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關(guān)鍵詞:10kV配網(wǎng);消弧線圈;并聯(lián)電阻;接地方式
DOI:10.16640/ki.37-1222/t.2016.11.190
0 引言
10kV配網(wǎng)是低壓配網(wǎng)的典型代表,使用范圍較廣、數(shù)量較多,其中性點(diǎn)接地模式關(guān)系到整個(gè)配網(wǎng)運(yùn)行質(zhì)量。如果對中性點(diǎn)的接地做特殊處理,例如:經(jīng)消弧線圈接地,則能夠有效控制故障電流,也能使得故障線路及時(shí)回歸常態(tài)。然而,這其中存在電壓超高問題,會(huì)影響故障的安全監(jiān)測,對于這一問題可以通過并聯(lián)電阻來解決,從而輔助故障檢測,然而,這其中最關(guān)鍵是要把握好電阻值的大小,應(yīng)該根據(jù)故障電流的大小對電阻值做出科學(xué)選擇。
1 消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式的結(jié)構(gòu)
其主體結(jié)構(gòu)為:自動(dòng)調(diào)諧消弧線圈,控制器、檢測元件、接地變壓器等,不同部件的功能和作用主要體現(xiàn)在:Z型接地變壓器,主要負(fù)責(zé)供應(yīng)系統(tǒng)中性點(diǎn);消弧線圈,發(fā)揮電容電流補(bǔ)償作用;可調(diào)電容器組,發(fā)揮電感調(diào)節(jié)作用;可調(diào)電阻器,防止電壓過大功能;中性點(diǎn)電壓互感器,能夠得到中性點(diǎn)位移電壓;母線電壓互感器,主要收到母線電壓。
2 消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式的運(yùn)行原理
當(dāng)配網(wǎng)處于常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下,控制器則發(fā)揮著動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)測量功效,主要能夠測出中性點(diǎn)位移的電壓,同時(shí),也能測得消弧線圈中通過的電流大小。當(dāng)測量所得量發(fā)生變化,可以對消弧線圈電感加以調(diào)整,再通過回路方程最終求得配網(wǎng)的電容電流,當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障,同時(shí)配網(wǎng)零序電壓不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍,控制器此時(shí)則能發(fā)揮消弧線圈調(diào)節(jié)作用,根據(jù)前期所設(shè)的脫諧度使其達(dá)到補(bǔ)償狀態(tài)。故障最初發(fā)生時(shí),為了使消弧線圈補(bǔ)償功能得以有效發(fā)揮,不需要立即連接并聯(lián)電阻,這樣也能控制故障相電壓的回升速度,通過這種方式來確保瞬間故障自動(dòng)恢復(fù)。過一會(huì)兒后,倘若發(fā)現(xiàn)零序電壓依然保持,則可以連接并聯(lián)電阻,這樣就有效排除了由于諧振所導(dǎo)致的虛幻接地故障,零序電壓如果還未消失,就意味著配網(wǎng)系統(tǒng)出現(xiàn)了永久性接地故障。
3 單相接地故障監(jiān)測的原理
3.1 理論原理
當(dāng)L3線中C相發(fā)生接地時(shí),其對地電容則出現(xiàn)短路,實(shí)際的配網(wǎng)電容電流具體流向如圖1所示。上圖中:XL-――消弧線圈,K1――投切開關(guān),Rn――中性點(diǎn)并聯(lián)電阻,K2――投切開關(guān)。C01――C03則主要為等效對地電容。
在不考慮配網(wǎng)系統(tǒng)電導(dǎo)泄漏的情況下,如果發(fā)生單相接地,則其等效電路圖如圖2所示。
安裝Rn,零序電壓U0將下降,對應(yīng)有下面的公式:U0=UN=-Ec/R+(1/Rn+1/jwL+j3wCΣ)-1
當(dāng)U0下降,發(fā)生故障的區(qū)域,其內(nèi)部將殘留一部分零序電流,其無功分量則將逐步下降,相反,有功分量卻對應(yīng)上升,零序電流整體處于上升勢頭。
