數(shù)微米，如此大的長(zhǎng)徑比使得很小的力便可將納米線彎曲而產(chǎn)生電勢(shì)差。

27、這意味著只要?jiǎng)泳蛯⒓{米線彎曲而產(chǎn)生電勢(shì)差。這意味著只要?jiǎng)泳湍馨l(fā)電，無(wú)須行走，微弱的肌肉運(yùn)動(dòng)也可以帶動(dòng)能發(fā)電，無(wú)須行走，微弱的肌肉運(yùn)動(dòng)也可以帶動(dòng)納米發(fā)電機(jī)。納米發(fā)電機(jī)。12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 1. 能量的形式能量的形式 能量以多種形式出現(xiàn)，包括輻射、物體運(yùn)動(dòng)、處能量以多種形式出現(xiàn)，包括輻射、物體運(yùn)動(dòng)、處于激發(fā)狀態(tài)的原子、分子內(nèi)部及分子之間的應(yīng)變于激發(fā)狀態(tài)的原子、分子內(nèi)部及分子之間的應(yīng)變力。力。 能量的形式可以用不同的方法來(lái)描述。聲能主要能量的形式可以用不同的方法來(lái)描述。聲能主要是分子前后有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)；熱能是分子的無(wú)規(guī)則是分子前后有規(guī)律的運(yùn)動(dòng)；熱能是分子的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)；重力能產(chǎn)生于分

28、隔物體的相互吸引；儲(chǔ)存運(yùn)動(dòng)；重力能產(chǎn)生于分隔物體的相互吸引；儲(chǔ)存在機(jī)械應(yīng)力中的能量，則是由于分離的電子相互在機(jī)械應(yīng)力中的能量，則是由于分離的電子相互吸引的結(jié)果。吸引的結(jié)果。 12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 能量即不能產(chǎn)生也不能消失，能量轉(zhuǎn)換是指從一能量即不能產(chǎn)生也不能消失，能量轉(zhuǎn)換是指從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或是從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式或是從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)物體。另一個(gè)物體。不論什么時(shí)候，一個(gè)地方或一種形式的能量減少不論什么時(shí)候，一個(gè)地方或一種形式的能量減少了，另一個(gè)地方或另一種形式就會(huì)增加同樣數(shù)量了，另一個(gè)地方或另一種形式就會(huì)增加同樣數(shù)量的能量。的能量。在一個(gè)系統(tǒng)

29、中不論發(fā)生漸變還是驟變，只要沒(méi)有在一個(gè)系統(tǒng)中不論發(fā)生漸變還是驟變，只要沒(méi)有能量進(jìn)入或者離開這個(gè)系統(tǒng)，那么系統(tǒng)內(nèi)部各種能量進(jìn)入或者離開這個(gè)系統(tǒng)，那么系統(tǒng)內(nèi)部各種能量立和將不發(fā)生變化。能量立和將不發(fā)生變化。12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 所有這些形式的重要意義在于其能量是相等的，所有這些形式的重要意義在于其能量是相等的，也就是說(shuō)一種形式的能量可以轉(zhuǎn)變成另一種形也就是說(shuō)一種形式的能量可以轉(zhuǎn)變成另一種形式。式。 宇宙中發(fā)生的絕大部分事件，例如，恒星的崩宇宙中發(fā)生的絕大部分事件，例如，恒星的崩潰和爆炸、生物的生長(zhǎng)和毀滅、機(jī)器和計(jì)算機(jī)潰和爆炸、生物的生長(zhǎng)和毀滅、機(jī)器和計(jì)算機(jī)的操作中都包括能量由一種

30、形式轉(zhuǎn)化為另一種的操作中都包括能量由一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。形式。 12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 2. 能量之間轉(zhuǎn)換的各種類型及方法能量之間轉(zhuǎn)換的各種類型及方法 電能轉(zhuǎn)化熱能電能轉(zhuǎn)化熱能 電能轉(zhuǎn)化熱能一般通過(guò)熱電阻或熱輻射，例如家電能轉(zhuǎn)化熱能一般通過(guò)熱電阻或熱輻射，例如家用的電熱爐，是在熱阻絲內(nèi)通過(guò)大量電流使熱阻用的電熱爐，是在熱阻絲內(nèi)通過(guò)大量電流使熱阻絲產(chǎn)生大量熱能，通過(guò)熱輻射傳導(dǎo)給周圍環(huán)境。絲產(chǎn)生大量熱能，通過(guò)熱輻射傳導(dǎo)給周圍環(huán)境。 也可以通過(guò)微波裝置，使電能轉(zhuǎn)化成微波，通過(guò)也可以通過(guò)微波裝置，使電能轉(zhuǎn)化成微波，通過(guò)直接的熱輻射轉(zhuǎn)為熱能直接的熱輻射轉(zhuǎn)為熱能12.1.5 能量轉(zhuǎn)換

