第一篇：钠硫电池工作原理及特性
钠硫电池工作原理及特性
就像江河中奔腾的流水，电流通过电网奔向千家万户时，也会不时掀起“波涛”，冲击用电设备，甚至引起事故。最近，上海科学家成功组装起了一套聪明的电能“蓄水池”，它能像水库蓄洪一样，将过多、过猛的电流储存起来，当电网需要的时候，再帄稳地释放出来。
10月14日，中科院上海硅酸盐研究所与上海电力公司宣布：经过多年攻关，他们成功完成了大容量城网储能钠硫电池的中试研发，并建成了一条2兆瓦的中试生产示范线和一套10千瓦的储能系统示范装置。明年5月，储能电站将出现在世博会上。
在上硅所的嘉定中试园区，记者见到了这条示范线。一个个直径9.4厘米、长53厘米的不锈钢圆筒整齐地竖立在80厘米见方的不锈钢箱子里——这就是用来为电网“蓄洪”的钠硫电池。打开这些不锈钢圆筒，特制的氧化铝陶瓷薄膜将作为正极的硫与作为负极的钠隔开——当电流通过时，钠与硫就会通过化学反应，将电能储存起来，当电网需要更多电能时，它又会将化学能转化成电能，释放出去。
项目技术负责人之
一、上硅所研究员刘孙告诉记者，钠硫电池的“蓄洪”性能非常优异，即使输入的电流突然超过额定功率5-10倍，它也能泰然承受，再以稳定的功率释放到电网中——这对于大型城市电网的帄稳运行尤其有用。
太阳能、风能等新能源虽然洁净，但发电功率很不稳定。这会给整个电网带来不期而至的“洪峰”。储能电站会将这些“绿电”先照单全收，再根据电网需求输出。
其实，钠硫电池储能电站更大的作用在于为整个电网“削峰填谷”。众所周知，电网必须按照满足最大用电负荷来修建。2008年，上海最高用电负荷持续小时数只有104.5小时，而为满足这短暂的高峰负荷，却需要投资200亿元。
刘孙为记者算了一笔账：1千瓦功率的储能电池可节省电网投资1.3万元，通过“削峰填谷”，可使每吨标准煤所发的电多利用100度，可带来经济效益480元。预计到2015年，上海电网峰谷差可达16000兆瓦，即使只将20%的“谷电”存储起来，用于高峰时段，其经济效益就超过70亿元——而建设储能电站的投资，仅需20亿元左右。
在研发大容量电力储能系统的同时，科研人员还同步研发了生产线等关键设备100多台，积累了多项专利。目前，他们已建成2兆瓦中试生产线，每月可生产钠硫电池200-250个。“下一步，我们将联合更多企业力量，探索更大规模生产的工艺。”上硅所所地合作处处长夏天然告诉记者，仅上海一地可预见的市场规模就可达400亿元。
在文中关于电池放电机理的描述存在原则错误，不过我想这大概只是记者的失误。由于自己当年曾经投入不少时间在钠硫电池上，自然对此会有些想法。
当年放弃对钠硫电池的研究，主要是因为投入资金的几个协作单位，包括北京大学、北京玻璃研究所和北京电池厂都不愿意继续下去了。但即使他们愿意继续研究，其实也已经不太可能。这是因为虽然当时我们研究的电池功率密度已经比较高，甚至也开过一辆实验车，但其再充电寿命只有30周左右，远远达不到实用要求。况且几个单位的财力拮据，也根本不可能继续支持研究，提供根本改变研究途径的必要条件。
钠硫充电电池的寿命主要取决于两个因素，其一是正极与负极物质的反应导致电介质产生不可逆变化，从而在经过数十周的再充电以后容量和功率会逐渐减小；其二是由于电介质的变质或者其物质结构的破坏，最终在电池内部形成钠和硫的短路而烧毁。
解决这两个问题的中心问题是制造出长寿命的陶瓷固体电介质，比较可靠的方法是在高压下压铸高密度β氧化铝管坯，然后烧制成陶瓷。然而我们当时只能在常压下用注浆方法制备。按照我那会的看法，这种常压注浆会导致晶体的定向排列，对于所烧制的管件成品的强度、耐蚀性和导电性均有不利影响。但配备一台大型超高压制备系统谈何容易？估计就是卖了整个电池厂也未必够用。
从上面的文章和其他材料提供的信息看来，如今电池的再充电寿命问题大概是解决了。不过要想使钠硫电池得到真正的推广，还要解决几个十分重要的问题，在目前网上提供的材料中。我还没有看到足以说明问题答案： 安全问题：钠硫电池仅只在达到320度左右的温度，即仅当钠和硫都是处于液态的高温下才能运行。而如果陶瓷电介质一旦破损形成短路，高温的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应。这种反应虽然不会产生气体发生爆炸，但会产生高达2000度的高温，相当危险。我在一次连接一组已经加热到300度的钠硫电池时，由于一个电池单体中电介质管破裂，高达2000度的硫化钠烧熔了不锈钢电池壳，火焰冲到3米之高。我因为刚好回头去拿工具，躲过了这两秒钟，从而捡了一条命。
资料上说，钠硫电池的安全问题也已经解决。但我想，除非能在任何情况下将钠和硫完全隔绝，否则是谈不上安全的。作为车用电池，出现这种事故更意味着车毁人亡。因为作为两极的液态钠硫之间只能有用来导电的陶瓷电介质，而不可能以任何其他惰性、绝缘的高强度物质将其完全隔绝，所以解决这个问题很不容易。当初美国福特公司采用了毛细电介质管来避免钠硫的大面积接触，但造价极高，商业推广是不现实的。保温与耗能问题：在高温下运行的另一个问题是保温耗能的问题。钠硫电池在300度下才能启动，用不着进行什么分析就可以想到，这对于将其用作车用电池是一个颠覆性的缺点。用外电源保温当然十分不便，如用自身电力保温，则将大大影响最大行车里程； 环境影响与庖电池处置问题：损坏的电池难于处置，这也是钠硫电池的软肋之一。无论在何种情况下损坏，不外需要处理下述几种物质：
1）金属钠：在空气中将立即自行燃烧，生成氧化钠，随后在空气中吸收水分，形成高腐蚀性氢氧化钠。如果遇到大量水，则还会立即引起爆炸。
2）混在导电纤维中的游离硫：如果在高温下，则生成腐蚀性二氧化硫气体，如果在低温下，则需要设法将导电纤维和硫分离，加以回收；
3）硫化钠：具有恶臭和腐蚀性的化合物，需要作为危险庖物处理和处置。如果打算作为资源回收，则需要经过十分复杂的化学工艺和设备；
如果上述问题没有得到根本解决，恐怕钠硫电池作为车用电池大规模上市和应用是不可能的。
但如果如前文所说作为固定的大型储能电池来用，因为保温比较容易、设施远离工作人员，应用条件相对宽松，也许实用的可能性要大一些，不过如果一旦损坏，会危害电网运行、其环境影响，尤其是对大气和人员健康的影响程度比车用也更要大得多，投放市场仍需万分谨慎。
总之，我对于钠硫电池的推广和应用问题，如果还不是完全否定的话，也还是持比较悲观的态度。由于始终没有看到究竟现在钠硫电池的再充电寿命究竟是多少，对于上述问题究竟是如何处理和解决的。我觉得以现在的水帄能不能称之为“成功”，还有待商榷。最好是等等，看看国外推广应用（如果有的话）的后果为好。千万不可急功近利，一哄而上。储能技术促钠硫电池产业发展
智能电网是目前国家电网的重点建设方向，储能技术是智能电网的核心技术之一。而钠硫电池因其容量大、体积小、能量储存和转换效率高、寿命长、不受地域限制等优点，非常适合电力储能使用。
7月25日，上海市政府与国家电网公司在沪正式签署《智能电网建设战略合作协议》。上海电气集团公司、上海市电力公司和中科院上海硅酸盐研究所共同签署了《关于推进钠硫电池产业化的合作意向书》。中共中央政治局委员、上海市委书记俞正声出席签约仪式。上海市委副书记、市长韩正，国家电网公司党组书记、总经理刘振亚，中国科学院副院长阴和俊分别致辞。
韩正在致辞时说，发展智能电网等战略性新兴产业，建设坚强智能电网，是加快转变经济发展方式的必然选择，是实施国家能源战略的重要举措。上海将努力成为智能电网功能应用示范基地、关键技术研发基地和主要装备制造基地。上海已将发展智能电网作为高新技术产业化的重要方面，对智能电网应用、研发和产业化给予全面支持。上海将全力配合国家电网公司开展的建设坚强智能电网各项工作，充分依托中国科学院的科技支撑作用，推动上海智能电网在关键技术研发和产业化方面实现突破。
阴和俊指出，中国科学院与上海市人民政府和国家电网公司有着长期的友好合作历史，并已分别签署战略合作协议，开展了良好的合作。面对国家能源安全，中科院积极发挥科技国家队的优势，在多个领域主动部署。在智能电网方面，针对技术和发展涉及领域广泛，需要材料、器件、信息、通讯、控制和管理等多学科参与的特点，中科院发挥多学科的综合优势，前瞻部署并在大容量储能电池与系统、电动汽车、物联网及传感器、半导体照明等领域取得了一些重要成果。加强在智能电网关键技术方面的研发，共同推进我国智能电网建设与技术发展，对于推进我国产业结构调整、加快经济发展方式转变和培育战略新兴产业具有重要意义。
“采用电力储能技术，可以提高电网经济性、安全性和供电可靠性，支持新能源发展。”中科院上海硅酸盐研究所所长罗宏杰教授告诉记者。
“采用大规模储能装置，可以减少和延缓用于发、输、变、配电设备的投资，提高现有电力设备的利用率和供电可靠性，降低发电煤耗。”中科院上海硅酸盐所能源材料研究中心主任、上海钠硫电池研制基地技术总工程师温兆银研究员介绍说。据了解，中国科学院上海硅酸盐研究所积极响应国家战略，通过与国家电网上海市电力公司先期合作，在上海市科委等部门的支持下，在大容量钠硫储能电池研制方面获得重要突破，成功研制出具有自主知识产权的容量为650Ah的钠硫储能单体电池，使我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。据悉，现已建成2兆瓦大容量钠硫单体电池中试生产示范线，800千瓦时的钠硫储能示范电站已成功运行，标志着钠硫储能电池已基本具备产业化条件。在向产业应用的转移阶段，上海电气（集团）总公司参与合作，从研发、生产到应用，三家单位强强联合，集成社会优质资源，创新管理模式，有力地推进了钠硫储能电池向产品化、实用化发展。