當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障時(shí),并聯(lián)電阻則將出現(xiàn)一定的阻性電流,此電流將朝著一定的方向流動(dòng),具體流向中性點(diǎn)到故障接地點(diǎn)之間的線路。這樣Rn將出現(xiàn)有功電流,該電流位于故障線路始端與故障區(qū)域二者中間,其相位同零序電壓之間差180度。如果是過補(bǔ)償狀態(tài)下,發(fā)生故障的線路,其無功電流則更加超前,大于零序電壓90度,所以,零序電流和電壓二者的相位差處于90-180度之間。
如果L3發(fā)生故障,則該線路的零序電流為如下公式:
3I03=IA3+IB3+Ic3=IR+IL+IcΣ
故障點(diǎn)負(fù)荷端的零序電流:3I03=IA3+IB3+Ic3=3jwC’03U0
3.2 數(shù)值計(jì)算分析
(1)并聯(lián)電阻大小的判斷。并聯(lián)電阻在配網(wǎng)系統(tǒng)故障排查中發(fā)揮著至關(guān)重要的功能和作用,具體體現(xiàn)在:有效控制過電壓,通過供應(yīng)有功電流來輔助故障的監(jiān)測,據(jù)此要對電阻值的大小做出合理判斷,具體的選值應(yīng)該遵以下標(biāo)準(zhǔn):如果故障電流較小,例如:在10A以下,確保所并聯(lián)的電阻能夠發(fā)出相對明顯信號,作為故障提示,通過這種方式來縮小故障查找范圍,及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)。由于本文所面對的配網(wǎng)電壓為10-12kV,如果出現(xiàn)單相接地故障,中性點(diǎn)位移電壓降低,達(dá)到7kV,對于這種情況,通常適合選擇600歐的電阻值,以此能實(shí)現(xiàn)對故障電流的有效查找。(2)單相接地故障的科學(xué)選線。當(dāng)出現(xiàn)單相接地故障后,引進(jìn)600歐的并聯(lián)電阻,經(jīng)過觀察發(fā)現(xiàn)故障線路與非故障線路在零序電流有功分量方面存在明顯差異,同時(shí)同零序電壓方向相反。
4 消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式的運(yùn)用
此接地方式一般較為適合架空電網(wǎng),也適合于混合式電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。在故障監(jiān)測過程中,通常適合并聯(lián)600歐姆的電阻??梢詤⒄针娋W(wǎng)的結(jié)構(gòu)、規(guī)模等來執(zhí)行各類方案:
(下轉(zhuǎn)第192頁)(上接第206頁)
要根據(jù)配網(wǎng)的電容電流大小來選配消弧線圈,具體如表1所示。
5 總結(jié)
消弧線圈并聯(lián)電阻接地方式的應(yīng)用為配網(wǎng)運(yùn)行帶來了多方面的優(yōu)勢,具體體現(xiàn)在:消耗線圈通過補(bǔ)償電流,能夠及時(shí)解除故障,使電網(wǎng)回歸到正常運(yùn)行狀態(tài),同時(shí),在故障處理方面,并聯(lián)電阻也能發(fā)揮故障選線、定位的作用,同時(shí)能控制電壓無限升高。
通過并聯(lián)電阻,對應(yīng)將出現(xiàn)零序電流有功分量、增量,能夠達(dá)到對接地故障的精準(zhǔn)檢查。這其中要把握好所并聯(lián)的電阻的大小,通常為600歐為最佳,是因?yàn)檫@一電阻值能夠?qū)收线M(jìn)行精準(zhǔn)選線,也能有效控制故障電流值。要對各個(gè)線路進(jìn)行對比來判斷故障線路,當(dāng)發(fā)現(xiàn)零序電流有功分量變大、有功增量變大則可以判定為故障線路。
對于故障點(diǎn)的查找,則應(yīng)該豎向?qū)Ρ裙收暇€路中不同監(jiān)測點(diǎn),通常如果發(fā)現(xiàn)零序電流有功增量數(shù)值為正值,則可判斷出故障出現(xiàn)在電源附近線路。
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關(guān)鍵詞:消弧線圈;故障選線;并聯(lián)電阻;零序有功分量
中圖分類號:TM72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)需求,近年來我國配電網(wǎng)規(guī)模逐漸擴(kuò)大,用電設(shè)備容量也逐年增加。特別是在電力線路上,近年來電纜呈現(xiàn)增多趨勢,而隨著電線電纜的增加,當(dāng)發(fā)生電路故障時(shí),單相接地故障產(chǎn)生的容性電流也增大。為了解決該問題,供電局目前主要采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地模式。
