太阳能光伏发电系统原理与应用技术第4章-蓄电池

第4章光伏蓄电池第4章光伏蓄电池光伏蓄电池——电能化学能第4章光伏蓄电池光伏发电系统中，蓄电池是重要组成部件。由于太阳光变化无常，光伏发电系统的功率输出也变化无常，因此光伏发电系统产生的电能需要蓄电池进行储存和调节。在日照不足发电很少或需要维修光伏发电系统时，蓄电池也能够提供相对稳定的电能。蓄电池的投资占系统总投资的20%~25%。蓄电池的合理选择、正确使用和维护等，是光伏发电系统设计和运行、管理中至关重要的问题。4.1光伏蓄电池概述4.1.1蓄电池简介化学电池是将化学能转换为电能的装置，分为原电池和蓄电池两大类。原电池的活性物质只能利用一次，放完电后废弃，又称一次电池。蓄电池放电后可以用与放电电流相反的电流进行充电，重新获得复原而再次使用，又称二次电池，能量转换过程是可逆的。电能化学能4.1光伏蓄电池概述4.1.1蓄电池简介蓄电池的分类：铅酸蓄电池；镉镍（NiCd）蓄电池；氢镍（NiMH）蓄电池；锂离子（Liion）蓄电池。蓄电池的主要技术指标：工作电压，放电曲线上的平台电压；蓄电池容量，常用安时（Ah）或毫安时（mAh）表示；工作温区，正常放电温度范围；循环寿命，正常工作的充、放电次数。蓄电池的特性曲线：充电曲线；放电曲线；充放电循环曲线；温度曲线；储存曲线；等光伏发电系统使用最普遍的是阀控密封式铅酸蓄电池（Valve-RegulatedLeadAcidBattery，VRLA）。4.1光伏蓄电池概述4.1.2铅酸蓄电池的基本概念（1）单体蓄电池单体蓄电池指蓄电池的最小单元（格）。（2）蓄电池组蓄电池组由单体蓄电池串联和并联组成，以满足存储大容量电能的需要。其作用是储存太阳电池方阵发出的电能并随时向负载供电。（3）电池充电电池充电是外电路给蓄电池供电，使电池内发生化学反应，从而把电能转化成化学能而储藏起来的操作。（4）过充电过充电是对完全充电的蓄电池或蓄电池组继续充电。4.1光伏蓄电池概述（5）热失控热失控是指蓄电池在恒压充电时充电电流和电池温度发生一种积累性的增强作用并逐步损坏蓄电池现象。VRLA蓄电池过充时正极产生的大量氧气在负极复合，复合反应产生的热使蓄电池温度进一步升高。温度升高又使电池内阻下降，导致浮充电流增大。这样，增大的浮充电流使蓄电池温度升高，升高的温度又使浮充电流增大，如此反复形成恶性循环——热失控。VRLA铅酸蓄电池“热失控”故障的原因：电池失水；单格电池提前失效故障；充电器与铅酸蓄电池组不匹配（充电电压过高）；电池的氧循环气路过于畅通。4.1光伏蓄电池概述（6）放电在规定的条件下，电池向外电路输出电能的过程。（7）活性物质在电池放电时发生化学反应从而产生电能的物质，或者说是正极和负极储存电能的物质统称为活性物质。（8）板极硫化电池放电后未及时充电，或长时期处于半放电或充电不足，甚至过充电情况下或者长时间充电和放电都会形成难溶的PbSO4晶体，无法恢复原来的状态——板极硫化。板极硫化导致充电困难或电池失效。4.1光伏蓄电池概述（9）容量容量是在规定的放电条件下电池输出的电荷。其单位常用安时(A·h)表示。①能量和比能量能量蓄电池的能量是指在一定放电制下，蓄电池所能给出的能量，通常用W表示，其单位为瓦时（Wh）。理论能量可以用理论容量和电动势的乘积表示；实际能量为一定放电条件下的实际容量与平均工作电压的乘积。比能量蓄电池的比能量是单位体积或单位重量（质量）的蓄电池所给出的能量，分别称为体积比能量(Wh/L)和重量比能量（Wh/kg）。4.1光伏蓄电池概述②功率和比功率功率蓄电池的功率是指蓄电池在一定放电制下，在单位时间内所给出的能量的大小，通常用P表示，单位为瓦（W）。理论功率为一定放电条件下的放电电流与蓄电池电动势的乘积;实际功率为一定放电条件下的放电电流与平均工作电压的乘积。比功率是指单位体积或单位质量的蓄电池输出功率，分别称为体积比功率（W/L）和质量比功率（W/kg）。比功率是蓄电池的重要的技术性能指标，蓄电池的比功率大，表示它承受大电流放电的能量强。4.1光伏蓄电池概述（10）相对密度相对密度是指电解液与水的密度的比值，用来检验电解液的强度。相对密度与温度变化有关。25℃时，满充的电池电解液相对密度值为1.265。密封式电池，相对密度值无法测量。纯酸溶液的密度为1.835g/cm3，完全放电后降至1.l20g/cm3。