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2022年, 第46卷, 第12期 
刊出日期:2022-12-20
  

  • 全选
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    综述
  • 许懿婧, 杨国刚, 苌国强
    电源技术. 2022, 46(12): 1349-1352. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.01
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    质子交换膜燃料电池(PEMFC)由于具有低二氧化碳排放、不需要移动部件、适用性广和高效率等优点而被广泛应用。为了保持其高效的性能,防止温度过高损坏燃料电池的部件,需要进行适当的冷却。阐明了PEMFC的产热机制,介绍了近年来PEMFC的冷却方法,主要分为空气冷却、被动冷却、液体冷却和相变冷却方法,归纳对比了各种技术的优缺点及其适用范围,并对未来燃料电池冷却技术的发展前景进行了分析与展望。
  • 宗磊, 朱峰, 杜峰, 王辰
    电源技术. 2022, 46(12): 1353-1356. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.02
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    动力电池使用寿命一直是决定电动汽车动力特性、安全特性及梯次利用价值的关键参数。然而在实际使用过程中,动力电池使用寿命会受到制造工艺和服役环境中多种因素的影响,导致其衰减过程呈现非线性、耦合性和随机性等特征。基于动力电池的结构组成及汽车的驾驶习惯,从内部因素和外部因素两方面总结了导致动力电池寿命衰减的原因,可为今后的电池性能设计和寿命评估提供重要参考。
  • 刘巧云, 祁秀秀, 郝卫强
    电源技术. 2022, 46(12): 1357-1359. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.03
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    综述了国内外钴酸锂的改性研究进展,包括表面包覆改性、掺杂改性。重点介绍了钴酸锂的晶体结构,与其他正极材料相比具有结构优势,展示了锂电池行业对正极材料的性能需求,以及钴酸锂的改性研究方向。对比了现行两种改性方法的差异,以及各自的优势,包括表面包覆如何稳定晶体结构、体相掺杂的元素如何影响晶体结构、如何设计不同元素掺杂的钴酸锂体系。探讨了现行研究结果对设计高容量、高工作电压的钴酸锂材料的启发和未来钴酸锂改性的研究方向。
  • 研究与设计:化学电源
  • 余春林, 陈旭东, 宫川敏夫, 张兴旺
    电源技术. 2022, 46(12): 1360-1363. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.04
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    在前驱体制备时加入B2O3作为B源,得到了B元素均匀掺杂的Ni0.83Co0.12Mn0.05(OH)2前驱体材料。通过与未进行掺杂的前驱体烧制成正极材料进行对比,发现B的掺杂对正极材料形貌具备明显的影响,且通过B元素的掺杂可对正极材料的形貌进行有效的调控。具有B元素掺杂的正极材料展现出了明显的放射状结构,这种特殊的结构为锂离子的传输提供了良好的通道,提升了材料的首次效率和容量。相比之下,掺杂摩尔分数为2%的正极材料电化学性能最佳。其0.2 C的放电比容量可达210.4 mAh/g,首次充放电效率可达92.8%,且展示出了优异的循环性能。
  • 龚华旭, 龙睿祺, 王庆渊, 杨廷海
    电源技术. 2022, 46(12): 1364-1367. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.05
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    通过水热法和喷雾干燥法合成了球状多孔结构的Mn3O4/石墨烯复合正极材料,该材料的多孔微纳结构为充放电过程中Zn2+的迁移提供了更多的通道,同时也增加了正极材料与电解液的接触面积;同时,在石墨烯的协同作用下,进一步提高了复合材料的导电性。一系列电化学测试表明:所合成的Mn3O4/石墨烯正极材料具有良好的电化学性能,在2.0 A/g大电流密度下首次放电比容量为90.8 mAh/g,循环1 000次以后容量保持率为93.4 %。该工作为长循环、高倍率的水溶液金属锌可充电电池正极材料的制备提供了一种可行的方法。
  • 牛子孺, 王春梅, 张浩浩, 杨立荣
    电源技术. 2022, 46(12): 1368-1372. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.08.06