阴和俊表示，中科院上海硅酸盐研究所提供技术源头，国家电网上海市电力公司继续发挥应用牵引，上海电气具备强大的制造和生产管理能力，相信“通过三方合作，一定能切实发挥科技对产业的引领与支撑作用，为我国智能电网的发展作出重要贡献”。
据悉，上海将重点发展新能源接入与控制、电力储能、电力电子应用及核心器件、智能变电站系统及智能设备、智能配电网与智能用户端、高温超导、相关的IT通信及软件信息服务业等方面产业和技术。到2012年，上海将力争培育3～5家智能电网行业龙头企业，形成有竞争力的智能电网产业集群，产业规模达到500亿元左右。钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，其比能量高、可大电流、高功率放电。日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调帄、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，截止2007统计，日本年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。
1、基本原理
钠硫电池以钠和硫分别用作阳极和阴极〃Beta-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。它的电池形式如下：
(一)Na(1)／beta一氧化铝／Na2Sx(1)／C(+)基本的电池反应是：2N a + xS= Na2Sx
2、钠硫电池特性
⑴ 钠硫电池的理论比能量高达760Wh／kg，且没有自放电现象。放电效率几乎可达100％。
⑵ 钠硫电池的基本单元为单体电池，用于储能的单体电池最大容量达到650安时，功率120W 以上。将多个单体电池组合后形成模块。模块的功率通常为数十kW，可直接用于储能。
⑶ 钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用10～15年。
3、钠硫电池的缺点
• 不能处理部分循环e.g.风能，SOC只能用帄均值计量，所以需要周期性的离线度量；
• 过度充电时很危险；
• 高温350ºC熔解硫和钠，因此需要附加供热设备来维持温度。
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简介及原理
钠硫电池是美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，至今才40年左右的历史。电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。
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特点
钠硫电池具有许多特色之处：一个是比能量(即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量)高。其理论比能量为760Wh/Kg，实际已大于100Wh/Kg，是铅酸电池的3-4倍；另一个是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200-300mA/cm2，并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100％。当然，事物总是一分为二的，钠硫电池也有不足之处，其工作温度在300-350℃，所以，电池工作时需要一定的加热保温。但采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。
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意义
钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。由于钠硫电池具有高能电池的一系列诱人特点，所以一开始不少国家就首先纷纷致力于发展其作为电动汽车用的动力电池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但随着时间的推移表明，钠硫电池在移动场合下(如电动汽车)使用条件比较苛刻，无论从使用可提供的空间、电池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在80年代末和90年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用，并越来越显示其优越性。如日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调帄(即起削峰帄谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出来)、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，已建成世界上最大规模(8MW)的储能钠硫电池装置，截止2005年10月统计，年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。请教马兰凤老师：钠硫电池充放电时钠离子事怎样通过β-NaAl11O17电解质实行传递的呢？钠硫电池为什么不能过充和过放呢？
相对锂离子电池，钠硫电池的实际能量密度和功率密度也不是很大，而且其安全性差，且成本高，那么用钠硫电池做储能电站的优势在哪里呢？谢谢！
1、Na—S蓄电池作用原理 Na－S电池是当前开发的一种高能蓄电池，它所贮存的能量为常用铅蓄电池的5倍(按相同质量计)，它具有运行无声、无污染、价廉、安全、使用寿命长以及维修费低廉等优点。常用的电池是由一个液体电解质将两个固体电极隔开，而Na－S电池正相反，它是由固体电解质将两个液体电极隔开：一个由Na－β－Al2O3固体电解质做成的中心管，将内室的熔融钠(熔点98℃)和外室的熔融硫(熔点119℃)隔开，并允许Na＋离子通过。整个装置密封于不锈钢容器内，此容器又兼作硫电极的集流器。在电池内部，Na＋离子穿过固体电解质和硫反应从而传递电流。350℃时，Na－S电池的断路电压为2.08 V。已知硫的化学式为S8，在外电路中被还原成多硫离子。
钠硫电池的理论比容量可达760 W?h/kg，实际已达到300 W?h/kg，且充电持续里程长，循环寿命长。
负极的反应物质是熔融的钠在负极腔内，正极的反应物质是熔融的硫在正极腔内。正极和负极之间用α―Al2O3电绝缘体密封。正极腔和负极腔之间有β―NaAl11O17陶瓷管电解质。电解质只能自由传导离子，而对电子是绝缘体。当外电路接通时，负极不断产生钠离子并放出电子，电子通过外电路移向正极，而钠离子通过β―NaAl11O17电解质和正极的反应物质生成钠的硫化物 电池过充将破坏正极结构而影响性能和寿命；同时过充电使电解质分解，内部压力过高等问题；过放会导致活性物质的恢复困难
2、钠硫电池作为电化学能源家族中的新成员，它的产生一方面弥补了因能源不足而引发的危机，另一方面，由于它不排放任何有害物质，使用或报庖后也不会对环境造成二次污染，是一种真正意义上的环保型新能源。钠硫电池用于储能具有独到的优势,主要体现在原材料储量大、能量和功率密度大、充放电效率高、不受场地限制、维护方便等特点。钠硫电池在国外已经成功的用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。涉及工业、商业、交通、电力等多个行业，是各种先进二次电池中最具有潜力的一种储能电池。而在我国，钠硫电池的开发和应用则基本上处于空白状态。主要优点钠硫电池可以通过削峰填谷的方式解决日益突出的供电紧张现象；可以节省现有发电能源近乎50%。在未来的15年中，我国电力需求的年增长率预计达到每年5.8~7.2%，2005年电力消耗为2469TWh，到2010年预计达到3000TWh，2020年则将达到5000TWh。与此同时，电力消耗的昼夜峰谷差也在日益扩大，以上海市为例，2006年的最高用电负荷近2000万千瓦，峰谷差高达40%。在低谷电力帄衡时，上海电网内的大型火电机组低谷出力大多要减至最低，小型机组更是需要视情况而日开夜停，为此需要付出巨大的代价。要解决这种电力使用严重不对称而造成的电力紧张现象，利用钠硫电池储能是最有效的途径，它在用电需求小于发电量时将多余的电能储存起来，在需要大于供给时补充电能。而且利用分布式的储能系统可以在关键时刻辅助供电或者传输电能，将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负荷低谷时刻或者在强制停电、供电中断的情况下提供电能。根据美国相关机构统计，如果通过储能手段进行削峰填谷，那么每年可以节省全球用于发电的能源近50%；也就是说钠硫储能电站相当于一个巨大的节能器，能够使得现有发电站的资源消耗量减少一半，相应地这些有限的不可再生资源的使用年限可以增加一倍。这无论对于社会还是政府而言，都是一项具有重要意义的能源工程。钠硫电池作为一种先进的储能电池，可以从根本上解决风能太阳能输出电力不稳定的问题；是风能产业推广的重要配套产品。大力发展可再生能源是全球未来电力生产的大方向。目前，我国的可再生能源仅占电力生产总量的0.25%，但到2010年预计将达到8.63%，2020年则将增长到15%~20%。风力发电和太阳能发电是近几年发展和增长最快的两种可再生能源，全球风电装机容量已达25000MW以上；太阳能发电总量已达9100MW。我国近几年风力发电和太阳能发电都增长很快，且发展潜力巨大。由于可再生能源的电力输出随着风、光照等资源的强度同步变化和波动，因此无法直接向电网输出或向用户出售，需要经过稳定后方可和电网安全对接输出。