當(dāng)單相接地故障發(fā)生,它表現(xiàn)的主要特點(diǎn)為電流小,相對應(yīng)的非故障電壓反而升高,但整個(gè)電力系統(tǒng)的電壓保持正常,還可以正常繼續(xù)運(yùn)行1h~2h。單相接地故障雖然對整個(gè)電力系統(tǒng)電壓不造成影響,但長期發(fā)生故障會(huì)影響整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,安全問題也隨之增加,為了預(yù)防安全隱患,也為了保持整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行,在發(fā)生故障之后,必須正確地找出故障點(diǎn),立即解決。
但是消弧線圈的感性電流補(bǔ)償電容電流后,故障特征變微弱,使得選線裝置難以感受到故障量,從而選線變得困難。所以,解決選線不準(zhǔn)的核心就在于不影響消弧補(bǔ)償?shù)那疤嵯率构收狭棵黠@。
1.目前消弧線圈接地選線的普遍情況
目前供電局主要采用的消弧選線裝置主要有兩種,分別是廣州智光電氣生產(chǎn)的消弧選線裝置和上海思源電氣的5次諧波法。在購買裝置時(shí),相關(guān)設(shè)備試驗(yàn)性良好,但在實(shí)際使用過程中,卻容易出現(xiàn)失效。廣州智光電氣采用消弧選線裝置原理為:接地選線和消弧線圈聯(lián)合,在消弧線圈補(bǔ)償時(shí)提供擾動(dòng)量,結(jié)合補(bǔ)償前后各條線路零序電流的變化進(jìn)行判斷。但是故障線路零序電流大小變化和接地過渡電阻阻值有關(guān),一般是阻值越小,電流越大;阻值越大,電流越小。當(dāng)它在判斷高阻接地時(shí),由于電流過小,就難以判斷。
上海思源則采用5次諧波法,它的運(yùn)用原理為:線路電容電流的5次諧波大于消弧線圈補(bǔ)償電流5次諧波,利用線路電流諧波和消弧線圈補(bǔ)償諧波的相反原理,可以判別出故障線路和非故障線路。但由于電力系統(tǒng)中存在非線性鐵芯設(shè)備,且數(shù)量較多,這些非線性鐵芯設(shè)備產(chǎn)生的諧波較高,而零序5次諧波電流的幅值很小,故障量不明顯,在干擾下,就難以判斷故障線路。
鑒于以上消弧接地選線裝置普遍存在實(shí)際選線不準(zhǔn)的問題,經(jīng)了解佛山供電局已經(jīng)開始對部分變電站進(jìn)行了消弧線圈及選線裝置改造,目前采用的故障選線方式為利用消弧線圈并聯(lián)小電阻。連接原理為:在消弧線圈兩端并聯(lián)小電阻,小電阻增加的電流會(huì)使接地電流相位幅值發(fā)生明顯的改變。這樣的連接方法有效克服消弧選線裝置和5次諧波法的缺點(diǎn),金屬接地、母線接地、高阻接地發(fā)生故障后都能準(zhǔn)確地選線,實(shí)際準(zhǔn)確性高達(dá)100%。下面就短時(shí)投切并聯(lián)小電阻接地選線的原理和零序電流有功分量法的計(jì)算方法進(jìn)行分析討論。
2.消弧線圈短時(shí)投切并聯(lián)小電阻的接地選線原理
在實(shí)際選線的過程中,由于零序電流互感器等因素的影響,有功分量太小造成選線準(zhǔn)確性難以保證。而在消弧線圈兩端并聯(lián)一個(gè)電阻可以提高消弧選線的正確性。當(dāng)發(fā)生單相接地故障,短時(shí)間內(nèi)可控電抗器立即輸出補(bǔ)償電流,減小接地產(chǎn)生的電流,最終消除弧光。如果是瞬時(shí)性接地故障,則故障消除,恢復(fù)正常狀態(tài);若為永久接地故障,則可以通過控制高壓接觸器將小電阻瞬時(shí)投入系統(tǒng)中,借助有功電流產(chǎn)生的變化選線,而因?yàn)椴⒙?lián)電阻產(chǎn)生的零序有功電流只通過故障線路,故障線路的零序有功功率比非故障線路大,因此可以以零序有功分量作為選線的判斷依據(jù),這樣的方式可以提高故障選線的準(zhǔn)確性,再利用線路保護(hù)裝置將接地線路跳閘,隔離故障線路。
