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蓄電池在光伏系統(tǒng)的應(yīng)用
光伏系統(tǒng)介紹
一． 光伏系統(tǒng)的工作原理：
在光照條件好的情況下，太陽電池組件產(chǎn)生一定的電動勢,，通過組件的串并聯(lián)形成太陽能電池方陣,，使得方陣電壓達到系統(tǒng)輸進電壓的要求。一部分供給電力系統(tǒng)使用,，一部分通過充放電控制器對蓄電池進行充電,，將光能轉(zhuǎn)換而來的電能儲存起來。在光照條件達不到要求時,，蓄電池組再通過逆變器提供電力系統(tǒng)所需的電力,。
二． 光伏系統(tǒng)的組成：
光伏系統(tǒng)是由太陽能電池方陣,，蓄電池組,，充放電控制器，逆變器等設(shè)備組成,。其各部分設(shè)備的作用是：
（1）太陽能電池方陣：在有光照情況下，電池吸收光能,，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累,，即產(chǎn)生"光生電壓"，這就是"光生伏打效應(yīng)",。在光生伏打效應(yīng)的作用下,，太陽能電池的兩端產(chǎn)生電動勢，將光能轉(zhuǎn)換成電能,，是能量轉(zhuǎn)換的器件,。太陽能電池一般為硅電池,，分為單晶硅太陽能電池,，多晶硅太陽能電池和非晶硅太陽能電池三種。
（2）蓄電池組：其作用是儲存太陽能電池方陣受光照時發(fā)出的電能并可隨時向負載供電,。
（3）控制器：自動控制電力的選擇,，在市電、太陽能電,、蓄電池電之間選擇,，對蓄電池充電。
（4）逆變器：是將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的設(shè)備,。
光伏系統(tǒng)對蓄電池性能要求分析
一． 光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池的工作條件：
在光伏電站使用環(huán)境中，光照條件好時（白天）,，太陽能電池組件接收太陽光,，輸出電能,，一部分直流和交流負載工作，另一部分供給蓄電池充電,；光照條件不好時（夜晚或陰雨天），太陽能電池組件無法工作,，蓄電池組供電,，供給直流或交流負載，蓄電池是處于循環(huán)狀態(tài),，所以,，在這種使用環(huán)境下，蓄電池的壽命為循環(huán)壽命,。
應(yīng)用于光伏系統(tǒng)中的蓄電池的工作條件和蓄電池應(yīng)用在其它場合的工作條件不同,。其主要區(qū)別可以概括為以下幾點:
（1）充電率非常小, 由于本錢，位置空間等題目,，太陽電池投進數(shù)目會受到很大的限制,，為了保證電力系統(tǒng)的正常使用，往往提供給蓄電池的充電電力變得十分有限,，均勻充電電流一般為0.05C10～0.1C10,很少達到0.1C10A,。
（2）放電率非常小,太能系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮到大負載容量，長后備時間,，配置的蓄電池容量較大,，而實際使用過程中負載相對設(shè)計負載小得多，蓄電池放電率通常為C20～C240,或者更小,。
（3）由于受到自然資源的限制,蓄電池只有在有日照時才能充電:即充電時間受到限制,。
（4）不能按給定的充電規(guī)律對蓄電池進行充電。
二． 光伏發(fā)電系統(tǒng)對VRLA蓄電池的性能要求:
光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池頻繁處于充電—放電的反復(fù)續(xù)循環(huán)中,，由于日照的不穩(wěn)定性,，過充電和深放電的不利情況時有發(fā)生，加之光伏發(fā)電系統(tǒng)大部分在西部地區(qū)使用,，海拔都在2500M以上,。因此，對光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池有如下要求：
（1）具有深循環(huán)放電性能,，充放電循環(huán)壽命長,；
（2）耐過充電能力強；
（3）過放電后容量恢復(fù)能力強,；
（4）良好的充電接受能力,；
（5）電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時，電解液不易分層,；
（6）具有免維護或少維護的性能,；
（7）應(yīng)具備良好的高,、低溫充放電特性；
（8）能適應(yīng)高海拔（海拔都在2500M以上）地區(qū)的使用環(huán)境,；
（9）蓄電池組中各蓄電池*性良好,。
三．影響光伏發(fā)電系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池壽命的因素：
（1）正極活性物質(zhì)軟化脫落
VRLA蓄電池在循環(huán)使用條件下,電池的失效主要是由正極活性物質(zhì)(ＰＡＭ)的軟化、脫落所致,。