大部分铅酸电池的密度在1.1~1.3g/cm3范围内，满充之后一般为1.23~1.3g/cm3。高温或者低温中的电池，相对密度也会受影响。4.1光伏蓄电池概述（11）运行温度温度对电池性能影响很大。电池运行一段时间，就感到烫手，铅酸电池具有很强的发热性。当运行温度超过25℃，每升高10℃，铅酸电池的使用寿命就减少50%。所以电池的最高运行温度应比外界低，运行温度变化超过5℃时应带温度补偿充电措施。电池温度传感器应安装在阳极上，且与外界绝缘。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理4.2.1铅酸蓄电池的结构结构：铅蓄电池由正极板、负极板、隔板、电槽及电解液组成。活性物质：正极，PbO2，负极，Pb；电解液：H2SO4电化学反应同时，e、H＋、HSO4不断产生，不断复合。图4-1VRLA蓄电池的基本结构4.2铅酸蓄电池结构和工作原理1.极板极板由板栅和活性物质组成。板栅是极板的骨架，用于支撑活性物质，传导电流。（1）正极板(阳极)阳极指发生氧化反应的电极。铅酸蓄电池的阳极板就是正极。它是以结晶细密、疏松多孔的二氧化铅作为储存电能的活性物质，正常为红褐色，铅酸蓄电池的每个单元也分正极和负极，阳极是放电时的负极，充电时的正极。（2）负极板(阴极)负极指发生还原反应的电极。负极板是放电时的正极，充电时的负极。负极(阴极板)是以海绵状的金属铅作为储存电能的物质，正常为灰色。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理2.隔板在电池两极板组间插入的隔离物，防止正、负极板相互接触而发生短路和活性物质脱落。隔板由防止渗透离子的材料制成，主要有AGM（超细玻璃纤维）隔板和PVC-SiO2隔板两类3.容器容器用于盛装电解液和支撑极板，硬橡胶式及塑料槽。4.电解液含有可移动离子，具有离子导电性的液体或固体物质叫做电解液。一般为稀硫酸，有一部分做成胶体。电解液在铅酸蓄电池中的作用是：参加电化学反应；溶液正、负离子的传导体；极板温升的热扩散体。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理4.2.2铅酸蓄电池的工作原理铅酸蓄电池由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。电极在完成充电后，正极板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放电后，在两极板上都产生细小而松软的硫酸铅，充电后又恢复为原来物质。铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反应理论比较复杂，目前公认的是“双硫酸化理论”，其含义：放电时，两电极的有效物质和硫酸发生作用，均转化为硫酸化合物—硫酸铅；充电时，又恢复为原来的铅和二氧化铅，如图4-1（b）所示。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理1.铅酸蓄电池电动势的产生铅酸蓄电池充电后，正极板的PbO2在硫酸溶液中水分子的作用下，少量与水生成可离解的不稳定物质——氢氧化铅(Pb(OH)4)，氢氧根离子在溶液中，铅离子（Pb4+）留在正极板上，因此正极板上缺少电子。同时负极板的Pb与电解液中的H2SO4发生反应，变成铅离子（Pb2+），铅离子转移到电解液中，负极板上留下多余的两个电子(2e)。可见，在未接通外电路时（电池开路），由于化学作用，正极板上缺少电子，负极板上多余电子，两极板间就产生了一定的电位差，这就是电池的电动势。铅酸蓄电池单体（格）的电动势为2.0V。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理2.铅酸蓄电池充、放电过程的电化学反应蓄电池充、放电时，正极、负极活性物质和电解液同时参加化学反应。铅酸蓄电池充、放电化学反应的方程式如下:正极电解液负极正极水负极放电过程：PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4充电过程：PbO2+2H2SO4+Pb←PbSO4+2H2O+PbSO4化学反应的同时，有电子和离子的产生。