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光伏系统储能电池原理及应用
作者:管理员    发布于:2021-06-15 08:00:00    文字:【】【】【
摘要:1、铅酸蓄电池工作原理,基本结构铅酸电池是用铅和二氧化铅作为电池负极和正极活性物质,以稀硫酸为电解质的化学储能装置,具有电能转换效率高、循环寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点,目

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1、铅酸蓄电池工作原理,基本结构

铅酸电池是用铅和二氧化铅作为电池负极和正极活性物质,以稀硫酸为电解质的化学储能装置,具有电能转换效率高、循环寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点,目前是各类储能、应急供电、启动装置中首选的化学电源。铅酸电池的主要构成包括:


1)极板:正负极板均是以特殊的合金板栅涂敷上活性物质所得,极板在充放电时存储和释放能量,确保电池的容量和性能可靠;

2)隔板:是置放于电池正负极中间的一个隔离介质,防止电池正负极直接接触而短路的装置,不同类型的铅酸电池隔板材质不同,阀控类电池主要以AGM、PE、PVC 为主;

3)电解液:铅酸电池的电解液是用蒸馏水配制的稀硫酸,电解液在充放电时起到在正负极间传输离子的作用,因而电解液必须要没有杂质;

4)容器(电池壳盖):电池包覆的容器,电解液和极板均在容器内,主要起支撑作用,同时防止内部物质外溢,外部物质进入内部结构污染电池。

2、铅酸蓄电池的种类

铅酸电池的工作原理就是通过电化学反应,电能和化学能之间相互转化,电极主要由铅及其氧化物制成,电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。英语:Lead-acid battery 。放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。种类较多,应用在光伏储能系统中,比较多的有三种,富液型铅酸蓄电池(FLA,flooded lead-acid),阀控式密封铅酸蓄电池VRLA(Valve-Regulated Lead Acid Battery),铅碳蓄电池等等。

2.1、富液型铅酸蓄电池

铅酸电池的电解液中的硫酸直接参与电池充放电反应过程,传统铅酸电池中,电池槽内除去极板、隔板及其他固体组装部件的剩余空间完全充满硫酸电解液,电解液处于富余过量状态,故被称为“富液式”电池,电池极板完全浸泡在硫酸电解液中。富液式蓄电池顶部有一个能够通气而又能够阻挡液体溅出的盖子,在使用过程中由于水分的蒸发和分解损失,需要定期将盖子打开补加蒸馏水及调整电解液密度,所以习惯上被称为“开口式”蓄电池。富液型铅酸蓄电池特点是价格便宜,寿命长,缺点是需要经常维护。

2.2、阀控式密封铅酸蓄电池

又称免维护电池,分为AGM密封铅蓄电池和GEL胶体密封铅蓄电池两种。AGM型电池使用纯的硫酸水溶液作电解液,大部分存在于玻璃纤维膜之中,同时极板内部吸有一部分电解液外。AGM式密封铅蓄电池电解液量少,极板的厚度较厚,活性物质利用率低于开口式电池,因而电池的放电容量比开口式电池要低10%左右。与当今的胶体密封电池相比,其放电容量要小一些。与富液型相同规格蓄电池相比,价格较高,具有以下优点:1.循环充电能力比铅钙蓄电池高3倍,具有更长的使用寿命。2.在整个使用寿命周期内具有更高的电容量稳定性。3.低温性能更可靠。4.降低事故风险,减少环境污染风险(由于酸液100%密封装)5.维护很简单,减少深度放电。

胶体密封铅蓄电池(即GEL型电池),胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进,用胶体电解液代换了硫酸电解液,在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。其电解液是由硅溶胶和硫酸配成的,硫酸溶液的浓度比AGM式电池要低,电解液的量比AGM式电池要多,跟富液式电池相当。这种电解质以胶体状态存在,充满在隔膜中及正负极之间,硫酸电解液由凝胶包围着,不会流出电池。

其优点如下:GEL型胶体电池是电解质凝胶后没有游离电液,漏酸的机率比前一种电池小得多;其灌注量比稀硫酸多,失水少,所以胶体电池不会因失水造成失效;胶体的灌入增加了隔板的强度,保护了极板,弥补了隔板遇酸收缩的缺陷,使装配压力不明显降低是其具有延长电池寿命的原因之一;胶体填充了隔板与极板之间的空隙,降低了电池的内阻,充电接受能力可因此而改善。所以胶体电池的过放电,恢复能力和低温充放性能都比AGM型电池优越。