31、裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 熱能轉(zhuǎn)化電能熱能轉(zhuǎn)化電能 至今為止，人們還沒(méi)想出很有效率的方法可以至今為止，人們還沒(méi)想出很有效率的方法可以讓熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，似乎人們只發(fā)明了電讓熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，似乎人們只發(fā)明了電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化的裝置，所以，如果想任何形能和機(jī)械能轉(zhuǎn)化的裝置，所以，如果想任何形式能量轉(zhuǎn)換為電能，必須先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。式能量轉(zhuǎn)換為電能，必須先轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。 但是，有的物質(zhì)如陶瓷等，在溫度變化時(shí)可以但是，有的物質(zhì)如陶瓷等，在溫度變化時(shí)可以產(chǎn)生電勢(shì)差，進(jìn)而產(chǎn)生微弱電能，但無(wú)法用于產(chǎn)生電勢(shì)差，進(jìn)而產(chǎn)生微弱電能，但無(wú)法用于發(fā)電。發(fā)電。 12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 機(jī)械能轉(zhuǎn)化電能機(jī)械能轉(zhuǎn)化

32、電能 通過(guò)切割電磁圈的磁感線，可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)化通過(guò)切割電磁圈的磁感線，可以使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在電機(jī)中，機(jī)械能和電能可以互逆轉(zhuǎn)為電能。在電機(jī)中，機(jī)械能和電能可以互逆轉(zhuǎn)換。換。 光能轉(zhuǎn)化電能光能轉(zhuǎn)化電能 可以通過(guò)光電效應(yīng)使光照射在金屬表面而輻射可以通過(guò)光電效應(yīng)使光照射在金屬表面而輻射出電子，通過(guò)這種方法，人們?cè)O(shè)計(jì)了太陽(yáng)能板，出電子，通過(guò)這種方法，人們?cè)O(shè)計(jì)了太陽(yáng)能板，太陽(yáng)能板是通過(guò)陽(yáng)光照射硅晶體的太陽(yáng)能板是通過(guò)陽(yáng)光照射硅晶體的PN結(jié)產(chǎn)生結(jié)產(chǎn)生空穴電壓產(chǎn)生電能的，光能就是最受關(guān)注的清空穴電壓產(chǎn)生電能的，光能就是最受關(guān)注的清潔能源之一。潔能源之一。 12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 化學(xué)能轉(zhuǎn)化電

33、能化學(xué)能轉(zhuǎn)化電能 通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使得正電子和負(fù)電子分別在陽(yáng)極通過(guò)化學(xué)反應(yīng)使得正電子和負(fù)電子分別在陽(yáng)極和陰極匯聚，其實(shí)這也是電池的充電過(guò)程。和陰極匯聚，其實(shí)這也是電池的充電過(guò)程。 電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能電能轉(zhuǎn)化機(jī)械能 借助電磁感應(yīng)效應(yīng)，人們?cè)O(shè)計(jì)了電機(jī)，可以使借助電磁感應(yīng)效應(yīng)，人們?cè)O(shè)計(jì)了電機(jī)，可以使電能輕松轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在電機(jī)中，電能和機(jī)電能輕松轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。在電機(jī)中，電能和機(jī)械能可以互逆轉(zhuǎn)換。械能可以互逆轉(zhuǎn)換。12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 化學(xué)能轉(zhuǎn)化熱能化學(xué)能轉(zhuǎn)化熱能 可以通過(guò)核裂變使得熵值大量增加，進(jìn)而產(chǎn)生可以通過(guò)核裂變使得熵值大量增加，進(jìn)而產(chǎn)生大量熱能傳導(dǎo)出去。在核裂變過(guò)程中，不僅產(chǎn)大量熱能