單相接地故障發(fā)生后,5s內(nèi)中性點(diǎn)的零序電壓可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)值,這時(shí)并聯(lián)小電阻,可以避免單相接地時(shí)的暫態(tài)過程和瞬時(shí)性接地故障。小電阻的阻值選擇需要依據(jù)單相金屬接地故障產(chǎn)生的電流,并聯(lián)運(yùn)行時(shí)間需要根據(jù)各條線路對零序電流采樣時(shí)間決定。過流保護(hù)的出口時(shí)間一般為3s~5s,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小電阻的投入并聯(lián)的短暫時(shí)間,因此并不會(huì)對系統(tǒng)原有的運(yùn)行方式造成任何影響。當(dāng)選線結(jié)束后,立即退出并聯(lián)電阻,通流時(shí)間控制在1s之內(nèi)。
3.零序電流有功分量法的計(jì)算分析
以下詳細(xì)展現(xiàn)3條出線的中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈并聯(lián)小電阻接地系統(tǒng),為了觀察方便,經(jīng)過簡化畫出單相接地時(shí)三相的電容電流分布圖,如圖1所示。
由上可知,本支路對地電容產(chǎn)生的容性電流是流過非故障線路的唯一零序電流,相位超前零序電壓90°。但通過故障線路的零序電流包括3種:
第一是非故障線路零序電流之和,相位滯后零序電壓90°;
第二是消弧線圈產(chǎn)生的補(bǔ)償電流,相位超前零序電壓90°;
第三是中性點(diǎn)電阻產(chǎn)生的電流,相位滯后零序電壓180°,此電流為有功分量。
永久性單相接地故障發(fā)生時(shí),連接在消弧線圈上的電阻通過斷路器或者雙向晶閘管接入,使通過故障點(diǎn)的電流加大。
I=IR+IL+IC
簡單來說,
因?yàn)殡姼须娏髋c電容電流互為補(bǔ)償關(guān)系,因此IL+IC≈ 0,因此I≈IR。
由此可知,并聯(lián)在消弧線圈上的電阻R取值合適,就可以加大流過故障點(diǎn)的有功電流分量,而有點(diǎn)電流分量加大后導(dǎo)致通過故障點(diǎn)的零序電流增加,而非故障線路通過的電流較小,由此可以判斷故障線路和非故障線路。當(dāng)故障線路選出后,并聯(lián)小電阻的退出可以通過斷開斷路器來完成。
圖2展示了故障和非故障線路零序電流向量。由圖2可見,系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí),消弧線圈在沒有并聯(lián)電阻的前提下,通過故障線路的零序電流可能比非故障線路的零序電流小,這樣的情況下就難以判斷故障和非故障線路;如果消弧線圈并聯(lián)小電阻,通過故障線路的電流只有并聯(lián)電阻產(chǎn)生的零序電流,故障線路的零序電流增大后,就可以判斷故障線路和非故障線路。
4.消弧線圈短時(shí)投切并聯(lián)小電阻的理論和實(shí)際效果
從理論的角度來看,消弧線圈并聯(lián)電阻后,既能使用消弧線圈本身的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)又能避免消弧線圈難以判斷故障和非故障的缺點(diǎn)。同時(shí),并聯(lián)電阻運(yùn)行時(shí)間短,對電路系統(tǒng)產(chǎn)生影響小,因此中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng),用短時(shí)投切并聯(lián)小電阻進(jìn)行故障選線是一個(gè)可供選擇的方案,這對進(jìn)一步保證供電質(zhì)量、提高供電可靠性具有很大益處。
從運(yùn)行的角度來看,由于供電局新改造的短時(shí)投切并聯(lián)小電阻的消弧選線裝置,還沒有按投入并聯(lián)小電阻的方式整定,所以實(shí)際運(yùn)行中的選線正確性效果還暫時(shí)未能驗(yàn)證。不過,根據(jù)兄弟單位供電局的短時(shí)投切并聯(lián)小電阻消弧選線裝置的實(shí)際運(yùn)行情況來看,選線準(zhǔn)確性幾乎達(dá)到了100%。
結(jié)語
隨著相關(guān)技術(shù)和配電網(wǎng)的發(fā)展,中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地方式逐漸得到廣泛使用,然而消弧線圈產(chǎn)生的電感電流抵消了故障線路中的電容電流,給選線準(zhǔn)確性帶來了難題。本文針對目前供電局消弧選線裝置普遍存在實(shí)際選線準(zhǔn)確性較差的情況,通過零序電流有功分量法的計(jì)算方法,從并聯(lián)小電阻的接地選線原理進(jìn)行研究分析,闡明了短時(shí)投切并聯(lián)小電阻方案的可行性,同時(shí)驗(yàn)證了該方案選線的準(zhǔn)確性。