而且，随着社会的发展，对于用电质量的要求日益提高，这也使得储能电池质量的高低直接决定了风能太阳能等可再生能源的应用前景。钠硫电池的长寿命和快速充电等特性使得它成为与风能太阳能等发电方式配套的一种最理想的储能电池。因此，随着风能太阳能产业的不断发展，钠硫电池产业必将迎来一个崭新的发展机遇。钠硫电池的诸多远胜于传统电池的优点使其完全可以取代传统电池而成为潜艇、军用武器等的储能电源，对于国防有着重要的意义。钠硫电池具有能量密度大、充电速度快、使用寿命长等特点，因此它便可以在潜艇、军舰等领域取代现有的锂离子电池和铅酸电池，大大提高续航里程、降低维护成本。以U32潜艇为例：该舰现行配置动力电池为2000千瓦时铅酸电池，重量约为160吨，由5万小块电池组成，且潜行时间短。惊人的电池重量占据着艇内的有限空间，潜艇自身负荷增大，不但影响速度、下潜时间，也局限了战备、供给物质的容量。高性能的钠硫动力电池在同等电容量的情况下，重量最多只有25吨，体积也只有它的1/5～1/6。Na/S电池的使用将大大减轻艇的自身载重量，提高体速度和机动性，同时节省出大量的空间，保证艇员的生活供给物品、武器、弹药的储存，大大提高潜艇的作战能力。而其特有的瞬间大电流特点更可以应用到导弹、火箭、大炮等的发射装置上，它能使弹头出膛速度达到每秒3—50公里超高速运行，且性能稳定，可控性好。这样的发射装置不但后坐力小，发射时无烟雾、不喷火及光，也无冲击波和辐射，稳定性好，隐蔽性好，对大气空间也无污染，其成本只是化学燃料的1%—10%。同样该项技术，也可用于航天领域，比如地对空的定向发射等。钠硫电池项目在未来的储能调峰、稳定风能输出、特种领域应用等方面有着极其重要的作用；以上海电网为例作简单估算：截止2005年底，上海电网（含崇明岛、长兴岛）总调装机容量为13368.4MW，其中火力发电机组13344MW，风力发电机组24.4MW。上海年最高负荷19543MW，最低负荷～7799MW（2006年9月11日），但上海6，7，8三个月的月帄均负荷为～85%。那么剩余的功率为，13368.4MW×15%=2005.26MW=2005260KW，每月剩余的电能为：2005260KW×24h×30day=1443787200KWh=14.44亿度。如果将这些电能用钠/硫电池储能系统储存起来，考虑到AC-to-DC及DC-to-AC的转化效率为0.8，上海居民峰谷电价0.3元/KWh，峰时电价1.7元/KWh，则差价为1.4元/KWh。故每月可利用的电能为14.44亿度×0.8=11.552，节约的电费为11.552×1.4=16.17亿元。如果考虑全年仅上海就可以节约40～50亿度电。可想而知，如果将该储能系统应用到北京、应用到全国各主要电网，则每年节约的能源是个底大的数字。建立节约型社会是我国的一项基本国策，节约能源是我国走持续发展道路的必然选择，而能量储存是实施节约能源战略的重要技术措施。大功率钠硫动力电池具有高功率密度、长循环寿命、无自放电现象、100%的库仑效率以及维护简单等突出优点，使得它在大规模能量储存方面有难以匹敌的优势和广阔的应用前景。此外，中小型的钠/硫电池储能系统可以与太阳能电池发电站、风能发电站匹配，解决我国老、少、边、穷的不发达地区居民及边防哨所供电质量和供电安全性。同时，中小型的钠/硫电池储能系统还可以用于城市居民小区的应急电源。国外大力（尤其是日本）发展钠硫电池储能除钠硫电池本身的高性能特点外，一个主要的原因是从资源和环境考虑，铅酸电池不仅比能量低，其制造过程和庖旧电池对环境都会造成严重污染，锂离子电池中的Li和Co（目前其正极材料LiCoO2）的地球储量都不丰富（尤其是Co），此外Co有毒性，其制造过程和庖旧电池对环境和人体都有伤害。与此相反，Na和S几乎用之不竭。单质Na和S元素本身对人体是没有毒性，而且庖旧电池中的Na和S几乎可以100%的回收。因此，无论是从发展新型能源、节约能源、环境保护的角度看，还是从可持续发展的战略高度去衡量和思考，我国发展钠硫电池储能系统是完全有必要的，使该项技术转化为生产力已刻不容缓。
3、钠硫电池用于储能具有独到的优势，主要体现在原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便等方面。钠硫电池已经成功的用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。目前在国外已有100余座钠硫电池储能电站在运行中，涉及工业、商业、交通、电力等多个行业，是各种先进二次电池中最为成熟的一种，也是最具有潜力的一种先进储能电池。
可参考：《钠硫电池及其储能应用》一文 作 者： 温兆银 Wen Zhaoyin
作者单位： 中国科学院上海硅酸盐所 钠硫电池
简介
钠硫电池作为化学能源家族中的新成员，它的产生一方面弥补了因能源不足而引发的危机，另一方面由于他不排放有害物质，使用获报庖后也不会对环境造成二次污染，是一种真正意义上的环保型新能源。钠硫电池用于储能具有独到的优势，主要体现在原材料储量大、能量和功率密度大、充放电效率高、不受产地限制、维护方便等特点。钠硫电池在国外已经成功的用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。涉及工业、商业、交通电力等多个行业。是各种先进二次电池中最具有潜力的储能电池。而在我国钠硫电池的开发和应用则基本上处于空白状态。
市场前景：
1钠硫电池可以通过削峰填谷的方式解决日益突出的供电紧张现象；可以节省现有发电能源近乎50％.在未来的15年中,我国电力需求的年增长率预计达到每年5.8~7.2％，到2010年预计达到3000TW，2020年则将达到5000TW。与此同时，电力消耗的昼夜谷差也在日益扩大，以上海市为例，2006年的最高用电负荷近2000万千瓦，峰谷差高达40％。在低谷电力帄衡时，上海电网内的大型火电机组低谷出力大多要减至最低，小型机组更是要视情况而日开业停，为止需要付出巨大的代价。
要解决这种电力使用严重不对称而造成的电力紧张现象，利用钠硫电池村储能是最有效的途径。它在用电需求小于发电量时将多余的电能储存起来，在需要大于供给时补充电能。而且利用分布式的储能系统可以在关键时刻辅助供电或者传输电能，将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负荷低谷时刻或者在强制停电，供电中断的情况下提供电能。
根据美国相关机构统计，如果通过储能手段进行削峰填谷，那么每年可以节省全球用于发电的能源近50％；也就是说钠硫储能电站相当于一个巨大的节能器，能够使得现有发电站的资源消耗量减少一半，相应地这些有限的不可再生资源的使用年限可以增加一倍。这无论对于会还是府而言，都是一项具有重大意义的能源工程。
2，钠硫电池作为一种先进的储能电池，可以从根本上解决风能太阳能输出电力不稳定的问题；是风能产业推广的重要配套产品。
大力发展可再生能源是全球未来电力生产的大方向。目前，我国的可再生能源仅占电力生产总量的0.25％，但到2010年预计将达到8.63％，2020年则将增长到15％~20％。风力和太阳能发电是近近几年发展和增长最快的两种可再生资源，全球风电装机容量已达25000MW以上，我国近几年风力发电发电都增长很快，且发展潜力巨大。由于可再生能源的电力输出随着风、光照等资源的强度同步变化和波动，因此无法直接向电网输出或向用户出售，需要经过稳定后方可和电网安全对接输出。而且随着会的发展对于电质量的要求日益提高，这也使得储能电池质量的高低直接决定了风能等可再生能源的应用前景。
钠硫电池的长寿命和快速充电等特性使得它成为与风能等发电方式配套的一种最理想的储能电池。因此随着风能产业的不断发展，钠硫电池产业必将迎来一个崭新的发展机遇。
3、钠硫电池的诸多远胜于传统电池的优点使其完全可以取代传统电池而成为潜艇、军用武器等的储能电源，对于国防有着重要的意义。
钠硫电池具有能量密度大、充电速度快、使用寿命长等特点，因此它便可以在潜艇、军舰等领域取代现有的锂离子电池和铅酸电池，大大提高续行里程、降低维护成本。
经济效益
钠硫电池项目在未来的储能调峰、稳定风能输出、特种领域应用等方面有着极其重要的作用。以上海电网为例做简单估算： 截止2005年底上海电网（含崇明岛、长兴岛）总调装机容量为13368.4MW，其中火力发电机组13344MW，风力发电机组24.4MW。上海年最高负荷19543MW，最低负荷7799MW，考虑峰谷差，每月剩余的电能为14.44亿度。如果将这些电能用钠硫电池储能系统储存起来，考虑到AC-to-DC及DC-to-AC的转化效率为0.8，上海居民峰谷电价0.3元/KWh，峰时电价1.7元/KWh，则差价为1.4元/KWh。故每月可利用的电能为14.44亿度×0.8=11.552，节约的电费为11.552×1.4=16.17亿元。如果考虑全年仅上海就可以节约40~50亿度电。可想而知，如果将该储能系统应用到北京、应用到全国各主要电网，则每年可节约的能源是个底大的数字。
建立节约型会是我国的一项基本国策，节约能源是我国走持续发展道路的必须选择，而能量储存是实施节约能源战略的重要技术措施。大功率钠硫动力电池具有高功率密度、长循环寿命、无自放电现象、100％的库仑效率以及维护简单等突出优点，使得它在大规模能量储存方面有难以匹敌的优势和广阔的应用前景。
此外，中小型的钠硫电池储能系统可以与太阳能电池发电站、风能发电站匹配，解决我国老、少、边、穷的不发达地区居民及边防哨所供电质量和供电安全性。同时中小型的钠硫电池储能系统还可以用于城市居民小区的应急电源。
会效率