34、傳導(dǎo)出去。在核裂變過(guò)程中，不僅產(chǎn)生大量熱能，還產(chǎn)生大量光能及機(jī)械能等。生大量熱能，還產(chǎn)生大量光能及機(jī)械能等。 還有一種方法就是通過(guò)可燃物的燃燒，伴隨著還有一種方法就是通過(guò)可燃物的燃燒，伴隨著光能的同時(shí)也產(chǎn)生大量熱能。光能的同時(shí)也產(chǎn)生大量熱能。 12.1.5 能量轉(zhuǎn)換裝置能量轉(zhuǎn)換裝置 熱能轉(zhuǎn)化機(jī)械能熱能轉(zhuǎn)化機(jī)械能 至今人們想到的最好方法，只有通過(guò)加熱水進(jìn)而至今人們想到的最好方法，只有通過(guò)加熱水進(jìn)而通過(guò)水蒸氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械做功，自從瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)通過(guò)水蒸氣驅(qū)動(dòng)機(jī)械做功，自從瓦特發(fā)明蒸汽機(jī)以來(lái)，人們一直沿用這個(gè)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。以來(lái)，人們一直沿用這個(gè)方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 機(jī)械能轉(zhuǎn)化熱能機(jī)械能轉(zhuǎn)化熱能 機(jī)械做功摩擦可

35、以產(chǎn)生熱能，但一般效率不高，機(jī)械做功摩擦可以產(chǎn)生熱能，但一般效率不高，而且在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法通過(guò)這樣的轉(zhuǎn)化大量提供而且在實(shí)際應(yīng)用中無(wú)法通過(guò)這樣的轉(zhuǎn)化大量提供熱能，只作為機(jī)械能的能量損耗而已。熱能，只作為機(jī)械能的能量損耗而已。 光能轉(zhuǎn)化熱能光能轉(zhuǎn)化熱能 光能在照射到物體時(shí)，自然就會(huì)伴隨熱能的傳導(dǎo)，光能在照射到物體時(shí)，自然就會(huì)伴隨熱能的傳導(dǎo)，但不同波段的光波導(dǎo)熱能力不同。但不同波段的光波導(dǎo)熱能力不同。 12.2.1 薄膜電池薄膜電池薄膜電池顧名思義就是將一層薄膜制備成太陽(yáng)薄膜電池顧名思義就是將一層薄膜制備成太陽(yáng)能電池，其用硅量極少，更容易降低成本，目能電池，其用硅量極少，更容易降低成本，目前已經(jīng)能進(jìn)

36、行產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主前已經(jīng)能進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)的薄膜電池主要有要有3種：種：硅基薄膜太陽(yáng)能電池、硅基薄膜太陽(yáng)能電池、銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池（銅銦鎵硒薄膜太陽(yáng)能電池（CIGS）、）、碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池（碲化鎘薄膜太陽(yáng)能電池（CdTe）。）。 12.2.1 薄膜電池薄膜電池1. 薄膜電池發(fā)電原理薄膜電池發(fā)電原理 薄膜電池發(fā)電原理與晶硅相似，當(dāng)太陽(yáng)光照射薄膜電池發(fā)電原理與晶硅相似，當(dāng)太陽(yáng)光照射到電池上時(shí)，電池吸收光能產(chǎn)生到電池上時(shí)，電池吸收光能產(chǎn)生”光生電子光生電子空穴對(duì)空穴對(duì)” 在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴被在電池內(nèi)建電場(chǎng)的作用下，光生電子和空穴被分離，空穴漂移到分離，空穴

37、漂移到P 側(cè)，電子漂移到側(cè)，電子漂移到N 側(cè)，形側(cè)，形成光生電動(dòng)勢(shì)，外電路接通時(shí)，產(chǎn)生電流。成光生電動(dòng)勢(shì)，外電路接通時(shí)，產(chǎn)生電流。 12.2.1 薄膜電池薄膜電池薄膜太陽(yáng)電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、薄膜太陽(yáng)電池可以使用在價(jià)格低廉的玻璃、塑料、陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來(lái)制造，陶瓷、石墨，金屬片等不同材料當(dāng)基板來(lái)制造，形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)形成可產(chǎn)生電壓的薄膜厚度僅需數(shù)m，因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽(yáng)能電池因此在同一受光面積之下可較硅晶圓太陽(yáng)能電池大幅減少原料的用量大幅減少原料的用量(厚度可低于硅晶圓太陽(yáng)能電厚度可低于硅晶圓太陽(yáng)能電池池90%以上以上)，目前轉(zhuǎn)換效

