鉛酸免維護(hù)蓄電池在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用

前言
中國(guó)幅員遼闊，人口分布不均，東密西疏，因地理環(huán)境和經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后等原因，造成一些地區(qū)的電力相對(duì)匱乏，國(guó)家電力電網(wǎng)無(wú)法覆蓋，無(wú)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(jì)發(fā)展，人民生活的改善造成一定的障礙。尤其在中國(guó)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(dú)供電系統(tǒng)有發(fā)電機(jī)組、太陽(yáng)能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)。
發(fā)電機(jī)組，以一次能源作為動(dòng)力源推動(dòng)內(nèi)燃機(jī)，內(nèi)燃機(jī)傳動(dòng)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)做磁力線切割運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生電能。而一次能源資源越來(lái)越稀少，價(jià)格越來(lái)越高，并且嚴(yán)重影響自然環(huán)境。
太陽(yáng)能系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)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(chǔ)能設(shè)備提供保障，目前主要使用的儲(chǔ)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(yáng)電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)，通過組件的串并聯(lián)形成太陽(yáng)能電池方陣，使得方陣電壓達(dá)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(duì)蓄電池進(jìn)行充電，將光能轉(zhuǎn)換而來(lái)的電能儲(chǔ)存起來(lái)。在光照條件達(dá)不到要求時(shí)，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(yáng)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(yáng)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(hào)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(yáng)能電池的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，將光能轉(zhuǎn)換成電能，是能量轉(zhuǎn)換的器件。太陽(yáng)能電池一般為硅電池，分為單晶硅太陽(yáng)能電池，多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池三種。
（2）蓄電池組：其作用是儲(chǔ)存太陽(yáng)能電池方陣受光照時(shí)發(fā)出的電能并可隨時(shí)向負(fù)載供電。
（3）控制器：自動(dòng)控制電力的選擇，在市電、太陽(yáng)能電、蓄電池電之間選擇，對(duì)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(duì)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(shí)（白天），太陽(yáng)能電池組件接收太陽(yáng)光，輸出電能，一部分直流和交流負(fù)載工作，另一部分供給蓄電池充電；光照條件不好時(shí)（夜晚或陰雨天），太陽(yáng)能電池組件無(wú)法工作，蓄電池組供電，供給直流或交流負(fù)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(chǎng)合的工作條件不同。其主要區(qū)別可以概括為以下幾點(diǎn):
（1）充電率非常小, 由于成本，位置空間等問題，太陽(yáng)電池投入數(shù)量會(huì)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(dá)到0.1C10A。
（2）放電率非常小,太能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到最大負(fù)載容量，最長(zhǎng)后備時(shí)間，配置的蓄電池容量較大，而實(shí)際使用過程中負(fù)載相對(duì)設(shè)計(jì)負(fù)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(shí)才能充電:即充電時(shí)間受到限制。
（4）不能按給定的充電規(guī)律對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。
二．光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)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(shí)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(duì)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(zhǎng)；
（2）耐過充電能力強(qiáng)；
（3）過放電后容量恢復(fù)能力強(qiáng)；
（4）良好的充電接受能力；
（5）電池在靜態(tài)環(huán)境中使用時(shí)，電解液不易分層；
（6）具有免維護(hù)或少維護(hù)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(chǔ)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(fù)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(duì)二氧化鉛電極,可能會(huì)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(jī)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(huì)進(jìn)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(duì)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?yàn)樵谛‰娏鳁l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(shí)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(huì)更加加劇,結(jié)果使得極板充不進(jìn)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(chǎng)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(huì)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(zhǎng)時(shí)間的壞天氣。在這種情況下,如果蓄電池得不到及時(shí)的再充電,硫化問題將更加嚴(yán)重,進(jìn)一步導(dǎo)致容量損失。
（4）酸分層對(duì)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(shí)正負(fù)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(shí),正負(fù)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(dòng)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(duì)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(fù)極板硫酸鹽化。
（5）電液密度對(duì)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(fù)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(fù)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(zhǎng)期使用,正極板柵會(huì)在電解液的作用下逐步腐蝕并長(zhǎng)大,板柵的長(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(jì)方面的問題，一般來(lái)說(shuō)，較厚極板的循環(huán)壽命要長(zhǎng)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(zhǎng)。
（8）裝配壓力的影
裝配壓力對(duì)ＶＲＬＡ電池壽命有很大影響,ＡＧＭ隔板彈性差,組裝時(shí),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(huì)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(zhǎng)循環(huán)壽命的保證。
（9）溫度的影響
高溫對(duì)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(huì)引起負(fù)極失效，溫度波動(dòng)會(huì)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(shí)，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(shí)，電池容量隨溫度降低而減小，電解液溫度降低時(shí)，其粘度增大，離子運(yùn)動(dòng)受到較大阻力，擴(kuò)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(huì)導(dǎo)致負(fù)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(shí)，負(fù)極板容量?jī)H達(dá)35%額定容量。
通常情況下，若在25℃條件下使用時(shí)，蓄電池的壽命為3年，那么30℃條件下使用時(shí)，就下降至2.5年；40℃時(shí)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(chǔ)能VRLA蓄電池的設(shè)計(jì)實(shí)踐
根據(jù)光伏系統(tǒng)用蓄電池的工作條件以及對(duì)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(jìn)行了一系列的研究和技術(shù)改進(jìn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了光伏系統(tǒng)專用VRLA蓄電池。具體改進(jìn)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(zhǎng)，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(yán)重，現(xiàn)在一般做成開口式蓄電池需要定期補(bǔ)水，需要人員定期維護(hù)。
（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(zhǎng)而導(dǎo)致蓄電池?fù)p壞，并增加了板柵的厚度，以延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。現(xiàn)在常用管式正極板柵設(shè)計(jì)，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(fù)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(jìn)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(qiáng)度緊裝配技術(shù)，確保蓄電池緊裝配壓力得以實(shí)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(duì)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(duì)各種材料的雜質(zhì)（如Sb、Fe、Ni等）進(jìn)行嚴(yán)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(fù)極總線腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生。
（7）正負(fù)活性物質(zhì)的配比：針對(duì)光伏系統(tǒng)用儲(chǔ)能VRLA蓄電池的充放電特點(diǎn)，調(diào)整了正負(fù)活性物質(zhì)的配比，提高蓄電池的循環(huán)壽命。
（8）安全閥：對(duì)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(chǎng)，無(wú)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(xiàng)功能檢測(cè)都必須控制在較小的公差范圍內(nèi)，所以采用機(jī)鑄、機(jī)涂、組立機(jī)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(lì)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(shì)所趨，必將高速發(fā)展。而儲(chǔ)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。