国外大力（尤其是日本）发展钠硫电池储能除钠硫电池本身的高性能特点外，一个主要的原因是从资源和环境考虑，铅酸电池不仅比能量低其制造过程和庖旧电池对环境都会造成严重污染，锂离子电池中的Li何Co（目前其正极材料LiCoO2）的地球储量都不丰富（尤其是Co），此外Co有毒性，其制造过程和庖旧电池对环境和人体都有伤害。于此相反，Na和S几乎用之不竭，单质Na和S元素本身对人体是没有毒性，而且庖旧电池中的Na和S几乎可以100％的回收。因此，无论是从发展新型能源、节约能源、环境保护的角度看，还是从可持续发展的战略高度去衡量和思考，我国发展钠硫电池储能系统是完全有必要的，使该项技术转化为生产力已刻不容缓。
第二篇：气动马达特性及工作原理
气动马达特性及工作原理
气动马达特性：
1、使用压缩空气为动力，安全防爆，不产生静电、火花。
2、可以无级调速，马达的转速通过供气的压力，流量调节。
3、无超载危险，马达负载过大，不会对马达本身产生损毁，本体温度也不会上升。
4、可以长时间满载连续工作。
5、双向旋转，可实现正逆转功能
6、操作方便，维护检修简单 工作流体：压缩空气
使用压力： 6 kg /cm2(85 PSI)
最大使用压力： 8 kg /cm2(115 PSI)
环境适温度：-10 ~ +120C
国内品牌有德斯威
气动马达是一种作连续旋转运动的气动执行元件，是一种把压缩空气的压力能转换成回转机械能的能量转换装置，其作用相当于电动机或液压马达，它输出转矩，驱动执行机构作旋转运动。在气压传动中使用广泛的是叶片式、活塞式和齿轮式气动马达。可广泛应用于小型搅拌输料系统，200L以内非常合适。※活塞式气动马达的工作原理
主要由：马达壳体、连杆、曲轴、活塞、气缸、配气阀等组成。压缩空气进入配气阀芯使其转动，同时借配气阀芯转动，将压缩空气依次分别送入周围各气缸中，由于气缸内压缩空气的膨胀，从而推动活塞连杆和曲轴转动，当活塞被推至“下死点”时，配气阀芯同进也转至第一排气位置。经膨胀后的气体即自行从气缸经过阀的排气孔道直接排出。同时活塞缸内的剩余气体全部自配气阀芯分配阀的排气孔道排出，经过这样往复循环作用，就能使曲轴不断旋转。其功主要来自于气体膨胀功。
Piston pneumatic motor principle of work Mainly consists of: motor shell, connecting rod, crankshaft, piston and cylinder, valve, etc.Compressed air into the air with its core, with rotation by air, will be the core of compressed air into the surrounding air cylinder respectively, due to the expansion of compressed air in cylinder, so as to promote the piston and crankshaft connecting, when the piston is pushed down dead spots ", with the core with air exhaust to first place.The expansion of the gas automatically from the exhaust duct cylinder valve directly after discharge.While the residual gas piston cylinder valve core with all the vent duct, corundum, through such reciprocating cycle can make the crankshaft constantly rotating.Its function mainly comes from the gas expanding power.※叶片式气动马达的工作原理
如图所示是双向叶片式气动马达的工作原理。压缩空气由A孔输入，小部分经定子两端的密封盖的槽进入叶片底部(图中未表示)，将叶片推出，使叶片贴紧在定子内壁上，大部分压缩空气进入相应的密封空间而作用在两个叶片上。由于两叶片伸出长度不等，因此，就产生了转矩差，使叶片与转子按逆时针方向旋转，作功后的气体由定子上的孔B排出。
若改变压缩空气的输入方向（即压缩空气由B孔进入，从孔A孔排出）则可改变转子的转向。
图-1双向旋转的叶片式马达
(a)结构；(b)职能符号
Vane pneumatic motor principle of work
As shown is two-way vane pneumatic motor principle of work.Compressed air from A small hole, the input of the stator slots on both ends of the hermetic seal(FIG leaf base into not), will adhere to leaf blade on the wall of the stator, compressed air into the corresponding seal space and function in two blades.Because the two blades, therefore, stretch produced the torque, according to the rotor blades and reactive counter-clockwise after gas holes in the stator by B.If the change of compressed air input direction(i.e.by compressed air into the hole hole, B)is A hole can be changed from the rotor turning.※叶片式气动马达的工作原理
气动马达是以压缩空气为工作介质的原动机，它是采用压缩气体的膨胀作用，把压力能转换为机械能的动力装置。
各类型式的气马达尽管结构不同，工作原理有区别，但大多数气马达具有以下特点：
1.可以无级调速。只要控制进气阀或排气阀的开度，即控制压缩空气的流量，就能调节马达的输出功率和转速。便可达到调节转速和功率的目的。
2.能够正转也能反转。大多数气马达只要简单地用操纵阀来改变马达进、排气方向，即能实现气马达输出轴的正转和反转，并且可以瞬时换向。在正反向转换时，冲击很小。气马达换向工作的一个主要优点是它具有几乎在瞬时可升到全速的能力。叶片式气马达可在一转半的时间内升至全速；活塞式气马达可以在不到一秒的时间内升至全速。利用操纵阀改变进气方向，便可实现正反转。实现正反转的时间短，速度快，冲击性小，而且不需卸负荷。
3.工作安全，不受振动、高温、电磁、辐射等影响，适用于恶劣的工作环境，在易燃、易爆、高温、振动、潮湿、粉尘等不利条件下均能正常工作。
4.有过载保护作用，不会因过载而发生故障。过载时，马达只是转速降低或停止，当过载解除，立即可以重新正常运转，并不产生机件损坏等故障。可以长时间满载连续运转，温升较小。
5.具有较高的起动力矩，可以直接带载荷起动。起动、停止均迅速。可以带负荷启动。启动、停止迅速。
6.功率范围及转速范围较宽。功率小至几百瓦，大至几万瓦；转速可从零一直到每分钟万转。
7.操纵方便，维护检修较容易 气马达具有结构简单，体积小，重量轻，马力大，操纵容易，维修方便。
8.使用空气作为介质，无供应上的困难，用过的空气不需处理，放到大气中无污染 压缩空气可以集中供应，远距离输送
由于气马达具有以上诸多特点，故它可在潮湿、高温、高粉尘等恶劣的环境下工作。除被用于矿山机械中的凿岩、钻采、装载等设备中作动力外，船舶、冶金、化工、造纸等行业也广泛地采用。
气动马达air motor是防爆电机的最佳代替品除了标准型号, 我们还有配备减速机的气动减速马达型号, 减速比从10:1至60:1。
特点包括:
1)可变转速;
2)防爆选型指导
功率-P, 扭矩-M, 转速-n，P-M-n三者的近似关系：
扭矩-转速曲线:负直线(系数近似恒定)；功率-转速曲线:抛物线(开口向下)；略...选择欧博气压马达的一般方法：
1、近似选择接近要求参数的欧博马达系列、型号；
2、查看所选气压马达的特征图(曲线图)，进一步核对所选马达型号是否合适，选择最优工作点；
3、考虑假如调节气源，所选马达是否能输出需求的参数；
4、核对马达尺寸，选择安装形式，输出轴形式；
5、核算输出轴的受力是否合适；
6、考虑其他方面(根据具体情况个别考虑)：...。
对于工作过程扭矩、转速基本稳定的应用: 略...对于工作过程负载(扭力)或转速发生较大变化的应用： ●
气动马达选型参考：
选择气马达的主要参数是：功率-P 扭矩-M 转速-n 实际工作状态下：P(瓦)= M(牛米)X n(转/分钟)X 0.105
选择TSA气压马达的一般方法是：(适用于：工作过程扭矩、转速基本稳定的应用)对于工作过程负载(扭力)或转速发生较大变化的应用(比如，拧紧机用马达)，按以下方法选择： 解释：
P-M-n三者的近似关系：
扭矩-转速曲线：负直线(系数近似恒定)，功率-转速曲线: 抛物线(开口向下)；
转速n = 0 时(开始启动)，功率P急剧上升，扭矩
M = 启动扭矩(约等于最大扭矩的80%)；
转速n = 大约是最大转速一半时(最大功率转速)，功率P = 最大值(最大功率)，扭矩M下降到 = 最大扭矩的50%-70% = 最大功率扭矩；