鉛酸電池循環(huán)過程中,正,、負極活性物質(zhì)經(jīng)歷了可逆的溶解再沉積過程,改變了多孔二氧化鉛電極的結(jié)構(gòu)。尤其對二氧化鉛電極,可能會引起表觀體積的增加,改變顆粒和孔尺寸的分布,，多孔二氧化鉛結(jié)構(gòu)中顆粒之間的機械結(jié)合性能和導(dǎo)電性能降低,，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會進一步的惡化,結(jié)果使得該區(qū)域的活性物質(zhì)軟化和脫落。
（2）放電電流對蓄電池壽命影響
在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電電流非常小,。在小電流條件下形成的PbSO4比大電流條件下形成的PbSO4轉(zhuǎn)化困難得多,。這是由于在小電流條件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒要比大電流條件下形成的PbSO4結(jié)晶顆粒粗大，粗大的PbSO4結(jié)晶顆粒減少了PbSO4的有效面積,這樣在再充時加速了極板極化, 導(dǎo)致PbSO4轉(zhuǎn)化困難,，隨著循環(huán)的繼續(xù),這種情況還會更加加劇,結(jié)果使得極板充不進電,，后導(dǎo)致蓄電池壽命終止。
（3） 深度放電后蓄電池容量恢復(fù)
在光伏系統(tǒng)中,蓄電池的放電率要比蓄電池應(yīng)用在其它場合低,通常介于C20～C240,，甚至更低,。小電流下深度放電意味著極板上的活性物質(zhì)將得到更充分的利用。在很多光伏系統(tǒng)中,通常不會發(fā)生深度放電,除非充電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者持續(xù)長時間的壞天氣,。在這種情況下,假如蓄電池得不到及時的再充電,硫化題目將更加嚴重,進一步導(dǎo)致容量損失,。
（4）酸分層對蓄電池壽命影響
電解液分層現(xiàn)象是由于重力的作用在電池的充放電過程中產(chǎn)生的，即充電時正負極板表面都產(chǎn)生Ｈ2ＳＯ4,它的密度大,因重力的作用而下沉,。在放電時,正負極板表面均消耗Ｈ2ＳＯ4,故表面液層密度小, 低密度的電解液順著極板間上升,而極群上部高密度的電解液則從極群側(cè)面向下流,電解液活動的結(jié)果造成了上部密度低,、下部密度高。分層現(xiàn)象的產(chǎn)生對蓄電池的使用壽命和容量均產(chǎn)生不利影響,，加速了板柵的腐蝕和正極活物質(zhì)的脫落,導(dǎo)致負極板硫酸鹽化,。
（5）電液密度對鉛蓄電池壽命的影響
電解液的濃度不僅與蓄電池的容量有關(guān)，而且與正極板柵的腐蝕和負極活性物質(zhì)硫酸鹽化有關(guān),。過高的硫酸濃度加速了正極板柵的腐蝕和負極活性物質(zhì)硫酸鹽化,，并導(dǎo)致失水加劇。
（6）板柵合金的影響
VRLA蓄電池,，由于*使用,正極板柵會在電解液的作用下逐步腐蝕并長大,板柵的長大使活物質(zhì)和板柵的結(jié)合性降低,從而導(dǎo)致電池容量逐漸喪失,。這種正極板柵的腐蝕和長大主要受板柵的合金組成、電解液密度以及板柵筋條外形等因素的影響,。
在蓄電池充電過程中,板柵和活性物質(zhì)的接口上形成非導(dǎo)電層,這些非導(dǎo)電層或低導(dǎo)電性層在板柵和ＰＡＭ界面引起了高的阻抗,導(dǎo)致充放電時發(fā)熱和板柵四周ＰＡＭ膨脹,從而限制了電池的容量（即所謂的PCL效應(yīng)）,。
（7）極板的厚度的影響
極板的厚度應(yīng)屬于電池設(shè)計方面的題目，一般來說，較厚極板的循環(huán)壽命要長于較薄極板,，而活性物質(zhì)利用率相比之下要差一些,。但有利于循環(huán)循環(huán)壽命的延長。
（8）裝配壓力的影
裝配壓力對ＶＲＬＡ電池壽命有很大影響,ＡＧＭ隔板彈性差,組裝時,極群不加壓或壓力過小,隔板和極板之間不能保持良好的接觸,電池容量大大下降,。
在循環(huán)過程中，活性物質(zhì)的膨脹,、疏松,、脫落是電池壽命提前終結(jié)的原因之一，而采用較高的裝配壓力可以防止活性物質(zhì)在深循環(huán)過程中的膨脹,。若裝配壓力太低,，還會導(dǎo)致隔板過早地與極板分離，引起電液傳輸困難,，電池內(nèi)阻迅速增大,，輕易導(dǎo)致蓄電池壽命終止。因此,，采用較高的裝配壓力是電池具有長循環(huán)壽命的保證,。
（9）溫度的影響
