VRLA蓄電池在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的研究與應(yīng)用

　　在早期光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般使用開(kāi)口式鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，但開(kāi)口式鉛酸蓄電池有需要加酸加水維護(hù)，酸液易污染環(huán)境等缺點(diǎn)，不利于無(wú)人值守使用及環(huán)保。近些年來(lái)，閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蝕設(shè)備污染環(huán)境，備受歡迎，在我國(guó)電信、電力、鐵路等行業(yè)得到廣泛使用。現(xiàn)在的光伏系統(tǒng)用蓄電池，幾乎全部為VRLA蓄電池。VRLA蓄電池的主要作用有兩點(diǎn)：（1）在晚上或多云及光伏陣列產(chǎn)能和負(fù)載用電不一致等情況下，蓄電池能夠存儲(chǔ)多余能量或給負(fù)載提供能量；（2）由于太陽(yáng)能電池組件的工作特性受太陽(yáng)輻照度、溫度等影響很大，負(fù)載常常不能處在最理想工作點(diǎn)附近。蓄電池對(duì)太陽(yáng)能電池的工作電壓具有鉗位作用，能夠保證負(fù)載處在最理想工作點(diǎn)附近。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光電效應(yīng)原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，通常由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成框圖

　　太陽(yáng)能電池組件的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，供給負(fù)載工作或給蓄電池組充電；控制器的作用是對(duì)蓄電池組的充放電進(jìn)行保護(hù)；蓄電池組用于存儲(chǔ)電能；逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽(yáng)電池組件無(wú)法工作時(shí)，由蓄電池組供電給負(fù)載工作?？梢?jiàn)，蓄電池組在光伏發(fā)電系統(tǒng)中起著相當(dāng)重要的作用。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池特點(diǎn)

　　1 光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池的工作方式

　　蓄電池的工作方式可分為循環(huán)使用和浮充使用兩種。經(jīng)常處于頻繁的充放電工作狀態(tài)，即循環(huán)使用；經(jīng)常處于充電狀態(tài)則為浮充使用，能彌補(bǔ)蓄電池因自放電而造成的容量損失。光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池屬于循環(huán)使用方式。

　　2 光伏系統(tǒng)用蓄電池充放電特性

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池充放電特性一般有4點(diǎn)：（1）白天充電，晚上以及陰、雨天放電；（2）充電倍率低，平均充電電流一般為0.01～0.02C，很少達(dá)到0.1～0.2C；（3）放電電流小，放電倍率通常為0.004～0.05C；（4）一次充電時(shí)間較短，即使長(zhǎng)的時(shí)候僅為約10 h。光伏系統(tǒng)很少能完全、快速地給蓄電池充滿電，蓄電池往往會(huì)處于欠充電狀態(tài)。

　　3 光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池性能要求

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)多建立在邊遠(yuǎn)偏僻的山區(qū)、高原、戈壁，自然環(huán)境十分惡劣，工作環(huán)境溫度變化范圍很大。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(guò)充電能力強(qiáng)；（3）過(guò)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)高海拔地區(qū)的使用環(huán)境；（9）蓄電池組中各蓄電池一致性良好。

　　在早期光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般使用開(kāi)口式鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，但開(kāi)口式鉛酸蓄電池有需要加酸加水維護(hù)，酸液易污染環(huán)境等缺點(diǎn)，不利于無(wú)人值守使用及環(huán)保。近些年來(lái)，閥控式密封鉛酸蓄電池（VRLA）由于密封不漏酸、不腐蝕設(shè)備污染環(huán)境，備受歡迎，在我國(guó)電信、電力、鐵路等行業(yè)得到廣泛使用?，F(xiàn)在的光伏系統(tǒng)用蓄電池，幾乎全部為VRLA蓄電池。VRLA蓄電池的主要作用有兩點(diǎn)：（1）在晚上或多云及光伏陣列產(chǎn)能和負(fù)載用電不一致等情況下，蓄電池能夠存儲(chǔ)多余能量或給負(fù)載提供能量；（2）由于太陽(yáng)能電池組件的工作特性受太陽(yáng)輻照度、溫度等影響很大，負(fù)載常常不能處在最理想工作點(diǎn)附近。蓄電池對(duì)太陽(yáng)能電池的工作電壓具有鉗位作用，能夠保證負(fù)載處在最理想工作點(diǎn)附近。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光電效應(yīng)原理將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電系統(tǒng)，通常由太陽(yáng)能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等組成，如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)組成框圖