转速n = 若转速继续升高(负载比较小，接近空载)，扭力下降，到最大转速(此时是空载转速)，功率P很小，扭力M很小；
若负载扭矩比较大，则马达转速下降，当负载扭力大于或等于马达的停转扭力(即最大扭力)，马达失速停转。
气动马达分为单向及双向两种形式。对于单向气动马达只需开闭进气口即可控制马达的转动和停止。
双向气动马达有两个进气口，一个主排气口。马达工作时从一个进气口进气，则另一进气口为副排气口，若需马达旋转方向改变时，只需将进气口与副排气口交换位置即可，所以选用的控制阀必须具备上述功能才能使马达正常工作。建议选用三位四通阀或三位五通阀。在进行管道布置时，气源与气马达之间的管道通径（包括管道附件、控制阀、油雾器等）均不得小于与马达相适应的最小内径，且管道不得有严重的节流现象。管道接头处应牢固、密封、不得有泄漏现象，否则气动马达达不到应有的工作性能。
如图所示为叶片式气动马达结构原理图。主要由定子、转子、、叶片及壳体构成。在定子上有进一排气用的配气槽孔。转子上铣有长槽。槽内装有叶片。定子两端盖有密封盖。转子与定子偏心安装。这样，沿径向滑动的叶片与壳体内腔构成气动马达工作腔室。
气动马达工作原理同液压马达相似。压缩空气从输人口A进入。作用在工作室两侧的叶片上。由于转子偏心安装，气压作用在两侧叶片上产生的转矩差，使转子按逆时针方向旋转。当偏心转子转动时，工作室容积发生变化，在相邻工作室的叶片上产生压力差，利用该压力差推动转子转动。作功后的气体从输出口排出。若改变压缩空气输入方向，即可改变转子的转向。
图a所示叶片式气动马达采用了不使压缩空气膨胀的结构形式，即非膨胀式，工作原理如上所述。图b所示叶片式气动马达采用了保持压缩空气膨胀行程的结构形式。当转子转到排气口C位置时，工作室内的压缩空气进行一次排气，随后其余压缩空气继续膨胀直至转子转到输出口B位置进行二次排气。气动马达采用这种结构能有效地利用部分压缩空气膨胀时的能量，提高输出功率。非膨胀式气动马达与膨胀式气马达相比，其耗气量大，效率低；单位容积的输出功率大，体积小，重量轻。
叶片式气动马达一般在中、小容量及高速回转的范围使用，其耗气量比活塞式大，体积小，重量轻，结构简单。其输出功率为0.1—20kW，转速为500～25000r／min。另外，叶片式气马达启动及低速运转时的特性不好，在转速500r／min以下场合使用，必需要配用减速机构。叶片式气动马达主要用于矿山机械和气动工具中。
※气动马达的应用
目前，气动马达主要应用于矿山机械、专业性的机械制造业、油田、化工、造纸、炼钢、船舶、航空、工程机械等行业，许多气动工具如风钻、风扳手、风砂轮等均装有气动马达。随着气压传动的发展，气动马达的应用将更趋广泛。如图所示为气动马达的几个应用实例.气动马达的工作适应性较强，可用于无级调速、启动频繁、经常换向、高温潮湿、易燃易爆、负载启动、不便人工操纵及有过载可能的场合。GASTON产品被广泛应用到：矿山机械，动力传动、提升气动绞车、食品饮料机械、汽车零部件拧紧装配、拧盖（旋盖）机、灌装机、各种气动工具的动力、多功能机床、管道疏通机、高压清洗机、石油机械、造纸机械、船舶机械、印刷类机械、搅拌类机械、包装机械、汽车配件厂、金属加工、钻孔攻丝、化工机械、木工机械、卷扬机、炼钢、喷涂设备机械、坡口机、气动式管道内对口机、气动链锯、气动打包机、易燃易爆、粉尘、重载、潮湿等工作场所。
第三篇：激光焊接机的主要特性及工作原理(精)
激光焊接机的主要特性及工作原理
激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一，又常称为激光焊机、镭射焊机，按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动焊接机）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机，光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。
一、激光焊接机的主要特性
20世纪70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。
高功率CO2及高功率YAG激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。
激光焊接与其它焊接技术相比，激光焊接的主要优点是：
1、速度快、深度大、变形小。
2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。
4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。
5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精确定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。
6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活性。尤其是近几年来，在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件
二、激光焊接机的种类
激光焊接机又常称为激光焊机、雷射焊接机、镭射焊机、激光冷焊机、激光氩焊机、激光焊接设备等。按其工作方式常可分为激光模具烧焊机（手动激光焊接设备）、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机、振镜焊接机、手持式焊接机等，专用激光焊接设备有传感器焊机、矽钢片激光焊接设备、键盘激光焊接设备。
三、激光焊接机的工作原理
激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特定熔池。它是一种新型的焊接方式，主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。
第四篇：光电二极管特性参数的测量及原理应用(精)
工作总结实验报告 / / 光电池/光敏电阻/光电二极管特性参数的测量 指 导 人：朱小姐 实验类型：工作检验及年终总结 实验地点：搏盛科技光电子半导体实验室 实验目的：销售技能的考察，产品及相关知识的了解情况，年终总结 实验日期：2011 年 12 月 26 日 姓 名：陈帅 职位：销售工程师 手机号：159******** Email: chenshuaisz1688@163.com 概述 光电效应是指入射光子与探测器材料中的束缚电子发生相互作用，使束缚电子变成为自由 电子的效应。光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。入射光子引起探测器材料表面发射 电子的效应称为外光电效应。入射光子激发的载流子（电子或空穴）仍保留在材料内部的效应 称为内光电效应。内光电效应器件有光电导探测器（例如光敏电阻）、光生伏特器件（光电池、光电二极管、光电三极管）。实验内容 测量三种内光电效应器件（光敏电阻、光电池、光电二极管）的特性参数。注意事项 a 做实验请关灯，以达到良好的测量效果。b 拆卸数据线时不要用力硬拽，拆不下来请转个角度拆。c 请在自己的实验桌上做实验，不要到别的实验桌旁干扰同事做实验，更不要动他人的 仪器。d 请勿触摸光学镜片的表面。e 测量时不要碰导线，否则数据不稳定。更不能用力拉扯导线，导致接头脱落。f 实验完毕关闭所有电源开关。实验报告 报告开头请填入姓名、职位、手机号、实验日期。实验完成后，请将报告打印出来，在有实验数据、图表的页脚签名，然后交到朱 小姐办公 桌上。Word 文件请以“实验报告+姓名”命名，发到朱小姐邮箱。请在元旦节前完成。签名: 第 1页
光敏电阻的特性曲线测量 一.目的要求 测量 CdS（硫化镉）光敏电阻的伏安特性和光照特性。实验要求达到：
1、使用 Excel 或绘图软件 Origin 绘制出伏安特性特性曲线
2、绘制出光照特性曲线
3、理解光敏电阻的光电特性 二.实验原理 某些物质吸收了光子的能量产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为 物质的光电导效应。光电导效应只发生在某些半导体材料中，金属没有光电导效应。光敏电阻 是基于光电导效应工作的元件。光敏电阻具有体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽 等优点。广泛应用于微弱辐射信号的探测领域。由于光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，只要把它当作电阻值随光照度而变化的可变电阻器对待即可，使用时既可加直流电压，也可以 加交流电压。因此光敏电阻在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析以及光电制导、激光 外差
探测等领域中获得了十分广泛的应用。如图，光功率为 P 的光照射到光敏电，则光敏层单位时间所吸收： 阻上，假设光全部 被吸收 的光量子数密度 N 应为 N = P hνbdl（1）光敏层每秒产生的电子数密度 Ge 为： G e = ηN（2）η为有效量子效率，表示入射光子转换为光电子的效率。它定义为： η = 单位时间内光电转换产生的有效电子空穴对数 单位时间内入射光量子数（3）理想情况下，入射一个光量子产生一对电子空穴，η=1。实际上，η <1。光敏层内电子总产生率应为热电子产生率 Gt 与光电子产生率 Ge 之和： G e + Gt = ηN + rt（4）在热平衡状态下，半导体的热电子产生率 Gt 与热电子复合率 rt 相平衡。导带中的电子与 价带中的空穴的总复合率 R 应为： R = K f(∆n + ni(∆p + p i（5）式中，Kf 为载流子的复合几率，Δn 为导带中的光生电子浓度，Δp 为导带中的光生空穴 浓度，ni 与 pi 分别为热激发电子与空穴的浓度。同样，热电子复合率与导带内热电子浓度 ni 及价带内空穴浓度 pi 的乘积成正比。即 签名: 第 2页