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    以丝瓜络为原料,KOH为活化剂,采用水热活化再碳化的方法制备了锂离子电池用蜂窝状碳负极材料。通过正交实验[L9(34)]确定了丝瓜络碳材料的适宜制备条件,分析了该条件下制备材料的物相组成、形貌结构和电化学性能。结果表明:丝瓜络碳材料的最优制备条件为碱固比2.80,水热温度120 ℃,水热时间18 h,碳化温度700 ℃。该条件下制备的材料呈蜂窝状多孔结构,表现出优异的循环稳定性、倍率性能和较高的可逆比容量,以50 mA/g电流密度充放电,50次循环后可逆比容量保持在约300 mAh/g。
  • 朱峰, 姜景栋, 何颖源, 陈永翀
    电源技术. 2022, 46(12): 1373-1377. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.07
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    在空间和成本的限制下,小型锂电池模组在低温加热过程中的电热性能不一致性问题易被忽视。基于不同温度下电池放电试验结果,建立了能够反映电池模组电热特征的集总参数电-热耦合模型,分析了低温直流加热下电池模组中的温度分布与放电曲线,对比了不同放电倍率下的模组内最大电压差与温度差,并且探索了锂电池低温脉冲放电预热策略的可行性。结果显示,脉冲放电能够在短时间内加热电池,但是在放电后期模组中的电压和温度差依然十分显著,因此应适当提高放电截止电压。
  • 郭雪莹, 刘家豪, 杨满江, 李贤斌
    电源技术. 2022, 46(12): 1378-1382. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.08
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    为了提高基于相变材料(PCM)的锂电池热管理系统(BTMS)的散热效率,采用Fluent数值模拟方法,以18650锂离子电池(LIB)为研究对象,设计了一种新型分叉翅片强化散热系统,研究了分叉翅片(类X形,类Y形)的分叉角(q)对热管理效果的影响。在25 ℃下,采用三种放电倍率(1 C/2 C/3 C)对无PCM,仅PCM,PCM和翅片结合的电池系统进行三维瞬态仿真。通过模拟的温度分布图和相变材料液相率可以看出,分叉翅片有效降低了电池表面的温度,并且使BTMS的温度分布更均匀。结果显示:(1)相同分叉角下,类X形翅片散热效果优于类Y形翅片;(2)相同形状的翅片,分叉角越大,散热效果越好。在2 C、3 C的放电倍率,分叉角150°时,与仅PCM系统相比,LIB表面最大温升可分别降低约15.62%,22.22%,充分证明了分叉翅片的有效性。
  • 谷清平, 郑成博
    电源技术. 2022, 46(12): 1383-1387. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.09
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    为了明确相变材料的属性对散热控制过程中热失控传播速度的影响,以18650锂离子电池模组为研究对象,通过Blotzmann方法对不同相变材料性质条件下的热失控传播性质进行计算与分析。研究结果表明,材料的潜热属性对热失控的传播影响很小;随着材料热导率的增大,热失控在电池模组各单体电池之间的传播时间先缩短后延长,在热导率达到某一数值后出现传播时间变化的拐点。研究成果为进一步优化锂离子电池模组的热管理方式提供了具有较高价值的理论依据。
  • 杨梓堙, 竺玉强, 王亚平, 栗欢欢
    电源技术. 2022, 46(12): 1388-1392. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.10
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    为研究锂离子电池充放电过程中热量的传递过程,建立了由三维电化学模型和三维热模型耦合而成的3D电化学-热耦合模型,并对三元方形锂离子电池进行了不同温度下的恒流放电测试,通过实验数据与仿真结果的对比,验证了模型的有效性。在此基础上模拟分析电池组在不同冷却方式下的热特性,结果表明:自然对流冷却时电池模组温升最大,1.5 C放电结束时最高温度超过50 ℃;相变材料(PCM)冷却可以很有效地控制电池组温升,但在充放电循环工况下,PCM就失去其有效的控温功能;PCM-液冷耦合热管理方案使电池模组在充放电循环工况下也可以很有效地控制电池组温升,使电池工作温度维持在最佳范围内。
  • 王雨, 唐豪, 龚振
    电源技术. 2022, 46(12): 1393-1397. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.11
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    扰流板数量和安装位置可对空气冷却电池热管理系统冷却性能产生较大的影响。为了获得电池热管理系统的最佳冷却性能,运用CFD方法,研究了扰流板的数量、位置、高度、长度和倾斜角度对空气冷却电池热管理系统的冷却性能的影响。与无扰流板模型相比,带有三块扰流板的电池组最高温度和最大温差分别降低了4.22和4.17 K。此外,当扰流板的倾斜角度为40°时,其冷却性能最佳。使用4扰流板模型分析了扰流板的高度和长度对电池组冷却性能的影响,结果表明,适当调节扰流板的高度和长度可对系统散热量产生较大的影响。所提出的带扰流板的电池热管理系统可以有效改善空气冷却散热系统的冷却性能。