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“他們家的燒餅又酥又脆,豆腐腦吃起來嫩滑,口感非常棒!”這是排隊(duì)來“盛益隆”買早餐的顧客們的一致看法。
李國印是“盛益隆”老北京油酥芝麻燒餅連鎖店的總經(jīng)理,做燒餅可有十多年的時(shí)間了?!斑@手藝還是從我父親那里傳下來的?!?/p>
李國印8歲的時(shí)候,父親就開了家燒餅店,當(dāng)時(shí)只有椒鹽一種口味,生意一直很火。初中畢業(yè),李國印就幫著家里賣燒餅。
年輕氣盛,李國印總想看看外面的世界。18歲那年,他獨(dú)自來到天津闖蕩。在印刷廠干了1年覺得沒什么發(fā)展,又做起了服裝生意,先是賣休閑鞋,漸漸地也賣起了服裝。那時(shí),天津大胡同總有他的身影。
2004年,李國印結(jié)婚了。他重拾起了看家本領(lǐng)――做燒餅?!百u服裝一年掙七八萬,而做燒餅一年能掙10多萬,還不用四處奔波?!崩顕》艞壸隽?年的服裝生意,專心賣起了燒餅。父親并不看好:服裝生意做得好好的,為什么又轉(zhuǎn)回到老本行?李國印心里早已把賬算得清楚,心意已決。 2006年,投入1萬多元,李國印的第一家燒餅店在濟(jì)南天橋區(qū)正式開張了。
開業(yè)第一天,李國印做了2袋面粉的燒餅,由于知道的人不多,所以生意并沒有想象中的火爆。過了三四天,許多品嘗過“李家”燒餅的買家都成了回頭客。這樣,一傳十、十傳百,靠著口碑,燒餅店的人氣越來越旺,大家都知道了李國印賣的餐點(diǎn)好吃:燒餅色澤金黃,口感酥脆,一咬直掉渣;豆腐腦非常嫩,特別香。好吃不貴:一碗豆腐腦1.2元,配上兩個(gè)燒餅1.6元,不超過3元錢,經(jīng)濟(jì)、實(shí)惠、還好吃,正符合老百姓的口味。
其實(shí),開業(yè)前李國印就做好了準(zhǔn)備,他特意選擇了人流量比較大的小區(qū)門口。“店址很關(guān)鍵,一定要在寫字樓、學(xué)校、市場這些上班族、學(xué)生、居民比較多的地點(diǎn)開店。”只是讓李國印沒想到的是燒餅賣得這么好,以至于原來的備料根本不夠。每天,來買燒餅的隊(duì)伍都排到了別家店門前,李國印不得不限量――每人最多購買20個(gè)燒餅。
開張后第一個(gè)月,李國印掙了七八千元!生意如此火爆,更堅(jiān)定了他的決心。生意好了,李國印時(shí)刻想著如何讓它更好。一次和朋友去飯店,一盤魚肉餡餃子引起了他的注意,“平時(shí)吃的餃子都是白菜、韭菜餡的,這種魚肉餡的還是頭一次吃,如果把燒餅里的餡料也改良一下肯定受歡迎。”李國印想。
回到家后,李國印就開始研究新餡料。可是,過程卻遠(yuǎn)非他想的那樣簡單。例如豆沙餡,剛開始做的時(shí)候,因?yàn)椴恢酪哦嗌偬?,所以做出的燒餅都很苦?!澳菚r(shí)我們研究了1個(gè)月,后來豆沙吃不了都送人了。”
經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn),在傳統(tǒng)椒鹽芝麻燒餅的基礎(chǔ)上,李國印又制作出了咸口、甜口、豆沙、雞蛋和肉5種口味的燒餅。而豆腐腦除了傳統(tǒng)的雞蛋、木耳鹵汁,又增添了老湯鹵汁,骨頭老湯加秘制配料,味道鮮美。
“盛益隆”的餐點(diǎn)之所以這么受歡迎,李國印總結(jié)出了以下幾點(diǎn):1.制作燒餅要用高級粉,低級粉做出的燒餅不飽滿、發(fā)癟,而且嚼起來非常硬。2.攪拌芝麻醬的時(shí)候不能放水,只能放油,不然面團(tuán)卷起來沒有層次。3.老湯鹵汁要將骨頭在鍋里熬制8-9個(gè)小時(shí),要熬出白色湯汁才可以。4.豆沙餡里不能摻面,要用純紅豆和糖做豆沙,否則口感欠佳。5.肉要選五花肉,用10多種配料燉,這樣味道足。做燒餅的時(shí)候用爐子,比烤箱烤出來的好吃。
生意做得火,就有前來要求加盟的。2009年,李國印正式注冊了“盛益隆”這個(gè)商標(biāo),開始了燒餅店的連鎖之路。
“燒餅這個(gè)行業(yè)不像開飯店、開飯店需要買桌子凳子及店面裝修,每天必須去市場買各種蔬菜,特別麻煩。做燒餅只需面、油、糖、芝麻等,有兩個(gè)人就可以開店。但是,必須能吃苦。”剛起步時(shí),李國印夫妻倆每天都要五點(diǎn)半起床,和面、磨豆子。因?yàn)橐徽於加锌腿?,所以常常都來不及吃飯,晚上關(guān)店后,還要準(zhǔn)備第二天用的燒餅餡料和豆腐腦汁?!半m然辛苦,但是利潤卻很可觀,很多加盟商都是以此為跳板發(fā)家致富?!?/p>