rt = K f ni p i（6）在热平衡状态载流子的产生率应与复合率相等。即 ηN + K f ni pi = K f(∆n + ni(∆p + pi（7）在非平衡状态下，载流子的时间变化率应等于载流子的总产生率与总复合率的差： d∆n = ηN + K f ni pi − K f(∆n + ni(∆p + pi = ηN − K f(∆n∆p + ∆pni + ∆npi（8）dt 下面分为弱光与强光照射两种情况讨论式（8）： ①在弱光照射下 光生载流子浓度Δn 远小于热激发电子浓度 ni，光生空穴浓度Δp 远小于热激发空穴的浓 度 pi，并考虑到本征吸收的特点，Δn=Δp，式（8）可简化为 d∆n = ηN − K f ∆n(ni + pi dt（9）−t 利用初始条件 t = 0 时，Δn = 0，解微分方程得： ∆n = ητN(1 − e 式中τ=1/Kf(ni+pi，称为载流子的平均寿命。τ（10）由式（10）可见，光激发载流子浓度随时间按指数规律上升，当 t >>τ时，载流子浓度Δ n 达到稳态值Δn0，即达到动态平衡状态： ∆n 0 = ητN（11）（12）光激发载流子引起半导体电导率的变化为： ∆σ = ∆n0qµ = ητqµN 式中，μ为电子迁移率μn 与空穴迁移率μp 之和。光敏电阻受光照后阻值会变小也可以这么定性理解：当内光电效应发生时，固体材料吸收 的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴。这样材料中的载流子数目增加，材料的电导率也就增加。当光敏电阻两端加上电压 U 后，光电流为： I ph = A 为与电流垂直的截面积，d 为电极间的距离。A ∆σ U d（13）由式（12）与式（13）可知：在一定
照度下，光敏电阻两端所加电压与光电流为线性关系，伏安特性曲线符合欧姆定律。光敏电阻具有与普通电阻相似的伏安特性，但它的电阻值是随入 射光照度变化的。可以测出在不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系曲 签名: 第 3页
线，即光敏电阻的伏安特性曲线，伏安特性曲线过零点，其斜率为某光照度下的电阻值。图 1 不同光照下光敏电阻的伏安特性曲线 弱光照射下半导体材料的光电导 g 为： g = ∆σ bd ητqµbd ητqµ = N = P l l hνl 2（14）可以看出，弱光照下的半导体材料的电导与光功率 P 成线性关系。光照度越大，电导越大，电阻的阻值越小。将式（14）两边微分得： dg = ηqτµ dP hνl 2（15）由此可得半导体材料在弱光照射下的光电导灵敏度： S g = d g ηqτµλ = dP hcl 2（16）可见，在弱光照射下的半导体材料的光电导灵敏度与光电导材料两电极间的长度 l 的平方 成反比，为与材料性质有关的常数。电导随光照量变化越大的光敏电阻就越灵敏。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量之间的关系称为光照特性。光敏电阻阻值 随光照的增加而减小。当照度很低时，光敏电阻的光照特性近似为线性关系，斜率大致相同。随光照度的增高，光照特性从线性渐变到非线性。当照度变得很高时，曲线近似为抛物线性。图 2 光敏电阻的光照特性曲线 签名: 第 4页
②在强光照射下 Δn>>ni，Δp>>pi，式（8）可以简化为： d∆n = ηN e,λ − K f ∆n 2 dt ⎞ 2 t ⎟ tanh ⎟ τ ⎠ 1（17）⎛ ηN 利用初始条件 t = 0 时，Δn = 0，解微分方程得： ∆n = ⎜ e,λ ⎜ K ⎝ f 白色 LED 光源 准直透镜 起偏器P1（18）式中 τ = 1 起偏器P2 聚焦透镜 光敏元件转盘 ηK f N e,λ 为强光照作用下载流子的平均寿命。在强光照情况下，半导体材料的光电导与光功率为抛物线关系： ⎛ ηbd ⎞ ⎟ g = qµ ⎜ ⎜ hνK l 3 ⎟ P f ⎝ ⎠ 两边微分得： dg = 1 2 1 2 数字检流计（19）1 ⎛ ηbd ⎞ ⎟ P dP qµ ⎜ 2 ⎜ hνK f l 3 ⎟ ⎝ ⎠ 1 2 LM07电器箱 1 − 2（20）1 2 半导体材料在强光照射下的光电导灵敏： S g 1 dg 1 ⎛ ηbd ⎞ − 2 ⎟ P = = qµ ⎜ dP 2 ⎜ hνK f l 3 ⎟ ⎝ ⎠（21）在强光照射下半导体材料的光电导灵敏度不仅与材料的性质有关而且与光照度有关，是非 线性的。从图 2 可以看出，光照度越高，光电导灵敏度越低。三.实验装置 仪器设备主要有：导轨、光具座、LED 光源、CdS 光敏电阻、电源箱、数字检流计、硬纸 片。光源为发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少、寿命长等优点，且改变电源电压可 以改变 LED 灯亮度。为了充分利用光源，在光源后放置了透镜 L1，这样点光源经透镜 L1 为出 射平行光，再经棱镜 L2 聚焦到光敏电阻上。为了减少环境光的影响，将光敏电阻置于遮光筒 内，遮光筒开有一小孔，供发光二极管的光照入。光照度的变化通过转动偏振片 P1 和 P2 的夹角达到减光效果，由马吕斯定律： I = I 0 cos 2 α（22）I0 为当两偏振片平行时的出射光强。当两偏振片之间有夹角α时，光强就按式（22）减小，也就是起到减光效果。I 为通过偏振片后的光强。签名: 第 5页
实验所用光敏电阻为最常见的CdS(硫化镉光敏电阻。它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率,峰值响应波长为0.52μm,在可见光波段范围内的灵敏度最高,因此,被广泛地应用于灯光的自动控制,照相机中电子快门的自动测光等。
三种光敏电阻的光谱响应特性
四.实验步骤、测量内容
(1将发光二极管的底座锁定螺丝顺时针拧紧,固定在滑轨上。打开发光二极管的电源盒背面的开关,将电源盒面板上的旋钮顺时针旋到底(即光照度开到最大。将透镜L1滑动到距离发光二极管9厘米处(L1透镜的焦距,将底座的锁定螺丝顺时针拧紧在滑轨上。
(2光路同轴等高调节:将所有的器件调到同一高度,光束穿过各器件的中心。(3在光敏电阻前立一张硬纸片。一边滑动透镜L2,一边观察纸上的光斑,使光斑聚成尽可能小的光点。如果聚光效果仍不够好,可以在滑动透镜L2的同时,稍微滑动透镜L1,以达到良好的聚光效果。
(4撤掉硬纸片,将光敏电阻的黑色扇形挡板转开,露出光敏电阻黄色转盘上的小孔,观察光是否照进小孔。将导线的一端插入转盘上“光敏电阻”背面的插口。背面有三个插口,要插入到“光敏电阻”正背后的那个插口。插入即可,不必旋转。导线另一端连接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电阻”接口,将“MT数字检流计”电控箱背面的导线接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电流”接口,将电控箱上面板上的光电阻开关拨到“开”的位置。
(5打开“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”的电源开关。面板右上角的“电压调节”旋钮可调节“供给电压”(对光敏电阻施加的外部电压。
(6将两只偏振片P1、P2转盘上的0°刻度线与标线对齐。打开“MT数字检流计”的电源开关。面板上显示的是光电流数值。如果光电流显示为1,表示数值溢出了,请将增益旋钮逆时针旋到最小。将“供给电压”从10V→8V→6V→4V→2V→0V依次递减,把相应的光电流数值填入表1中。
(7旋转两偏振片中的一只,每次转15°,直到两偏振片的光轴夹角为90°。每次转角度后,将“供给电压”从10V→8V→6V→4V→2V→0V依次递减,把相应的光电流数值填入表1中。注意:由于经常旋转偏振器的转盘,螺丝可能脱扣。即使两只转盘上 的0°刻度线与标线对齐,并不代表真实情况是这样。可以转动其中一只偏振器的刻度盘,当光电流最大时,视作两偏振片的光轴夹角为0°,然后再依次转15°。
五.数据记录与绘图
表1不同光照下加在光敏电阻两端的电压与流过它的电流的关系αcos2αI(μA U=0V U=2V U=4V U=6V U=8V U=10V 90°0 75°0.07 60°0.25 45°0.5 30°0.75 15°0.93 0°1 根据表1中的数据,使用Excel或绘图软件Origin绘制出如图1所示的光敏电阻伏安特性曲线。1μA=1×10-6A 对表1中的数据进行线性拟合,电脑算出直线的斜率,将斜率填入表2中。斜率的倒数即光敏电阻在不同光照度下的电阻值,将计算出的电阻值也填入表2中。1KΩ=1×103Ω
表2光敏电阻阻值与光照度的关系
αcos2α伏安特性曲线的斜率k电阻R=1/k(KΩ 90°0 75°0.07
60°0.25 45°0.5 30°0.75 15°0.9 0°1 根据表2的数据,使用Excel或绘图软件Origin绘制出光敏电阻的光照特性曲线: 五.观察与思考
1、随着温度的升高,光敏电阻的暗电阻和灵敏度会怎样?