  • 彭连兵, 吴炜烽, 晏裕康, 徐建全
    电源技术. 2022, 46(12): 1398-1401. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.12
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    针对17.5 Ah的三元锂离子软包电池,建立其电池生热模型,得到不同放电倍率下的温升特性。之后,分析了5种不同流程的液冷板,得到方案E液冷板较优。并在此基础上研究了不同流道宽度、扰流柱大小与排布等结构参数对液冷板压差及电池温升的影响,以及导热片的厚度与导热硅胶垫的热阻对电池温升的影响。结果表明,流道宽度为50 mm、扰流柱大小为8 mm、数量为12个、采用叉排的方式能实现压差与温升的最优化。在0.5 mm厚度的导热片结合方案e冷板,能够实现电池最高温度控制在40 ℃以下,电池单体间的温差在5 ℃以内,使电池工作在适宜的温度范围内。
  • 张阳琳, 别传玉, 高标, 张宇平
    电源技术. 2022, 46(12): 1402-1406. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.13
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    通过对三元锂电池分别进行充/放电容量测试,并结合脉冲实验,研究了三元锂电池在不同环境温度下的储能性能。结果表明,在放电过程中,随着环境温度从55 ℃降至-10 ℃,放电平台电压降低,放电容量减少。在高温(55 ℃)下放电容量是额定容量的105.0%,在低温(-10 ℃)下放电容量仅为额定容量的83.9%。随着环境温度降低,电池产热逐渐增大,内阻升高,放电功率减小,影响电池的正常使用。在充电过程中,随着环境温度从55 ℃降至-10 ℃,充电平台电压升高,内阻和充电功率升高,影响电池充电效率。
  • 雷少帆, 苏锋, 齐敏杰, 常林荣
    电源技术. 2022, 46(12): 1407-1411. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.14
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    利用三电极测试、X射线衍射(XRD)与电感耦合等离子体光谱仪(ICP)研究了锰酸锂-石墨电池高温循环容量减少的原因。结果表明,循环测试后,正负极极化变大,SOC(state of charge)=0%状态下,正极活性物质中锂元素质量分数逐渐减少,锰酸锂(111)晶面间距减少,负极活性物质中锂、锰元素质量分数逐渐增多,石墨(002)晶面间距变大,随循环测试进行,锰酸锂(111)晶面间距变化率增大,石墨(002)晶面间距变化率基本不变。电池容量减少的原因为Mn元素溶解、LiMn2O4结构变化与SEI(solid electrolyte interphase)膜的生成与生长。
  • 曲智伟, 孙化阳, 竺玉强, 栗欢欢
    电源技术. 2022, 46(12): 1412-1416. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.15
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    提出了一种基于容积卡尔曼滤波(CKF)的SOC估计方法。首先建立了气液动力学电池模型。通过混合脉冲功率特性(HPPC)实验获得了OCV-SOC曲线,并采用遗传算法对模型参数进行了辨识,在恒流与DST工况下验证了模型的可靠性。然后结合容积卡尔曼滤波算法对模型进行优化改进并验证。结果表明,CKF的最大估算误差为2.44%,与原始算法4.43%最大估算误差相比,CKF对原始算法改进显著。
  • 陈国庆, 岳丹, 王文
    电源技术. 2022, 46(12): 1417-1421. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.16
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    当前新能源汽车受到越来越广泛的关注,而动力电池作为新能源汽车的主要动力来源,其老化过程对动力电池的使用安全性、经济性有着直接的影响。使用AMESim物理建模仿真软件,建立了一维动力电池老化模型,针对影响动力电池老化的各个因素进行了实验研究。仿真结果显示,在较高的SOC和较大的充放电电流下,动力电池有着更小的充放电内阻,动力电池的SOC较高时,日历老化导致的容量损失变化不大,较低的放电倍率有利于减缓动力电池的循环老化。
  • 肖伟, 杜常清, 任卫群
    电源技术. 2022, 46(12): 1422-1427. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.17
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    采用动力锂离子电池加超级电容的复合电源系统,可以提高整车经济性并延缓电池的老化,针对复合电源系统参数设计优化问题,提出了一种基于多目标优化算法的复合电源系统参数设计方法。首先,基于对复合电源系统的研究现状分析,确定其构型及能量管理策略,构建了系统模型;然后,以系统成本和日均能耗为评价指标建立多目标优化模型,再依据整车需求的性能指标确定参数优化区间;采用强度帕累托进化算法(SPEA2)设计了复合电源系统的参数优化流程并进行了参数优化和性能分析,同时将所提出的SPEA2与快速非支配排序遗传算法(NSGA-II)进行了对比分析。结果表明,SPEA2优化结果有效地提高了动力电池的性能,证明了所提出的SPEA2优化方法的可行性与有效性。