38、率最高以可達(dá)，目前轉(zhuǎn)換效率最高以可達(dá)13%。12.2.1 薄膜電池薄膜電池薄膜電池太陽(yáng)電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂斜∧る姵靥?yáng)電池除了平面之外，也因?yàn)榫哂锌蓳闲钥梢灾谱鞒煞瞧矫鏄?gòu)造其應(yīng)用范圍大，可撓性可以制作成非平面構(gòu)造其應(yīng)用范圍大，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，可與建筑物結(jié)合或是變成建筑體的一部份，在薄膜太陽(yáng)電池制造上，則可使用各式各樣的在薄膜太陽(yáng)電池制造上，則可使用各式各樣的沉積沉積(deposition)技術(shù)，一層又一層地把技術(shù)，一層又一層地把p-型型或或n-型材料長(zhǎng)上去，型材料長(zhǎng)上去，常見的薄膜太陽(yáng)電池有非晶硅、常見的薄膜太陽(yáng)電池有非晶硅、CuInSe2 (CIS)、CuInG

39、aSe2 (CIGS)、和、和CdTe.等。等。 12.2.1 薄膜電池薄膜電池2. 薄膜電池的優(yōu)點(diǎn)薄膜電池的優(yōu)點(diǎn) （1）成本低）成本低 （2）弱光性好）弱光性好 （3）適合與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電組件）適合與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電組件(BIPV) 3. 薄膜電池的缺點(diǎn)薄膜電池的缺點(diǎn) （1）效率低）效率低 （2）穩(wěn)定性差）穩(wěn)定性差 （3）相同的輸出電量所需太陽(yáng)能電池面積增加）相同的輸出電量所需太陽(yáng)能電池面積增加 12.2.1 薄膜電池薄膜電池4. 發(fā)展趨勢(shì)發(fā)展趨勢(shì) 近年來(lái)近年來(lái),業(yè)界對(duì)以薄膜取代硅晶制造太陽(yáng)業(yè)界對(duì)以薄膜取代硅晶制造太陽(yáng)能電池在技術(shù)上已有足夠的把握。能電池在技術(shù)上已有足夠的把握。 日本產(chǎn)

40、業(yè)技術(shù)綜合研究所于去年日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所于去年2月已經(jīng)研制月已經(jīng)研制出目前世界上太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率最高的有機(jī)薄膜太出目前世界上太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換率最高的有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換率已達(dá)到現(xiàn)有有機(jī)薄膜太陽(yáng)陽(yáng)能電池，其轉(zhuǎn)換率已達(dá)到現(xiàn)有有機(jī)薄膜太陽(yáng)能電池的能電池的4倍。倍。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來(lái)工作。在充放電過(guò)程中，在充放電過(guò)程中，Li+ 在兩個(gè)電極之間往返嵌入在兩個(gè)電極之間往返嵌入和脫嵌：和脫嵌：充電池時(shí)，充電池時(shí)，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)從正極脫嵌，

41、經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為放電時(shí)則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池。是現(xiàn)代高性能電池的代表。電極的電池。是現(xiàn)代高性能電池的代表。12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池原理結(jié)構(gòu)鋰離子電池原理結(jié)構(gòu) 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池1. 鋰系電池概述鋰系電池概述 鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機(jī)鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。目前手機(jī)和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)性大，俗稱其為鋰電池，而真正的鋰電池由于危險(xiǎn)

42、性大，很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。很少應(yīng)用于日常電子產(chǎn)品。 鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放鋰離子電池能量密度大，平均輸出電壓高。自放電小，每月在電小，每月在2%以下。沒(méi)有記憶效應(yīng)。循環(huán)性能以下。沒(méi)有記憶效應(yīng)。循環(huán)性能優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)優(yōu)越、可快速充放電、充電效率高達(dá)100%，而且，而且輸出功率大。使用壽命長(zhǎng)。不含有毒有害物質(zhì)，輸出功率大。使用壽命長(zhǎng)。不含有毒有害物質(zhì)，被稱為綠色電池。被稱為綠色電池。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池2. 作用機(jī)理作用機(jī)理 鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化鋰離子電池以碳素材料為負(fù)極，以含鋰的化合物作正極，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，