2、光敏电阻效应有什么可能的应用? 光电池的特性曲线测量 目的要求
测量光电池的光照特性和伏安特性。实验要求达到:
1、测量光电池在光照状态下的短路电流I sc、开路电压U oc、最大输出功率P max、填充因子
FF
2、了解光电池的光伏特性和黑暗状态下的伏安特性(二极管特性 实验原理
1839年,法国科学家贝克雷尔(Becqurel就发现,光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”,简称“光伏效应”。具有光生伏特效应的半导体材料有很多,例如硅(Si、锗(Ge、硒(Se、砷化镓(GaAs等半导
体材料。利用这些材料能够制造出具有各种特点的光生伏特器件,其中硅光生伏特器件具有制造工艺简单、成本低等特点使它成为目前应用最广泛的光生伏特器件。常见的光生伏特器件有光电池、光电二极管、光电三极管、CCD等。
光生伏特器件工作基于PN结的光伏效应。PN结的基本特征是它的电学不对称性。在结区有一个从N侧指向P侧的内建电场存在。
热平衡下,多数载流子(N侧的电子和P侧的空穴的扩散作用与少数载流子(N侧的空穴和P侧的电子由于内电场的漂移作用相抵消,没有净电流通过PN结。此时,用电压表量不出PN结两端有电压,称为零偏状态。当照射光激发出电子一空穴对时,电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开,从而在势垒两侧形成电荷堆积,形成光生伏特效应。如果说光导现象是半导体材料的体效应,那么光伏现象则是半导体材料的“结”效应。也就是说,实现光伏效应需要有内部电势垒,当照射光激发出电子一空穴对时,电势垒的内建电场将把电子一空穴对分开,从而在势垒两侧形成电荷堆积,形成光生伏特效应。这个内部电势垒可以是PN结、PIN结、肖特基势垒结以及异质结等。这里我们主要讨论PN结的光伏效应,它不仅最简单,而且是基础。
如果PN结正向电压偏置(P区接正,N区接负,则有较大正向电流流过PN结。如果把PN结反向电压偏置(P区接负,N区接正,则有一很小的反向电流通过PN结,这个电流在反向击穿前几乎不变,称为反向饱和电流。
PN 结的伏安特性为:(10−=T k eu s d B e I I 式中I d 是暗(指无光照电流,I so 是反向饱和电流,U 是偏置电压(正向偏置为正,反向偏置为负,e 是电子电荷量,k B 是波尔兹曼常数, T 是绝对温度。
PN 结光伏探测器的典型结构及作用原理如图所示:
(a光伏探测器的典型结构(b工作原理
假定光生电子一空穴对在PN 结的结区,即耗尽区内产生。由一内电场的作用,电子向N 区、空穴向P 区漂移运动,被内电场分离的电子和空穴就在外回路中形成电流。为了说明光功率转换成光电流的关系,我们设想光伏探测器两端被短路,并用一理想电流表记录光照下流过回路的电流,这个电流常常称为短路光电流。
和光电导探测器不同,光伏探测器的工作特性要复杂一些,通常有光电池和光电二极管之分。也就是说,光伏探测器有着不同的工作模式。光电池又叫光伏电池,它可以把外界的光转为电信号或电能。实际上这种光电池是由大面积的PN 结形成的,即在N 型硅片上扩散硼形成P 型层,并用电极引线把P 型和N 型层引出,形成正负电极。为防止表面反射光,提高转换效率,通常在器件受光面上进行氧化,形成二氧化硅保护膜。
在光照状态下,一个PN 结光伏探测器可等效为一个理想恒流源(光电流源、理想二极管、并联电阻R sh、电阻R S 所组成,那么光电池的工作如图: IPh 为光电池在光照时该等效电源输出电流。Id 为光照时，通过光电池内部二极管的电流。I 为光电池的输出电流，U 为输出电压。由基尔霍夫定律： IRS + U −(I ph − I d − I Rsh = 0 可得： I(1 + Rs U = I ph − − Id Rsh Rsh ⎛ keuT ⎞ − I SO ⎜e B − 1⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ 假设 Rsh = ∞ 和 Rs = 0，可简化为： I = I ph − Id = I ph 短路时： U = 0，I ph = I SC 而开路时： I = 0，I SC ⎛ eu ∞ ⎞ k T − I SO ⎜e B − 1⎟ = 0 ⎜ ⎟ ⎝ ⎠（1）可以得到： U OC = 1 I In(SC + 1 β I SO 式（1）即为在 Rsh = ∞ 和 Rs = 0 的情况下，光电池的开路电压 UOC 和短路电流 ISC 的关系式。其中 UOC 为开路电压，ISC 为短路电流。短路电流和开路电压是光电池的两个非常重要的工作 状态，它们分别对应于 RL = 0 和 RL = ∞ 的情况。当光电池外接负载电阻 R L 时，负载所获得的功率为：PL=IL2RL 负载电阻 RL 所获得的功率 PL 与负载电阻的阻值有关。让我们来看以下三种情况：（1）当 RL=0（电路为短路）时，U=0，输出功率 PL=0；（2）当∞＜RL＜0 时，输出功率 PL＞0。（3）当 RL=∞（电路为开路）时，IL=0，输出功率 PL=0； 显然，存在着最佳匹配负载电阻 RL=Ropt。在最佳负载电阻情况下，负载可以获得最大的 输出功率 Pmax。Ropt 取决于光电池的内阻。签名: 第 11页
由于 UOC 和 ISC 均随光照度的增强而增大，所不同的是 UOC 与光照度的对数成正比，ISC 与光 照度成正比(在弱光下，所以 Ropt 亦随光照度变化而变化。UOC、ISC 和 Ropt 都是光电池的重要参 白色 LED光源 数。填充因子 FF 是表征光电池性能优劣的指标，可用下式表示： 光敏元件转盘 准直透镜 起偏器P1 起偏器P2 聚焦透镜 FF = Pmax U OC I SC 电 压 调 节 电 阻 调 节 填充因子一般在 0.5~0.8 之间 数字检流计 实验装置 明 光 电 池 开 开 光 开 仪器设备主要有：导轨、光具座、LED 光源、光电池、电源箱、数字检流计、硬纸片。电 关 关 LM07电器箱 关 阻 光电流 南京浪博科教仪器研究所 光电池接口 ：光电池黑暗状态下的电压 数字检流计接口 光电阻接口 ：光电池光照状态下的电压 光源为发光二极管，它具有效率高、体积小、耗电少、寿命长等优点，且改变电源电压可 以改变 LED 灯亮度。为了充分利用光源，在光源后放置了透镜 L1，这样点光源经透镜 L1 为出 射平行光，再经棱镜 L2 聚焦到光敏电阻上。为了减少环境光的影响，将光敏电阻置于遮光筒 内，遮光筒开有一小孔，供发光二极管的光照入。实验步骤：（1）将发光二极管的底座锁定螺丝顺时针拧紧，固定在滑轨上。打开发光二极管的电源盒背 面的开关，将电源盒面板上的旋钮顺时针旋到底（即光照度开到最大）。将透镜 L1 滑动到距离 发光二极管 9 厘米处（L1 透镜的焦距），将底座的锁定螺丝顺时针拧紧在滑轨上。（2）光路同轴等高调节：将所有的器件调到同一高度，光束穿过各器件的中心。（3）在光电池前立一张硬纸片。一边滑动透镜 L2，一边观察纸上的光斑，使光斑聚成尽可能 小的光点。如果聚光效果仍不够好，可以在滑动透镜 L2 的同时，稍微滑动透镜 L1，以达到良 好的聚光效果。（4）撤掉硬纸片，将光电池的黑色扇形挡板转开，露出光电池的小孔，观察光是否照进小孔。签名: 第 12页
将导线的一端插入转盘背面的插口。背面有三个插口，要插入到 “光电池” 正背后的那个插口。插入即可，不必旋转。导线另一端连接到“LM07 光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上 的“光电池”接口。（5）将“LM07 光电池光敏电阻综合实验仪”面板右上角的“电压调节”旋钮逆时针旋到最 小。在做光电池光照特性实验时，不要调节“供给电压”的旋钮，否则稳压电源将给光电池供 电，而不是光电池本身放电。（6）打开“LM07 光电池光敏电阻综合实验仪”的电源开关。将电控
箱面板上的光电阻开关 拨到“关”的位置。将光电池的明开关拨到“开”位置，暗开关拨到“关”位置，将面板上“电 阻调节”旋钮逆时针旋到底（阻值最小）。将 U1/U2 开关拨到“U1”，此时“电压测量”显示的 读数为 0，表明此时流经光电池的电流为短路电流。如果光电流显示为 1，表示数值溢出了，逆时针旋下光电检流计的钮旋，但不要旋到底。（7）顺时针旋转“电阻调节”旋钮，将电阻由最小逐步调到最大。每调一次电阻值，记录下 光电流和输出电压 U1，把数据填入下表中。如果光电流显示为 0，请顺时针旋光电检流计的钮 旋。注意：明状态时，光电检流计所测电流为负，这与由检流计的方向有关，只用记录绝对值，不必记录正负号。由于经常旋转偏振器的转盘，螺丝可能脱扣。即使两只转盘上的 0°刻度线 与标线对齐，并不代表真实情况是这样。表1 输出电压 U1(V 不同负载下，光电池的光电流、输出电压、输出功率的变化情况 光电流 I(μA 负载电阻=U1/I（K Ω）输出功率 P=U1I（μW）光电池的输出电压与光电流的关系 签名: 第 13页
光电池的输出功率和负载电阻的关系 找出上图中的功率最大值，利用公式 FF = Pmax 计算出光电池的填充因子。式中的短路 I scU oc 电流 Isc 为表 1 中的最大电流，开路电压 Uoc 为表 1 中的最大电压。（8）旋转两偏振片中的一只，每次转 15°之后：逆时针旋“电阻调节”的旋钮到底（电阻接近零）记下此时的短路光电流 Isc；，再顺时针旋 “电阻调节” 的旋钮到底（电阻达到最大值 33kΩ），记下此时的开路电压 UOC 表2 开路电压 UOC、短路光电流 Isc 与光照度的关系 α cos2α Isc(μA U(V OC 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90° 线性关系。1 0.93 0.75 0.5 0.25 0.07 0 理论上，光电流与光照度之间有线性关系： dJ / J = 6.26di / i 请用你的实验数据作图看是否为 签名: 第 14页
光电池 光照度与短路光电流的关系 UOC 与光照度 J/J0 的关系是近似函数 U OC = β ln(电池的输出电流与开路电压都在减小。J +C J0 可以看出，当光照度减弱时，光 光照度与开路电压的关系（9）关掉 LED 光源。将光电池的明开关拨到“关”位置，将暗开关拨到“开”位置。旋转黑 色扇形挡板遮住光电池的入射孔，使光电池处于黑暗状态。黑暗状态下的光电池工作如图 2。黑暗状态下的光电池等效
电路 在黑暗状态下光电池在电路中就如同二极管。此时加在光电池两端的正向偏压 U 与通过 它的电流 I 之间的关系式为： I d = I s 0 eeU / k BT − 1 签名:(第 15页
式中I d 是暗(指无光 照电流,I so 是反向饱和电流,U是偏置电压(正向偏置为 正,反向偏置为负,e是电子电荷量,k B 是波尔兹曼常数, T是绝对温度。
(10把“电阻调节”的旋钮顺时针旋转到最大(阻值33kΩ。将U1/U2开关拨到“U2”,此时测量负载电阻两端的电压U2,电流I=U2/33kΩ。此时光电池如同二极管在工作。顺时针旋转“电压调节”旋钮,“供给电压”将显示出对光电池施加的正向偏压U的大小,计算出通过它的电流,填入表中。
表3 U U2I=U2/33kΩ(μA
根据数据使用Excel或绘图软件Origin绘制出光电池电流与正向偏压U的曲线。由图可看出,黑暗状态下光电池的工作状态与二极管加正向偏压下类似。
观察与思考
1、光伏器件与光电导探测器件有何不同?