胶体蓄电池优异特性

1、可以明显延长蓄电池的使用寿命。2、体铅酸蓄电池的自放电性能好,在同样的硫酸纯度和水质情况下,蓄电池的存放时间可以延长2倍以上。3、胶体铅酸蓄电池在严重缺电的情况下,抗硫化性能很明显。4、胶体铅酸蓄电池在严重放电情况下的恢复能力强。5、胶体铅酸蓄电池抗过充能力强。6、胶体铅酸蓄电池后期放电性能好。

2.3、铅碳电池

铅炭电池是一种电容型铅酸电池,是从传统的铅酸电池演进出来的技术,它是在铅酸电池的负极中加入了活性炭,能够显著提高铅酸电池的寿命。铅碳电池是一种新型的超级电池,是将铅酸电池和超级电容器两者合一:既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点,也发挥了铅酸电池的比能量优势,且拥有非常好的充放电性能。而且由于加了碳(石墨烯),阻止了负极硫酸盐化现象,改善了过去电池失效的一个因素,更延长了电池寿命。铅炭电池的度电成本可低至0.5元/kWh,在规模化生产的基础上,铅炭电池甚至有望将度电成本降至0.4元以下。

铅炭电池是铅酸蓄电池领域最先进的技术,也是国际新能源储能行业的发展重点,具有非常广阔的应用前景。储能电池技术是制约新能源储能产业发展的关键技术之一。光伏电站储能、风电储能和电网调峰等储能领域,要求电池具有功率密度较大,循环寿命长和价格较低等特点。

3、铅酸蓄电池组管理

铅酸蓄电池一般采用三段式充电模式:

第一阶段快充,恒流充电阶段,以充电器最大的输出电流对电池快速充电,充电时间取决于电池容量和开始充电时电池状态。 第二阶段均充,恒压充电阶段,充电器充电电压保持恒定,充入电量继续增加,电池电压缓慢上升,充电电流下降;.第三阶段浮充模式,蓄电池基本充满,充电电流下降到低于浮充转换电流,充电电压降低到浮充电压。


●充电电流

电池充电电流一般以电池容量C的倍数来表示,举例来讲,如果电池容量C=100Ah,充电电流为0.1C则为0.1×100=10A。铅酸免维护电池的最佳充电电流为0.1C左右,充电电流不能大于0.3C。充电电流过大或过小都会影响电池的使用寿命.

●充电电压

额定电压为2V的单体电池,一般浮充电压设置为2.2-2.3V。均充电压设置为2.3-2.5V,如果充电电压过高,电池易失水,发热变形,反之会使电池充电不足,充电电压异常,可能由充电器配置错误引起,或因充电器故障造成。

●放电深度 DOD depth of discharge

在电池使用过程中,电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度(depthof discharge,DOD)。放电深度的高低电池寿命有很深的关系,放电深度越深,其充电寿命就越短,因此在使用时应尽量避免深度放电。蓄电池放电深度在10%~30%上下为浅循环放电;放电深度在40%~70%上下为中等循环放电;放电深度在80%~90%上下的为深循环放电。

一般来说,蓄电池长期运行的每日放电深度越深,蓄电池寿命越短,放电深度越浅,蓄电池寿命越长。浅循环放电有利于延长蓄电池寿命。蓄电池浅循环运行,有两个明显的优点:第一,蓄电池一般有较长的循环寿命;第二,蓄电池经常保有较多的备用安时容量,使光伏系统的供电保证率更高。根据实际运行经验,较为适中的放电深度是60%到70%。

●蓄电池的检查

蓄电池都有自放电现象,如果长期放置不用,会使能量损失掉,因此需定期进行充放电。工程技术人员可以通过测量电池开路电压来判断电池的好坏,以12V电池为例,若开路电压高于12.5V,则表示电池储能还有80%以上,若开路电压低于12V,则表示电池储能不到30%,电池已处于“弹尽粮绝”的地步。 免维护电池由于采用吸收式电解液系统,在正常使用时不会产生任何气体,此时电池内压就会增大,会将电池上方的压力阀顶开,严重的会使电池鼓胀、变形、漏夜甚至破裂,这些现象都可以从外观上判断出来,如果发现上述情况应立即更换电池。

●电池安装

电池应尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的地方,并要避免受到阳光、加热器或其他辐射热源的影响。电池应立正放置,不可倾斜角度。每个电池之间端子的连接要牢固。

●环境温度

环境温度对电池的影响较大。环境温度过高,会使电池过充产生气体;环境温度过低,则会使电池充电不足着都会影响电池的使用寿命。因此环境温度在25℃左右最好。

●定期保养

电池在使用一定时间后应进行定期检查,如观察其外观是否异常、测量各电池的电压是否平均等。如果长期不停电,电池会一直处于充电状态,这样会使电池的活性变差,因此即使不停电,也需要定期进行放电试验,以便使电池保持活性。放电试验一般可三个月进行一次,做法是逆变器带载,最好在50%以上,放电持续时间视电池容量而定,一般为几分钟至几十分钟。