43、鋰合物作正極，沒(méi)有金屬鋰存在，只有鋰離子，鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。池的總稱。 鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。脫嵌過(guò)程。12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池 在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離在鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程中，同時(shí)伴隨著與鋰離子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或子等當(dāng)量電子的嵌入和脫嵌（習(xí)慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。脫嵌表示，而負(fù)極用插入或脫插表示）。 在充放電過(guò)程中，鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入在充放電過(guò)程中，

44、鋰離子在正、負(fù)極之間往返嵌入/脫嵌和插入脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為脫插，被形象地稱為“搖椅電池?fù)u椅電池”。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池（1）充電）充電 鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)階段：恒流快充鋰離子電池的充電過(guò)程分為兩個(gè)階段：恒流快充階段和恒壓電流遞減階段。階段和恒壓電流遞減階段。 恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)恒流快充階段，電池電壓逐步升高到電池的標(biāo)準(zhǔn)電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不電壓，隨后在控制芯片下轉(zhuǎn)入恒壓階段，電壓不再升高以確保不會(huì)過(guò)充，電流則隨著電池電量的再升高以確保不會(huì)過(guò)充，電流則隨著電池電量的上升逐步減弱到設(shè)定的值，而最終完成充電。上升逐步減

45、弱到設(shè)定的值，而最終完成充電。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池 鋰離子電池過(guò)度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性鋰離子電池過(guò)度充放電會(huì)對(duì)正負(fù)極造成永久性損壞。損壞。 過(guò)度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌過(guò)度放電導(dǎo)致負(fù)極碳片層結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塌陷，而塌陷會(huì)造成充電過(guò)程中鋰離子無(wú)法插入；陷會(huì)造成充電過(guò)程中鋰離子無(wú)法插入； 過(guò)度充電使過(guò)多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而過(guò)度充電使過(guò)多的鋰離子嵌入負(fù)極碳結(jié)構(gòu)，而造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。造成其中部分鋰離子再也無(wú)法釋放出來(lái)。12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池 充電量等于充電電流乘以充電時(shí)間，在充電控充電量等于充電電流乘以充電時(shí)間，在充電控制電壓一定的情況下，

46、充電電流越大（充電速度制電壓一定的情況下，充電電流越大（充電速度越快），充電電量越小。越快），充電電量越小。 電池充電速度過(guò)快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng)，同樣電池充電速度過(guò)快和終止電壓控制點(diǎn)不當(dāng)，同樣會(huì)造成電池容量不足，實(shí)際是電池的部分電極活會(huì)造成電池容量不足，實(shí)際是電池的部分電極活性物質(zhì)沒(méi)有得到充分反應(yīng)就停止充電，這種充電性物質(zhì)沒(méi)有得到充分反應(yīng)就停止充電，這種充電不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。不足的現(xiàn)象隨著循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池（2）放電）放電 第一次充放電，如果時(shí)間能較長(zhǎng)第一次充放電，如果時(shí)間能較長(zhǎng)(一般一般3-4小小時(shí)足夠時(shí)足夠)，那么可以使電極盡可能

47、多的達(dá)到最高氧，那么可以使電極盡可能多的達(dá)到最高氧化態(tài)（充足電），放電（或使用）時(shí)則強(qiáng)制放到化態(tài)（充足電），放電（或使用）時(shí)則強(qiáng)制放到規(guī)定的電壓、或直至自動(dòng)關(guān)機(jī)，如此能激活電池規(guī)定的電壓、或直至自動(dòng)關(guān)機(jī)，如此能激活電池使用容量。使用容量。 但在鋰離子電池的平常使用中，可以隨時(shí)根但在鋰離子電池的平常使用中，可以隨時(shí)根據(jù)需要充電，充電時(shí)既不必要一定充滿電為止，據(jù)需要充電，充電時(shí)既不必要一定充滿電為止，也不需要先放電。象首次充放電那樣的操作，只也不需要先放電。象首次充放電那樣的操作，只需要每隔需要每隔3-4個(gè)月進(jìn)行連續(xù)的個(gè)月進(jìn)行連續(xù)的1-2次即可。次即可。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池3. 鋰