“加入我們其實(shí)非常簡單,只需要5000元,就能傳授包括烤箱一個(gè)和六種口味的燒餅及兩種口味的豆腐腦做法。另外,如果成功加盟‘盛益隆’,我們還會(huì)提供研制7年的獨(dú)家秘方――五香粉。只要不怕辛苦,兩個(gè)人經(jīng)營,每個(gè)月能掙一萬元左右?!崩顕≌f。他還算了一筆賬:一家加盟店平均1天能賣3袋面粉的燒餅,刨除各項(xiàng)開支、成本,1袋面粉凈利潤是150元,3袋就是450元,一個(gè)月下來,賺個(gè)萬八千的沒問題。
提升太陽電池轉(zhuǎn)換效率對降低太陽能發(fā)電成本至關(guān)重要,本文簡要介紹了國內(nèi)外太陽能電池的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀,根據(jù)太陽能電池基本原理的計(jì)算結(jié)果,揭示了III-V聚光級聯(lián)電池應(yīng)用于光伏發(fā)電的潛力,并在級聯(lián)電池材料結(jié)構(gòu)方面對影響電池轉(zhuǎn)換效率的因素進(jìn)行了簡單討論。
【關(guān)鍵詞】材料帶隙 極限效率 細(xì)致平衡
1 引言
隨著傳統(tǒng)化石燃料資源頻頻告急,不可再生能源的使用對環(huán)境造成的污染問題日益突出,太陽能以其干凈清潔、使用期長的優(yōu)勢漸漸在能源競爭浪潮中浮出水面,太陽能產(chǎn)業(yè)巨大的潛力受到世界各國的密切關(guān)注。
2 太陽能電池研究及應(yīng)用現(xiàn)狀
光伏發(fā)電是太陽能的主要應(yīng)用領(lǐng)域,光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心是太陽能電池芯片,太陽能電池目前主要分為以下幾類:1、硅太陽能電池;2、以無機(jī)鹽如砷化鎵III-V化合物、硫化鎘、銅銦硒等多元化合物為材料的電池;3、功能高分子材料制備的大陽能電池;4、納米晶太陽能電池等。
光伏發(fā)電前景廣闊,但當(dāng)前太陽能光伏發(fā)電仍處于示范運(yùn)行階段,并未得到大規(guī)模推廣,其原因在于光伏發(fā)電的成本較高,光伏發(fā)電成本已成為制約光伏發(fā)電大規(guī)模推廣的瓶頸,而發(fā)電的成本很大程度上受制于芯片的光電效率。以太陽能電池中目前發(fā)電成本較低的CIGS薄膜電池為例,目前組件成本約為1USD/W,即使達(dá)到薄膜電池目前實(shí)驗(yàn)室非聚光最高效率20.8%,發(fā)電成本也難以與傳統(tǒng)能源相競爭。一旦并入電網(wǎng)后,其市場價(jià)格將和火電等傳統(tǒng)能源一樣,為0.24RMB/kWh。倘若不將光電轉(zhuǎn)換效率提高,發(fā)電成本無法降低,光伏并網(wǎng)發(fā)電是無法與傳統(tǒng)能源相競爭的。
為盡早實(shí)現(xiàn)規(guī)?;夥⒕W(wǎng)發(fā)電,各國科學(xué)家都在加快高效電池的研發(fā)步驟,其中最引人關(guān)注的就是基于紅外技術(shù)的III-V族高效級聯(lián)電池。目前產(chǎn)業(yè)化的三結(jié)InGaP/GaAs/Ge太陽能電池(更大光譜范圍吸收太陽能)聚光轉(zhuǎn)換效率達(dá)35%-44%,用于光伏發(fā)電的組件效率在28%左右。據(jù)國際上的最新報(bào)道,2013年4月,Sharp公司研制的新結(jié)構(gòu)III-V族級聯(lián)電池非聚光效率已達(dá)37.9%,創(chuàng)造了太陽能電池轉(zhuǎn)換效率新的世界紀(jì)錄,該結(jié)構(gòu)電池的聚光效率可達(dá)44%以上,相信不久III-V族聚光電池就可規(guī)模應(yīng)用于并網(wǎng)發(fā)電了。
3 效率的極限
根據(jù)細(xì)致平衡原理,一般條件下電池有一定的溫度,由于熱輻射效應(yīng),電池從太陽光吸收到的有限能量會(huì)輻射出去一部分,并不能完全轉(zhuǎn)化為電能,所以太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率在常溫下不可能達(dá)到100%,存在一個(gè)可利用的極限就是熱力學(xué)效率極限。