正极：PbO2+H2SO4→PbSO4+H2O负极：Pb+H2SO4→PbSO4+H2↑总反应：PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O4.2铅酸蓄电池结构和工作原理铅酸蓄电池在充、放电过程伴随着的副反应为2H2O→2H2↑+O2↑2Pb+O2→2PbOPbO+H2SO4→PbSO4+H2O该反应使电池中水分逐渐损失，需不断补充纯水才能保持正常使用。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理4.2.3铅酸蓄电池的分类和命名1.铅酸蓄电池的分类（1）按照电解液数量和电池槽结构分类传统开口式铅酸蓄电池：开口半密封式结构，电解液处于富液状态，使用过程中需要加水调节酸密度；阀控密封式铅酸蓄电池（Valve-RegulatedLeadAcidBattery，VRLA）：全密封式结构，电解液为贫液状态，使用过程中不需要进行加水或加酸维护——“免维护”。AGM电池：主要采用AGM（玻璃纤维）隔板，电解液被吸附在隔板孔隙内；GEL电池：主要采用PVC-SiO2隔板，电解质为已经凝胶的胶体电解质。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理表4-1AGM电池与GEL电池结构比较内部结构GEL电池AGM电池电解液固定方式电解质由气相二氧化硅和多种添加剂以胶体形式固定，注入时为液态，可充满电池内所有空间，充、放电后凝胶。电解液吸附在多孔的玻璃纤维板内，而且必须是不饱和状态，隔板内93％左右的空间充满电解液。电解液量准富液设计，电解液容量比AGM电池量多。相对于富液电池和GEL电池的储液量少，贫液设计。电解液密度密度为1.24g/cm3，对极板腐蚀轻密度为1.28~1.31g/cm3，对电极的腐蚀大正极板结构制成管式或涂膏式极板制成涂膏式极板隔板PVC-SiO2隔板普通AGM隔板4.2铅酸蓄电池结构和工作原理表4-2AGM电池与GEL电池性能比较性能特点GEL电池AGM电池浮充性能由于电解质的量富余，其散热性好，没有热失控事故发生，浮充寿命长。散热性差，热失控现象时有发生。循环性能100％DOD循环寿命600次以上。100％DOD循环寿命150次左右。自放电自放电率为2％/月，电池在常温下可储存2年。自放电率为(2~3)％/月，存放期超过6个月需补充充电。气体复合效率初期复合效率较低，但循环数次后可以达到95％以上。气体复合效率高达99％。电解液分层现象无硫酸浓度分层现象，电池可以竖直和水平安置。有电解液分层现象，高型电池只能水平放置。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理（2）按照电池的用途分类循环和启动使用电池：铁路电池、汽车电池、太阳能电池、电动车电池、牵引电池等类型。浮充使用电池：浮充电池主要是后备电池。（3）按照电池的使用环境分类固定型电池：主要用于后备电源，广泛用于邮电、电站和医院等，最大要求是安全可靠，因其使用固定在一地方，重量不是关键问题。移动型电池：主要有内燃机车用电池、铁路客车用电池、摩托车用电池、电动汽车及牵引车用电池等。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理2.蓄电池的命名方法、型号组成及其代表意义蓄电池名称由单体蓄电池格数、型号、额定容量、电池功能或形状等组成(图4-2)。当单体蓄电池格数为1时(2V)省略，6V、12V分别为3和6。各公司的产品型号有不同的解释，但产品型号中的基本含义相同。表4-3为常用字母的含义。图4-2蓄电池名称的组成4.2铅酸蓄电池结构和工作原理表4-3蓄电池常用字母的含义代号拼音汉字全称备注GGu固固定型FFa阀阀控式MMi密密封JJiao胶胶体DDong动动力型DC系列电池用NNei内内燃机车用TTie铁铁路客车用DDian电电力机车用TS系列电池用例：GFM-500，1个单体，G为固定型，F为阀控式，M为密封，500为10小时率的额定容量；6-GFMJ-100，6为6个单体，电压12V，G为固定型，F为阀控式，M为密封，J为胶体，100为10小时率的额定容量。4.2铅酸蓄电池结构和工作原理广泛应用于太阳能、风能发电系统，太阳能路灯，广告箱等领域的蓄电池型号、规格如表4-4、表