48、離子電池鋰離子電池(Li-ion) 可充電鋰離子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦可充電鋰離子電池是目前手機(jī)、筆記本電腦等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為等現(xiàn)代數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的電池，但它較為“嬌氣嬌氣”，在使用中不可過(guò)充、過(guò)放，在使用中不可過(guò)充、過(guò)放(會(huì)損壞電會(huì)損壞電池或使之報(bào)廢池或使之報(bào)廢)。 因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止因此，在電池上有保護(hù)元器件或保護(hù)電路以防止昂貴的電池?fù)p壞。鋰離子電池充電要求很高，要昂貴的電池?fù)p壞。鋰離子電池充電要求很高，要保證終止電壓精度在保證終止電壓精度在1%之內(nèi)，之內(nèi)， 目前各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)出多種鋰離子電池目前各大半導(dǎo)體器件廠已開發(fā)出多種

49、鋰離子電池充電的充電的IC，以保證安全、可靠、快速地充電。，以保證安全、可靠、快速地充電。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池的額定電壓，因?yàn)榻瓴牧系淖兓?，鋰離子電池的額定電壓，因?yàn)榻瓴牧系淖兓?，一般為一般?.7V，磷酸鐵鋰（以下稱磷鐵）正極的則，磷酸鐵鋰（以下稱磷鐵）正極的則為為3.2V。充滿電時(shí)的終止充電電壓一般是。充滿電時(shí)的終止充電電壓一般是4.2V，磷鐵磷鐵3.65V。鋰離子電池的終止放電電壓為鋰離子電池的終止放電電壓為2.75V3.0V(電池電池廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參廠給出工作電壓范圍或給出終止放電電壓，各參數(shù)略有不同，一般為數(shù)略有不同，一般為3.

50、0V，磷鐵為，磷鐵為2.5V)。低于。低于2.5V（磷鐵（磷鐵2.0V）繼續(xù)放電稱為過(guò)放，過(guò)放對(duì)電）繼續(xù)放電稱為過(guò)放，過(guò)放對(duì)電池會(huì)有損害。池會(huì)有損害。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是：鋰離子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是： 1）電壓高）電壓高 2） 比能量大比能量大 3）循環(huán)壽命長(zhǎng)）循環(huán)壽命長(zhǎng) 4）安全性能好：）安全性能好： 無(wú)公害，無(wú)記憶效應(yīng)無(wú)公害，無(wú)記憶效應(yīng) 5）自放電?。┳苑烹娦?6) 可快速充放電可快速充放電 7) 工作溫度范圍高工作溫度范圍高 ， 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池4. 新發(fā)展新發(fā)展 聚合物鋰離子電池聚合物鋰離子電池 聚合物鋰離子電池是在液態(tài)鋰離子電池基礎(chǔ)

51、上聚合物鋰離子電池是在液態(tài)鋰離子電池基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，以導(dǎo)電材料為正極，碳材料為負(fù)發(fā)展起來(lái)的，以導(dǎo)電材料為正極，碳材料為負(fù)極，電解質(zhì)采用固態(tài)或凝膠態(tài)有機(jī)導(dǎo)電膜組成，極，電解質(zhì)采用固態(tài)或凝膠態(tài)有機(jī)導(dǎo)電膜組成，并采用鋁塑膜做外包裝的最新一代可充鋰離子并采用鋁塑膜做外包裝的最新一代可充鋰離子電池。電池。 由于性能的更加穩(wěn)定，因此它也被視為液態(tài)鋰由于性能的更加穩(wěn)定，因此它也被視為液態(tài)鋰離子電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。離子電池的更新?lián)Q代產(chǎn)品。12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池 動(dòng)力鋰離子電池動(dòng)力鋰離子電池 動(dòng)力鋰離子電池指容量在動(dòng)力鋰離子電池指容量在3AH以上的鋰離子電池。以上的鋰離子電池。 動(dòng)力鋰離子電池分高

52、容量和高功率兩種類型。動(dòng)力鋰離子電池分高容量和高功率兩種類型。 高容量電池可用于電動(dòng)工具、自行車、滑板車、礦高容量電池可用于電動(dòng)工具、自行車、滑板車、礦燈、醫(yī)療器械等；燈、醫(yī)療器械等； 高功率電池主要用于混合動(dòng)力汽車及其它需要大電高功率電池主要用于混合動(dòng)力汽車及其它需要大電流充放電的場(chǎng)合。流充放電的場(chǎng)合。 根據(jù)內(nèi)部材料的不同，相應(yīng)地分為液態(tài)動(dòng)力鋰離子根據(jù)內(nèi)部材料的不同，相應(yīng)地分為液態(tài)動(dòng)力鋰離子電池和聚合物理離子動(dòng)力電池兩種。電池和聚合物理離子動(dòng)力電池兩種。 12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池 高性能鋰電池高性能鋰電池 為了突破傳統(tǒng)鋰電池的儲(chǔ)電瓶頸，研制一種能為了突破傳統(tǒng)鋰電池的儲(chǔ)電瓶頸，研制一