高溫對蓄電池失水干涸、熱失控,、正極板柵腐蝕和變形等都起到加速作用,，低溫會引起負極失效，溫度波動會加速枝晶短路等等,，這些都將影響電池壽命,。 在一定環(huán)境溫度范圍放電時，使用容量隨溫度升高而增加,，隨溫度降低而減小,。在環(huán)境溫度10～45℃范圍內(nèi)，鉛蓄電池容量隨溫度升高而增加,，如閥控密封鉛蓄電池在40℃下放電電量,，比在25℃下放電的電量大10%左右，但是,，超過一定溫度范圍,，則相反，如在環(huán)境溫度45～50℃條件下放電,，則電池容量明顯減小,。低溫（<5℃）時，電池容量隨溫度降低而減小,，電解液溫度降低時,，其粘度增大，離子運動受到較大阻力，擴散能力降低,；在低溫下電解液的電阻也增大,，電化學(xué)的反應(yīng)阻力增加，結(jié)果導(dǎo)致蓄電池容量下降,。其次低溫還會導(dǎo)致負極活性物質(zhì)利用率下降,，影響蓄電池容量，如電池在-10℃環(huán)境溫度環(huán)境溫度下放電時,，負極板容量僅達35%額定容量,。
通常情況下，若在25℃條件下使用時,，蓄電池的壽命為3年,，那么30℃條件下使用時，就下降至2.5年,；40℃時就下降至1.5年,。即以25℃為基準，每升高10℃,，其使用壽命縮短一半
四．光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的設(shè)計實踐
根據(jù)光伏系統(tǒng)用蓄電池的工作條件以及對光伏系統(tǒng)用蓄電池性能的特殊要求,，結(jié)合上述影響蓄電池壽命的因素，在原VRLA蓄電池的基礎(chǔ)上進行了一系列的研究和技術(shù)改進,，設(shè)計開發(fā)了光伏系統(tǒng)VRLA蓄電池,。具體改進措施包含以下幾方面：
（1）板柵合金：采用了適合與循環(huán)使用鉛銻或者鉛鎘板柵合金，既能防止極板在使用過程中腐蝕增長,，又可消除板柵和活性物質(zhì)的界面上的阻擋層,，杜盡了早期容量衰減。其充電效率和深放電后的恢復(fù)性能都很理想,。由于鎘為有毒元素,，現(xiàn)在限制使用。但由于鉛銻合金電池,，失水嚴重,，現(xiàn)在一般做成開口式蓄電池需要定期補水，需要職員定期維護,。
（2）板柵結(jié)構(gòu)：采用了特殊的板柵結(jié)構(gòu),，可防止因板柵增長而導(dǎo)致蓄電池損壞，并增加了板柵的厚度,，以延長蓄電池的使用壽命?，F(xiàn)在常用管式正極板柵設(shè)計，有限解決了因活性與板柵之間接觸不好的題目,。
（3）鉛膏：在正,、負鉛膏中,，添加能增加導(dǎo)電性的添加劑，如石墨,、乙炔黑等,，并改進和膏工藝和固化工藝，進步了蓄電池的充電接受能力,、過放電后容量恢復(fù)能力和深循環(huán)壽命,。
（4）裝配壓力：進步了電池的裝配壓力，以進步蓄電池的循環(huán)使用壽命,。采用了高強度緊裝配技術(shù),，確保蓄電池緊裝配壓力得以實現(xiàn)。
（5）電解液：降低了硫酸電解液的比重,，并添加了特殊的電液添加劑,，可以降低對極板的腐蝕,，減少電液分層的產(chǎn)生,，進步了電池的充電接受能力，和過放電性能,。
（6）雜質(zhì)的控制：對各種材料的雜質(zhì)（如Sb,、Fe、Ni等）進行嚴格的控制,，特別是合金中雜質(zhì)的控制,，降低了電池的自放電，杜盡了負極總線腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生,。
（7）正負活性物質(zhì)的配比：針對光伏系統(tǒng)用儲能VRLA蓄電池的充放電特點,，調(diào)整了正負活性物質(zhì)的配比，進步蓄電池的循環(huán)壽命,。
（8）安全閥：對安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原天氣的影響,，特別調(diào)整了開閉閥壓力，采用安全閥,。
（9） 電池結(jié)構(gòu)：降低了電池總高度,。采用用矮型結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，可以大大降低由于電液分層現(xiàn)象導(dǎo)致蓄電池的使用壽命和容量受到不利影響,。但由于膠體電池不易出現(xiàn)電解液分層現(xiàn)場,，無此限制。
（10）蓄電池各單體電池的*性：這里提到的*性不僅是指電池的開路電壓,，初期容量,，還包括電池的內(nèi)阻，自放電,，以及充電效率等,，這就要求足夠的制造精度，即從鉛粉、鑄片,、和膏,、涂片、固化,、化成,、干燥裝配、加酸,、充電到后的四項功能檢測都必須控制在較小的公差范圍內(nèi),，所以采用機鑄、機涂,、組立機裝配以及精確注酸是確保電池*性的可靠保證,，盡量減少人為因子。
總結(jié)
由于光伏發(fā)電系統(tǒng)用轉(zhuǎn)化效率低,，本錢高,，以及沒有相應(yīng)配套的鼓勵發(fā)展的法律法規(guī)，使得光伏系統(tǒng)發(fā)展較慢,。但發(fā)展新型能源是大勢所趨,，必將高速發(fā)展。而儲能蓄電池目前主要包括鎘鎳蓄電池和鉛酸蓄電池,，其中鎘鎳電池正逐步被淘汰,。鉛酸蓄電池包括富液式和貧液式，必將在近幾年在光伏發(fā)電系統(tǒng)都得到廣泛的應(yīng)用
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