只要合理地搭配材料,隨著子電池的疊加,光電轉(zhuǎn)換率也將逐步的增大。理論計(jì)算表明,級聯(lián)電池在1 sun的時(shí)候(不帶聚光元件的電池),如果級聯(lián)電池為無限多級,把帶寬覆蓋到整個(gè)波長幅度,會(huì)得到最多不高于68.2%的效率;在聚光46300suns的情況下轉(zhuǎn)換效率可達(dá)86.8%。 相同條件下,硅電池在1sun情況下效率只有30.0% ,在聚光46300suns的情況下硅電池的效率最多不高于40.8%。
4 結(jié)語
對于級聯(lián)電池而言,各子電池材料的搭配生長很重要,這決定了電池對光的吸收轉(zhuǎn)換能力。太陽電池在工作的過程中,光電轉(zhuǎn)換效率并不只由本身的材料決定,還受到許多工藝因素的影響。我們主要通過優(yōu)化器件制造工藝:合理設(shè)計(jì)柵線、為電池蒸鍍減反射薄膜等途徑減少電池的能量損耗。III-V族電池進(jìn)行系統(tǒng)性的優(yōu)化后,其聚光效率很快將上升到50%,將來與常規(guī)能源競爭的優(yōu)勢會(huì)逐漸顯現(xiàn)出來。
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作者簡介
詹鋒(1980-),男,廣西壯族自治區(qū)南寧市人。北京師范大學(xué)博士,中國科學(xué)院博士后?,F(xiàn)為廣西大學(xué)有色金屬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地副研究員。研究方向?yàn)樾履茉床牧吓c器件。
關(guān)鍵詞:規(guī)范;知識(shí)的補(bǔ)充與拓展;靈活運(yùn)用和融會(huì)貫通
中圖分類號:G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:1674-9324(2014)34-0116-02
教科書中所給的兩道例題具有很強(qiáng)的代表性,第一個(gè)例題是讓學(xué)生體會(huì):當(dāng)串聯(lián)電路中一個(gè)電阻改變時(shí),電路中電流及另一個(gè)電阻兩端電壓會(huì)隨之改變。例題二讓學(xué)生體會(huì):當(dāng)并聯(lián)電路一個(gè)支路電阻改變時(shí),干路中電流會(huì)發(fā)生變化,但另一個(gè)電路電流和電壓不會(huì)發(fā)生變化。兩個(gè)例題做下對比,解決了學(xué)生疑惑。下面筆者從以下幾方面談?wù)劚竟?jié)教學(xué)的注意事項(xiàng)以及心得體會(huì)。
一、仔細(xì)分析題目
分析題目是思維能力的展示,是對知識(shí)的具體運(yùn)用。首先讓學(xué)生熟練掌握歐姆定律的內(nèi)容及形變公式,然后對電路進(jìn)行分析判斷,確定電路特點(diǎn),然后再根據(jù)電流電壓電阻關(guān)系解答。
二、規(guī)范解題
初中學(xué)生接觸物理學(xué)習(xí)時(shí)間不長,對于會(huì)做的題目往往不知怎樣表達(dá),有時(shí)表達(dá)顧此失彼造成丟分。究其原因是解題不規(guī)范,所以養(yǎng)成規(guī)范的解題習(xí)慣,對提高教學(xué)成績和養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃季S能力尤其重要。本節(jié)中,利用該定律解題應(yīng)注意:(1)I,U,R都是指同一導(dǎo)體或同一段電路在同一狀態(tài)下的物理量。(2)利用好該定律的兩個(gè)變形公式U=IR,R=U/I。(3)單位必須統(tǒng)一用國際單位的主單位。(4)在I,U,R下方標(biāo)上角標(biāo),表示不同的導(dǎo)體,或者同一導(dǎo)體的不同時(shí)刻。(5)要有必要的文字表達(dá),在物理語言的表達(dá)上要嚴(yán)謹(jǐn)、有序。
三、注意知識(shí)的補(bǔ)充與拓展
以例一為例:電阻R1為10歐,電源兩端電壓6伏,開關(guān)S閉合后,求:(1)當(dāng)滑動(dòng)變阻器R接入電路中的電阻R2為50歐時(shí),通過R1的電流I;(2)當(dāng)滑動(dòng)變阻器接入電路中電阻為20歐時(shí),通過R1的電流I。本題中,由于電阻串聯(lián),通過R1的電流與總電流相等,由于知道總電壓U,只要知道總電阻就可以了,我就提問學(xué)生:總電阻是多少呢?學(xué)生異口同聲回答:R1+R2。我又問,為什么是兩個(gè)電阻之和呢?此時(shí)學(xué)生無語,引起認(rèn)知沖突。這時(shí),我把學(xué)生帶入最近發(fā)展區(qū),得出串聯(lián)電路電阻關(guān)系。