  • 李政翰, 涂正凯
    电源技术. 2022, 46(12): 1428-1432. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.18
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    氢氧燃料电池可以满足水下潜航器、航空航天等应用环境下高燃料利用率和零排放的需求。将尾气反向脉冲同时应用于氢氧燃料电池的阴阳极,延长燃料电池在阴阳极全闭口运行模式下的持续时间,实现燃料电池系统在较长运行周期内的高燃料利用率和零排放。在此基础上引入尾气冷凝作为辅助排水策略强化电池排水和改善电池稳定性。在实验中利用电压变异系数作为指标分析不同工作温度下该策略对电压稳定性的影响。结果表明:提高电池工作温度,电压变异系数下降,电压稳定性提高。
  • 赵永豪, 袁伟, 周飞鲲, 汤勇
    电源技术. 2022, 46(12): 1433-1437. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.19
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    高效的流道设计对质子交换膜燃料电池(PEMFC)性能有重要影响。设计了一种具有双重强化传质作用的流道结构,通过强化反应气体传递及其在多孔介质中的扩散,促使更多气体参与反应,进而达到提升电池性能的目的。利用COMSOL软件建立了基于这种新型流道的三维、稳态、非等温PEMFC模型。深入研究了横向与纵向双重强化流道结构对燃料电池内部传质和输出性能的影响。研究结果表明:双重强化流道结构能够提高气体流速,有效促进气体在多孔介质层的扩散传输,显著提升电池的输出性能。基于优化的流道结构参数,电池性能可有效提高28.7%。
  • 王珂, 李星辰, 王永庆, 代雪颖
    电源技术. 2022, 46(12): 1438-1442. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.20
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    良好的流道形式可以促进反应气体在通道和多孔电极中的传递和扩散,进而提升固体氧化物燃料电池(SOFC)的性能。基于传统流道结构的研究成果,提出了一种具有错列式流道结构的SOFC,应用COMSOL Multiphysics软件,建立了耦合多物理场的SOFC三维数值模型,应用实验结果验证了数值模型的准确性与可靠性。研究结果表明,错列式流道结构SOFC中通道内反应气体速度整体提升,阴极氧气平均摩尔浓度对比增加10%。最低电流密度从996 A/m2提升为2 030 A/m2,电流密度分布更加均匀。经典直流道结构SOFC最大输出功率密度为2 337 W/m2,错列式流道结构SOFC的最大输出功率密度为2 529 W/m2,功率相比增加了8.2%。
  • 刘锋, 曾东荣, 陈丽丽, 王诚
    电源技术. 2022, 46(12): 1443-1446. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.21
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    质子交换膜燃料电池电堆的输出性能与其内部的水热管理状态密切相关,恒定频率下的交流阻抗值可以用来判断电堆的状态。通过实验验证了电堆阴极湿度和阴极计量比的变化与交流阻抗之间的关系,提出利用300与10 Hz低频阻抗值结合的方法分析电堆状态。本方法可在车用燃料电池系统实现基于交流阻抗值的闭环控制,进而提高发动机的可靠性并延长电堆寿命。
  • 李秉宇, 杜旭浩, 范辉, 王磊
    电源技术. 2022, 46(12): 1447-1451. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.22
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    为快速实现铅酸蓄电池放充寿命的快速检测,以环境温度、充电电流和放电电流为加速应力,设计了蓄电池加速放充退化正交实验。实验结果表明:随着应力的增加,蓄电池的寿命衰减率也呈现出增大的趋势。通过对数据的分析,建立了蓄电池的容量保持率衰减模型,并对寿命损耗率进行计算,分析了加速寿命回归检测模型的构建方法,提出了基于加速倍率和容量保持率线性度的实验方案评价方法。
  • 冯磊, 李国富
    电源技术. 2022, 46(12): 1452-1456. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.23