4、铅酸蓄电池的选型与设计

4.1、蓄电池的容量

表示在一定条件下(放电率、温度、终止电压等)电池放出的电量,即电池的容量,通常以安培*小时为单位,蓄电池电压有2V,6V,12V三种。蓄电池组的可用电量和蓄电池的串并联没有关系,只和数量有关系,可用电量=电压*容量*数量*放电深度,如蓄电池组,共4个12V/200AH,放电深度0.7,则可用电量=12*200*4*0.7=6720VAH。

(1) 放电率对电池容量的影响

铅蓄电池容量随放电倍率的增大而降低,也就是说放电电流越大,电池的容量就越小。比如一只10Ah的电池,用5A放电可以放2小时,即5×2=10;用10A放电只能放出47.4分钟的电,合0.79小时,其容量仅为10×0.79=7.9Ah,所以对于给定电池在不同时率下放电,将有不同的容量。

(2) 温度对电池容量的影响

温度对铅酸蓄电池的容量影响较大,一般随温度降低容量会下降,当电解液温度降低时,电解液粘度增大,离子受到较大的阻力,扩散能力下降,电解液电阻也增大,使电化学反应阻力增加,一部分硫酸铅不能正常转化,充电接受能力下降,结果导致蓄电池容量下降。

(3)终止电压对电池容量的影响

当电池放电至某一个电压值以后,产生电压急剧下降,实际上所获得的能量非常小,如果长期深放电,对电池的损害相当大。所以必须在某一电压值终止放电,该截止放电电压叫放电终止电压,设定放电终止电压,对延长蓄电池使用寿命意义重大。

4.2、光伏离网系统蓄电池配比计算

(1)组件的电压和蓄电池的电压要匹配,PWM型控制器太阳能组件和蓄电池之间通过一个电子开关相连接,中间没有电感等装置,组件的电压是蓄电池的电压1.2-2.0倍之间,如果是24V的蓄电池,组件输入电压在30-50V之间,MPPT控制器,中间有一个功率开关管和电感等电路,组件的电压是蓄电池的电压1.2-3.5倍之间,如果是24V的蓄电池,组件输入电压在30-90V之间。

(2)AGM蓄电池的充电电流一般为0.1C10左右,快速充电不超过0.15C10,例如1节铅酸蓄电池12V200AH,充电电流一般在20A到30A之间,最大不能超过40A,GEL胶体电池充电电流可以适当加大到0.2 C10;蓄电池的放电电流一般为0.2C10-0.5C10,不同类型的蓄电池,放电电流相差较大,AGM蓄电池最大1C10,GEL胶体电池最大可以到2C10,铅碳电池最大可以到5C10。

(3)光伏离网系统中,负载的用电量不是固定的,在计算蓄电池的总电量时,要根据用户的要求来设计,对用电要求较高的用户,蓄电池可用电量要大于用户用电量的最高值,对于一般用户,蓄电池可用电量等于用户用电量的平均值。

(4)同一个蓄电池组,要保证蓄电池是同一个型号。尽量使蓄电池串联,使所以蓄电池的充电和放电均衡。蓄电池并联的个数最好不超过3组,如果超过了 ,要考虑加入BMS蓄电池管理系统。

(5)蓄电池组电缆的设计,主要考虑线路上的最大电流,用逆变器功率除以蓄电池组电压,得出最大放电电流,或者组件功率除以蓄电池组电压,得出最大充电电流(小于控制器的最大输出电流),如一个3KW的逆变器,光伏控制器是48V/50A,蓄电池组电压是48V,配265W的组件12块,蓄电池组最大输出电流为3000/48=62.5A,组件总功率为265*12=3180W,3180/48=66.25A,这是理论上最大充电电流,但由于控制器是50A,实际上最大充电电流是50A,所以电缆要按62.5A来设计,如果电缆长度小于50米,可选10平方,如果电缆长度大于50米,或者有穿管,铠装等外包装,则要选16平方。

4.3、铅酸蓄电池参数解读


1)额定电压,单体蓄电池的额定电压,一般有2V,6V,12V三种;

2) 容量,单体蓄电池的电量,是电流A和时间h来表示;

3)功率,蓄电池的额定输出功率,设计时要和负载功率相匹配,如果蓄电池的功率小于负载功率,会引起蓄电池电压波动,有可能造成电池管理系统误报。

4)最大放电电流:不同型号的蓄电池,放电电流不一样,铅碳电池可达6C。


 
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