53、種能在很小的儲(chǔ)電單元內(nèi)儲(chǔ)存更多電力的全新鐵碳在很小的儲(chǔ)電單元內(nèi)儲(chǔ)存更多電力的全新鐵碳儲(chǔ)電材料。儲(chǔ)電材料。 但是此前這種材料的明顯缺點(diǎn)是充電周期不穩(wěn)但是此前這種材料的明顯缺點(diǎn)是充電周期不穩(wěn)定，在電池多次充放電后儲(chǔ)電能力明顯下降。定，在電池多次充放電后儲(chǔ)電能力明顯下降。12.2.2 鋰離子電池鋰離子電池 為此，改用一種新的合成方法。用幾種原始材料為此，改用一種新的合成方法。用幾種原始材料與一種鋰鹽混合并加熱，由此生成了一種帶有含與一種鋰鹽混合并加熱，由此生成了一種帶有含碳納米管的全新納米結(jié)構(gòu)材料。這種方法在納米碳納米管的全新納米結(jié)構(gòu)材料。這種方法在納米尺度材料上創(chuàng)建了儲(chǔ)電單元和導(dǎo)電電路。尺度材料上

54、創(chuàng)建了儲(chǔ)電單元和導(dǎo)電電路。 目前這種穩(wěn)定的鐵碳材料的儲(chǔ)電能力已達(dá)到目前這種穩(wěn)定的鐵碳材料的儲(chǔ)電能力已達(dá)到現(xiàn)有儲(chǔ)電材料的兩倍，而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本現(xiàn)有儲(chǔ)電材料的兩倍，而且生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本較低，而其高性能可以保持很長(zhǎng)時(shí)間。較低，而其高性能可以保持很長(zhǎng)時(shí)間。 12.2.3 印刷電池印刷電池 研究人員通過(guò)利用納米技術(shù)將普通鋰離子電池研究人員通過(guò)利用納米技術(shù)將普通鋰離子電池縮小并封閉到一張纖維素紙張上，采用絲網(wǎng)印縮小并封閉到一張纖維素紙張上，采用絲網(wǎng)印刷方式生產(chǎn)，類似于制造刷方式生產(chǎn)，類似于制造T恤衫。恤衫。 單層比頭發(fā)絲還薄。單層比頭發(fā)絲還薄。 印刷電池與普通電池有很大的不同。由于其輕印刷電池與普

55、通電池有很大的不同。由于其輕薄的特性，可以將其嵌入銀行卡。薄的特性，可以將其嵌入銀行卡。 電池不含有汞，十分環(huán)保。電池不含有汞，十分環(huán)保。12.2.3 印刷電池印刷電池 其電壓為其電壓為1.5伏，屬于正常電壓范圍。可以將伏，屬于正常電壓范圍?？梢詫㈦姵囟询B起來(lái)提高電壓，得到電池堆疊起來(lái)提高電壓，得到3伏、伏、 4.5伏和伏和6伏的電池，為任何電子產(chǎn)品提供電能。伏的電池，為任何電子產(chǎn)品提供電能。 薄膜和印刷電池靈活的形狀和超低的重量將使薄膜和印刷電池靈活的形狀和超低的重量將使這種新功能廣泛應(yīng)用于智能卡、這種新功能廣泛應(yīng)用于智能卡、RFID和傳感和傳感器等電子產(chǎn)品中，提高這些產(chǎn)品的有用性和市器等電

56、子產(chǎn)品中，提高這些產(chǎn)品的有用性和市場(chǎng)規(guī)模。場(chǎng)規(guī)模。12.2.4 光電池光電池 晶體硅光電池晶體硅光電池 晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用晶體硅光電池有單晶硅與多晶硅兩大類，用P型（或型（或n型）硅襯底，通過(guò)磷（或硼）擴(kuò)散形成型）硅襯底，通過(guò)磷（或硼）擴(kuò)散形成Pn結(jié)而制作成的，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場(chǎng)上的主結(jié)而制作成的，生產(chǎn)技術(shù)成熟，是光伏市場(chǎng)上的主導(dǎo)產(chǎn)品。導(dǎo)產(chǎn)品。 采用埋層電極、表面鈍化、強(qiáng)化陷光、密柵工藝、采用埋層電極、表面鈍化、強(qiáng)化陷光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流優(yōu)化背電極及接觸電極等技術(shù)，提高材料中的載流子收集效率，優(yōu)化抗反射膜、子收集效率，優(yōu)化抗反射膜