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    超级电容器在循环充放电过程中,内部核心区是产热区域,实时监控核心区温度变化有着重大的意义。建立超级电容器电化学热耦合模型,通过有限元仿真软件结合实验验证产热模型的准确性,分析了超级电容器在不同电流、环境温度、循环次数对内部核心区温升的影响。结果表明:10 A电流循环充放电5次,核心区温度达到68 ℃;环境温度越高温度曲线波动越平缓,环境温度每上升10 ℃,内部核心区温升大约8 ℃;2 A电流循环充放电40次,内部温度温升分为迅速、缓慢和趋于稳定三个阶段,最后温度维持在41.4 ℃。
  • 马骏, 彭景富, 苏冬云, 吉内德·阿里·赛义德
    电源技术. 2022, 46(12): 1457-1460. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.24
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    对电极材料的结构进行优化设计,提高电活性材料的有效利用率。提出一种简单的一步电沉积双金属硫化物的策略,成功设计并制备了FeCo2S4双金属硫化物,沉积在高导电性、高比表面积碳纤维布上的复合材料,并应用于超级电容器作为电极材料。通过电沉积法获得的FeCo2S4/CFC(FeCo2S4/碳纤维布)复合材料不仅改善了机械稳定性,并且进一步提升了复合材料的倍率性能和储能能力。研究结果表明:FeCo2S4/CFC具有出色的电化学性能,在1 A/g时具有505.33 F/g的高比电容,并且具有良好的倍率性能(10 A/g时比电容仍达到324 F/g)。出色的倍率性能归因于碳纤维布的加入,提高了复合材料的导电性。同时,对FeCo2S4/CFC材料进行10 000次循环后,仍然可保持95.25% 的循环稳定性。
  • 研究与设计:物理电源
  • 张肖君, 林君毅, 尹兴月, 苏彬
    电源技术. 2022, 46(12): 1461-1464. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.25
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    目前空间用太阳电池阵大都采用“镜面映射”及单回线型剩磁消除法来消除太阳电池阵的剩磁。镜面映射剩磁消除法无法消除线缆面未绞合线路部分的剩磁,同时会在相邻太阳电池串之间引入较大的电压差,空间应用时有静电放电失效隐患,且该方法会降低太阳电池板面积利用率。单回线型剩磁消除法无法消除平行于基板方向的剩磁。针对上述问题,设计了一种太阳电池阵采用双回路型剩磁消除法,通过正背面回路消除电路内部垂直于基板方向的剩磁,通过双回路消除平行于基板方向的剩磁。在剩磁最大限度消除的同时,采用合理设置太阳电池模块间间距等措施,从根本上降低在轨发生静电放电失效故障的概率。
  • 向冬梅, 毕金莲, 李微, 张晓勇
    电源技术. 2022, 46(12): 1465-1468. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.26
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    采用溶胶-凝胶法制备Cu2ZnSnS4(CZTS)薄膜太阳电池;研究了(3%、5%、7%、9%)的Na、K共掺杂对CZTS薄膜电池的影响。通过X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱仪(Raman)和环境场扫描电镜(SEM)等测试手段对薄膜样品进行表征,并采用SAN-EI XES-500T1(AAA标准)太阳光模拟器测量器件的光电转化性能;结果表明:适量的Na、K共掺杂可以改善CZTS薄膜结晶质量,抑制CZTS薄膜内部ZnS二次相的形成,改善器件性能,CZTS薄膜太阳电池光电转换效率由6.7%提升至8.02%。
  • 陈海飞, 王韵杰, 杨慧涵, 邵永辉, 杨洁
    电源技术. 2022, 46(12): 1469-1472. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.27
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    太阳电池可以直接将太阳能转化为电能,但工作温度过高会极大影响光电转换效率甚至损坏电池,特别是在高倍聚光条件下,保持电池温度均匀性具有重大意义。因此,在研究中,需要将直肋式换热器、针肋式换热器、三角肋式换热器与高倍聚光电池结合起来综合考虑。在电池温度均匀性方面,直肋式换热器下的电池能较好地保持温度场的均匀,并且光电转换效率均优于其他两种情况;当风速超过2 m/s,聚光比为1 000时仍可以保持在最佳工作温度范围,光电转换效率超27%。
  • 杨跃武
    电源技术. 2022, 46(12): 1473-1476. https://doi.org/10.3969/j.issn.1002-087X.2022.12.28
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    随着光伏发电技术的快速进步及成本的大幅下降,光伏电站补贴逐渐减少,甚至取消,行业内对光伏电站的发电效率和电站质量越来越关注,其中PID(势能诱导衰减)是光伏电站不可避免的衰减现象,对电站的发电性能带来了严重的影响。回顾了PID产生的机理及PID现象的恢复及预防方法,以某地面光伏电站为例,使用了白天预防、夜间恢复的技术,取得了良好的效果,从EL图像可知,组件的黑斑基本消失,同时组件的发电量提升到了比较高的水平。