2、最佳匹配负载电阻随光照度的增大如何变化? 光电二极管特性曲线的测量
目的要求
测量光电二极管在不同光照度下的特性曲线。实验原理
光电二极管又称光敏二极管。制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较锗器件暗电流、温度系数都小得多,加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制,因此,硅光电二极管得到了广泛应用。
硅光电二极管的封装有多种形式。常见的是金属外壳加入射窗口封装。入射光通过窗口玻璃照射在管芯上。窗口玻璃又有凸透镜和平面之分。凸透镜有聚光作用,有利于提高灵敏度。而且由于聚焦位置与入射光方向有关,因此还能减小杂散背景光的干扰。缺点是灵敏度随方向而变,因此给对准和可靠性带来问题。采用平面玻璃窗口的硅光电二极管虽然没有尖锐的对准问题,但易受杂散光干扰的影响。硅光电二极管的外型及灵敏度的方向性如图所示。
(a硅光电二极管的外形;(b灵敏度随角度的变化
发光二极管管芯是一个具有光敏特性的PN 结,它被封装在管壳内。发光二极管管芯的光
敏面是通过扩散工艺在N 型单晶硅上形成的一层薄膜,称为p +n 结构。光敏二极管的管芯以及
管芯上的PN 结面积做得较大,而管芯上的电极面积做得较小,PN 结的结深比普通半导体二极管做得浅,这些结构上的特点都是为了提高光电转换的能力。另外,与普通半导体二极管一样,在硅片上生长了一层SiO 2保护层,它把PN 结的边缘保护起来,从而提高了管子的稳定性,减少了暗电流。
硅电二极管的典型结构
在无辐射(暗室中的情况下,PN 结硅光电二极管的正、反向特性与普通PN 结二极管的特性一样,其电流方程为:([] 1exp −=kT qU I I d
I d 为U 为负值(反向偏置时且|U|>>kT/q 时(室温下kT/q ≈0.26mV ,很容易满足这个条件的电流,称为反向电流或暗电流。无光照时,电路中也有很小的反向饱和漏电流,一般为1×10-8~1×10-9A(称为暗电流,此时相当于光敏二极管截止。
硅光电二极管的伏安特性曲线当光辐射作用到光电二极管上时,光电二极管的全电流方程为:[]/exp(1(exp(1,e kT qU I d hc
Φq I d −+−−−=αληλ式中η为光电材料的光电转换效率,α为材料对光的吸收系数。
光电二极管为基本的光生伏特器件之一。下图为光伏探测器在不同偏置电压下的输出特性曲线。在第一象限里,是正偏压状态,本来暗(指无光照电流i D 就很大,所以光电流不起重要作用。作为光电探测器,工作在这一区域没有意义。
光伏探测器在不同偏置电压下的输出特性曲线
在第三象限里,光伏探测器是反偏压状态。这时,I d =I so(二极管的反向饱和电流,称为暗电流(对应于光功率P=0,数值很小。此时的光电流是流过探测器的主要电流,对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的光伏探测器称为光电二极管,它的外回路特性与光电导探测器十分相似。
在第四象限中,光伏探测器的外偏压为零。流过探测器的电流仍为反向光电流,随着光功率的不同,出现明显的非线性。这时探测器的输出是通过负载电阻R L 上的电压或流过R L 上的电流来体现。因此,把这种工作模式称为光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探测器称为光电池。
光敏二极管与普通二极管一样,它的PN 结具有单向导电性,因此,光敏二极管工作时应加上反向电压。当有光照射时,PN 结附近受光子的轰击,半导体内被束缚的价电子吸收光子能量而被击发产生电子一空穴对。这些载流子的数目,对于多数载流子影响不大,但对P 区和N 区的少数载流子来说,则会使少数载流子的浓度大大提高,在反向电压(P 区接负,N 区接正作用下,反向饱和漏电流大大增加,形成光电流,该光电流随入射光照度的变化而相应变化。光电流通过负载R L 时,在电阻两端将得到随人射光变化的电压信号。光敏二极管就是这样完成光电转换的。
反向电压偏置电路
光电二极管的工作区域应在图所示的第3象限与第4象限,看着不方便。采用重新定义电流与电压正方向的方法(以PN结内建电场的方向为正向,把特性曲线翻转成如图所示。
光电二极管的输出特性曲线
Si光电二极管具有一定的光谱响应范围。常温下,Si材料的禁带宽度为1.12(eV,峰值波长约为0.9μm,长波限约为1.1μm,由于入射波长愈短,管芯表面的反射损失就愈大,从而使实际管芯吸收的能量愈少,这就产生了短波限问题。Si光电二极管的短波限约为0.4μm。
Si光电二极管的光谱响应范围 实验步骤
(1将发光二极管的底座锁定螺丝顺时针拧紧,固定在滑轨上。打开发光二极管的电源盒背面的开关,将电源盒面板上的旋钮顺时针旋到底(即光照度开到最大。将透镜L1滑动到距离发光二极管9厘米处(L1透镜的焦距,将底座的锁定螺丝顺时针拧紧在滑轨上。
(2光路同轴等高调节:将所有的器件调到同一高度,光束穿过各器件的中心。(3旋转转盘,使光照进光电二极管的小孔。在光电二极管前立一张硬纸片。一边滑动透镜L2,一边观察纸上的光斑,使光斑聚成尽可能小的光点。如果聚光效果仍不够好,可以在滑动透镜L2的同时,稍微滑动透镜L1,以达到良好的聚光效果。撤掉硬纸片。
(4将导线的一端插入转盘背面的插口。背面有三个插口,要插入到“光敏电阻”正背后的
那个插口。插入即可,不必旋转。导线的另一端连接到“LM07光电池光敏电阻综合实验仪”电控箱面板上的“光电池”卡口。
(5将光电检流计的“增益”旋钮逆时针旋到最小。将电控箱面板上的光电阻开关拨到关的位置,将光电池的明开关拨到关位置,暗状态拨到开位置,顺时针旋“电阻调节”到底,使电阻最大。将U1/U2开关拨到“U2”。此时,光电二极管内部线路接成了反向电路。
(6逆时针旋转“电压调节”旋钮到底。将两偏振片夹角旋为0°,此时光照度最大。光电二极管受光照会产生负电压,“供给电压”将显示出这个初始负电压,请记录下数值。顺时针旋转“电压调节”旋钮,增大反向偏压,发现U2(负载电阻两端电压随之升高,到饱和值之后将保持不变。注意:因为始终有光电二极管的反向电压存在,故加载在光电二极管两端的反向偏压等于“供给电压”的显示值减去初始负电压(即加上初始负电压的绝对值。将两偏振片的夹角改为30°,重复上述步骤,记录数值。
注意:由于经常旋转偏振器的转盘,螺丝可能脱扣。即使两只转盘上的0°刻度线与标线对齐,并不代表真实情况是这样。
数据记录与绘图: 表1不同光照度下,负载电压U2与加载在光电二极管两端的反向偏压U的变化关系α=0°与α=30°时
加载的反向偏压 α=0°时的 负载电压U2 α=30°时的
负载电压U2 将上表中的数据输入到Excel或绘图软件Origin,绘制出不同光照度下,负载电压U2与加载在光电二极管两端的反向偏压U的关系:
第五篇：传感器原理及工作过程
传感器原理及工作过程
在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥，即为基础扭矩传感器;在轴上固定着：(1)能源环形变压器的次级线圈，(2)信号环形变压器初级线圈，(3)轴上印刷电路板，电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着：
（1)激磁电路，(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)，(3)信号环形变压器次级线圈(输出)，(4)信号处理电路
五 工作过程
向传感器提供±15V电源，激磁电路中的晶体振荡器产生４００Hz的方波，经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源，通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈，得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±５V的直流电源，该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源，该电源既作为电桥电源，又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时，应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.５v±1v的强信号，再通过V/F转换器LM131变换成频率信号，通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈，再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号，该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙，加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内，形成有效的屏蔽，因此具有很强的抗干扰能力。
本传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法，轴每旋转一周可产生60个脉冲，高速或中速采样时可以用测频的方法，低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达±0.2%～±0.5%（F?S）。由于传感器输出为频率信号，所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。
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