57、、 凹凸表面、高反射凹凸表面、高反射背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。背電極等方式，光電轉(zhuǎn)換效率有較大提高。 12.2.4 光電池光電池單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為單晶硅光電池面積有限，目前比較大的為10至至20cm的圓片，年產(chǎn)能力的圓片，年產(chǎn)能力46MW/a。目前主要課題是繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀目前主要課題是繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開發(fā)帶狀硅光電池技術(shù)，提高材料利用率。國(guó)際公認(rèn)最硅光電池技術(shù)，提高材料利用率。國(guó)際公認(rèn)最高效率在高效率在AM1.5條件下為條件下為24%，空間用高質(zhì)量，空間用高質(zhì)量的效率在的效率在AM0條件約為條件約為13.5-18%，地面用大，地面用大量生產(chǎn)的在量生產(chǎn)

58、的在AM1條件下多在條件下多在11-18%之間。之間。 12.2.4 光電池光電池 非晶硅光電池非晶硅光電池 a-Si（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放（非晶硅）光電池一般采用高頻輝光放電方法使硅烷氣體分解沉積而成的。電方法使硅烷氣體分解沉積而成的。 由于分解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、由于分解沉積溫度低，可在玻璃、不銹鋼板、陶瓷板、柔性塑料片上沉積約陶瓷板、柔性塑料片上沉積約1m厚的薄膜，易厚的薄膜，易于大面積化（于大面積化（0.5m1.0m），成本較低，多采用），成本較低，多采用pin結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。 其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長(zhǎng)，全球市場(chǎng)用量每月在其商品化產(chǎn)量連續(xù)增長(zhǎng)，全球市場(chǎng)用量每月在1千千萬(wàn)

59、片左右，居薄膜電池首位。萬(wàn)片左右，居薄膜電池首位。 12.2.4 光電池光電池 多晶硅光電池多晶硅光電池 p-Si（多晶硅，包括微晶）光電池沒(méi)有光（多晶硅，包括微晶）光電池沒(méi)有光致衰退效應(yīng)，材料質(zhì)量有所下降時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致致衰退效應(yīng)，材料質(zhì)量有所下降時(shí)也不會(huì)導(dǎo)致光電池受影響，是國(guó)際上正掀起的前沿性研究光電池受影響，是國(guó)際上正掀起的前沿性研究熱點(diǎn)。熱點(diǎn)。 在單晶硅襯底上用液相外延制備的在單晶硅襯底上用液相外延制備的p-Si光電池光電池轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 換效率為換效率為15.3%，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等，經(jīng)減薄襯底，加強(qiáng)陷光等加工，可提高到加工，可提高到23.7%. 12.2.4 光電池光電池銅銦硒光電池銅銦硒光

60、電池 CIS（銅銦硒）薄膜光電池已成為國(guó)際光伏（銅銦硒）薄膜光電池已成為國(guó)際光伏界研究開發(fā)的熱門課題，它具有轉(zhuǎn)換效率高界研究開發(fā)的熱門課題，它具有轉(zhuǎn)換效率高（已達(dá)到（已達(dá)到17.7%），性能穩(wěn)定，制造成本低的特），性能穩(wěn)定，制造成本低的特點(diǎn)。點(diǎn)。 CIS光電池一般是在玻璃或其它廉價(jià)襯底上分別光電池一般是在玻璃或其它廉價(jià)襯底上分別沉積多層膜而構(gòu)成的，厚度可做到沉積多層膜而構(gòu)成的，厚度可做到2-3m，吸，吸收層收層CIS膜對(duì)電池性能起著決定性作用。膜對(duì)電池性能起著決定性作用。 12.2.4 光電池光電池 碲化鎘光電池碲化鎘光電池 CdTe（碲化鎘）也很適合制作薄膜光電池，（碲化鎘）也很適合制作薄膜