串聯(lián)電路電阻關(guān)系U=U1+U2;電流關(guān)系:I=I1=I2,得U/I=U1/I1+U2/I2。由歐姆定律可知R=R1+R2。所以也可以求出通過R1電流I=U/R=6/60=0.1(A)。同理可以求出當(dāng)R3=20歐時(shí)電流I=0.2A。此時(shí)老師可以讓學(xué)生分別求出兩個(gè)小題滑動(dòng)變阻器兩端電壓和電阻R1兩端電壓分別是多少。當(dāng)滑動(dòng)變R2=50歐時(shí),U1=I1xR1=0.1x10=1(v),U2=I2xR2=0.1x50=5(v);當(dāng)滑動(dòng)變阻器電阻R3=20歐時(shí),U1=I1xR1=0.2x10=2(v),U3=I3xR3=0.2x20=4(v)。引導(dǎo)學(xué)生比較兩種情況下電阻與各自電壓關(guān)系發(fā)現(xiàn):第一種情況下U1/R1=U2/R2;第二種情況下:U1/R1=U3/R3。由此得出串聯(lián)電路電壓比等于各自電阻比,即:U1/U2=R1/R2。老師點(diǎn)撥學(xué)生認(rèn)識(shí)到,串聯(lián)電路中,當(dāng)一個(gè)電阻改變時(shí),另一個(gè)電阻兩端電壓和電流都要改變,可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”。以例二為例:電阻R1為10歐,與滑動(dòng)變阻器組R并聯(lián)電路,電源電壓12V,開關(guān)S閉合后,求:(1)當(dāng)滑動(dòng)變阻器R接入電路中電阻R2=40歐時(shí),通過R1的電流I1和總電流I;(2)當(dāng)滑動(dòng)變阻器接入電路中電阻R3=20歐時(shí),通過R1電流I1和總電流I。本題由于電阻與變阻器組成并聯(lián),所以它們兩端電壓U1=U2=U=12V。以第一小題看,由歐姆定律得,通過R1的電流I1=U1/R1=12/10=1.2A;通過R2的電流I2=U2/R2=12/40=0.3A;總電流I=I1+I2=1.2+0.3=1.5(A)。我此時(shí)問學(xué)生:由歐姆定律,總電流I可以用總電壓U與總電阻R的比求得,那么并聯(lián)電路總電阻是多少呢?這時(shí)學(xué)生很快回答:等于兩個(gè)電阻之和。我沒有否定學(xué)生的回答,而是讓他們用總電壓除以總電流看看總電阻是多少,和想象的是否一樣?即:R=U/I=12/1.5=8(歐)。通過計(jì)算同學(xué)們發(fā)現(xiàn)并聯(lián)電路總電阻并不等于各電阻大小之和,不但比它們的和要小,而且比任何一個(gè)都要小。但又找不出到底有什么關(guān)系。我把三個(gè)電阻大小依次列出來:8 10 40。讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)三個(gè)數(shù)據(jù)關(guān)系,當(dāng)我意識(shí)到?jīng)]有學(xué)生發(fā)現(xiàn)時(shí),我又把三個(gè)數(shù)寫成倒數(shù)形式。這時(shí)熊可佳同學(xué)首先發(fā)現(xiàn):1/8=1/10+1/40。我雖然欣喜,對她給予了表揚(yáng),但并沒急于下結(jié)論。而是讓學(xué)生用同理計(jì)算第二題,發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律。此時(shí)我告訴學(xué)生并聯(lián)電路電阻的關(guān)系:總電阻的倒數(shù)等于各支路電阻倒數(shù)之和。即1/R=1/R1+1/R2。
當(dāng)滿足學(xué)生一時(shí)的求知欲時(shí),學(xué)生的好奇心被進(jìn)一步調(diào)動(dòng),老師趁熱打鐵,讓學(xué)生找找兩種情況下,電阻和通過它們的電流的關(guān)系。以第一小題中,R1=10歐,I1=1.2安;R2=40歐,I2=0.3安。學(xué)生馬上就發(fā)現(xiàn):I1/I2=R2/R1。即,并聯(lián)電路電流比等于電阻比的倒數(shù)。通過數(shù)據(jù),可以進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn):并聯(lián)電路中,當(dāng)一個(gè)支路電阻改變時(shí),只能改變本支路電流,對其他支路的電壓,電流沒有影響。這也是我們經(jīng)常說的并聯(lián)電路各支路地位平等,相互不影響。