　　太陽(yáng)能電池組件的作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，供給負(fù)載工作或給蓄電池組充電；控制器的作用是對(duì)蓄電池組的充放電進(jìn)行保護(hù)；蓄電池組用于存儲(chǔ)電能；逆變器的作用是將直流電變換為交流電。在夜晚或陰雨天，太陽(yáng)電池組件無(wú)法工作時(shí)，由蓄電池組供電給負(fù)載工作。可見(jiàn)，蓄電池組在光伏發(fā)電系統(tǒng)中起著相當(dāng)重要的作用。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池特點(diǎn)

　　1 光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池的工作方式

　　蓄電池的工作方式可分為循環(huán)使用和浮充使用兩種。經(jīng)常處于頻繁的充放電工作狀態(tài)，即循環(huán)使用；經(jīng)常處于充電狀態(tài)則為浮充使用，能彌補(bǔ)蓄電池因自放電而造成的容量損失。光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池屬于循環(huán)使用方式。

　　2 光伏系統(tǒng)用蓄電池充放電特性

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)用蓄電池充放電特性一般有4點(diǎn)：（1）白天充電，晚上以及陰、雨天放電；（2）充電倍率低，平均充電電流一般為0.01～0.02C，很少達(dá)到0.1～0.2C；（3）放電電流小，放電倍率通常為0.004～0.05C；（4）一次充電時(shí)間較短，即使長(zhǎng)的時(shí)候僅為約10 h。光伏系統(tǒng)很少能完全、快速地給蓄電池充滿電，蓄電池往往會(huì)處于欠充電狀態(tài)。

　　3 光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池性能要求

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)多建立在邊遠(yuǎn)偏僻的山區(qū)、高原、戈壁，自然環(huán)境十分惡劣，工作環(huán)境溫度變化范圍很大。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(guò)充電能力強(qiáng)；（3）過(guò)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)高海拔地區(qū)的使用環(huán)境；（9）蓄電池組中各蓄電池一致性良好。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)用鉛酸蓄電池容量的設(shè)計(jì)方法

　　確定蓄電池容量，首先要測(cè)定接入系統(tǒng)的負(fù)載每天需要多少電量；其次根據(jù)氣候條件蓄電池需要存儲(chǔ)多少天的電量。在確定蓄電池容量時(shí)，并不是容量愈大愈好，過(guò)大的電池容量規(guī)模也會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題。這是因?yàn)樵谌照詹蛔銜r(shí)，蓄電池組可能維持在部分充電狀態(tài)，這種欠充電狀態(tài)將導(dǎo)致電池硫酸化增加、容量降低、壽命縮短。蓄電池容量的一般計(jì)算公式為

　　C=E·t/(D·η0·η1) (1)

　　式中，C為蓄電池的容量；E為負(fù)載日平均功耗；t為最長(zhǎng)無(wú)日照用電時(shí)數(shù)；D為VRLA蓄電池允許放電深度；η0為VRLA蓄電池充放電效率；η1為逆變器轉(zhuǎn)換效率。

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)用VRLA蓄電池性能改進(jìn)

　　蓄電池的失效和壽命短是阻礙光伏發(fā)電系統(tǒng)推廣的原因之一。VRLA蓄電池用于光伏系統(tǒng)后壽命會(huì)逐漸縮短，影響其壽命的因素主要有：充電時(shí)間受限，長(zhǎng)期欠充電；小電流放電；過(guò)充電；溫度等。根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏系統(tǒng)對(duì)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)行了一系列性能改進(jìn)。具體改進(jìn)措施包含以下幾方面：
　
　?。?）提高循環(huán)使用壽命。為延長(zhǎng)VRLA電池的循環(huán)使用壽命，板柵合金在板柵與活性物質(zhì)界面形成的腐蝕層導(dǎo)電性應(yīng)良好，板柵應(yīng)具有抗蠕變性能。電池設(shè)計(jì)采用緊裝配，并適當(dāng)提高裝配壓力。

　?。?）提高電池充電接受能力。對(duì)VRLA電池來(lái)說(shuō)，充電不足對(duì)電池的危害比過(guò)充電更嚴(yán)重，所以提高VRLA電池的充電接受能力尤其重要。在負(fù)極鉛膏配方中加入高穩(wěn)定性的膨脹劑和導(dǎo)電性添加劑，提高了充電接受能力。

　　（3）提高過(guò)放電性能。降低硫酸電解液的比重，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(guò)放電性能。

　?。?）采用專(zhuān)用安全閥。對(duì)于高原地區(qū)，由于大氣壓較低，特別調(diào)整了安全閥壓力值。