前言
中國幅員遼闊,人口分布不均,東密西疏,因地理環(huán)境和經(jīng)濟相對落后等原因,造成一些地區(qū)的電力相對匱乏,國家電力電網(wǎng)無法覆蓋,無法集中供電,或者電網(wǎng)質(zhì)量不穩(wěn)定,給當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟發(fā)展,人民生活的改善造成一定的障礙。尤其在中國的北方、西北等地問題尤為突出,迫切需要有適合當(dāng)?shù)貐^(qū)使用的穩(wěn)定可靠的電力系統(tǒng)?,F(xiàn)在常用的單獨供電系統(tǒng)有發(fā)電機組、太陽能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補系統(tǒng)。
發(fā)電機組,以一次能源作為動力源推動內(nèi)燃機,內(nèi)燃機傳動發(fā)電機,發(fā)電機做磁力線切割運動產(chǎn)生電能。而一次能源資源越來越稀少,價格越來越高,并且嚴重影響自然環(huán)境。
太陽能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補系統(tǒng),以自然界取之不盡用之不完的光能、風(fēng)能作為能量源,通過一定裝換裝置轉(zhuǎn)化為可以使用的電能,此能源自然、環(huán)保,充分體現(xiàn)了節(jié)能、環(huán)保、愛地球的理念。而此類電源能夠持續(xù)供電的能力需要儲能設(shè)備提供保障,目前主要使用的儲能設(shè)備有鎘鎳電池、VRLA蓄電池。但由于成本,原材料缺乏等原因,鎘鎳電池逐步被VRLA蓄電池取代。下面以光伏系統(tǒng)為例介紹一下VRLA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)輸入電壓的要求。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, 由于成本,位置空間等問題,太陽電池投入數(shù)量會受到很大的限制,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,平均充電電流一般為0.05C10~0.1C10,很少達到0.1C10A。
(2)放電率非常小,太能系統(tǒng)設(shè)計時需要考慮到最大負載容量,最長后備時間,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一致性良好。
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。這是因為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,最后導(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。在許多光伏系統(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,如果蓄電池得不到及時的再充電,硫化問題將更加嚴重,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,電解液流動的結(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,由于長期使用,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形狀等因素的影響。
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)熱和板柵附近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)計方面的問題,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)裝配壓力的影響
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,容易導(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(zhǔn),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)專用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,杜絕了早期容量衰減。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,需要人員定期維護。
(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問題。
(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,提高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:提高了電池的裝配壓力,以提高蓄電池的循環(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,提高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,杜絕了負極總線腐蝕現(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,提高蓄電池的循環(huán)壽命。
(8)安全閥:對安全閥還考慮了海拔2500m以上的高原氣候的影響,特別調(diào)整了開閉閥壓力,采用專用安全閥。
(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一致性:這里提到的一致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、充電到最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一致性的可靠保證,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,成本高,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。